文章信息
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- 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
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文章历史
- 收稿日期:2020-08-06
- 修回日期:2020-09-14
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)。
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:
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; RI为n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]。
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 |
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)。
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 | |||||
砂 | 粉砂 | 黏土 | 砂 | 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 | 砂 | |
62996 | 33.8 | 64.18 | 2.02 | 51.673 | 砂质粉砂 | 72632 | 76.86 | 23.14 | 0 | 81.313 | 砂 | |
73254 | 38.33 | 59.79 | 1.87 | 52.988 | 砂质粉砂 | 72101 | 82.14 | 17.86 | 0 | 89.811 | 砂 | |
61946 | 38.77 | 58.88 | 2.36 | 54.785 | 砂质粉砂 | 61823 | 81.85 | 17.69 | 0.47 | 90.869 | 砂 | |
62915 | 40.05 | 58.13 | 1.81 | 56.52 | 砂质粉砂 | 72612 | 86.69 | 13.31 | 0 | 93.24 | 砂 | |
73167 | 44.8 | 54.61 | 0.58 | 59.811 | 砂质粉砂 | 72458 | 93.18 | 6.82 | 0 | 109.142 | 砂 | |
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 | / |
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。
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% |
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。
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。
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]。
环境因子 | TOC | Cu | Zn | Cr | Hg | Cd | Pb | As | 中值粒径 | 砂 | 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 | |||
砂 | –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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