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探讨海域沉积物重金属分布特征、污染状况及潜在生态风险

2020-07-02 397 上传者：管理员

摘要：为了解山口红树林生态自然保护区海域沉积物重金属的污染特征,于2018年1—2,6—8月采集表层沉积物,分析了沉积物中铜、锌、铅、镉、铬、汞、砷的含量。采用单因子污染指数评价法和潜在生态风险指数法进行重金属污染现状和生态风险评价。根据《海洋沉积物质量》GB18668—2002一类标准评价结果,干季、湿季超标的环境因子均为油类、有机碳、硫化物,其余环境因子均小于1,有较大的环境容量。根据潜在生态风险评价结果,干季、湿季各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150,沉积物重金属的潜在生态风险程度较轻,属于低风险范畴。

关键词：
山口红树林生态自然保护区
海洋保护
潜在生态风险评价
重金属
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山口红树林生态保护区地处亚热带,位于广西合浦县沙田半岛东西两侧,海岸线共50km,总面积8000hm2,是我国第二个国家级红树林自然保护区。它由该半岛东侧和西侧的海域、陆域及全部滩涂组成。东侧是火山灰发育的土壤,滩涂淤泥肥沃,红树林生长特别茂盛。西岸滩涂全为淤泥质,适宜红树林生长。这里是我国大陆海岸发育较好、连片较大、结构典型、保存较好的天然红树林分布区。区内的红树林是我国大陆海岸红树林典型代表,是发育良好,结构独特,连片较大,保存较完整的天然红树林[1]。

沉积物是重金属污染物的载体和“蓄积库”,在水-沉积物体系中,沉积物是污染物比较稳定的归宿,也是与水体进行物质交换的界面,许多物理化学过程和生物化学过程都通过这个界面进行。重金属一旦参与食物链循环并最终在生物体内积累,将会破坏生物体正常生理代谢活动。此外通过生物富集和放大作用,重金属会对整个近岸海域生态系统构成直接或间接的威胁[2,3]。重金属是主要的环境污染物,具有蓄积性、持久性和生物毒性等特点[4,5,6]。沉积物是海洋环境中重金属的“源”和“汇”。沉积物重金属的自然来源有矿化、侵蚀、火山爆发等,人为来源则包括工业活动、污水排放、采矿、冶炼等[7,8]。沉积物重金属的生物毒性或潜在生态风险是当前水环境重金属研究的热点问题之一[9]。对该海域沉积物重金属分布特征、污染状况及潜在生态风险进行评价,以期为该保护区的海洋环境保护和海洋资源可持续利用提供参考。

1、材料与方法

1.1样品采集

在山口国家级红树林生态自然保护区的3个海区(丹兜海、英罗港、马鞍岭)布设C1～C5断面,每条断面垂直于岸线,分别在高潮带、中潮带和低潮带设置1个站位,共15个站位。分别在2018年1—2、6—8月进行干、湿两季调查。

1.2样品分析方法

调查海域沉积物监测内容包括汞、砷、铜、锌、铅、镉、铬共7项。铜、锌、铅、镉、铬采用原子吸收分光光度法测定,汞、砷采用原子荧光法测定。样品的采集、贮存、运输及分析均按《海洋监测规范》(GB17378—2007)、《海洋调查规范》(GB12763—2007)中的规定进行。

1.3评价方法

1.3.1沉积物评价标准。

按山口国家级红树林自然生态保护区和广西壮族自治区海洋功能区划(2011—2020年)的管理要求,保护区海域和红树林的沉积物环境采用一类海洋沉积物质量标准。各评价标准参考《海洋沉积物质量》GB18668—2002:总汞≤0.20×10-6,镉≤0.50×10-6,铅≤60.0×10-6,锌≤150.0×10-6,铜≤35.0×10-6,砷≤20.0×10-6,铬≤80.0×10-6。

1.3.2沉积物质量评价方法。

采用单因子标准指数法对沉积物进行评价。标准指数的计算公式为:

Si,j=Ci,j/Csi

式中,Si,j为单项评价因子i在j站位的标准指数;Ci,j为单项评价因子i在j站位的实测值;Csi为单项评价因子i的评价标准值。

以单因子污染指数1.0作为该因子是否对环境产生污染的基本分界线,小于1.0表明该因子未超出标准;大于1.0表明超出标准,沉积物已受到该因子污染。

1.3.3红树林沉积物重金属污染程度及生态风险指数评价。

采用单因子污染系数Cif表征沉积物重金属i的污染程度,Cif<1为低污染;1≤Cif<3为中污染;3≤Cif<6为较高污染;Cif≥6为很高污染。多种重金属综合效应采用综合污染指数Cd来表示,Cd<5为低污染;5≤Cd<10为中污染;10≤Cd<20为较重污染;Cd≥20为重污染。单因子污染系数和综合污染指数计算方法如下:

Cif=ΣCiCinCd=ΣCif

式中,Cd为沉积物重金属总体污染指数;Cif为重金属i的污染指数;Ci为重金属i的实测质量分数;Cin为重金属i的背景参照浓度,由于背景值选定无统一标准,结合区域研究现状能更好地反映重金属地球化学背景值,因此选定铁山港沉积物中铜、铅、锌、镉和汞的背景值为1983—1984年的调查值,分别为12.91×10-6、31.1×10-6、70.2×10-6、0.430×10-6、0.093×10-6,砷的背景值采用工业化以前沉积物的全球最高背景值,为15.0×10-6。

Hakanson潜在生态风险指数法是目前常用的重金属评价方法之一,该方法不仅考虑了重金属的单因子污染系数,引入了重金属毒性响应系数,还估计到背景值的地域差异性,被普遍用于综合评价重金属对海域环境的危害程度及其潜在生态风险[10],其计算方法为:

Eir=Tir×Cif

IRI=ΣEir

式中,Tir为重金属i的毒性系数,它反映该金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,铜、铅、锌、镉、铬、汞和砷的Tri分别为5、5、1、30、2、40、10;Eir为单个重金属i的潜在生态风险系数;IRI为沉积物中重金属的潜在生态风险指数。依据Eir和IRI对沉积物中重金属潜在生态风险进行等级划分(表1)。

表1沉积物重金属污染程度及潜在生态风险等级划分

2、结果与分析

2.1铁山港表层沉积物重金属含量分布特征

保护区海域沉积物汞含量为0.012×10-6～0.064×10-6,平均为0.030×10-6;汞的平均含量以丹兜海较高,英罗港和马鞍岭接近。砷含量为0.565×10-6～9.410×10-6,平均为3.990×10-6;砷的平均含量以英罗港较高,马鞍岭居次,丹兜海最低。铜含量在未检出～14.7×10-6,平均值为4.31×10-6;铜的平均含量最高的是马鞍岭,其次是英罗港,丹兜海的最低。铅的含量为未检出～12.7×10-6,平均值为6.23×10-6;铅的平均含量最高的是英罗港,其次是丹兜海,最低是马鞍岭。锌的含量为未检出～54.0×10-6,平均值为21.2×10-6;马鞍岭和英罗港的沉积物锌含量接近且较高,丹兜海的含量较低。镉含量较低,仅个别监测站位检出,在未检出～0.105×10-6,平均值为0.045×10-6;镉的平均含量以丹兜海的较高,马鞍岭次之,英罗港最低。铬含量为未检出～62.5×10-6,平均值为17.3×10-6;各海湾沉积物铬的平均含量以马鞍岭的较高,英罗港的次之,丹兜海的最低。

2.2单因子污染指数评价结果

根据单因子污染指数的评价结果(表2),干季沉积物污染程度比较重的是油类、有机碳、硫化物。其中油类有67%的站位超标,有机碳47%的站位超标,硫化物27%的站位超标。汞、砷、铜、铅、锌、镉、铬等单因子污染指数均小于1,具有较大的环境容量,满足海洋沉积物质量一类标准。

根据单因子污染指数的评价结果(表3),湿季沉积物污染程度比较重的也是油类、有机碳、硫化物。其中油类有47%的站位超标,有机碳53%的站位超标,硫化物33%的站位超标。汞、砷、铜、铅、锌、镉、铬等金属元素均未超标。

2.3重金属污染程度

从重金属单因子污染系数的评价结果看,干季沉积物铜有33%的站位单因子污染系数大于1,锌有3个站位,砷有2个站位的污染系数略高于1,其余站位污染系数均小于1(表4)。污染系数的均值由大到小依次为铜>砷>锌>汞>铅>镉,铜、砷是干季重金属最主要的环境污染因子。湿季沉积物铜有40%的站位单因子污染系数大于1。除了汞、砷各有3个站位的污染系数高于1,其余站位污染指数均小于1(表5)。污染系数的均值由大到小依次为铜>砷>汞>锌>镉>铅,因此铜、砷也是湿季重金属最主要的环境污染因子。

表2干季沉积物单因子污染指数

表3湿季沉积物单因子污染指数

从重金属的综合污染指数看,除了C4-L为5.24,略高于5,处于中等污染水平,其余站位均小于5,处于低污染水平。干季,各站位的重金属综合污染程度由大到小依次为C3>C2>C4>C5>C1;湿季,各站位的重金属综合污染程度由大到小依次为C4>C3>C5>C1>C2。

2.4生态风险指数评价结果

从干季沉积物潜在生态风险评价结果来看,除了汞在C3-H站位的潜在生态风险系数超过40,其余重金属因子在各站位的潜在生态风险系数均远小于40,均值为0.69～22.12,表明干季各重金属潜在水平较低,潜在生态风险系数均值由大到小依次为汞>砷>镉>铜>铅>锌;各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150,所有站位的平均值为41.49,根据总潜在生态风险指数分级,干季沉积物重金属的潜在生态风险程度较轻,属于低风险的范畴。

表4干季沉积物中重金属综合污染指数

表5湿季沉积物中重金属综合污染指数

从湿季沉积物潜在生态风险评价结果来看,除了汞在C5-H、C5-L站位的潜在生态风险系数超过40,其余重金属因子在各站位的潜在生态风险系数均小于40,均值为0.57～32.19,表明湿季各重金属潜在水平较低,潜在生态风险系数均值由大到小依次为汞>镉>砷>铜>铅>锌;各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150,所有站位的平均值为57.22,根据总潜在生态风险指数分级,湿季沉积物重金属的潜在生态风险程度较轻,属于低风险的范畴。

3、结论

从干季、湿季红树林潮间带沉积物的调查结果来看,各环境因子的站位分布状况没有明显的规律性。根据《海洋沉积物质量》GB18668—2002一类标准评价结果,干季、湿季超标的环境因子均为油类、有机碳、硫化物,其余环境因子均小于1,有较大的环境容量。从重金属单因子污染指数的评价结果看,干季各重金属元素的污染程度为铜>砷>锌>汞>铅>镉,各站位的重金属综合污染程度由大到小分别为C3>C2>C4>C5>C1。湿季重金属元素的污染程度为铜>砷>汞>锌>镉>铅,各站位的重金属综合污染程度由大到小分别为C4>C3>C5>C1>C2。根据潜在生态风险评价结果,干季、湿季各站位重金属综合潜在生态风险指数均小于150,沉积物重金属的潜在生态风险程度较轻,属于低风险范畴。

参考文献:

[1]山口红树林_互动百科[EB/OL].[2019-04-25].

[3]刘保良.廉州湾入海排污口沉积物重金属污染与生态评价[D].青岛:中国海洋大学,2011.

[4]陈秀,李爽兆,袁德奎,等.渤海湾沉积物重金属的分布特征及影响因素[J].海洋科学进展,2017,35(3):382-391.

[5]徐艳东,魏潇,夏斌,等.莱州湾东部海域表层沉积物重金属潜在生态风险评价[J].海洋科学进展,2015,33(4):520-528.

[9]唐银健.Hakanson指数法评价水体沉积物重金属生态风险的应用进展[J].环境科学导刊,2008,27(3):66-68,72.

[10]曾珍,陈春亮,柯盛,等.博贺湾表层沉积物重金属来源及风险评价[J].广东海洋大学学报,2018,38(2):47-55.

谭趣孜,巫冷蝉,李斌.广西山口红树林生态自然保护区海域沉积物重金属污染状况及潜在生态风险评价[J].安徽农业科学,2020,48(12):70-73+82.

基金:2017年度广西红树林研究中心基本科研业务费资助项目(2017GMRC04);广西山口国家级红树林生态自然保护区十年评估工作项目(GXZC2018-G3-14834-HBRX).