洋浦港表层沉积物重金属分布特征及污染评价

李 娟,郭鹏程,陈石泉

(1.海南国为亿科环境有限公司,海南 海口 570100;2.海南省海洋与渔业科学院,海南 海口 570125)

引 言

沉积物是有机质的主要存储库,通过化学或生物过程维持着生态系统的健康和平衡[1-3]。但人类活动使许多重金属和持久性有机污染物累积于其中,直接或间接导致了生物多样性的减少,对生态系统的健康和安全带来一定危害[1,4-5]。由于累积作用,在受重金属污染的体系中,沉积物中的重金属含量比水相中的高,且具有一定的分布规律[6-7]。近年来,学者们对海南岛部分港湾如铁炉港[8]、老爷海[9]、新村港[10]等海域表层沉积物重金属分布特征及污染进行了监测和评价,但鲜有对洋浦港海域的相关研究报道。

洋浦港开港于1991年1月,30余年来,随着洋浦港洋浦港区和神头港区的重点建设,人类活动对洋浦港海域生态环境的影响不容忽视。本研究通过对洋浦港海域表层沉积物中铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、硫化物、总碳(TOC)及石油类的含量进行测定,分析其含量分布特征及同源相关性,评价其地累积指数和潜在生态风险程度,旨在为洋浦经济开发区可持续发展及洋浦港海域生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为洋浦港海域,平均气温24.3 ℃,平均降雨量1 945.5 mm;区域内分布有红树林、珊瑚礁及海草资源,其中红树自然林主要分布于夏兰村和盐丁村周边区域,呈不规则块状或片状分布,红树人工林主要分布在下浦村至峨蔓村之间的湾流区域;珊瑚礁主要分布于大铲礁(磷枪石岛)附近以及排浦-南华墟沿岸,在小铲滩码头周边零星分布;海草资源分布在海花岛往东北方向600 m海域(新英湾口门外南侧区域),为一小片卵叶喜盐草群落。

2021年5月,在洋浦港海域布设15个沉积物取样站位,涵盖洋浦港区和神头港区海域,采集表层沉积物进行测样,分析区域沉积物重金属及硫化物、TOC、石油类等分布特征,评价其污染情况(图1)。

图1 洋浦港沉积物调查站位图

1.2 样品分析

沉积物样品采集、保存、制备和前处理均按照《海洋监测规范》(GB 17378.5—2007)和《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)的要求进行。使用抓斗式采泥器采集样品,80～100 ℃烘箱内烘干。用HLXPM型玛瑙三头研磨机进行研磨粉碎,WX-4000型微波消解仪进行消解。样品中Cu、Pb、Zn、Cd及Cr含量采用无火焰原子吸收分光光度法测定,Hg及As含量采用原子荧光法测定,TOC含量采用重铬酸钾氧化-还原法测定,硫化物含量采用亚甲基蓝分光光度法测定,石油类含量采用紫外分光光度法测定。

1.3 数据处理及评价

洋浦港海域表层沉积物各监测因子利用软件IBM SPSS Statistics 27.0进行相关性分析,采用软件ArcGIS10.7绘制空间分布图。采用变异系数、地累积指数及潜在生态危害指数法对沉积物重金属及硫化物、TOC、石油类等因子进行评价。

1.3.1 地累积指数

地累积指数法用于研究沉积物及其它物质中重金属的污染程度,该方法考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值及自然沉岩作用[11]。计算公式如下:

(1)

式中,Igeo为地累积指数;Ci为重金属i的实测值(mg/kg);K为修正指数,一般取1.5;Bi为重金属i的地球化学背景值(mg/kg),Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg的Bi值分别为15、20、65、0.065、61、7.7和0.025[12]。

1.3.2 潜在生态危害指数法

瑞典科学家Lars Hakanson提出的沉积物重金属污染潜在生态危害指数法消除了区域差异和异源污染的影响,并给出了潜在生态危害指数的定量划分,目前已广泛应用于沉积物的重金属污染评价[13]。根据Lars Hakanson提出的潜在生态危害指数法对洋浦港海域表层沉积物重金属潜在生态危害程度进行评价。计算公式如下:

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 洋浦港表层沉积物中环境因子分布特征及含量评价

洋浦港海域表层沉积物中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、硫化物、石油类及TOC的含量范围分别为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%,平均值分别为17、82.4、0.09、54.9、24.4、0.032、8.57、3.9、18 mg/kg及0.96%。根据洋浦港海域沉积物各因子空间分布特征(图2)分析可见,Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、TOC含量新英湾-洋浦湾外大于湾内;As含量新英湾-洋浦湾内外均有高值区出现;Hg含量在洋浦港区和神头港区内高于区外;硫化物、石油类含量在洋浦港近岸高于远岸。

图2 洋浦港表层沉积物中各因子空间分布图

变异系数分析结果表明,各因子空间波动程度的顺序依次为石油类>Hg>硫化物>Cd>Pb>Cu>Cr>As>Zn>TOC。石油类的空间变异系数最大为4.87,石油类的空间分布明显不均匀,波动程度大,空间离散性大;其次为Hg和硫化物,空间变异系数分别为0.72和0.52,这表明Hg和硫化物的空间分布不均匀,波动程度较大,空间离散性较大;而Cd、Pb、Cu、Cr、As、Zn、TOC的空间变异系数均小于0.4,尤其是有机碳的空间变异系数仅为0.17,这表明Cd、Pb、Cu等7个因子空间分布较均匀,波动程度不大,空间离散性相对较小。

《海洋沉积物质量》(GB 18668—2002)和美国NOAA污染物生态风险阈值(沉积物质量基准值)列于表1[9],洋浦港海域沉积物中各因子含量的结果显示,各点位中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、硫化物、石油类及TOC的最大值均小于《海洋沉积物质量》(GB 18668—2002)一类标准。各点位中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg含量均小于ERL基准值;As含量最大值为11 mg/kg,60%点位超过ERL基准值。总体来说,洋浦港海域沉积物质量较好,Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg极少对生物产生负效应,As可能对生物产生负效应,应加强沉积物中As的监测和预警,预防对海洋生物的影响。

表1 洋浦港表层沉积物中各因子含量的统计特征

2.2 地累积指数评价

由表2可知,Cu、Cr及As在调查点位的Igeo值均为负值,污染等级为0,为无污染状态。Zn的Igeo为-1.17～0.04(均值为-0.28),Zn为无污染状态,其中,无污染、轻度污染的调查点位为93%、7%。Pb的Igeo为-1.47～0.23(均值为-0.38),Pb为无污染状态,其中,无污染、轻度污染的调查点位为67%、33%。Hg的Igeo为-3.64～1.42(均值为-0.62),Hg为无污染状态,其中,无污染、轻度污染的调查点位为80%、20%。Cd的Igeo为-0.48～1.04(均值为0.2),处于轻度污染,其中,无污染、轻度污染和偏中度污染的调查点位为13%、80%和7%。7种重金属Igeo排序为Cd>Zn>Pb>As>Cu>Hg>Cr。洋浦港附近海域表层沉积物总体污染程度为轻度污染,Cd为主要污染因子。

表2 洋浦港表层沉积物重金属地累积指数

2.3 重金属潜在生态危害评价

潜在生态危害指数分析结果显示,研究区设置的15个监测站位内有12个站位RI<150,重金属污染程度为轻微生态危害,占总站位的80%;有3个站位150

表3 洋浦港表层沉积物中单一重金属潜在生态危害系数与多种重金属潜在生态危害指数(RI)

表4 洋浦港表层沉积物中重金属潜在危害指数

2.4 相关性分析

对洋浦港15个站位表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg及As等7种重金属元素含量调查数据进行统计及相关性分析(表5),结果表明:Cu与Zn、Cr、Pb、TOC呈极显著正相关,相关系数分别为0.881、0.844、0.826及0.734;Zn与Cr、Pb、TOC呈极显著正相关,相关系数为0.921、0.954、0.790;Cd与Hg呈极显著正相关,相关系数为0.667;Cr与Pb、TOC呈极显著正相关,相关系数为0.867、0.764;Pb与TOC呈极显著正相关,相关系数为0.732。

根据相关性分析结果,并结合前述洋浦港表层沉积物中环境因子分布特征,洋浦港海域表层沉积物Cu、Zn、Cr、Pb、TOC的来源相同,可能主要受地形、潮流、沉积物粒度等自然因素和人为因素的共同影响;Cd与Hg的来源相同,可能主要受工业污染影响;As、硫化物、石油类与其他因子之间的相关性较低或不相关,其中,As可能主要来源于洋浦港及周边工业废水、生活污水、海水养殖污水的排放,硫化物和石油类可能来源于陆源污染。

3 结论

(1)洋浦港海域表层沉积物中Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、TOC含量新英湾-洋浦湾外大于湾内,As含量新英湾-洋浦湾内外均有高值区出现,Hg含量在洋浦港区和神头港区内高于区外,硫化物、石油类含量洋浦港近岸高于远岸。各因子空间波动程度的顺序依次为石油类>Hg>硫化物>Cd>Pb>Cu>Cr>As>Zn>TOC。洋浦港海域沉积物质量较好,Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg极少对生物产生负效应,As可能对生物产生负效应,应加强沉积物中As的监测和预警。

(2)7种重金属地累积指数排序为Cd>Zn>Pb>As>Cu>Hg>Cr,洋浦港附近海域表层沉积物总体污染程度为轻度污染,Cd为主要污染因子。

(3)洋浦港海域总体上重金属污染程度为轻微生态危害。7种重金属的潜在生态风险大小依次为:Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr>Zn,其中Hg和Cd属于中等生态危害,其他As、Pb、Cu、Cr、Zn等5种重金属属于轻微生态危害,需进一步加强洋浦港沉积物中Hg和Cd的监测和预警。

(4)Pearson相关性分析表明,洋浦港周边海域表层沉积物Cu、Zn、Cr、Pb、TOC的来源相同,可能主要受地形、潮流、沉积物粒度等自然因素和人为因素的共同影响;Cd与Hg的来源相同,可能主要受工业污染影响;As、硫化物、石油类与其他因子之间的相关性较低或不相关,其中,As可能主要来源于洋浦港及周边工业废水、生活污水、海水养殖污水的排放,硫化物和石油类可能来源于陆源污染。