海洋科学  2021, Vol. 45 Issue (3): 43-50   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200806004

文章信息

赵玉庭, 孙珊, 由丽萍, 苏博, 马元庆, 王立明, 齐延民, 张昀昌. 2021.
ZHAO Yu-ting, SUN Shan, YOU Li-ping, SU Bo, MA Yuan-qing, WANG Li-ming, QI Yan-min, ZHANG Yun-chang. 2021.
莱州湾沉积物粒度与重金属分布特征
Distribution characteristics of grain size and heavy metals of sediments in Laizhou Bay
海洋科学, 45(3): 43-50
Marina Sciences, 45(3): 43-50.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200806004

文章历史

收稿日期:2020-08-06
修回日期:2020-09-14
莱州湾沉积物粒度与重金属分布特征
赵玉庭, 孙珊, 由丽萍, 苏博, 马元庆, 王立明, 齐延民, 张昀昌     
山东省海洋资源与环境研究院山东省海洋生态修复重点实验室, 山东 烟台 264006
摘要:作者依据2019年8月份莱州湾海洋沉积物调查资料,分析了该海域表层沉积物粒径组成、重金属时空分布特征并评价了其生态风险。结果显示,莱州湾沉积物分为砂质粉砂、粉砂、粉砂质砂和砂4种类型,以砂质粉砂为主,其次为粉砂与粉砂质砂,再次为砂,中值粒径平均58.956μm;表层沉积物中Cr、Zn、Pb、Cu、As、Cd、Hg和TOC平均含量分别为57.6、52.6、18.7、15.3、9.14、0.130、0.0234 mg/kg和0.222%;由于河流排海物质和莱州湾内潮流运动,导致Cu、Pb、Zn、As、Cr和Cd基本呈现中部海域含量较高,西部海域高于东部海域的特征,东南部海域Cd、Hg与矿产资源的开发相关;14.3%的站位综合潜在生态风险属于中生态风险,Cd对综合潜在生态风险指数的贡献率最高,为主要潜在生态风险因子;研究区域中重金属Cu、Zn含量的分布与沉积物粒径和有机碳的含量密切相关。
关键词莱州湾    沉积物    粒度    分布特征    重金属    生态风险评价    
Distribution characteristics of grain size and heavy metals of sediments in Laizhou Bay
ZHAO Yu-ting, SUN Shan, YOU Li-ping, SU Bo, MA Yuan-qing, WANG Li-ming, QI Yan-min, ZHANG Yun-chang     
Shandong Marine Resource and Environment Research Institute, Shandong Key Lab of Marine Ecological Restoration, Yantai 264006, China
Abstract: Based on the geochemical properties of the sediments observed in Laizhou Bay in August, 2019, the temporal and spatial characteristics of granulometric distribution, heavy metals concentration, and organic carbon content in the surface sediments were analyzed. The results showed that the contents of silt and sand were higher than that of clay, and their median diameter was 58.956 μm; the average concentrations of Cr, Zn, Pb, Cu, As, Cd, and Hg were 57.6, 52.6, 18.7, 15.3, 9.14, 0.130, and 0.023 4 mg/kg, respectively, and the TOC was 0.222%. Due to the river discharge materials and tidal current movement in Laizhou Bay, the concentrations of Cu, Pb, Zn, Cr, and Cd in the central sea area were higher than those in the eastern sea area. Cd and Hg contents in the southeast sea area were related to the development of mineral resources. The potential ecological risk was moderate in 14.3% of the stations studied. Cadmium was determined as the principal ecological risk factor, and its contribution ratio was the highest among the seven studied elements. Pearson's correlation analysis on the environmental factors revealed that sediment grain size and organic carbon content were important factors in the distribution of heavy metals such as copper and zinc.
Key words: Laizhou Bay    sediment    grain size    granulometric distribution    heavy metals    ecological risk assessment    

沉积物是海洋生态系统的重要组成部分, 是海洋环境中重金属元素的源和汇[1], 水体中的金属元素经絮凝、沉降、矿化等过程进入沉积物, 而沉积物中的金属元素又可通过再悬浮进入水体中, 从而影响水体质量[2]。沉积物作为环境演变的信息载体, 系统记录了海洋生态系统中生物、物理及化学作用过程, 保存了自然因素和人为因素对环境影响的记录[3], 海洋沉积物中重金属的分布特征能反映海域的污染状况[4-6]。沉积物的粒度受沉积环境、水动力条件、搬运方式等因素的影响, 其组成可能是影响重金属含量的重要因素[7]

莱州湾是典型的半封闭性内海, 面积6 966.93 km2, 约占渤海的10%, 沿岸有黄河、小清河、潍河等10余条河流注入[8]。随着沿岸经济的快速发展, 大量工业废水排入海洋, 2018年由直排海污染源排入渤海的重金属多达609 t[9]。对莱州湾的相关研究认为, 莱州湾局部区域存在Hg、Pb、Cd和As的潜在污染风险, 黄河口外和西北缘近岸海域沉积物的综合环境质量较差[10-11]。因此, 评估沉积物中重金属生态风险, 探讨粒度对重金属分布的影响, 可了解莱州湾沉积物重金属污染状况, 为莱州湾环境保护提供科学依据[12]

1 材料与方法 1.1 调查时间与站位

调查时间: 2019年8月; 调查海域: 37.2°N~37.8°N, 119°E~120.2°E; 调查站位: 共布设35个监测站位(图 1)。

图 1 莱州湾沉积物调查站位 Fig. 1 Location of sampling stations in Laizhou Bay
1.2 调查项目与分析方法

沉积物样品采集、存放均按照《海洋调查规范》[13]和《海洋监测规范》[14]进行; 镉、铅、锌、铜、铬及类金属砷的分析依据《海洋监测技术规程》[15]进行; 汞、有机碳分析依据《海洋监测规范》[14]进行; 粒度分析依据《海洋调查规范》[13]进行。镉、铅、锌、铜、铬、砷和汞检出限分别为0.015、0.070、0.160、0.008、0.070、0.180 μg/kg和0.002 mg/kg。

沉积物粒度采用尤登—温德华氏等比值粒级标准粒径由细到粗归纳为3类, 分别为黏土(< 4 μm)、粉砂(4~63 μm)、砂(63~2 000 μm); 采用谢帕德(Shepard)沉积物三角分类法对沉积物分类和命名; 采用图解法计算中值粒径(Md)。

1.3 数据统计及评价方法

沉积物平面分布图采用Surfer8.0软件绘制; 采用SPSS19.0软件进行统计, 应用Pearson相关系数对重金属、有机碳和粒度含量进行双变量相关分析。

重金属环境影响评价采用潜在生态风险指数法[16], 计算公式如下:

$ \begin{aligned} E_{n}^{i} &=T_{n}^{i} \frac{S_{n}^{i}}{C_{n}^{i}} \\ R I &=\sum E_{n}^{i} \end{aligned} $

式中, En、Tn分别为重金属i的潜在生态风险指数、毒性系数; Sn、Cn分别为重金属i的实测量、背景量; RIn种重金属的综合潜在生态风险指数。

选取渤海沉积物重金属含量[17]作为背景值(表 1)。潜在生态危害指数法除7种重金属外还包括多氯联苯, 因本文调查数据未包含多氯联苯, 故采用调整后的RI分级标准(表 2)[18]

表 1 Hakanson指数法重金属的毒性系数及背景值 Tab. 1 Toxicity coefficients and background reference level of heavy metals
元素 Hg Cd Pb Cu As Cr Zn
毒性系数 40 30 5 5 10 2 1
背景值(mg/kg) 0.036 0.09 20 22 9 57 64

表 2 潜在生态风险分级标准 Tab. 2 Grade standard of potential ecological risk
E分级标准 E程度分级 RI分级标准 调整后RI分级标准 RI程度分级
E < 40 低潜在生态风险 RI < 150 RI < 105 低生态风险
40≤E < 80 中潜在生态风险 150≤RI < 300 105≤RI < 210 中生态风险
80≤E < 160 较高潜在生态风险 30≤RI < 600 210≤RI < 420 较高生态风险
160≤E < 320 高潜在生态风险 RI≥600 RI≥420 很高生态风险
E≥320 很高潜在生态风险
2 结果与讨论 2.1 粒度组成分析

莱州湾表层沉积物中粉砂含量最高, 占比6.82%~ 84.95%, 平均(51.46±22.14)%; 砂含量次之, 占比6.82%~84.95%, 平均(45.73±24.52)%; 黏土含量较低, 占比0~14.24%, 平均(2.81±3.87)%(表 3); 调查海域未出现含砾样品。砂含量高值区(> 50%)主要分布在近岸海域, 粉砂含量高值区(> 50%)主要分布在中部及北部海域, 黏土与粉砂分布趋势基本一致。中值粒径范围为16.535~109.142 μm, 平均为(58.956± 22.023) μm。沉积物均在砂、粉砂质砂、砂质粉砂和粉砂范围内, 以砂质粉砂为主, 占调查站位的37.1%, 主要分布在莱州湾北部海域; 其次为粉砂与粉砂质砂, 均占22.9%, 粉砂质砂主要分布在东南部海域, 粉砂主要分布在西北部海域; 砂最少, 占17.1%, 主要分布在西南部近岸海域(图 2)。

表 3 莱州湾表层沉积物粒度组成 Tab. 3 Grain size composition of surface sediments in Laizhou Bay
站号 粒组系数(%) 中值粒径(μm) 名称 站号 粒组系数(%) 中值粒径(μm) 名称
粉砂 黏土 粉砂 黏土
61900 4.15 81.61 14.24 16.535 粉砂 62900 47.75 51.82 0.44 61.603 砂质粉砂
72225 8.61 79.14 12.24 19.914 粉砂 62710 48.28 51.71 0 61.971 砂质粉砂
72314 10.16 79.73 10.11 22.666 粉砂 62800 47.94 45.68 6.39 60.266 粉砂质砂
72327 7.47 84.95 7.59 24.324 粉砂 73509 51.09 48.92 0 63.604 粉砂质砂
72139 11.49 83.02 5.49 32.741 粉砂 73809 51.2 48.81 0 63.665 粉砂质砂
61600 17.24 79.32 3.45 35.907 粉砂 73347 59.41 40.59 0 69.54 粉砂质砂
61987 21.04 74.27 4.68 36.372 粉砂 73552 64.93 35.07 0 71.949 粉砂质砂
61999 23.92 72.81 3.26 41.609 粉砂 72692 72.31 27.7 0 77.196 粉砂质砂
73104 30.73 65.64 3.63 45.68 砂质粉砂 73432 57.08 32.12 10.81 78.228 粉砂质砂
61764 25.88 73.32 0.8 46.338 砂质粉砂 72123 69.65 29.95 0.4 78.933 粉砂质砂
72190 36.75 60.51 2.73 51.21 砂质粉砂 72535 77.25 22.34 0.4 81.154
62996 33.8 64.18 2.02 51.673 砂质粉砂 72632 76.86 23.14 0 81.313
73254 38.33 59.79 1.87 52.988 砂质粉砂 72101 82.14 17.86 0 89.811
61946 38.77 58.88 2.36 54.785 砂质粉砂 61823 81.85 17.69 0.47 90.869
62915 40.05 58.13 1.81 56.52 砂质粉砂 72612 86.69 13.31 0 93.24
73167 44.8 54.61 0.58 59.811 砂质粉砂 72458 93.18 6.82 0 109.142
63761 45.41 54.01 0.58 59.911 砂质粉砂 最小值 4.15 6.82 0 16.535 /
63814 46.09 53.39 0.52 60.423 砂质粉砂 最大值 93.18 84.95 14.24 109.142 /
73618 48.19 50.39 1.42 61.562 砂质粉砂 平均值 45.73 51.46 2.81 58.956 /

图 2 莱州湾沉积物类型 Fig. 2 Types of sediments in Laizhou Bay
2.2 表层沉积物重金属与有机碳统计特征

表层沉积物重金属含量从大到小依次为Cr、Zn、Pb、Cu、As、Cd、Hg(表 4)。Cr平均值为(57.6±6.81) mg/kg; Zn平均值为(52.6±7.14) mg/kg; Pb平均值为(18.7± 2.45) mg/kg; Cu平均值为(15.3±2.66) mg/kg; As平均值为(9.14±1.03) mg/kg; Cd平均值为(0.130±0.031 3) mg/kg; Hg平均值为(0.023 4±0.003 26) mg/kg; 有机碳(Total Organic Carbon, TOC)平均值为(0.222±0.179)%, 重金属含量与胡宁静[11]、罗先香[19]、刘金虎[10]、郑懿珉[20]、徐艳东[18]、赵玉庭[21]等研究结果基本一致, 2007~2019年, 重金属含量略有波动, 总体含量差别不大(表 5)。7种重金属含量均符合第一类海洋沉积物质量标准。Cd和Cu的变异系数较大, 分别为24.0%和17.3%, 二者含量在该海域的分布差异较大, 可能受多重因素影响[22]; 其他5种重金属的变异系数均较小, 空间分布较Cd和Cu更为均匀。

表 4 莱州湾表层沉积物中重金属、有机碳的含量统计 Tab. 4 Statistics of studied element contents in surface sediment from Laizhou Bay
统计量 Hg Cd Cu Pb As Cr Zn TOC
最小值(mg/kg) 0.0179 0.0790 10.4 14.2 7.68 46.6 37.3 0.0838
最大值(mg/kg) 0.0354 0.194 22.3 23.2 11.9 76.7 68.7 1.14
平均值(mg/kg) 0.0234 0.130 15.3 18.7 9.14 57.6 52.6 0.222
标准差(mg/kg) 0.00326 0.0313 2.66 2.45 1.03 6.81 7.14 0.179
变异系数(%) 13.9 24.0 17.3 13.1 11.2 11.8 13.6 80.8
注: 有机碳统计量单位为%

表 5 莱州湾表层沉积物重金属含量历史统计 Tab. 5 Statistics of heavy metal contents in surface sediments taken from Laizhou Bay
研究海域 Hg Cd Cu Pb As Cr Zn 调查时间(年.月) 站位数(个) 资料来源
莱州湾 0.053 0.081 13.3 20.2 13.1 57.1 59.4 2007.8 31 [11]
莱州湾 0.09 0.11 15.0 11.7 9.20 50.8 2008.5 30 [19]
莱州湾 0.04 0.16 17.2 21.8 8.88 51.8 52.0 2010.8 31 [10]
莱州湾 0.051 0.12 22.0 22.0 12.6 60.0 60.4 2012.9 154 [20]
莱州湾东部 0.013 0.091 9.7 11.7 9.2 46.3 40.9 2015.8 15 [18]
莱州湾 0.0774 0.169 11.9 12.1 11.6 31.1 45.3 2016.8 32 [21]
莱州湾 0.0234 0.130 15.3 18.7 9.14 57.6 52.6 2019.8 35 本研究
注: “—”代表未检测

莱州湾西南部沉积物粒径较大(图 3), 中部出现1个低值区, 随着搬运距离的加大, 由近岸向远岸沉积物粒径逐渐变小。Cu、Pb、Zn、As、Cr和Cd基本呈现中部海域含量较高, 西部海域高于东部海域的特征, 此外, 重金属Cd、Hg在东南部海域也出现一个高值区。

图 3 莱州湾表层沉积物中重金属、粒径的平面分布 Fig. 3 Horizontal distribution of heavy metal and median diameter of surface sediments taken from Laizhou Bay

沉积物重力与水动力的平衡决定沉积物的分配, 由河口至浅海, 随着潮流流速的变小和搬运距离的增加, 沉积物中砂含量越少[23]。莱州湾西南部海域受小清河等多条河流影响, 水动力较强, 该海域沉积物含砂量高, 以砂为主, 与胡宁静[16]研究结果一致; 中部海域随着搬运距离的增加和流速的变小, 沉积物粒径变小, 以粉砂为主; 其他海域介于两者之间, 以粉砂质砂和砂质粉砂为主。同时, 由于黄河口沙嘴外围存在弧形高流速带, 弧形高流速带外围又有潮流剪切锋, 控制了黄河入海泥沙的扩散、输运和沉降范围, 是控制莱州湾西、南岸地貌差异演化的主要沉积动力过程[24]。同时, 莱州湾的潮汐主要受黄河口外M2潮波系统控制, 莱州湾大部分海区属于不正规混合半日潮型, 受地形影响, 潮流以顺时针方向的旋转流为主, 伴有往复流, 涨潮流方向为东北-西南向, 落潮流方向为西北-东南向[25]。河流排海物质和莱州湾内潮流运动使沿岸小粒径悬浮物被带入湾内, 在中部沉积, 导致莱州湾中部沉积物重金属含量高于沿岸。莱州湾东南海岸海域Hg、Cd含量较高, 可能与金矿(三山岛金矿、仓上金矿)及煤矿(龙口煤田)等矿产资源的开发等相关, 与杜国云[26]等研究结果相一致。

2.3 重金属潜在生态风险评价

潜在生态风险指数E从大到小依次为Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn(图 4)。22个站位Cd潜在生态风险指数E > 40, 属于中潜在生态风险, 占总站位的68.8%; Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn潜在生态风险指数E均 < 40, 属于低潜在生态风险, 污染风险较小。综合潜在生态风险指数RI范围71.9~111.6, 平均值90.5±12.3。7个站位综合潜在生态风险指数RI > 105, 属中生态风险, 占总站位的14.3%; 其余站位均属低生态风险。Cd对综合潜在生态风险指数的贡献率36.6%~59.1%, 平均47.4%, 为主要潜在生态风险因子, Cd的E值偏高, 源于部分站位Cd的含量较高与Cd的生物毒性较强; 其次为Hg, 范围23.4%~38.8%, 平均29.0%, 主要与Hg的生物毒性较强有关。

图 4 潜在生态风险指数评价结果 Fig. 4 The results of potential ecological risk index
2.4 沉积物粒径与重金属相关关系

TOC与粉砂、黏土含量存在极显著正相关关系, 与中值粒径和砂含量存在极显著负相关关系(表 6), TOC含量分布模式与细粒组分相似, 与粗粒组分相反, TOC输运和积聚与沉积物的细粒组分相关, 含量受水动力影响[27]

表 6 各环境因子间Pearson相关系数 Tab. 6 Pearson correlation coefficient between environmental factors
环境因子 TOC Cu Zn Cr Hg Cd Pb As 中值粒径 粉砂 黏土
TOC 1
Cu 0.548** 1
Zn 0.339* 0.540** 1
Cr 0.178 0.279 0.357* 1
Hg 0.144 0.065 –0.081 0.006 1
Cd 0.183 0.067 –0.043 0.043 0.235 1
Pb 0.283 0.292 0.217 0.376* 0.368* 0.326 1
As 0.145 –0.003 0.334* 0.619** –0.087 0.104 0.305 1
中值粒径 –0.574** –0.413* –0.310 0.114 –0.070 0.004 –0.044 –0.001 1
–0.526** –0.373* –0.342* 0.157 –0.015 0.041 –0.054 –0.017 0.987** 1
粉砂 0.466** 0.347* 0.332 –0.175 0.016 –0.057 0.044 –0.013 –0.975** –0.991** 1
黏土 0.668** 0.383* 0.266 0.006 –0.001 0.065 0.090 0.178 –0.676** –0.665** 0.562** 1
注: *显著相关(P < 0.05); **极显著相关(P < 0.01), 表中空白栏表示数据与列出数据相对应, 故未列出

Cu与TOC存在极显著正相关关系, 与粉砂、黏土含量存在显著正相关关系, 与中值粒径和砂含量存在显著负相关关系; Zn与TOC存在显著正相关关系, 与砂含量存在显著负相关关系, 说明沉积物粒径和有机碳含量是制约沉积物重金属Cu、Zn含量的两个重要参数[28]。小颗粒沉积物具有较大的比表面积, 往往具有较高表面活性能力[29], 更利于重金属的吸附; 有机碳具有较高的阳离子交换量(CEC), 并具有大量不同的功能团(羧基、酚羟基和酮基等), 它们通过表面沉淀、络合和离子交换吸附金属元素, 因而有机碳含量高的沉积物对相关重金属的吸附量也较高[30]。Cu与Zn具有相似的构型和性质, 地球化学行为相近, 具有沉积同源性, Cu与Zn相关系数为0.540(P < 0.01), 存在极显著正相关关系。

Zn与Cr、As存在显著正相关关系; Cr与As存在极显著正相关关系, 与Pb存在显著正相关关系; Hg与Pb存在显著正相关关系; 其他重金属元素间不存在显著相关关系。同时, 其他5种重金属元素与粒度不存在显著性相关关系, 与“元素的粒度控制律”[31]不相符, 这5种重金属元素受粒度影响不明显。研究认为, 河口重金属除受自然来源控制外, 工、农业活动和与煤炭燃烧有关的大气沉降也对重金属有重要影响。虞河口外工、农业活动和与煤炭燃烧有关的大气沉降对Cd、Hg和Zn的浓度贡献分别为23.2%、53.1%和45.4%, 交通排放对Cu和Pb的贡献为29.9%和24.2%; 小清河口27.4%的Cu和30.3%的Hg来自工业活动和与煤炭燃烧有关的大气沉降[32], 这可能为本文中5种重金属元素受粒度影响不明显的原因。

3 结论

(1) 莱州湾表层沉积物中粉砂含量最高, 平均占比51.46%; 砂含量次之, 平均占比45.73%; 黏土含量最低, 平均占比2.81%; 砂含量高值区(> 50%)主要分布在近岸海域, 粉砂含量高值区(> 50%)主要分布在中部及北部海域; 中值粒径16.535 μm~109.142 μm, 平均58.956 μm; 按三角分类法分类, 莱州湾沉积物以砂质粉砂为主, 占监测站位的37.1%; 其次为粉砂与粉砂质砂, 均占22.9%; 再次为砂, 占17.1%。

(2) 表层沉积物中Cr、Zn、Pb、Cu、As、Cd、Hg和TOC平均含量分别为(57.6、52.6、18.7、15.3、9.14、0.130、0.0234)mg/kg和0.222 %; 由于河流排海物质和莱州湾内潮流运动, 导致Cu、Pb、Zn、As、Cr和Cd基本呈现中部海域含量较高, 西部海域高于东部海域的特征, 东南部海域Cd、Hg与矿产资源的开发相关; 7种重金属含量均符合第一类海洋沉积物质量标准。14.3%的站位属于潜在中生态风险, Cd为主要潜在生态风险因子。

(3) Cu、Zn与沉积物粒径、TOC存在一定的相关关系, 研究区域中重金属Cu、Zn含量的分布与沉积物粒径和有机碳的含量密切相关。

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