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三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价

贾磊 刘文涛 唐得昊 蔡鹏捷 崔振昂

贾磊,刘文涛,唐得昊,等. 三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价[J]. 海洋地质前沿,2020,36(12):22-31 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.029
引用本文: 贾磊,刘文涛,唐得昊,等. 三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价[J]. 海洋地质前沿,2020,36(12):22-31 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.029
JIA Lei, LIU Wentao, TANG Dehao, CAI Pengjie, CUI Zhenang. DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS IN SANYA BAY AND SURROUNDING WATERS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(12): 22-31. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029
Citation: JIA Lei, LIU Wentao, TANG Dehao, CAI Pengjie, CUI Zhenang. DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS IN SANYA BAY AND SURROUNDING WATERS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(12): 22-31. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029

三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029
基金项目: 中国地质调查局地调项目“海南岛东北部沿海地区综合地质调查”(DD20190308);广东省自然科学基金项目“基于能质理论的底栖生物碳与有机碎屑碳通量关系研究”(2018A0303130063)
详细信息
    作者简介:

    贾磊(1990—),男,硕士,工程师,主要从事海洋地质调查及研究工作. E-mail:jialei_1990@126.com

  • 中图分类号: P736.4;X826

DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS IN SANYA BAY AND SURROUNDING WATERS

  • 摘要: 基于三亚湾及周边海域73个表层沉积物样品重金属元素Cu、Zn、Pb、Cr、As、Cd和Hg的化学测试分析,运用多种技术方法,查明重金属分布特征,探讨重金属来源及影响因素,并对其开展生态风险评价。结果表明:研究区Cu、Zn、Pb、Cr、As、Cd、Hg的平均含量分别为12.77、60.11、21.11、43.84、7.05、0.067、0.022 μg/g。As含量高值区为西瑁洲北侧海域,其他重金属分布大体上为沿岸低,向海的方向逐渐增高。Cr和Hg相对背景值亏损,其他重金属相对背景值少量富集;Zn、Pb、Cr分布符合“粒度控制效应”规律,物质来源为陆源碎屑的风化剥蚀。Cu除了来自陆源剥蚀外还可能受到人类活动的影响。Cd和Hg主要来自于沿岸生活污水的排放。As主要来自生活污水排放、农业施药、网箱水产养殖等;重金属总体属于低程度污染,总体平均潜在生态风险程度处于低等级水平,反映研究区总体较好的底质生态环境,且沿岸优于离岸海域。单项重金属平均污染程度排序为Cd>Pb>Zn>As=Cu>Cr>Hg,Cd和Pb属于中等程度污染,其他重金属属于低程度污染。单项重金属平均潜在生态风险程度均为低等级,排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn;Cd为研究区污染程度和潜在生态风险程度最大的重金属元素,需加强对其的防控与治理。
  • 图  1  研究区范围及采样站位

    Figure  1.  The study area and sampling stations

    图  2  沉积物重金属含量和中值粒径分布图

    Figure  2.  Distribution of heavy metal content and median diameter size in sediments

    图  3  沉积物重金属及Al2O3因子荷载

    Figure  3.  Factor load of heavy metals and Al2O3 in sediments

    图  4  沉积物重金属单项污染系数(Cf)和潜在生态风险系数(Er)分布图

    箱体为四分位,箱体中间横线为中位数,箱体两头伸出的线条为极端值,十字符号表示离群值

    Figure  4.  Distribution of single contamination factor (Cf)and potential ecological risk coefficient (Er) of heavy metals in sediments

    图  5  沉积物重金属总体污染程度(Cd)分布

    Figure  5.  Distribution of total contamination factors of heavy metals(Cd)in sediments

    图  6  沉积物重金属总体潜在生态风险指数(ERI)分布

    Figure  6.  Distribution of total potential ecological risk index(ERI)of heavy metals in sediments

    表  1  沉积物重金属污染程度及潜在生态风险等级划分[20]

    Table  1.   The grading of heavy metal pollution and potential ecological risk in marine sediments

    Cfi单个重金属污染程度Cd重金属总体污染程度Eri单个重金属潜在生态危害程度ERI重金属总体潜在生态危害程度
    <1<7<40<150
    1~3中等7~14中等40~80中等150~300中等
    3~614~2880~160较重300~600
    ≥6严重≥28严重160~320≥600严重
    ≥320严重
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    表  2  沉积物重金属含量统计

    Table  2.   Statistics of heavy metal content in sediments /(μg/g)

    统计指标CuZnPbCrAsCdHg文献来源
    最大值 28.30 83.80 29.70 72.70 14.70 0.18 0.038 本文
    最小值 5.52 23.20 14.50 5.50 3.58 0.02 0.006
    平均值 12.77 60.11 21.11 43.84 7.05 0.067 0.022
    标准差 3.62 16.11 3.06 16.94 2.19 0.03 0.01
    变异系数 0.28 0.27 0.14 0.39 0.31 0.40 0.31
    珠江口沉积物 46.70 110.20 40.90 82.30 26.36 0.37 0.19 文献[22]
    中国浅海沉积物 15.00 65.00 20.00 60.00 7.70 0.065 0.025 文献[21]
    南海近海沉积物 13.00 61.00 19.00 53.00 7.20 0.053 0.027 文献[21]
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    表  3  沉积物重金属富集因子(EF)特征

    Table  3.   Characteristics of heavy metals enrichment factor in sediments

    统计指标CuZnPbCrAsCdHg
    最大值 9.75 2.29 3.61 1.92 5.13 7.70 3.45
    最小值 0.86 0.87 0.91 0.25 0.66 0.77 0.46
    平均值 1.22 1.13 1.36 0.90 1.28 1.47 0.96
    标准差 1.03 0.23 0.51 0.21 0.98 0.84 0.41
    变异系数 0.85 0.21 0.37 0.24 0.77 0.57 0.42
    EF>1.5站位数 4 4 16 1 9 20 4
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    表  4  沉积物重金属、Al2O3及中值粒径Pearson相关系数

    Table  4.   Pearson correlation coefficient of heavy metals,Al2O3 and Mz in sediments

    Al2O3ZnPbCrCuAsCdHgMz
    Al2O31
    Zn0.936**1
    Pb0.804**0.788**1
    Cr0.910**0.901**0.773**1
    Cu0.544**0.590**0.508**0.574**1
    As−0.014−0.123−0.158−0.088−0.0141
    Cd0.603**0.648**0.426**0.601**0.336*0.0731
    Hg0.569**0.680**0.477**0.567**0.372**−0.1920.583**1
    Mz0.821**0.815**0.794**0.768**0.480**−0.2460.525**0.475**1
    注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关
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    表  5  沉积物重金属及Al2O3因子分析结果

    Table  5.   Factor analysis of heavy metals and Al2O3 in sediments

    元素因子荷载
    因子1因子2因子3
    Cd0.2670.8600.211
    Hg0.3810.792−0.120
    As0.0360.0480.988
    Cu0.8550.0840.098
    Zn0.7850.561−0.012
    Pb0.7550.405−0.065
    Cr0.8040.4860.007
    Al2O30.7960.5250.075
    特征值3.4162.3661.055
    方差贡献率/%42.7029.5813.18
    累积方差贡献率/%42.7072.2885.46
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    表  6  沉积物重金属单项污染系数(Cf)和潜在生态风险系数(Er

    Table  6.   Single contamination factor (Cf) and potential ecological risk coefficient (Er) of heavy metals in sediments

    重金属CfEr
    最大值最小值平均值 最大值最小值平均值
    Cu2.180.420.9810.882.124.91
    Zn1.370.380.991.370.380.99
    Pb1.560.761.117.823.825.56
    Cr1.370.100.832.740.211.65
    As2.040.500.9820.424.979.79
    Cd3.400.381.27101.8911.3237.96
    Hg1.410.220.8156.448.8932.52
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    表  7  沉积物重金属总体污染程度系数(Cd)和潜在生态风险指数(ERI

    Table  7.   Total contamination factors (Cd) and potential ecological risk index (ERI) of heavy metals in sediments

    参数最大值最小值平均值
    Cd9.833.736.96
    ERI182.4846.3993.38
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-26
  • 网络出版日期:  2020-11-27
  • 刊出日期:  2020-12-24

三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029
    基金项目:  中国地质调查局地调项目“海南岛东北部沿海地区综合地质调查”(DD20190308);广东省自然科学基金项目“基于能质理论的底栖生物碳与有机碎屑碳通量关系研究”(2018A0303130063)
    作者简介:

    贾磊(1990—),男,硕士,工程师,主要从事海洋地质调查及研究工作. E-mail:jialei_1990@126.com

  • 中图分类号: P736.4;X826

摘要: 基于三亚湾及周边海域73个表层沉积物样品重金属元素Cu、Zn、Pb、Cr、As、Cd和Hg的化学测试分析,运用多种技术方法,查明重金属分布特征,探讨重金属来源及影响因素,并对其开展生态风险评价。结果表明:研究区Cu、Zn、Pb、Cr、As、Cd、Hg的平均含量分别为12.77、60.11、21.11、43.84、7.05、0.067、0.022 μg/g。As含量高值区为西瑁洲北侧海域,其他重金属分布大体上为沿岸低,向海的方向逐渐增高。Cr和Hg相对背景值亏损,其他重金属相对背景值少量富集;Zn、Pb、Cr分布符合“粒度控制效应”规律,物质来源为陆源碎屑的风化剥蚀。Cu除了来自陆源剥蚀外还可能受到人类活动的影响。Cd和Hg主要来自于沿岸生活污水的排放。As主要来自生活污水排放、农业施药、网箱水产养殖等;重金属总体属于低程度污染,总体平均潜在生态风险程度处于低等级水平,反映研究区总体较好的底质生态环境,且沿岸优于离岸海域。单项重金属平均污染程度排序为Cd>Pb>Zn>As=Cu>Cr>Hg,Cd和Pb属于中等程度污染,其他重金属属于低程度污染。单项重金属平均潜在生态风险程度均为低等级,排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn;Cd为研究区污染程度和潜在生态风险程度最大的重金属元素,需加强对其的防控与治理。

English Abstract

贾磊,刘文涛,唐得昊,等. 三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价[J]. 海洋地质前沿,2020,36(12):22-31 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.029
引用本文: 贾磊,刘文涛,唐得昊,等. 三亚湾及周边海域表层沉积物重金属分布特征及生态风险评价[J]. 海洋地质前沿,2020,36(12):22-31 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.029
JIA Lei, LIU Wentao, TANG Dehao, CAI Pengjie, CUI Zhenang. DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS IN SANYA BAY AND SURROUNDING WATERS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(12): 22-31. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029
Citation: JIA Lei, LIU Wentao, TANG Dehao, CAI Pengjie, CUI Zhenang. DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS IN SANYA BAY AND SURROUNDING WATERS[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(12): 22-31. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.029
    • 重金属作为近岸沉积物中危害最严重的污染物之一,一直以来是学者们研究的热点[1-15]。近年来,我国沿海地区经济飞速发展,人口快速增长,工农业等生产活动产生大量重金属污染物随地表径流、大气沉降或近岸直接排放等方式进入海洋[1-4]。进入海水中的重金属元素通过吸附、累积和絮凝等作用附着于水体中的颗粒物上,最终沉降至沉积物中,导致海洋底质环境恶化,破坏海洋生态环境[5-6]。而且沉积物中的重金属具有高毒性和持久性,难以被生物降解,可随食物链在生物体中富集,最终危害人类的健康[7-12]。随着海南省打造国际旅游岛及全岛建设自由贸易实验区等一系列国家战略决策的实施,三亚市旅游业、加工业及港口航运等发展迅猛,近岸海洋生态环境受到空前压力[13]。作为国际滨海旅游城市,三亚市海洋生态环境质量备受人们的关注。然而,目前针对三亚湾及周边海域表层沉积物重金属的研究并不多,且一般样品数量较少,分析研究的重金属种类有限,仅分析少量采样点样品重金属含量和生态风险系数,未讨论它们在湾内及周边海域的分布趋势和特征,并且分析研究手段有限,未能探讨重金属的来源及影响因素,研究不够系统[14-15]。因此,研究三亚湾及周边海域表层沉积物重金属的分布特征及潜在的生态风险具有重要意义。本文对三亚湾及周边海域表层沉积物重金属进行生态风险评价,可为其生态保护策略制定提供科学依据。

    • 研究区为三亚市中部近海区域,包括三亚湾、红塘湾东部及其临近海域,位置为18°10′—18°20′ N、109°15′—109°30′ E,面积约360 km2。研究区及周边地层发育较为复杂,主要包括第四系,局部出露有寒武系、奥陶系、志留系和白垩系。岩浆岩出露较广泛,主要为隐伏于第四系之下的三叠纪和白垩纪侵入的中酸性花岗岩[16]。研究区三面环山,陆地地貌主要发育有丘陵、台地和冲积平原,海岸带地貌则主要为海滩、海岸沙堤、海积平原、潟湖平原、水下浅滩和水下平原。海底地势较为平坦,水深<40 m,由北向南逐渐增加。研究区潮汐为不规则全日潮,以日潮为主。海流以潮流为主,涨潮流流向西北,落潮流流向东南[17]。全年常浪向为S向,次之为SSE向,平均波高<1.5 m。注入研究区的河流主要为三亚河,集雨面积超过100 km2[17-18]。研究区周边重工业较少,人口密集,旅游业旺盛。污染物进入研究区的主要途径为生活污水的排放和游轮的排污等[19]

    • 2016年7月使用抓斗取样器在研究区获得73个表层沉积物,取样站位间距2 km,近岸局部区域加密至约1 km(图1)。取样深度为海底表层5 cm,样品重量不低于2 kg。样品获取后均封装在聚乙烯样品盒中,放置于冷柜中保存,冷柜温度为4 ℃。样品返回广州海洋地质调查局岩心库后进行分样处理,之后送至海南省地质测试研究中心进行重金属元素、Al2O3含量及粒度的测试。

      图  1  研究区范围及采样站位

      Figure 1.  The study area and sampling stations

      粒度测试采用综合法测定,即对于粒径<2 000 μm的样品用直接用Mastersizer 2000型激光粒度仪(Malvern Instruments Ltd,英国)进行测试,>2 000 μm的样品采用传统筛分法分析测定,最终数据由2种方法综合得出。地球化学测试包括7种重金属元素、Al2O3含量的测定。测试前需将样品放置于烘箱内恒温60 ℃烘干,再将其研磨至250目后测试。Cd元素含量测定采用石墨炉原子吸收分光光度法,测试仪器为Jena Zeenit 60型石墨炉原子吸收光谱仪(Analytik Jena AG,德国);Hg和As含量的测定采用原子荧光光谱法(AFS),测试仪器为AFS-820型原子荧光光度计(北京吉天仪器有限公司,中国);Cu、Zn和Pb元素含量的测定采用电感耦合等离子体质谱法,测试仪器为Optima 4300DV电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,Perkin Elmer Inc,美国);Cr元素和Al2O3含量测定采用X荧光光谱法测定,测试仪器为ZSXmini型台式X射线荧光光谱仪(Rigaku Corp,日本)和Axios型X射线荧光光谱仪(PANalytical B V,荷兰)。粒度测试和重金属元素测试分别按样品数量的10%和20%设置空白样和重复实验对测试质量进行全程监控。在沉积物标准样控制下,测试结果与参考值相对偏差<3%,吻合度较好。

    • 本文运用SPSS 22软件对数据进行相关性分析、因子分析。相关性分析采用Pearson相关系数,双尾检验。因子分析前需对变量数据进行巴特利特球形检验(Bartlett Test of Sphericity)和KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验。

    • 本文采用潜在生态危害指数法(Potential Ecologicalrisk Index)对研究区沉积物重金属元素污染程度和潜在生态风险进行评价。潜在生态危害指数法是由瑞典科学家HAKANSON[20] 1980年提出的针对土壤和沉积物重金属污染的评价方法。该方法不仅考虑了重金属的含量,还根据不同重金属的环境行为特点,综合环境对重金属的敏感性、不同重金属的毒性等,对重金属进行加权评价,在环境生态风险评价中得到了广泛的应用。其公式如下:

      $$ {C_{\rm{d}}} = \sum\limits_i^n {C_{\rm{f}}^i} = \sum\limits_i^n {\frac{{{C^i}}}{{C_n^i}}} $$

      式中:Cd为沉积物重金属总体污染程度系数; Cfi为重金属i的污染系数; Ci为重金属i的实测含量; Cni为重金属i的评价参比值。 本研究采用中国南海近海表层沉积物的重金属平均值[21],7种重金属As、Cd、Hg、Cu、Zn、Pb、Cr分别为7.2、0.053、0.027、13、61、19、53 μg/g。

      沉积物重金属潜在生态风险评价是基于该重金属污染状况评价的,应先计算单个重金属的潜在生态危害系数,然后通过对所有参与评价的重金属的潜在生态危害系数求和得到沉积物中多种重金属的潜在生态风险指数ERI,公式如下[20]

      $$ {E_{{\rm{RI}}}} = \sum\limits_i^n {E_{\rm{r}}^i} = \sum\limits_i^n {\left( {T_{\rm{r}}^i \cdot C_{\rm{f}}^i} \right)} $$

      式中:Eri为重金属i的潜在生态危害系数; Tri为重金属i的毒性响应系数,其反映该重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,7种重金属As、Cd、Hg、Cu、Zn、Pb、Cr分别为10、30、40、5、1、5、2[20]。可依据CdERI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[20]

      Table 1.  The grading of heavy metal pollution and potential ecological risk in marine sediments

      Cfi单个重金属污染程度Cd重金属总体污染程度Eri单个重金属潜在生态危害程度ERI重金属总体潜在生态危害程度
      <1<7<40<150
      1~3中等7~14中等40~80中等150~300中等
      3~614~2880~160较重300~600
      ≥6严重≥28严重160~320≥600严重
      ≥320严重
    • 研究区表层沉积物重金属含量数据统计及分布特征见图2表2。可知,Cu含量为5.52~28.30 μg/g,平均12.77 μg/g,变异系数为0.28,总体上呈“北低南高”趋势分布,极高值区为西瑁洲东北部,极低值区位于西瑁洲北部海域;As含量为3.58~14.70 μg/g,平均7.05 μg/g,变异系数为0.31,西瑁洲北部海域为其含量极高值区,而三亚湾、红塘湾及西瑁洲东西两侧海域含量较低,其余海域则分布较为均匀;Cd含量为0.02~0.18 μg/g,平均0.067 μg/g,变异系数为0.40,总体上呈“北低南高”趋势分布,极高值区出现在鹿回头半岛西岸沿岸,极低值区为西瑁洲北侧及凤凰岛周边海域;Pb含量为14.50~29.70 μg/g,平均21.11 μg/g,变异系数为0.14,在研究区内的分布为西部、南部含量高,东北部含量低。极高值区为红塘湾近岸区域,极低值区则为西瑁洲北侧海域;Hg含量为0.006~0.038 μg/g,平均0.022 μg/g,变异系数为0.31,总体上呈“北低南高”趋势分布,极高值区位于鹿回头半岛和东瑁洲周边海域,极低值区则为西瑁洲北侧海域;Cr含量为5.50~72.70 μg/g,平均43.84 μg/g,变异系数为0.39。Zn含量为23.20~83.80 μg/g,平均60.11 μg/g,变异系数为0.27。Cr和Zn含量在研究区内的分布很相似,总体上呈“北低南高”趋势分布,极高值区位于研究区南部海域,极低值区则为西瑁洲北侧近岸区域。

      表 2  沉积物重金属含量统计

      Table 2.  Statistics of heavy metal content in sediments /(μg/g)

      统计指标CuZnPbCrAsCdHg文献来源
      最大值 28.30 83.80 29.70 72.70 14.70 0.18 0.038 本文
      最小值 5.52 23.20 14.50 5.50 3.58 0.02 0.006
      平均值 12.77 60.11 21.11 43.84 7.05 0.067 0.022
      标准差 3.62 16.11 3.06 16.94 2.19 0.03 0.01
      变异系数 0.28 0.27 0.14 0.39 0.31 0.40 0.31
      珠江口沉积物 46.70 110.20 40.90 82.30 26.36 0.37 0.19 文献[22]
      中国浅海沉积物 15.00 65.00 20.00 60.00 7.70 0.065 0.025 文献[21]
      南海近海沉积物 13.00 61.00 19.00 53.00 7.20 0.053 0.027 文献[21]

      图  2  沉积物重金属含量和中值粒径分布图

      Figure 2.  Distribution of heavy metal content and median diameter size in sediments

    • 沉积物富集因子(Enrichment Factor,EF)定义为:EF=(E/Al)沉积物/(E/Al)背景值,E为沉积物中元素含量。本研究同样采用中国南海近海表层沉积物的重金属平均值作为背景值。表3为研究区表层沉积物重金属元素富集因子分析结果。

      表 3  沉积物重金属富集因子(EF)特征

      Table 3.  Characteristics of heavy metals enrichment factor in sediments

      统计指标CuZnPbCrAsCdHg
      最大值 9.75 2.29 3.61 1.92 5.13 7.70 3.45
      最小值 0.86 0.87 0.91 0.25 0.66 0.77 0.46
      平均值 1.22 1.13 1.36 0.90 1.28 1.47 0.96
      标准差 1.03 0.23 0.51 0.21 0.98 0.84 0.41
      变异系数 0.85 0.21 0.37 0.24 0.77 0.57 0.42
      EF>1.5站位数 4 4 16 1 9 20 4
    • 研究区表层沉积物重金属、Al2O3及中值粒径间的Pearson相关系数见表4,可知除As与其他重金属、Al2O3及中值粒径无相关性以外,其他元素间均存在一定的相关性。

      表 4  沉积物重金属、Al2O3及中值粒径Pearson相关系数

      Table 4.  Pearson correlation coefficient of heavy metals,Al2O3 and Mz in sediments

      Al2O3ZnPbCrCuAsCdHgMz
      Al2O31
      Zn0.936**1
      Pb0.804**0.788**1
      Cr0.910**0.901**0.773**1
      Cu0.544**0.590**0.508**0.574**1
      As−0.014−0.123−0.158−0.088−0.0141
      Cd0.603**0.648**0.426**0.601**0.336*0.0731
      Hg0.569**0.680**0.477**0.567**0.372**−0.1920.583**1
      Mz0.821**0.815**0.794**0.768**0.480**−0.2460.525**0.475**1
      注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关

      研究区表层沉积物重金属数据巴特利特球形检验相伴概率值为0,KMO检验结果取值为0.871,因此适合进行因子分析。本研究采用主成分分析法,取特征值>0.5的3个初始因子进行最大方差旋转,得到3个因子(表5图3)。因子1的主要载荷贡献重金属为Cu、Zn、Pb和Cr;因子2主要为Cd和Hg,因子3主要为As。3个因子的特征值分别为3.416、2.366和1.055,方差贡献率分别为42.70%、29.58%和13.18%,累积方差贡献率为85.46%,可反映源数据的大部分信息。

      表 5  沉积物重金属及Al2O3因子分析结果

      Table 5.  Factor analysis of heavy metals and Al2O3 in sediments

      元素因子荷载
      因子1因子2因子3
      Cd0.2670.8600.211
      Hg0.3810.792−0.120
      As0.0360.0480.988
      Cu0.8550.0840.098
      Zn0.7850.561−0.012
      Pb0.7550.405−0.065
      Cr0.8040.4860.007
      Al2O30.7960.5250.075
      特征值3.4162.3661.055
      方差贡献率/%42.7029.5813.18
      累积方差贡献率/%42.7072.2885.46

      图  3  沉积物重金属及Al2O3因子荷载

      Figure 3.  Factor load of heavy metals and Al2O3 in sediments

    • 图2可知,研究区表层沉积物重金属中,除As以外其他重金属含量分布大体上为沿岸低,向海的方向逐渐增高,这与研究区沉积物粒径向海的方向变小相关。根据表2,将研究区表层沉积物与珠江口沉积物[22]、中国浅海沉积物[21]、南海近海沉积物[21]中的重金属平均含量进行比较,发现研究区所有重金属平均含量远低于工业发达、人口密度大的珠江口地区。而研究区除Cd、Pb的平均含量略高于中国浅海沉积物和南海近海沉积物外,其余重金属含量均低于它们,说明研究区总体重金属含量水平不高。

      富集因子(EF)通常用于大气科学中对气溶胶进行评价和判别河流沉积物的污染问题,近年来被一些学者用于海洋沉积物的研究,并取得了较好的效果。沉积物元素富集因子是以Al作为参比值,将某一元素的丰度与背景值进行标准化,用以消除由碳酸盐含量和粒度变化所产生的影响,从而达到判断沉积物物源和元素污染程度的目的[23-25]。一般认为,当EF<1时表示元素无富集;1<EF<3说明元素少量富集;3<EF<5为元素中等富集;5<EF<10表明元素重度富集;10<EF<25认为元素严重富集;而EF>50时则元素非常严重富集[26]。通常来说,当EF<1时,认为元素相对于背景值亏损;当0.5<EF<1.5时,认为元素主要来源于地壳;当EF>1.5时,认为元素更多为非壳源的输入[27],极可能主要是人类活动污染所致。由重金属富集因子分析结果(表3)可知,就平均值而言,研究区表层沉积物中仅Cr和Hg的EF值<1,表明其无富集,相对于背景值为亏损,而其他重金属EF值介于0~3,相对于背景值为少量富集。研究区所有重金属EF平均值均介于0.5~1.5,表明它们主要为地壳来源。但部分站位重金属EF值>1.5,尤其Cd、Pb和As的EF>1.5的站位分别为20、16和9,说明它们除地壳来源外还可能受人类活动污染的输入。

      重金属元素相关性分析能反映其相似的物质来源或者相似的沉积物输送和积聚过程[28]。Al2O3一般为陆源碎屑的风化产物,多赋存于黏土矿物中,其性质比较稳定,可作为判断陆源的指示标志。另外,Al2O3具有明显的“粒度控制效应”,即粗粒沉积物中其含量低,细粒沉积物反之[29]。本研究将Al2O3含量和中值粒径纳入重金属元素的相关性分析中。由相关性分析结果(表4)可知,研究区表层沉积物重金属含量中Zn、Pb和Cr之间呈现显著正相关,其含量表现为相同的变化趋势,且其和Al2O3、中值粒径之间也为显著正相关关系,符合“粒度控制效应”规律,表明它们具有相同的物源,均来自陆源碎屑的风化剥蚀。Cu与Zn、Pb、Cr、Al2O3和中值粒径表现为中度相关性,表明Cu除了来自陆源剥蚀外还可能受到人类活动的影响。As与其他重金属、Al2O3及中值粒径之间的相关性系数|r|均<0.3,可视为不相关,说明As与其他重金属不具有同源性,很有可能为人类污染的输入。Cd和Hg之间相关性较强,它们与Zn、Pb、Cr表现为中—低相关性,而与Cu的相关性很弱,说明Cd和Hg可能具有同源性。

      从重金属元素相关性分析可知,重金属元素之间往往不同程度地存在着一定的内在联系,这些联系与其地球化学性质、物质来源等密切相关。特定的重金属组合往往具有成因的专属性,因而具有物源的指示意义,因此,对重金属进行因子分析可进一步确定其来源及其之间的联系[18]。一般而言,Cu、Pb、Zn等属于亲铜元素,在中国浅海沉积物中赋存形态以硅酸盐态为主[21],其在化学行为上具有相似性。由因子分析结果(表5图3)可知,研究区表层沉积物中Zn、Pb、Cr、Cu和Al2O3在因子1中具有很高的正荷载,反映它们之间较强的相关性,表明其主要来源于母岩的风化、侵蚀作用,通过地表径流输送至海洋环境,以矿物颗粒和胶体的吸附方式沉积[30];As、Cd、Hg同样为亲铜元素,且与人类活动密切相关。Cd和Hg为因子2的主要荷载,而其在因子1中的载荷并不高,结合相关性分析结果,它们应具有同源性,主要源自人类污染,而生活污水排放是它们的主要来源。据报道,三亚市2018年废水排放量约7 840万t,其中99.5%为生活污水[19],2015年三亚市产生的污水约35%得不到处理而直接排入三亚河,最终进入三亚湾[31]。随着三亚市近年来大力发展旅游业和渔业,三亚海域的观光船和渔船数量激增,它们产生的大量污水、废气及船体腐蚀、油漆剥落等也是Cd和Hg的重要来源[32]。另外,三亚市具有一定规模的电镀等化工业,其排放到三亚湾的工业废水也是Cd和Hg的来源之一[13];因子3中仅As具有较高的正载荷,Al2O3在因子3中的载荷仅为0.075。同样作为亲铜元素,As在因子1和因子2中的载荷分别为0.036和0.048,表明As的来源与控制因素与其他重金属元素不同,其并非来自陆源风化侵蚀,而主要为人类活动的输入。三亚市近年来大力发展水产养殖业,农业规模也多年保持在2.9万公顷左右[13],因此生活污水排放、网箱水产养殖、大量的农业施药等是As的主要来源。

    • 运用潜在生态危害指数法对研究区表层沉积物重金属进行评价,得到单项污染系数和潜在生态危害系数及分布(表6图4)以及总体污染程度系数和潜在生态风险指数及其分布(表7图56)。

      图  4  沉积物重金属单项污染系数(Cf)和潜在生态风险系数(Er)分布图

      Figure 4.  Distribution of single contamination factor (Cf)and potential ecological risk coefficient (Er) of heavy metals in sediments

      表 6  沉积物重金属单项污染系数(Cf)和潜在生态风险系数(Er

      Table 6.  Single contamination factor (Cf) and potential ecological risk coefficient (Er) of heavy metals in sediments

      重金属CfEr
      最大值最小值平均值 最大值最小值平均值
      Cu2.180.420.9810.882.124.91
      Zn1.370.380.991.370.380.99
      Pb1.560.761.117.823.825.56
      Cr1.370.100.832.740.211.65
      As2.040.500.9820.424.979.79
      Cd3.400.381.27101.8911.3237.96
      Hg1.410.220.8156.448.8932.52

      表 7  沉积物重金属总体污染程度系数(Cd)和潜在生态风险指数(ERI

      Table 7.  Total contamination factors (Cd) and potential ecological risk index (ERI) of heavy metals in sediments

      参数最大值最小值平均值
      Cd9.833.736.96
      ERI182.4846.3993.38

      图  5  沉积物重金属总体污染程度(Cd)分布

      Figure 5.  Distribution of total contamination factors of heavy metals(Cd)in sediments

      图  6  沉积物重金属总体潜在生态风险指数(ERI)分布

      Figure 6.  Distribution of total potential ecological risk index(ERI)of heavy metals in sediments

      表6可知,研究区表层沉积物中单项重金属平均污染程度Cf排序为Cd>Pb>Zn>As=Cu>Cr>Hg,这与王玉杰[14]、刘建波等[15]研究结果不同。Cd和Pb污染系数平均值介于1~3,属中等污染,其他5种重金属污染系数平均值<1,属于低污染水平。然而,7种重金属均有介于1~3的站位出现,尤以Cd最多,最大值达3.40,因此Cd是主要的污染元素。重金属总体污染程度系数Cd介于3.73~9.83,平均6.96,接近于7(中等),总体上沿岸为低污染程度,向海的方向为中等污染程度。其原因为三亚沿岸产生的大量生活污水排放到海洋中,由于近岸水动力较强,沉积物颗粒亦较粗,使得易于附着于细粒沉积物的重金属元素在远离沿岸的细粒沉积区富集。

      为了更好地反映沉积物重金属对生态环境的影响,在计算重金属潜在态风险系数时考虑了不同重金属的物理毒性因素[3, 20]。研究区表层沉积物中单项重金属的平均潜在生态风险程度Er的排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn,这与单项重金属污染程度排序有所差异。7种重金属平均潜在生态风险系数均<40,属于低等级潜在生态风险水平。所有站位的Cu、Zn、Pb、Cr和As的潜在生态风险系数均<40,而Cd和Hg部分站位介于40~80(Cd的一个离群值达101.89),属于中等潜在生态风险水平,主要位于离岸较远的区域及鹿回头半岛周边,反映了其分布的“粒度效应”,且可能与鹿回头区的帆船游艇码头排污有关。研究区重金属总体潜在生态风险系数ERI介于46.39~182.48,平均为93.38,属于低等级潜在生态风险水平,分布特征与重金属总体污染程度系数Cd类似。

    • (1) 研究区表层沉积物中Cu、Zn、Pb、Cr、As、Cd、Hg的平均含量分别为12.77、60.11、21.11、43.84、7.05、0.067、0.022 μg/g。As含量高值区为西瑁洲北侧海域,其他重金属的分布大体上为沿岸低,向海的方向逐渐增高。Cr和Hg平均相对于背景值为亏损,其他重金属相对于背景值为少量富集。

      (2) 研究区表层沉积物中Zn、Pb、Cr分布符合“粒度控制效应”规律,物质来源为陆源碎屑的风化剥蚀。Cu除了来自陆源剥蚀外还可能受到人类活动的影响。Cd和Hg主要来自于沿岸生活污水的排放。As主要来自生活污水排放、农业施药、网箱水产养殖等。

      (3) 研究区表层沉积物重金属总体属于低程度污染,总体平均潜在生态风险程度处于低等级水平,反映研究区总体较好的底质生态环境,且沿岸优于离岸海域。单项重金属平均污染程度排序为Cd>Pb>Zn>As=Cu>Cr>Hg,Cd和Pb属于中等程度污染,其他重金属属于低程度污染。单项重金属平均潜在生态风险程度均为低等级,排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn。Cd是污染程度最高和潜在生态风险最大的重金属,建议加强防控和治理。

参考文献 (32)

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