長島海域沉積物污染物時空分布特征及生態風險評價

王立明,張娟,劉元進,馬元慶,由麗萍,趙玉庭,劉繼晨,齊延民

(山東省海洋資源與環境研究院 煙臺 264006)

0 引言

海洋沉積物是海洋環境演化的信息介質,海洋生態系統的重要組成部分。表層沉積物能夠在一定程度上反映過去一段時間各種海洋地球生物化學過程對海洋生態系統的影響,通過對沉積物中元素的來源分析我們可以對人為污染加以鑒別,并提出相應的解決方案[1-2]。為及時了解沉積物污染和對海域的污染現狀,有必要對沉積物中污染物的分布進行監測及其潛在生態風險進行評估[3-6]。

海島一般離大陸較遠,是相對獨立的生態系統,兼有陸地和海洋的生態系統特征,具有多種生態功能(鳥類等珍稀動植物棲息地等)和經濟價值(海水養殖、旅游開發),存在具有不可替代的生態價值[7],海島生態功能直接影響海島的可持續發展[8]。長島海洋生態文明綜合試驗區位于黃海與渤海交匯處,是我國重要的海水養殖基地之一,是中國的“扇貝之鄉”。長島海域有多條水道,同時旅游業發達,隨著養殖業、航運和旅游業的迅速發展,長島海洋環境發生了一定程度的變化[9]。當前,對長島海域的研究主要集中在生物多樣性等方面[10],對海洋沉積物環境研究甚少。

本研究分析了長島海域的表層沉積物中有機碳、硫化物等理化指標和As、Cr等重金屬指標的分布特征,在此基礎上對各種污染物進行污染程度評價和潛在生態風險評估,分別采用了單因子指數法和Hakanson潛在生態風險指數法。為今后長島海洋生態文明綜合試驗區的海域開發與環境保護提供一定的數據支撐。

1 調查與方法

1.1 調查時間與站位

調查時間:2018年8月;調查站位:在長島海域共布設49個沉積物監測站位(圖1)。

圖1 長島近岸海域調查站位Fig.1 Sampling stations in the Changdao County

1.2 調查項目與分析方法

根據《海洋調查規范》(GB/T12763-2007)[11]和《海洋監測規范》(GB17378-2007)[12]的標準進行沉積物樣品的采集、預處理和儲存等工作。采集表層沉積物樣品后,經50℃烘干后研磨,過200目篩備用;Cd、Pb、Zn、Cu、Cr及類金屬As的分析依據《海洋監測技術規程》(HY/T 147-2013)[13]的規定進行,采用電感耦合等離子體質譜法測定;Hg、硫化物、有機碳、石油類分析依據《海洋監測規范》(GB17378-2007)[12]的規定進行,分別采用原子熒光法、亞甲基藍分光光度法、重鉻酸鉀氧化-還原容量法和紫外分光光度法測定。

1.3 數據統計及評價方法

1.3.1 單因子指數法

單因子指數法是一種較為簡便的確定水質污染程度的方法,計算公式如下:

式中:P i為某污染物的污染指數;C i為某污染物的測定值;S i為某污染物的標準值。沉積物中污染物含量評價標準采用海洋沉積物質量[14]一類標準值(表1)。當P i≤1.0時,沒有受到污染;當P i＞1.0時,受到污染。

表1 海洋沉積物質量第一類標準Table 1 Class I standard for marine sediment quality

1.3.2 潛在生態風險指數法

綜合潛在生態風險指數法,可進行多種污染物對沉積物環境造成的綜合影響的評估。計算公式為:

式中:E n i為重金屬i的潛在生態風險指數;T n i為重金屬i的毒性系數;S n i和C n i分別為重金屬i的實測值和背景值;RI為n種重金屬污染元素的綜合潛在生態風險指數。選擇渤海沉積物中的重金屬含量[15]作為背景值,Hakanson法中有毒污染物的毒性系數[16]及背景值見表2。

表2 Hakanson法中各種重金屬元素的毒性系數及背景值Table 2 Toxicity coefficient and background value of heavy metal elements in Hakanson method

在綜合潛在生態風險指數法的原始評價方法中包括7種重金屬元素和多氯聯苯(PCB),本次調查污染物種類不包括PCB,因此依據各污染因子所占權重值相應調整了標準值[17],表3顯示調整后的RI分級標準。

表3 潛在生態風險劃分標準Table 3 Grade standard of potential ecological risk

2 結果與討論

2.1 長島表層沉積物典型污染物平面分布特征

49個站位表層沉積物污染物的測定及統計結果見表4,硫化物、有機碳、石油類、Hg、Cd、Pb、Cu、As、Cr和Zn 含量平均值分別為(40.0±45.0)mg/kg、(0.359± 0.143)%、(86.8 ± 43.5)mg/kg、(0.0211±0.0030)mg/kg、(0.146±0.034)mg/kg、(11.20±1.86)mg/kg、(15.90±3.17)mg/kg、(13.50±2.72)mg/kg、(38.40±4.86)mg/kg 和(36.30±2.85)mg/kg。理化特征污染物的硫化物、石油類、有機碳的變異系數較大,分別為112.5%、50.2%和39.8%,表明這3種元素在長島海域的空間分布有顯著差異性,可能是由于各種自然及人為等因素的綜合響應不同導致的。7 種重金屬的空間分布較理化特征污染物更為均勻,其變異系數均不超25.0%。各種重金屬含量與長島潮間帶[9]和長島西側的萊州灣海域[1,17]重金屬含量基本一致。

表4 長島表層沉積物污染物含量統計Table 4 The content of pollutants in surface sediments of Changdao County

整體上重金屬及硫化物、有機碳的含量呈現近島區域高于遠島區域的特點,可能與人類活動有著密切的關系(圖2)。石油類高值區較為分散,可能與長島海域有較多航運及旅游船只有關。有機碳在長島東側海域較高,可能與該海域的筏式養殖、網箱養殖等有關。

圖2 長島海域沉積物中污染物平面分布Fig.2 Distribution of potential pollutants in surface sediments of Changdao County

2.2 長島表層沉積物污染程度分析

表層沉積物污染物的單因子指數見表5,各種污染物在每個站位的單因子污染指數均小于1,均屬于低污染水平;所有污染物均符合海洋沉積物質量標準中的一類標準,沉積物質量等級為良好。單因子指數P平均值從大到小依次排列為:As、Cr、Cu、Cd、Zn、Pb、有機碳、石油類、硫化物和Hg,其中93.9%的站位As污染指數在0.5以上,30.6%的站位Cr污染指數在0.5以上,34.7%的站位Cu污染指數在0.5以上,4.1%的站位硫化物污染指數在0.5以上,重金屬污染狀況較硫化物、有機碳和石油類等理化指標污染狀況嚴重。

表5 長島表層沉積物污染物單因子指數Table 5 Evaluation results of pollutants in surface sediments of Changdao County by single factor index method

2.3 長島表層沉積物重金屬潛在生態風險評價

依據生態風險指數法公式計算的綜合潛在生態風險指數見表6,各元素潛在生態風險指數E從大到小依次排序為:Cd、Hg、As、Pb、Cu、Cr和Zn。Cd的潛在生態風險指數E介于20.0～45.2之間,平均值為32.1±7.4,為低生態風險水平至中生態風險水平,11個站位的潛在生態風險指數中,Cd(E＞40)占比22.45%,為中生態風險;其余6種重金屬元素(E＜40),其污染風險較低,為低潛在風險;由于Cd在部分站位沉積物中有較多含量以及易在生物體中累積,Cd的E值偏大,Hg次之,由于Hg生物毒性較強,E值在16.1%～36.5%之間,平均值為25.3%。需要密切關注重金屬Cd 和Hg 的環境變化。

表6 長島表層沉積物中潛在生態風險指數值Table 6 The results of potential ecological risk index in surface sediments of Changdao

綜合潛在生態風險指數(RI)范圍52.1～82.0,平均值67.6±7.3;全部站位的綜合潛在生態風險指數RI＜105,均屬于低生態風險,與長島潮間帶重金屬潛在生態風險一致[9];Cd是長島海域表層沉積物中主要潛在生態風險因子,對綜合潛在生態風險指數的平均貢獻率為47.0%,需給予更多的關注。

如圖3所示,沉積物中7種重金屬RI較高的區域主要集中在長山島沿岸海域及廟島群島的西側海域,沿岸海域高的分布規律可能與長島沿岸的生活污水排放、海洋開發等活動以及陸源輸入密切相關。西部海域重金屬含量比東部高,可能主要是西部靠近龍口且受到煤礦等礦產資源開發的影響,這與趙玉庭等[18]、杜國云等[19]的研究結果相一致。

圖3 長島表層沉積物重金屬綜合潛在生態風險指數(RI)分布Fig.3 Spatial distribution of potential ecological risk of heavy mentals in surface sediment of Changdao County

2.4 長島表層沉積物污染元素相關性關系分析

對重金屬污染元素之間以及重金屬污染元素與理化污染物的相關性研究,對了解沉積物中重金屬污染元素的分布狀況、污染來源及遷移規律具有重要意義。利用統計軟件SPSS19 可以分析長島表層沉積物重金屬污染元素之間以及與其他理化污染物的相關性。從表7可以得出,硫化物與有機碳、As存在顯著正相關關系,石油類和Pb呈現顯著正相關,Cd和Hg、Cr呈現顯著負相關。

表7 各環境因子間Pearson相關系數Table 7 Pearson correlation coefficient between environmental factors

一方面沉積物有機碳含量是制約沉積物重金屬含量的重要參數[18,20],而長島近岸海域中有機碳與重金屬各元素相關系數較小,說明有機碳與重金屬的來源不同,長島近岸海域劃分了較多的海水養殖區域,集約化的網箱養殖、筏式養殖及陸域工廠化養殖為主要的海水養殖模式,養殖生物的排泄物可導致海域沉積物有機碳含量較高[21];另一方面沉積物中重金屬含量受環境背景的控制和影響,石油類與Pb存在顯著正相關關系。研究顯示,近岸海域不僅受自然因素的影響,化石燃料燃燒隨大氣沉降、人類工業和農業生產產生的污染物都能成為海洋沉積物中重金屬的重要來源。有學者研究認為交通排放對Cu 和Pb 的貢獻分別為29.9%和24.2%[22],長島海域是重要的航運和海上旅游業區,海上航行船只較多,是溢油事故高風險區[23],多年的石油類沉積及燃油燃燒排放,可能導致沉積物石油類與Pb存在顯著正相關關系。

2.5 基于主成分分析方法重金屬污染物來源分析

主成分分析計算結果(表8)表明,長島海域表層沉積物中10種污染物的全部信息可由3個主成分(特征值:1.861+1.610+1.362=4.833個變量)反映(48.323%),即對前3個主成分進行分析已經能夠反映出監測數據的大部分信息。

表8 主成分分析主要計算結果Table 8 The main calculated results of principal component analysis

重金屬污染主要來源于河流輸入、工業污染物、礦石開采污染、海上交通排污、大氣沉降、港口疏浚物[24-27]等。通過表8可以得知,第一主成分的貢獻率為18.607%,顯著的特點表現為Cd、Pb、Zn和石油類等因子變量具有較高的正載荷;48、40、6、5、20、22 站位的第一主成分得分最高,6、5、20、22站位基本位于北部海域,48、40站位位于蓬萊近岸海域附近,因此,第一主成分反映大氣沉降、海上交通排污等帶來的污染狀況。

第二主成分的貢獻率為16.1%,顯著的特點表現為Cu、Zn、Cr和有機碳等因子變量具有較高的正載荷,可以推斷Cu、Zn、Cr在沉積物中以金屬有機螯合物存在的可能性較大。36、19、14、45、44站位的第二主成分得分較高,站位基本位于島嶼近岸海域及島嶼西側養殖區海域,主要反映周邊區域的養殖面源、生活污水污染等狀況。

第三主成分的貢獻率為12.08%,顯著的特點表現為Hg、Pb和石油類等因子變量具有較高的正載荷,39、29、41、6、5、2 站位的第三主成分得分較高。39、29、41站位基本位于航道及碼頭附近,從表7可以看出Pb與石油類呈顯著的正相關性,由此可以推斷,石油類在降解過程中釋放金屬離子Pb是沉積物中Pb的來源之一,反映海上交通排污狀況;6、5、2站位基本位于長島西部海域,反映龍口煤礦和金礦等礦產資源開發等排污狀況。

3 結論

(1)長島表層沉積物中各種金屬含量分別為:Cr38.4 mg/kg、Zn 36.3 mg/kg、Pb 11.2 mg/kg、Cu 15.9 mg/kg、As 13.5 mg/kg、Cd 0.146 mg/kg、Hg 0.0211 mg/kg、硫化物40.0 mg/kg、石油類86.8 mg/kg,有機碳平均含量為0.359%;單因子指數P由大到小依次排列為:As、Cr、Cu、Cd、Zn、Pb、有機碳、石油類、硫化物、Hg,重金屬污染元素污染情況較理化污染指標嚴重。

(2)全部站位綜合潛在生態風險指數RI＜105,均屬低生態風險;Cd(E＞40),對綜合潛在生態風險指數的貢獻率最高,為主要潛在生態風險因子;除Cd之外其他重金屬污染元素均屬于低潛在生態風險,污染風險較小。

(3)長島海域表層沉積物中重金屬污染元素的主要來源包括:①大氣沉降、海上交通排污帶來的重金屬污染;②周邊區域的養殖面源、生活污水污染等帶來的重金屬污染物狀況;③煤礦和金礦等礦產資源開發等重金屬污染。