洋浦港表層沉積物重金屬分布特征及污染評價

李 娟,郭鵬程,陳石泉

(1.海南國為億科環境有限公司,海南 ?？?570100;2.海南省海洋與漁業科學院,海南 ?？?570125)

引 言

沉積物是有機質的主要存儲庫,通過化學或生物過程維持著生態系統的健康和平衡[1-3]。但人類活動使許多重金屬和持久性有機污染物累積于其中,直接或間接導致了生物多樣性的減少,對生態系統的健康和安全帶來一定危害[1,4-5]。由于累積作用,在受重金屬污染的體系中,沉積物中的重金屬含量比水相中的高,且具有一定的分布規律[6-7]。近年來,學者們對海南島部分港灣如鐵爐港[8]、老爺海[9]、新村港[10]等海域表層沉積物重金屬分布特征及污染進行了監測和評價,但鮮有對洋浦港海域的相關研究報道。

洋浦港開港于1991年1月,30余年來,隨著洋浦港洋浦港區和神頭港區的重點建設,人類活動對洋浦港海域生態環境的影響不容忽視。本研究通過對洋浦港海域表層沉積物中銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、硫化物、總碳(TOC)及石油類的含量進行測定,分析其含量分布特征及同源相關性,評價其地累積指數和潛在生態風險程度,旨在為洋浦經濟開發區可持續發展及洋浦港海域生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域為洋浦港海域,平均氣溫24.3 ℃,平均降雨量1 945.5 mm;區域內分布有紅樹林、珊瑚礁及海草資源,其中紅樹自然林主要分布于夏蘭村和鹽丁村周邊區域,呈不規則塊狀或片狀分布,紅樹人工林主要分布在下浦村至峨蔓村之間的灣流區域;珊瑚礁主要分布于大鏟礁(磷槍石島)附近以及排浦-南華墟沿岸,在小鏟灘碼頭周邊零星分布;海草資源分布在?；◢u往東北方向600 m海域(新英灣口門外南側區域),為一小片卵葉喜鹽草群落。

2021年5月,在洋浦港海域布設15個沉積物取樣站位,涵蓋洋浦港區和神頭港區海域,采集表層沉積物進行測樣,分析區域沉積物重金屬及硫化物、TOC、石油類等分布特征,評價其污染情況(圖1)。

圖1 洋浦港沉積物調查站位圖

1.2 樣品分析

沉積物樣品采集、保存、制備和前處理均按照《海洋監測規范》(GB 17378.5—2007)和《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)的要求進行。使用抓斗式采泥器采集樣品,80～100 ℃烘箱內烘干。用HLXPM型瑪瑙三頭研磨機進行研磨粉碎,WX-4000型微波消解儀進行消解。樣品中Cu、Pb、Zn、Cd及Cr含量采用無火焰原子吸收分光光度法測定,Hg及As含量采用原子熒光法測定,TOC含量采用重鉻酸鉀氧化-還原法測定,硫化物含量采用亞甲基藍分光光度法測定,石油類含量采用紫外分光光度法測定。

1.3 數據處理及評價

洋浦港海域表層沉積物各監測因子利用軟件IBM SPSS Statistics 27.0進行相關性分析,采用軟件ArcGIS10.7繪制空間分布圖。采用變異系數、地累積指數及潛在生態危害指數法對沉積物重金屬及硫化物、TOC、石油類等因子進行評價。

1.3.1 地累積指數

地累積指數法用于研究沉積物及其它物質中重金屬的污染程度,該方法考慮了人為污染因素、環境地球化學背景值及自然沉巖作用[11]。計算公式如下:

(1)

式中,Igeo為地累積指數;Ci為重金屬i的實測值(mg/kg);K為修正指數,一般取1.5;Bi為重金屬i的地球化學背景值(mg/kg),Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg的Bi值分別為15、20、65、0.065、61、7.7和0.025[12]。

1.3.2 潛在生態危害指數法

瑞典科學家Lars Hakanson提出的沉積物重金屬污染潛在生態危害指數法消除了區域差異和異源污染的影響,并給出了潛在生態危害指數的定量劃分,目前已廣泛應用于沉積物的重金屬污染評價[13]。根據Lars Hakanson提出的潛在生態危害指數法對洋浦港海域表層沉積物重金屬潛在生態危害程度進行評價。計算公式如下:

(2)

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 洋浦港表層沉積物中環境因子分布特征及含量評價

洋浦港海域表層沉積物中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、硫化物、石油類及TOC的含量范圍分別為6.4～22.1 mg/kg、43.2～100 mg/kg、0.07～0.2 mg/kg、24.8～71.5 mg/kg、10.8～35.2 mg/kg、0.003～0.1 mg/kg、5.5～11 mg/kg、1.3～8.2 mg/kg、10.5～361 mg/kg及0.56%～1.1%,平均值分別為17、82.4、0.09、54.9、24.4、0.032、8.57、3.9、18 mg/kg及0.96%。根據洋浦港海域沉積物各因子空間分布特征(圖2)分析可見,Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、TOC含量新英灣-洋浦灣外大于灣內;As含量新英灣-洋浦灣內外均有高值區出現;Hg含量在洋浦港區和神頭港區內高于區外;硫化物、石油類含量在洋浦港近岸高于遠岸。

圖2 洋浦港表層沉積物中各因子空間分布圖

變異系數分析結果表明,各因子空間波動程度的順序依次為石油類>Hg>硫化物>Cd>Pb>Cu>Cr>As>Zn>TOC。石油類的空間變異系數最大為4.87,石油類的空間分布明顯不均勻,波動程度大,空間離散性大;其次為Hg和硫化物,空間變異系數分別為0.72和0.52,這表明Hg和硫化物的空間分布不均勻,波動程度較大,空間離散性較大;而Cd、Pb、Cu、Cr、As、Zn、TOC的空間變異系數均小于0.4,尤其是有機碳的空間變異系數僅為0.17,這表明Cd、Pb、Cu等7個因子空間分布較均勻,波動程度不大,空間離散性相對較小。

《海洋沉積物質量》(GB 18668—2002)和美國NOAA污染物生態風險閾值(沉積物質量基準值)列于表1[9],洋浦港海域沉積物中各因子含量的結果顯示,各點位中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、硫化物、石油類及TOC的最大值均小于《海洋沉積物質量》(GB 18668—2002)一類標準。各點位中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg含量均小于ERL基準值;As含量最大值為11 mg/kg,60%點位超過ERL基準值?？傮w來說,洋浦港海域沉積物質量較好,Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg極少對生物產生負效應,As可能對生物產生負效應,應加強沉積物中As的監測和預警,預防對海洋生物的影響。

表1 洋浦港表層沉積物中各因子含量的統計特征

2.2 地累積指數評價

由表2可知,Cu、Cr及As在調查點位的Igeo值均為負值,污染等級為0,為無污染狀態。Zn的Igeo為-1.17～0.04(均值為-0.28),Zn為無污染狀態,其中,無污染、輕度污染的調查點位為93%、7%。Pb的Igeo為-1.47～0.23(均值為-0.38),Pb為無污染狀態,其中,無污染、輕度污染的調查點位為67%、33%。Hg的Igeo為-3.64～1.42(均值為-0.62),Hg為無污染狀態,其中,無污染、輕度污染的調查點位為80%、20%。Cd的Igeo為-0.48～1.04(均值為0.2),處于輕度污染,其中,無污染、輕度污染和偏中度污染的調查點位為13%、80%和7%。7種重金屬Igeo排序為Cd>Zn>Pb>As>Cu>Hg>Cr。洋浦港附近海域表層沉積物總體污染程度為輕度污染,Cd為主要污染因子。

表2 洋浦港表層沉積物重金屬地累積指數

2.3 重金屬潛在生態危害評價

潛在生態危害指數分析結果顯示,研究區設置的15個監測站位內有12個站位RI<150,重金屬污染程度為輕微生態危害,占總站位的80%;有3個站位150

表3 洋浦港表層沉積物中單一重金屬潛在生態危害系數與多種重金屬潛在生態危害指數(RI)

表4 洋浦港表層沉積物中重金屬潛在危害指數

2.4 相關性分析

對洋浦港15個站位表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg及As等7種重金屬元素含量調查數據進行統計及相關性分析(表5),結果表明:Cu與Zn、Cr、Pb、TOC呈極顯著正相關,相關系數分別為0.881、0.844、0.826及0.734;Zn與Cr、Pb、TOC呈極顯著正相關,相關系數為0.921、0.954、0.790;Cd與Hg呈極顯著正相關,相關系數為0.667;Cr與Pb、TOC呈極顯著正相關,相關系數為0.867、0.764;Pb與TOC呈極顯著正相關,相關系數為0.732。

根據相關性分析結果,并結合前述洋浦港表層沉積物中環境因子分布特征,洋浦港海域表層沉積物Cu、Zn、Cr、Pb、TOC的來源相同,可能主要受地形、潮流、沉積物粒度等自然因素和人為因素的共同影響;Cd與Hg的來源相同,可能主要受工業污染影響;As、硫化物、石油類與其他因子之間的相關性較低或不相關,其中,As可能主要來源于洋浦港及周邊工業廢水、生活污水、海水養殖污水的排放,硫化物和石油類可能來源于陸源污染。

3 結論

(1)洋浦港海域表層沉積物中Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、TOC含量新英灣-洋浦灣外大于灣內,As含量新英灣-洋浦灣內外均有高值區出現,Hg含量在洋浦港區和神頭港區內高于區外,硫化物、石油類含量洋浦港近岸高于遠岸。各因子空間波動程度的順序依次為石油類>Hg>硫化物>Cd>Pb>Cu>Cr>As>Zn>TOC。洋浦港海域沉積物質量較好,Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg極少對生物產生負效應,As可能對生物產生負效應,應加強沉積物中As的監測和預警。

(2)7種重金屬地累積指數排序為Cd>Zn>Pb>As>Cu>Hg>Cr,洋浦港附近海域表層沉積物總體污染程度為輕度污染,Cd為主要污染因子。

(3)洋浦港海域總體上重金屬污染程度為輕微生態危害。7種重金屬的潛在生態風險大小依次為:Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn,其中Hg和Cd屬于中等生態危害,其他As、Pb、Cu、Cr、Zn等5種重金屬屬于輕微生態危害,需進一步加強洋浦港沉積物中Hg和Cd的監測和預警。

(4)Pearson相關性分析表明,洋浦港周邊海域表層沉積物Cu、Zn、Cr、Pb、TOC的來源相同,可能主要受地形、潮流、沉積物粒度等自然因素和人為因素的共同影響;Cd與Hg的來源相同,可能主要受工業污染影響;As、硫化物、石油類與其他因子之間的相關性較低或不相關,其中,As可能主要來源于洋浦港及周邊工業廢水、生活污水、海水養殖污水的排放,硫化物和石油類可能來源于陸源污染。