長江口海域表層沉積物重金屬元素的潛在生態風險評價

董愛國, 翟世奎, 于增慧, 韓東梅

(1. 中國海洋大學 海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266003; 2. 滄州市海洋環境監測站,河北 滄州 061000)

長江口海域表層沉積物重金屬元素的潛在生態風險評價

董愛國1, 翟世奎1, 于增慧1, 韓東梅2

(1. 中國海洋大學 海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266003; 2. 滄州市海洋環境監測站,河北 滄州 061000)

根據三峽水庫一期蓄水3 a后(2006年)長江口海域表層沉積物樣品中元素(Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, Al,As, Ca和Sr等)質量比和黏土組分百分含量, 采用Hakanson 潛在生態風險指數法, 分析了長江口海域表層沉積物中重金屬元素(Cd, Cr, Cu, Pb, Zn和As)的污染程度, 評價了長江口海域表層沉積物的環境質量現狀, 定量分析了長江口海域表層沉積物的潛在生態風險程度, 并結合 2003年的資料, 討論了三峽水庫一期蓄水3 a后長江口海域的環境變化。結果表明, 長江口海域表層沉積物環境質量狀況良好, 6種重金屬元素的污染程度排序為： As＞Cr＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb; 表層沉積物的潛在生態風險程度為“輕度”, 6種重金屬元素的潛在生態風險程度排序為： Cd＞As＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn。從區域差異來看, 杭州灣口外泥質區和長江口外東北偏北海域表層沉積物中重金屬元素(As, Cr, Zn, Cu和Pb)的污染指數和潛在生態風險指數均出現相對高值。從元素差異來看, Cd的污染指數和潛在生態風險指數高值區的分布明顯異于其他重金屬元素, 說明Cd存在與其他重金屬元素不同的富集機制, 很可能是因為Cd更易受懸浮體濃度、有機質含量以及水體鹽度的影響。與2003年的資料相比, 三峽水庫一期蓄水3 a后(2006年)表層沉積物總體潛在生態風險程度和重金屬元素(除 Cd之外)潛在生態風險指數的高值區均未發生顯著變化。

沉積物; 長江口; 重金屬元素; 潛在生態風險評價

長江作為注入西太平洋的第一大河, 其年輸沙量為2.74億t, 年徑流量為8 360億m3(1953～2006年大通站平均值)[1], 對其河口及鄰近海域的水文、沉積、地貌和生態系統都有重要的影響。尤其是近20 a來伴隨著經濟的快速發展, 流域的排污量發生著劇烈變化, 同時圍繞長江的一大批重大工程也逐步啟動, 如： 河口深水航道整治工程、南水北調工程和三峽工程等, 勢必對長江口海域環境造成重要的影響,這種影響的結果會在長江口海域沉積物中記錄并保存下來。

自三峽水庫 2003年一期蓄水后, 長江口海域的環境變化更是引起了國內外的廣泛關注。國家重點基礎研究發展規劃項目(中國典型河口-近海陸海相互作用及其環境效應)[2]于2006年再次組織了對長江口海域的環境綜合調查。

作者利用該次環境綜合調查所采集的表層沉積物樣品, 分析了長江口海域表層沉積物中重金屬元素Cr, Cu, Pb, Zn, Cd和As的質量比, 評價了沉積物中重金屬元素的污染程度及潛在生態風險程度, 同時結合2003年的資料, 討論了三峽水庫一期蓄水3 a后長江口海域的環境質量變化, 旨在為海域環境的綜合治理提供科學依據。

1 樣品及分析方法

2006 年 6 月在 28°～33°N , 120°～124°E區域(以下簡稱為研究區)內進行了環境綜合調查。利用箱式采樣器采集了表層沉積物樣品, 用 PVC瓶封裝。38個站位分布如圖1所示, 涵蓋了長江口內河道、口外泥質區以及外陸架殘留沉積區。

元素分析在德國不來梅大學地球科學系實驗室完成, 所用儀器為電感耦合等離子發射光譜儀(ICP-AES), 型號為OPTIMA3300L。樣品處理和分析流程[3]如下： 取適量樣品放入敞口小瓶中, 用低塵擦拭紙密封, 冷凍24 h后放入冷干機(型號為LYOVAC GT2)中進行干燥。將干燥后的樣品研磨, 稱取50 mg于聚四氟乙烯消解罐中, 并滴加3 mL濃硝酸、2 mL濃鹽酸和2 mL氫氟酸(37%)。然后, 在微波消解器中加熱(約200)℃, 加壓(約3MPa)。當酸完全蒸發后,在蒸干的樣品中加入0.5 mL硝酸和4.5 mL超純水溶解, 之后上機測試。元素分析的相對誤差小于10%。

圖1 2006年長江口海域表層沉積物采樣站位Fig. 1 Locations of sampling sites at the Changjiang(Yangtze) estuary in 2006

粒度組分的測定在中國海洋大學土工實驗室完成, 所用儀器為 Mastersizer 2000激光粒度儀, 儀器測量范圍為0.02～2 000 μm, 粒級分辨率為0.01Φ,重復測量相對誤差＜3%。

2 結果與討論

2.1 2006年研究區沉積物中黏土組分百分含量的分布特征

2006年研究區表層沉積物中黏土(粒徑＜4 μm)組分百分含量等值線呈帶狀分布(圖 2), 近岸帶仍為主要的泥質沉積區, 自西向東表層沉積物中黏土組分百分含量逐漸減少(由 30%逐漸減少到 10%左右),從長江口外泥質區逐漸過渡到外陸架的殘留沉積區。在長江口外近岸帶, 由北向南黏土組分百分含量逐漸增加(由13%左右逐漸增加到30%以上)。來自長江的沉積物主要在攔門沙區沉積下來, 細顆粒物質沿近岸帶向南運移, 向長江口外以北或東北方向的運移相對較弱。

圖2 2006年黏土組分百分含量等值線圖Fig. 2 Spatial distribution of clay in sediments of the Changjiang (Yangtze) estuary in 2006

2.2 2006年表層沉積物中元素的因子分析

關于長江口海域表層沉積物中重金屬元素的質量比分布, 董愛國等已做報道(待刊)。從其分布格局來看, 重金屬元素仍在河口外泥質區富集, 在河口外東北偏北方向上出現高值。這種分布格局與上述黏土組分的分布格局相似。

為了進一步探討沉積物中重金屬元素分布的控制因素, 區分重金屬元素污染程度和潛在生態風險程度的區域差異和元素差異, 筆者對 6種重金屬元素(Cr, Cu, Pb, Zn, Cd, As)和Al, Mn, Ca, Sr的質量比變化進行了因子分析。所獲得 4個因子的總方差貢獻為 93.4%(見表 1)。因子 1占總方差的 37.5%, 以Al為代表性元素, 同時Cr, Cu, Pb, Zn和As也具有較高的因子載荷, 主體反映與細粒黏土組分相關的陸源沉積, 說明這些元素的質量比與分布主要受陸源碎屑顆粒供給所控制, 與前述“重金屬元素的分布格局與黏土組分的分布格局相似”一致。因子 2占總方差的26.5%, 主要由Mn, Pb, Zn和As的質量比變化所體現, 可能主要受鐵錳氧化物的吸附以及氧化還原條件的變化所影響。研究[4～6]表明, 在長江口懸浮體和底質沉積物中Pb和Zn主要以殘渣態和鐵錳氧化物結合態的形式存在。因此, 長江口海域沉積物中Pb和Zn等重金屬元素質量比變化可能主要受到因子1和因子2的控制。因子3占總方差的18.5%,具有高載荷的元素為Ca和Sr, 代表生物來源。重金屬元素在此因子中載荷較低, 表明其較少的生物來源。因子4占總方差的10.9%, 主要由Cd的質量比變化所體現, 由于Cd在溶解態和顆粒態間的轉換非常活躍[4,7], 其分布可能與懸浮體濃度、有機質含量以及水體鹽度等密切相關。因此, 因子4應主體反映溶解態和顆粒態之間的轉換機制。已有研究表明[5],Cd在長江口海域水體中溶解態含量相對較高。也從另一個角度說明了因子4中Cd質量比的變化可能與其在溶解態和顆粒態之間的轉換有關。

表1 2006年長江口海域表層沉積物中元素因子載荷矩陣(經正交旋轉變化)Tab. 1 The rotated component matrixes of elements in sediments of Changjiang (Yangtze) estuary in 2006

2.3 2006年表層沉積物中重金屬元素的潛在生態風險評價

潛在生態風險指數法是瑞典學者 Hakanson[8]于1980 年建立的一套評價重金屬元素污染及潛在生態風險程度的方法, 該方法綜合考慮了重金屬元素的毒性、重金屬元素污染的敏感性, 以及重金屬元素區域背景值的差異, 并給出了重金屬元素潛在生態風險程度的定量劃分, 是國內外沉積物質量評價中應用最為廣泛的方法之一[9,10], 其公式[8]為：

以上式中為第i種重金屬元素的污染指數;Ci為重金屬元素的實測質量比;為重金屬i的評價參比值,Cd為總體污染指數。作者采用工業化以前的沉積物中重金屬元素的最高背景值, 取為 1 μg/g、為 15 μg/g、為 70 μg/g、為 50 μg/g、為 90 μg/g 和為 175 μg/g[8]。為第i種重金屬元素的潛在生態風險指數。為毒性系數, 其反映n重金屬元素的毒性水平和生物對重金屬元素的敏感程度, 取為30、為10、為5、為5、為2、為1[8]。Ir為多種重金屬元素的總體潛在生態風險指數。k為污染物質的種類, 本文中為6種。

通過公式(1)、(2)計算可知, 研究區沉積物中Cd,Pb, Zn, Cu, Cr和As的分別為： 0.81, 0.29, 0.50,0.48, 0.84和1.11; 總體污染指數Cd為4.03。6種重金屬元素的污染程度排序為： As＞ Cr＞ Cd＞ Zn＞ Cu＞Pb, 其中以As, Cr和Cd的污染程度, 尤其是As的污染程度相對較強。由沉積物環境質量潛在生態風險評價指標(表 2)可知： 除 As外其他重金屬元素的以及海域的Cd均為“輕度”, 表明長江口海域表層沉積物中重金屬元素的污染程度相對較低, 沉積物環境質量狀況良好。

表2 沉積物環境質量潛在生態風險評價指標和分級關系Tab. 2 Indexes and rankings of potential ecological risk for sediments

由公式(3), (4)計算可知, 研究區表層沉積物中Cd, Pb, Zn, Cu, Cr和As的分別為： 24.26, 1.45,0.50, 2.42, 1.68和11.09, 均小于30。研究區總體潛在生態風險指數Ir為41.4, 遠低于100。因此, 研究區沉積物中重金屬元素的潛在生態風險程度均為“輕度”。

6種重金屬元素的潛在生態風險程度排序為： Cd＞As＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn, 其中以Cd和As的污染程度尤其是Cd的潛在生態風險程度相對較強。與前述重金屬元素的污染程度評價相比, 在生態風險程度評價中Cd和Cu的排序相對上升, Zn的排序相對下降。這說明Cd和Cu更易從沉積物和懸浮體中向水體遷移, 尤其是在沉積物發生再懸浮或者周圍環境條件(例如鹽度、氧化還原條件等)發生變化時, 其向水體中遷移程度和遷移速度都可能發生重要變化。

從區域差異(圖3和圖4)來看, Pb, Zn, Cu, Cr和As的污染指數和潛在生態風險指數在長江河口外東北偏北海域和杭州灣外泥質區均出現高值。這種情況的出現與前述黏土組分含量的高值區分布極為相似, 說明在污染物質(重金屬元素)搬運和沉積過程中, 陸源碎屑顆粒的供給是重金屬元素分布的主要控制因素。同時, 杭州灣口外泥質區出現相對較高的污染指數和潛在生態風險指數值可能進一步說明了杭州灣口外已成為除長江口外另一重金屬元素的沉積“匯”。

從元素差異(圖3和圖4)來看, Cd的生態風險指數值呈現高值且分布也與其他重金屬元素明顯不同。Cd的生態風險指數高值區并未出現在杭州灣口外泥質區, 而是分布在河口外羽狀鋒附近(鹽度變化梯度較大)以及長江口外東北偏北方向海域。以上事實一方面說明Cd的潛在生態風險性較高; 另一方面也說明Cd與其他重金屬元素在搬運和沉積過程中所受到的控制因素明顯不同。這種情況與前述因子分析中Cd的特殊性(因子4)相吻合, 說明Cd的分布可能更易受懸浮體濃度、有機質含量以及水體鹽度等因素的影響, 受溶解態和顆粒態之間的轉換機制所控制。其他重金屬元素明顯更易受到陸源碎屑顆粒供給、鐵錳氧化物吸附以及氧化還原條件變化等因素的控制。

2.4 與2003年資料對比

圖3 2006年長江口海域表層沉積物中重金屬元素污染指數分布Fig. 3 The distribution of contamination indices of heavy metals in surface sediments of the Changjiang (Yangtze) estuary in 2006

圖4 2006年長江口海域表層沉積物重金屬元素潛在生態風險評價指數分布Fig. 4 The distribution of potential ecological risk exponents of heavy metals in surface sediments of the Changjiang (Yangtze)estuary in 2006

為了能夠更好地反映三峽水庫一期蓄水 3 a后長江口海域的環境變化, 本次環境調查站位(2006年)的布設與2003年海洋環境調查站位基本相同, 且采用相同的分析方法測定了2003年樣品, 經Hakanson的潛在生態風險評價分析可知： 2003年長江口海域表層沉積物中Cd, Pb, Zn, Cu, Cr和As的分別為：22.60, 1.60, 0.51, 2.99, 1.81和10.31, 總體潛在生態風險指數Ir為39.8, 遠小于100?？芍? 2003年研究區表層沉積物的總體潛在生態風險程度為“輕度”, 6種重金屬元素的潛在生態風險程度的排序為Cd＞As＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn。因此可知, 與2003年資料相比,三峽水庫一期蓄水3 a后(2006年)長江口海域表層沉積物中Pb, Zn, Cu和Cr的單因子潛在生態風險系數呈降低趨勢, 而Cd和As卻呈升高趨勢, 總體來看研究區的沉積物質量狀況并未發生顯著變化。但是, 這并不能簡單地認為三峽水庫一期蓄水并未對長江口海域沉積物中重金屬元素產生重要影響。據國家海洋局資料, 2003年長江所排放的重金屬污染物為3.97萬 t[11], 而 2006年僅為 1.85萬 t[12], 約減少了53%。同時長江輸沙量劇減(由2003年的2.088億t[13]減少至2006年的0.848億t[14], 減少約60%), 使得懸浮物所吸附的重金屬元素產生“濃縮”的現象, 即“載體”的減少, 使得單位體積懸浮體上所吸附的重金屬元素質量比增加。可見, “三峽水庫一期蓄水 3a后, 長江口海域表層沉積物質量狀況并未發生變化”可能是由上述兩種因素共同作用的結果。

從區域變化和元素變化(圖4和圖 5)來看, 三峽水庫一期蓄水3 a后Pb, Zn, Cu, Cr和As的單因子潛在生態風險指數高值區仍出現在杭州灣外泥質區,Cd的單因子潛在生態風險指數的分布發生了明顯的變化。可見細顆粒物質吸附仍然是Pb, Zn, Cu, Cr和As分布的重要控制因素。在三峽水庫一期(2003年)蓄水時, Cd的高值區主要出現在河口外東北偏北方向; 在三峽水庫一期蓄水3 a后, Cd在長江口外東北偏北方向上的高值有所下降, 在口外羽狀鋒附近也出現高值。上述情況說明了三峽水庫一期蓄水后, 長江徑流量的減少使得長江口外懸浮體濃度和鹽度分布發生了變化, 可能影響Cd的質量比分布。

3 結論

長江口海域表層沉積物中重金屬元素污染程度評價顯示其質量狀況良好, 除 As的污染程度為中等外,其他重金屬元素的污染程度均為輕度。6種重金屬元素的污染程度排序為： As＞Cr＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb。

圖5 2003年長江口海域表層沉積物重金屬元素潛在生態風險評價指數分布Fig. 5 The distribution of potential ecological risk exponents of heavy metals in surface sediments of the Changjiang (Yangtze)estuary in 2003

長江口海域表層沉積物中重金屬元素的潛在生態風險程度為“輕度”, 6種重金屬元素的潛在生態風險程度排序為： Cd＞As＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn。與重金屬元素的污染程度評價相比, 在生態風險程度評價中Cd和Cu的排序相對上升, Zn的排序相對下降。

從區域差異來看, 在杭州灣口外泥質區和長江口外東北偏北海域重金屬元素(As, Cr, Zn, Cu, Pb)的污染程度和潛在生態風險指數均出現高值, 與黏土組分百分含量的高值區分布極為相似。從元素差異來看, Cd的分布可能更易受懸浮體濃度、有機質含量以及水體鹽度等因素的影響, 受溶解態和顆粒態之間的轉換機制所控制; 而其他重金屬元素明顯受到陸源碎屑顆粒供給、鐵錳氧化物吸附以及氧化還原條件變化等因素的控制。

與三峽水庫一期(2003年)蓄水時相比, 三峽水庫一期蓄水 3 a后長江口海域沉積物中潛在生態風險程度并未發生顯著變化, 仍為“輕度”。除 Cd外,其他重金屬元素的潛在生態風險指數高值區與杭州灣外泥質沉積區相一致。在三峽水庫一期(2003年)蓄水時, Cd潛在生態風險指數的高值出現在河口外東北偏北方向, 而在三峽水庫一期蓄水3 a后, Cd在長江口外東北偏北方向上的高值有所下降, 在口外羽狀鋒附近也出現高值。

[1] 中國水利部. 中國河流泥沙公報[R]. 北京： 中國水利部, 2006.

[2] 翟世奎, 孟偉, 于志剛, 等.三峽工程一期蓄水后的長江口海域環境[M]. 北京： 科學出版社, 2008.

[3] Zabel M, Schneider R R, Wagner T,et al. Late quaternary climate changes in central Africa as inferred from terrigenous input to the Niger Fan [J]. Quaternary Research, 2001, 56： 207-217.

[4] 戴維明. 長江口懸浮固體中重金屬元素的形態研究[J]. 上海環境科學, 1994, 13(11)： 7-10.

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[6] 蘇惠娟, 陸維昌, 陳曉虹, 等. 長江口表層底泥中重金屬(鉛、鎘、銅、鋅)化學形態的研究[J].海洋通報,1988, 7(4)： 22-30.

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[8] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pol-lution control： a sedimentological approach [J]. Water Research, 1980, 14(8)： 975-1001.

[9] Kwon Y T, Lee C W. Application of multiple ecological risk indexes for the evaluation of heavy metal contamination in a coastal dredging area [J]. Science of the Total Environment, 1998, 214(1-3)： 203- 210.

[10] 馬德毅, 王菊英. 中國主要河口沉積物污染及潛在生態風險評價[J]. 中國環境科學, 2003, 23(5)： 521-525.

[11] 國家海洋局. 2006年中國海洋環境質量公報[R]. 北京： 國家海洋局, 2006.

[12] 國家海洋局. 2003年中國海洋環境質量公報[R]. 北京： 國家海洋局, 2003.

[13] 長江水利委員會. 長江泥沙公報[R]. 北京： 長江水利委員會, 2003.

[14] 長江水利委員會. 長江泥沙公報[R]. 北京： 長江水利委員會, 2006.

Evaluation on potential ecological risk of the heavy metals in the surface sediments of the Changjiang (Yangtze) estuary and its adjacent coastal area

DONG Ai-guo1, ZHAI Shi-kui1, YU Zeng-hui1, HAN Dong-mei2
(1. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques of Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Marine Environment Monitoring Station of Cangzhou, Cangzhou 061000, China)

Feb., 12, 2008

sediment; the Changjiang (Yangtze) estuary; heavy metals; potential ecological risk evaluation

Based on the contents of elements (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, Al, As, Ca, Sr, ect) and clay in the surface sediments of Yangtze estuary and the surrounding area in 2006, using Hakanson ecological risk index method, we analyzed the contamination degree of heavy metals in the surface sediment, evaluated the environmental quality status of surface sediments, and defied the potential ecological risk of surface sediments. We found that there was a good quality status in surface sediments of Yangtze estuary and its adjacent area, and the order of contamination content in sediments was As＞Cr＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb. In addition, the potential ecological risk of heavy metals was also “low”;and the order of potential ecological risk index was Cd＞As＞ Cu＞ Cr＞ Pb＞ Zn. Geographically, the relative high value of contamination degree and potential ecological risk were seen in the mud area outside Hangzhou bay and southeast of Yangtze estuary. Among the heavy metals, Cd showed a value of contamination degree and potential ecological risk that were significantly higher than other elements, probably because Cd were more affected by the concentration of suspended particular matter, the content of organic matter and salinity than other elements. Compared with the data of 2003, the potential ecological risk of heavy metals and high value of potential ecological risk index were not significant changed.

P736.41

A

1000-3096(2010)03-0069-07

2008-02-12;

2008-06-24

國家973項目(2002CB412409)

董愛國(1982-),男,內蒙古錫林浩特人,碩士研究生,主要從事海洋地球化學研究,E-mail： aiguo.dong@gmail.com

(本文編輯： 劉珊珊)