引用本文
滕德强, 崔振昂, 袁晓婕, 张亮. 北部湾海域表层沉积物中重金属元素分布特征及潜在生态危害评价[J].中国地质调查, 2020,7(6): 79-85.
TENG Deqiang, CUI Zhenang, YUAN Xiaojie, ZHANG Liang. Distribution patterns and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the surface sediments of Beibu Gulf[J].Geological Survey of China, 2020,7(6): 79-85.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2020.06.10
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北部湾海域表层沉积物中重金属元素分布特征及潜在生态危害评价
滕德强, 崔振昂, 袁晓婕, 张亮
广州海洋地质调查局,广州 510075

第一作者简介: 滕德强(1984—),男,工程师,主要从事海洋环境调查研究。Email: 79630136@qq.com。

收稿日期: 2020-06-01
基金资助: 中国地质调查局“海南岛东北部沿海地区综合地质调查(DD20190308)”项目资助
摘要

为深入了解北部湾海域沉积物污染现状及生态风险,分析了Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg 6种重金属元素在北部湾海域表层沉积物中的含量及分布特征,并运用潜在生态危害指数法评价了这些重金属元素对研究区生态系统的潜在危害。结果表明: Cu、Pb、Zn、As、Cd元素含量不高,仅部分站位Hg元素含量高于国家Ⅰ类海洋沉积物标准值; 6种重金属元素在雷州半岛、海南岛西北部以及海南岛南部分布趋势相似,高值区均出现在东方市附近。主成分分析结果表明,重金属来源主要有3个途径,分别是工业及生活排污、农业(农药、化肥等)残留和有机物降解,前3个主成分贡献率分别为47.13%、18.44%和18.35%。单项重金属元素潜在生态风险等级评价结果显示,研究区重金属元素潜在生态风险强弱次序为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn,As、Pb、Cu、Zn和Cd重金属元素潜在生态风险等级为轻微,而Hg潜在生态风险等级达到了强级。多项重金属元素潜在生态危害评价综合分析结果显示,北部湾海域生态风险等级为中等,部分区域生态风险等级达到了强级,特别是昌化江入海口附近地质环境较差,相关部门应予以足够重视。

关键词: 北部湾; 表层沉积物; 重金属; 潜在生态危害
中图分类号:P736;X145 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2020)06-0079-07
Distribution patterns and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the surface sediments of Beibu Gulf
TENG Deqiang, CUI Zhenang, YUAN Xiaojie, ZHANG Liang
Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China
Abstract

The contents and distribution patterns of the heavy metals including Cu, Pb, Zn, Cd, As and Hg in the surface sediments of Beibu Gulf have been analyzed to understand the current pollution situation and the eclogical risk in Beibu Gulf. Hakanson’s Potential Ecological Risk factors and indices were used to assess the potential ecological risk of heavy metals to marine ecosystem in Beibu gulf. The results showed that the contents of Cu,Pb,Zn,As and Cd were low, but in some sites Hg was higher than National Marine Sediments of I Quality Standard. The distribution trend of all the six heavy metals was similar in Leizhou Peninsula, Northwest and South Hainan Island, and the high value zone appeared in the vicinity of Dongfang City. The results of principal component analysis showed that the three major sources of heavy metals contamination were industrial wastewater, agricultural wastewater and degradation of organic matter, with the first three principal components contribution rates of 47.13%, 18.44% and 18.35%. The potential ecological risk of heavy metals for the single element shows that the potential ecological risk order of these heavy metals is Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn.And the potential ecological risk of As, Pb, Cu, Zn and Pb is minor, and the potential ecological risk of Hg is great. The comprehensive analysis of potential ecological risk of heavy metals show that Beibu gulf is of intermediate level, while some areas have reached strong level. The estuary of Changhua River has the lowest sediment environmental quality, and more attention must be paid to these areas.

Keyword: Beibu Gulf; surface sediments; heavy metal; potential ecological risk
0 引言

表层沉积物中重金属元素含量是海洋沉积地球化学表征之一, 蕴含许多海洋地质和环境信息, 能较好地反映该区人类活动对生态环境造成的影响, 是开展地球化学研究和环境评价的基础数据支撑[1, 2, 3]。本文研究区为北部湾海域及其周边主要包括三亚、海南岛西部、海口、广西及雷州半岛沿海等在内的海域, 位于我国南海西北部, 属半封闭海湾, 具有重要的战略地位和地理位置, 特别是海南岛生态文明建设更是国家战略发展的重中之重。近些年, 沿海地区的社会经济快速发展, 人为活动加剧, 对北部湾海域的环境状况产生了深远的影响。表层沉积物中重金属元素含量是反映海域环境的基本要素, 较多研究者对北部湾重金属元素含量进行了一定的研究[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], 但其大部分研究范围仅限于近岸, 纵海尺度较小, 空间面积不大, 不能全方位地分析北部湾海域的沉积环境状况。本文对北部湾海域进行了全方位布点采样, 直观分析了研究区重金属元素的含量及沉积分布特征, 并结合单因子指数法和潜在生态危害指数法[11]对研究区沉积环境进行了分析, 获取了北部湾海域底质环境状况相关数据, 为海南岛生态经济建设提供了可靠的数据支撑。

1 研究区概况

研究区是西、北、东3面环陆的天然半封闭型浅水海湾, 是南海最大的海湾, 周围陆域地势向海方向逐渐降低, 沿海具有典型的滨海丘陵、滨海台地与滨海平原地貌特征。沿岸海湾主要分布于北岸, 较大的有流沙湾、安铺港、铁山港、北海港、钦州湾、防城港、珍珠港和下龙湾等。

该区以正规日潮为主, 局部出现不正规日潮, 其中琼州海峡最为复杂, 分布有不正规半日潮、不正规全日潮和正规全日潮。沿岸河流中的泥沙主要来自流域内被雨水冲刷的土壤。在研究区西北岸和北岸, 有红河、禁江、蓝江、南流江、钦江、北仑河等河流入海, 海南岛西岸有昌化江入海。其中, 以红河径流量和输沙量最大, 是流入北部湾的最大江河, 在河口向海形成红河三角洲[12, 13]。且该区石油天然气资源、生物资源异常丰富, 不仅是油气储存的极佳场所, 还是鱼类、贝类等海洋生物的天然家园, 沿岸还有典型的红树林自然生态保护区。

2 技术与方法
2.1 站位部署

结合海南岛生态文明建设规划需求, 在了解研究区全新世环境演化背景、地质环境特征及生态环境特征后, 借鉴国内外海洋沉积物研究的技术方法进行站位部署。整个研究区覆盖了海南岛西部、广西南部及雷州半岛以东的部分海域, 共布设了66个站位(图1)。沉积物取样技术参考了《海洋监测规范》(GB 17378— 2007)[14]和《海洋地质地球物理调查规范》(GB/T 12763.8.6.3— 2007)[15]等规范。

图1 北部湾研究区及取样站位分布Fig.1 The study area in Beibu Gulf and the distribution of sampling sites

2.2 分析方法及质量控制

沉积物中不同的重金属元素采用不同的测试分析方法, 其中: Cu、Zn和Pb元素采用HNO3-HClO4-HCl体系进行消解, 由美国安捷伦公司生产的7700X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行检测, 参考《海底沉积物化学分析方法》(GB/T 20260.10— 2006)[16]执行; As和Cd元素测试参考《海洋监测规范 第5部分: 沉积物分析》(GB 17378.5.11.1和17378.5.5.1— 2007)[14]中推荐的原子荧光法, 采用AF-610B原子荧光光谱仪检测; Cd元素采用石墨原子吸收法进行测定。所有要处理的样品按总量的10%做平行样测定, 以检验样品处理过程中可能产生的误差。对提取待测元素的提取剂做空白样检测, 用于排除系统误差。内标法测试补偿分析信号的波动以提高测定的精密度和准确度。每10~20个样品插入标样, 用于测试检验仪器运行的稳定性, 测试结果与标样之间的差值比率应小于测量值的5%。对每10~20个样品用同一样品加标来检测加标的回收率, 且标准物质的回收率在80%~125%之间。

2.3 污染评价方法

对表层沉积物中重金属元素污染的评价方法比较多, 本文采用瑞典科学家Hakanson的潜在生态危害指数法[11]对北部湾海域表层沉积物中重金属元素污染程度进行评价。该方法通过单因子指数法得出重金属元素污染系数, 再结合重金属元素的毒性系数, 从而快速、简便地评价重金属元素对生态环境的危害程度。潜在生态危害指数法是通过计算研究区表层沉积物中第i种元素的潜在生态风险系数(Eir)以及研究区表层沉积物中多种元素的潜在生态危害指数(RI)完成的, 二者的计算公式分别表示为

Eri=TriCfi, (1)

RI=∑i=1nTriCfi=∑i=1nTriCsiCni。 (2)

式中: Cif为某一个重金属元素的污染系数(Cif=Cis/Cin); Cis为沉积物中重金属元素i的浓度实测值; Cin为计算所参考的背景值, 背景数据采用工业化以前沉积物中重金属元素含量值(表1)[17, 18]; Tir是重金属元素i的毒性系数[18], 可反映重金属元素的毒性水平以及生物对重金属元素毒性的敏感程度, 直接揭示重金属元素对人体及水生生物的危害程度, Tir定值见表1。

表1 重金属元素背景值( Cni)及毒性系数( Tri)[17, 18] Tab.1 Reference values ( Cni) and toxicity coefficients( Tri)[17, 18] of heavy metals

Eir和RI值对应的潜在生态风险等级见表2[19, 20]。

表2 重金属元素潜在生态风险等级[19] Tab.2 Potential ecological risk levels of heavy metals[19]
3 结果与讨论
3.1 重金属元素含量统计

对北部湾66个站位表层沉积物中6种重金属元素(Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg)含量进行统计分析, 结果见表3。

从最大值与最小值之比看, Pb、Cd最大值与最小值之比较小, 在2~3之间, Cu、Zn和As最大值与最小值之比相对较大, 在5~8之间, 而Hg的最大值与最小值之比最大, 高达56; 从变异系数看, Cu、Pb、Zn、Cd、As 5种重金属元素在区内的变异系数均小于0.4, 且平均值和中位数值均较为接近, 说明这5种重金属元素在空间分布上较为均匀, 离散性较小, 而Hg变异系数较大, 分布最为分散; 从沉积物含量上看, 几乎所有站位各元素的含量值均低于国家Ⅰ 类海洋沉积物标准值[17]。因此, 除Hg以外, 其余重金属元素在研究区内的分布受人类活动影响不大。

表3 研究区表层沉积物中重金属元素含量统计 Tab.3 Statistics of heavy metals contents in surface sediments of the study area
3.2 重金属元素分布特征

Cu、Pb、Zn、As、Cd、Hg 6种重金属元素分布特征如图2所示。

(1)Cu调查结果显示(图2(a)), 最高值出现在雷州半岛近岸的42号站位, 含量为28.2 mg/kg, 并在雷州半岛近岸及海南岛西北部形成高值区, 由近岸到远岸含量呈逐渐降低的趋势, 而海南岛南部的Cu含量却由西向东逐渐增加。

(2)Pb调查结果显示(图2(b)), 最高值出现在海南岛西北近岸的8号站位, 含量为38 mg/kg, 最大值与最小值之比为2.1 , 说明Pb含量在整个研究区变化幅度较小, 分布较为均匀, 且分布趋势与Cu相似。

(3)Zn调查结果显示(图2(c)), 最高值也出现在海南岛西北近岸的8号站位, 含量为110 mg/kg, 在雷州半岛近岸、海南岛西北部及三亚远岸的局部地区含量较高, 低值区主要集中在海南岛西南部, 其分布趋势与Cu相似。

(4)As调查结果显示(图2(d)), 最高值出现在20号站位, 含量为15.5 mg/kg, 在东方市西南近岸形成局部高值区, 尽管最大值与最小值之比大于7, 但整体含量不高, 均低于国家Ⅰ 类海洋沉积物标准值。

(5)Cd调查结果显示(图2(e)), 平均含量为0.06 mg/kg, 最高值出现在东方市近岸的46号站位, 整个研究区Cd含量不高, 大部分站位均低于0.04 mg/kg, 仅在46号、3号以及63号站位形成局部高值区, 其他区域含量比较低, 分布特征与Cu相似。

(6)Hg调查结果显示(图2(f)), 最高值出现在东方市北部近岸的45号站位, 最大值与最小值之比为56, 变异系数达到77%, 分布较不均匀, 在东方市西北近岸形成高值区, 且由近岸到远岸Hg含量有逐渐降低的趋势, 但在海南岛南部由西向东含量逐渐增加。

图2 表层沉积物中重金属元素分布特征Fig.2 Distribution patterns of heavy metals in surface sediments

从上述分析可以看出, 这6种重金属元素在雷州半岛、海南岛西北部以及海南岛南部分布趋势相似, 在雷州半岛和海南岛西北部这6种重金属元素含量由近岸到远岸呈降低趋势, 在海南岛南部, 由西向东含量逐渐增加。在海南岛西南部, Cu、Pb、Zn、Cd这4种重金属元素含量由近岸到远岸呈增加趋势, 主要原因是受对岸越南红河三角洲的影响, 该区有红河、禁江、蓝江等入海河流, 每年有大量泥沙、生活污水及工业废水入海[12, 13], As和Hg由近岸到远岸含量呈降低趋势。雷州半岛东南部各重金属元素含量近岸明显高于远岸, 这主要是受雷州半岛东部海湾的影响, 此区部分海湾已经成为运输港或渔港, 导致其近岸重金属含量明显高于远岸。此外, 在东方市近岸这6种重金属元素含量均较高, 特别是Hg, 其含量在东方市近岸明显高于国家Ⅰ 类海洋沉积物标准值, 表明附近海域在一定程度上受到了人类活动的影响, 这与该区地处昌化江入海口的地理位置有较强的相关性, 昌化江作为海南岛第二大河流, 每年在中、下游均有大量工业废水和生活污水排放。

3.3 重金属元素来源分析

表4为北部湾海域表层沉积物主成分分析结果, 总共有6个评价因子。

表4 主成分分析结果统计 Tab.4 Calculated results of the principal component analysis

第一主成分的贡献率达到47.13%, 特点是因子变量在Cu、Zn和Pb上有较高载荷, 载荷分别为0.948、0.956和0.846, Cu和Zn主要来自近岸的工业及生活排污[21, 22], 表5重金属元素相关性分析结果显示Cu、Zn和Pb具有较强的相关性, 表明Pb与Cu、Zn元素的输入具有同源性, 因此, 第一主成分表征了Cu、Zn和Pb主要来源于工业及生活污水排放。第二主成分的贡献率为18.44%, 重金属元素As的载荷较高, 为0.964, 但元素As在自然界中含量较少, 主要存在于化肥和农药中[21], 因此, 第二主成分表征了农药和化肥的残留对沉积物的影响。第三主成分的贡献率为18.35%, 重金属元素Cd和Hg的载荷较高, 由于沉积物中的有机物在降解过程中能够释放Hg, 而Cd主要来源于工业及生活排污[21, 22], 因此, 第三主成分表征了有机物降解、

表5 重金属元素间相关系数 Tab.5 Correlation coefficients of each heavy metal

工业及生活排污是沉积物中Hg、Cd的主要来源[22]。前3个主成分累计贡献率达到83.92%, 表明分析前3个主成分便可获取研究区重金属元素大部分来源信息。分析结果表明重金属元素来源主要有3个途径, 分别是工业及生活排污、农业(农药、化肥等)残留和有机物降解。

3.4 潜在生态危害评价分析

依据单项重金属元素潜在生态风险等级评价, 对北部湾海域表层沉积物中重金属元素进行了潜在生态风险等级分析(表2、图3(a))。结果显示, 生态风险强弱次序为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn, 其中Cu、Pb、Zn、Cd和As 5种重金属元素潜在生态风险系数( Eir)的均值小于40, 这5种重金属元素的潜在生态风险等级为轻微, 仅Hg的潜在生态风险等级为强级(Eir=115.37), 最大值出现在45号站位(Eir=448), 潜在生态风险等级达到了极强。有21个站位的潜在生态风险等级为很强, 占站位总数的32%; 强潜在生态风险站位有14个, 占站位总数的21%; 中等潜在生态风险站位有8个, 占站位总数的12%; 22个站位的潜在生态风险等级为轻微, 占总站位数的33%。多项重金素元素潜在生态危害指数(RI)(表2、图3(b))综合分析结果显示, 中等潜在生态风险的站位有27个, 强潜在生态风险的站位有9个, 分别为位于雷州半岛东部的30、33号站位、海南岛南部的50、54、59、62、65号站位和昌化江入海口的45、46号站位, 其中45号站位的潜在生态危害指数最高(RI=490.21)。

图3 北部湾海域表层沉积物中重金属元素潜在生态风险系数(Eir)和潜在生态危害指数(RI) (a) 潜在生态风险系数(Eir) (b) 潜在生态危害指数(RI)Fig.3 Eir and RI of heavy metals in surface sediments of Beibu gulf

综上, 北部湾海域表层沉积物中重金属元素对生态系统有一定的影响, As、Pb、Cu、Zn及Cd的危害程度较小, 对生态系统危害较为显著的是Hg, 地质环境受危害最大的区域在昌化江入海口附近, 其次, 雷州半岛东部及海南岛南部也受到了一定的影响, 相关部门应予以重视。

4 结论与建议

(1)Cu、Pb、Zn、As、Cd在北部湾海域受人类活动影响较小; Hg离散型较大, 部分站位的含量超过国家Ⅰ 类海洋沉积物标准值, 表明Hg含量受到了人类活动的影响。

(2)Cu、Pb、Zn、As、Cd和Hg 6种重金属元素在雷州半岛、海南岛西北部以及海南岛南部分布趋势相似, 在雷州半岛和海南岛西北部由近岸到远岸含量呈降低趋势, 在海南岛南部, 由西向东含量逐渐增加; 6种重金属元素高值区均出现在东方市附近; 在海南岛西南部, Cu、Pb、Zn、Cd含量由近到远逐渐增加, As、Hg含量由近到远逐渐降低。

(3)主成分分析结果显示, 前3个主成分贡献率分别是47.13%、18.44%和18.35%, 累计贡献率达到83.92%, 表明重金属来源主要有3个途径, 分别是工业及生活排污、农业(农药、化肥等)残留和有机物降解。

(4) 单项重金属元素潜在生态风险等级评价结果显示, 研究区重金属元素潜在生态风险强弱次序为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn, As、Pb、Cu、Zn和Cd重金属元素潜在生态风险等级为轻微, 而Hg对整个海域的危害程度最大, 潜在生态风险等级达到了强级。多项重金属元素潜在生态危害评价结合分析结果显示, 北部湾海域生态风险等级为中等, 部分区域生态风险等级达到了强级, 特别是昌化江入海口附近地质环境较差, 相关部门应予以足够重视。

(责任编辑: 刘丹)

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