狄歡,張碩,錢衛(wèi)國

(上海海洋大學海洋科學學院大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室,上海201306)

海州灣海洋牧場區(qū)表層沉積物主要理化狀況及其相關(guān)性分析

狄歡,張碩,錢衛(wèi)國

(上海海洋大學海洋科學學院大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室,上海201306)

對2011年度海州灣海洋牧場區(qū)表層沉積物進行取樣調(diào)查,并就粒徑大小、沉積物類型和沉積物中重金屬及總氮、總磷等含量進行了測定和分析。結(jié)果表明:海州灣海洋牧場區(qū)域表層沉積物粒度全年內(nèi)變化范圍較小,粒度值為φ4.44～φ6.14,類型介于粉砂與黏土性質(zhì)之間,其分布特征與灣口所受北東向的風浪相關(guān);相比2010年之前,表層沉積物中銅、鋅、鉛和鎘的濃度呈現(xiàn)上升趨勢,鎘濃度超過沉積物第三類標準且時空變化較大,明顯受到潮流輸送沉積物運動的影響;表層沉積物中氮、磷的濃度總體上變化平穩(wěn),能夠與年內(nèi)季節(jié)變化幅度較小的重金屬濃度指標之間建立較好的定量相關(guān)模型。

表層沉積物;海州灣;重金屬;營養(yǎng)鹽;海洋牧場

海州灣位于江蘇省北部、山東省南部,屬于淺海性開放型海灣[1]。從2003年開始在該海域?qū)嵤┤斯~礁建設(shè),并在此基礎(chǔ)上發(fā)展海洋牧場,在項目實施過程中盧璐等[2]、 孫習武等[3]、 楊柳等[4]針對該海區(qū)的海水環(huán)境、漁業(yè)資源及浮游動植物情況等做了詳細的總結(jié)和評價,但對沉積物方面的研究報道較少。海底沉積物性質(zhì)的調(diào)查和研究,對于綜合把握海域的各項因素具有重要意義,如在探知區(qū)域水動力、潮流浪向等方面,有學者[5]選擇以沉積物的粒徑組成和分布特征作為基本依據(jù),而在區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面,沉積物作為水環(huán)境中污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的主要載體對于整體水域質(zhì)量有著重要影響,一些學者[6-9]通過分析沉積物中氮磷形態(tài)或重金屬形態(tài)的分布來討論其生物有效性,特別是對一些結(jié)合區(qū)域優(yōu)勢藻類所作的分析研究具有重要實際意義,也有不少人以此為基礎(chǔ)開展沉積物對于各類污染物質(zhì)的吸附、釋放規(guī)律和通量的研究。而袁懋等[10]指出,建立所研究水域主要調(diào)查項目的定量關(guān)系模型,可以在一定條件下有效提高環(huán)境監(jiān)測效率。本研究中,作者以2011年度海洋牧場示范區(qū)中的沉積物為主要研究對象,通過對不同季節(jié)沉積物的取樣調(diào)查,對表層沉積物粒徑構(gòu)成、類型以及沉積物中重金屬、總氮、總磷等濃度變化情況進行定量分析,旨在為后續(xù)建立該區(qū)域環(huán)境的預(yù)測機制和高效監(jiān)測提供參考。

1 材料與方法

1.1 站點設(shè)置和樣品采集

2011年在該海域設(shè)置22個調(diào)查站點,其中魚礁中心區(qū)域設(shè)置14個站點,礁區(qū)外圍水域設(shè)8個對照站點,于5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)分別對各固定站點進行沉積物質(zhì)的監(jiān)測調(diào)查。用抓斗式采泥器采集海底表層0.5 m處的沉積物樣品,取其中芯樣兩份,密封避光保存帶回實驗室。采樣站點主要分布于 34°52.15＇～34°58.00＇N、119°21.15＇～119°34.80＇E,站點設(shè)置如圖1所示。

1.2 樣品的測定和數(shù)據(jù)處理

樣品從密封袋取出,在陰涼通風處迅速風干,剔除礫石、貝殼等雜質(zhì)顆粒。用于總氮 (TN)、總磷 (TP)及重金屬含量所需的樣品經(jīng)過研磨后進一步過100目篩處理,測定過程嚴格參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》 (GB 17378.5-2007)進行,采用凱式滴定法和分光光度法分別測定TN、TP;高溫消解沉積物樣品后,使用原子吸收分光光度計測定四類重金屬鉛、銅、鎘、鋅。

圖1 調(diào)查站點圖Fig.1 Sampling sites in Haizhou Bay

粒徑樣品搗碎后經(jīng)六偏磷酸鈉預(yù)處理,使用馬爾文 Mastersizer 2000激光粒度儀進行粒度分析,記錄其各粒級百分含量,計算各主要粒徑參數(shù),并運用謝帕德三角圖分類法[11]進行分類。粒度參數(shù)的計算采用矩法公式[12]:

式中:Xφ為平均粒徑;δφ為分選系數(shù);SKφ為偏度系數(shù);KG為峰態(tài)值;fi為樣品中各粒徑組分權(quán)重;mi為各粒徑范圍的粒徑值 (以φ制表示)。

1.3 相關(guān)性分析

根據(jù)站點對所調(diào)查的沉積物N、P含量與重金屬濃度作回歸分析,計算其相關(guān)曲線函數(shù)及相關(guān)系數(shù),并按照數(shù)據(jù)統(tǒng)計要求進行相關(guān)系數(shù)檢驗和顯著性檢驗,評估各化學元素之間是否易于建立可靠模型或者建立起有用模型需要的數(shù)據(jù)時間跨度。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒徑及主要理化狀況

根據(jù)粒徑計算結(jié)果,主要參數(shù)年平均值計算結(jié)果如表1所示,整個調(diào)查區(qū)域的粒度為φ4.44～φ6.14,介于黏土及粉砂之間,站點間總體差異波動較小。總體沉積物類型主要為兩類,對于14個魚礁區(qū)調(diào)查站點,魚礁點1、2、3、5、6、8、13為黏土質(zhì)粉砂,其余7個魚礁站點為粉砂質(zhì)黏土,兩種類型各占近一半,粒徑較小的站點主要分布于投礁區(qū)域的東南側(cè);對于8個兩側(cè)分布的對照區(qū)站點,對照點2、3、5、7、8為黏土質(zhì)粉砂,其余3個對照點為粉砂質(zhì)黏土,同樣,粒徑較小的3個站點分布于整個調(diào)查區(qū)域的東南側(cè)。

表1 2011年均沉積物粒度計算結(jié)果Tab.1 The average particle sizes caculated in 2011

本研究中,按所屬地理方位將22個調(diào)查站點劃歸為3條斷面,分別為位于西北部的 (對照點7、5、3、2)斷面、投礁區(qū)中部的 (魚礁點5、6、3、4、2、10、1、11、7、12、8、13、9、14) 斷面以及東南部的 (對照點8、6、4、1)斷面,從粒度數(shù)值的變化趨勢可以看出 (表1):在灣口附近的西北斷面,粒度值呈現(xiàn)出由近岸向遠岸變大的梯度趨勢,表明該區(qū)域底質(zhì)沉積物受到灣內(nèi)潮流一定的帶動作用;而東南斷面的變化趨勢正好相反,說明處在灣口頂內(nèi)外的兩塊區(qū)域分別處于潮流往復(fù)的交匯區(qū),各自受到不同流向潮流的影響;而中線的變化趨勢較左右兩側(cè)較為平緩,但仍能看出近岸稍大于遠岸的基本特征,恰能說明投礁區(qū)處在潮流往復(fù)的交匯區(qū),可以推測出整個投礁區(qū)域是一個沉積物隨海流輸送的緩沖地帶,而海區(qū)底部投放的人工魚礁對沉積物的搬運起著一定的阻緩和消減作用。

2.2 4類重金屬污染物的時空分布

調(diào)查的表層沉積物中,4類重金屬污染物在3個季度中的等值線分布圖見圖2。

總鉛 (Pb)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:5月份Pb含量為19.25～68.00 mg/kg,總體基本符合 《海洋沉積物質(zhì)量》[13]所設(shè)定的第一類標準;8月份Pb含量為9.75～75.00 mg/kg,10月份 Pb含量為15.40～112.75 mg/kg,夏、秋兩個季節(jié)Pb含量的變化跨度較大,并且個別調(diào)查站點的Pb濃度在此期間快速上升,Pb濃度下降為第二類標準,秋季的幾個魚礁區(qū)站點表現(xiàn)得更為明顯。

總銅 (Cu)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:5月份Cu含量為17.25～26.25 mg/kg,8月份Cu含量為12.12～27.75 mg/kg,10月份 Cu含量為 12.40～43.50 mg/kg,3個季節(jié)中Cu的濃度范圍波動不大,均符合第一類標準,除秋季出現(xiàn)小幅升高外,全年變化幅度保持平穩(wěn)。從3個季節(jié)中Cu含量的對比可以明顯看到,春季表層沉積物中Cu的遷移表現(xiàn)為由灣外向灣內(nèi)擴散,由于有一部分被魚礁區(qū)所阻滯,因而向灣內(nèi)擴散的趨勢放緩。

總鎘 (Cd)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:5月份Cd含量為19.25～179.25 mg/kg,8月份 Cd含量為8.25～179.50 mg/kg,10月份 Cd含量為4.20～145.75 mg/kg,3個季節(jié)各站點間的Cd含量差異較明顯, Cd濃度基本無法達到第三類標準,屬于Cd污染較嚴重地區(qū),同時沉積物中的含Cd污染物在該區(qū)的遷移轉(zhuǎn)化運動較為活躍。從污染區(qū)域的分布來看,魚礁區(qū)在春季受污染的程度較重,下半年除部分積累外逐漸向灣口外方向轉(zhuǎn)移,總體呈現(xiàn)類似于粒徑的變化趨勢,即從東南方向輸入,在灣頂附近滯留后往東北方向輸出。

總鋅 (Zn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:5月份Zn含量為35.75～84.75 mg/kg,8月份 Zn含量為34.50～86.75 mg/kg,10月份 Zn含量為 22.50～67.25 mg/kg,3個季節(jié)Zn濃度分布較為均衡,Zn濃度值均遠低于第一類標準,處于良好狀態(tài),春、夏兩季的分布特征基本類似,夏季略微上升,秋季呈現(xiàn)出全年的低峰值,魚礁范圍區(qū)內(nèi)Zn濃度總體沒有較大波動。

2.3 N、P濃度的時空分布

相對于海水中的營養(yǎng)鹽狀況,沉積物中的N、P含量更能確切地反映一個時期內(nèi)海區(qū)的營養(yǎng)物質(zhì)輸入情況。2011年度22個站點調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,海域沉積物中TN含量春、夏、秋季分別為0.24～0.59、0.29～0.89、0.24～0.85 g/kg,而TP含量春、夏、秋季分別為 0.31～0.68、0.31～0.43、0.34～0.60 g/kg?？梢钥闯?TN濃度的時空差異較大,全年的變化相對活躍,與春季相比,夏、秋兩季出現(xiàn)了TN濃度高峰值;而TP濃度除了個別站點外,全年的變化趨勢較為穩(wěn)定 (圖2)。

2.4 相關(guān)曲線的建立

對應(yīng)各站點的重金屬含量,分別對3個季節(jié)表層沉積物中TN及TP監(jiān)測數(shù)據(jù)采用線性回歸方程建立各指標間的定量關(guān)系模型,并作相關(guān)性檢驗,結(jié)果見表2。污染物之間相關(guān)模型的建立對于評估某段時間內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和污染種類變動都有重要意義,如果海州灣海洋牧場的常規(guī)環(huán)境監(jiān)測能在幾年里建立有效的相關(guān)模型,則能從高效性和精準性方面提升監(jiān)測的工作質(zhì)量。

3 討論

3.1 粒徑對化學元素濃度分布的影響

圖2 沉積物中總鉛、總銅、總鎘、總鋅、總氮、總磷在5月、8月和10月的等值線圖Fig.2 The contour map of Pb,Cu,Cd,Zn,TN,and TP levels in the sediments in May,August and October

表2 各項指標的回歸方程和相關(guān)系數(shù)Tab.2 The regression equation and correlation coefficient between the index

從以往的調(diào)查結(jié)果可知,連云港近岸海域的水動力主要為波浪和潮流,水動力條件較為復(fù)雜,本次調(diào)查點所在的投礁區(qū)域正處于海州灣灣頂,灣口突窄的地形變化導(dǎo)致波浪向岸傳播的過程中大部分能量消耗在與水下岸坡的摩擦上,形成了比較寬闊的波浪消能帶,使近岸潮流作用明顯,尤其是灣頂處于波腹區(qū)流速較小,利于沉積物的擴散堆積[14]。海域的沉積物粒度變化趨勢一定程度上反映了該海域沉積物搬運作用的方式,根據(jù)Visher的粒徑分布累積機率曲線可以對本研究中的粒度參數(shù)進行分析,總體的平均粒度值反映了海州灣魚礁區(qū)的沉積物顆粒較細,主要搬運模式屬于懸浮搬運。研究表明[15-16],沉積物的粒徑大小對于重金屬和其他化學元素顆粒的吸附影響較大,一般隨著粒徑的減小,對重金屬等的理論吸附濃度逐漸增加。海州灣魚礁建設(shè)海域的沉積物粒度總體較小,決定了其對于外界重金屬污染物或N、P等營養(yǎng)物質(zhì)具有較大的吸附容量和擴散潛力。

從已有文獻可以看出,海州灣內(nèi)潮流屬于淺海半日潮,潮差較大,近岸水流基本為往復(fù)運動[17]。而根據(jù)東西連島海洋站的觀測資料,海區(qū)的波浪以風浪為主,主浪向為北東[14]。據(jù)此并按照粒徑的變化趨勢 (表1)可以發(fā)現(xiàn),灣口潮流的影響造成東南斷面輸入流向的粒徑較細,輸出流向的粒徑相對較粗,而處于中部的投礁調(diào)查區(qū)因其特殊的地理位置及底部魚礁的存在,更容易滯緩沉積物及其自身所吸附化學元素的遷移運動,使一些潛在的有害物質(zhì) (如重金屬等)在潮流輸出向得到輕微程度的富集,而不容易向灣外其他水域快速擴散。今后對于該海域的重點污染物質(zhì) (如重金屬)進行監(jiān)測時,監(jiān)測重點應(yīng)集中在自身海區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)以及對北東向波浪的源頭,同時海區(qū)表層沉積物中的N、P含量由于粒徑較小其對于海水中營養(yǎng)鹽有著較強的相互影響作用,對海區(qū)中海水富營養(yǎng)化評價時,應(yīng)當著重考慮沉積物帶來的影響因素。

3.2 海州灣海洋牧場區(qū)重金屬污染的狀況

多年來,海州灣海洋牧場區(qū)重金屬污染物的主要輸入源頭來自近海沿岸的漁業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)。而近年來,該海區(qū)內(nèi)的主要污染來源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈O船作業(yè)及漁業(yè)養(yǎng)殖過程中所排放的拋海廢棄物,海水養(yǎng)殖環(huán)境的惡化也影響到養(yǎng)殖生物的生長和繁殖[18]。與盧璐等[2]對海州灣調(diào)查所得出的濃度狀態(tài)相比較,本次調(diào)查中總體的污染程度有加深的趨勢,并且魚礁區(qū)的持續(xù)擴大建設(shè)對于一些重金屬污染物的分布遷移起著較為明顯的分散聚集效應(yīng)。Pb、Cu、Cd和Zn屬于海洋重金屬污染物監(jiān)測中常見并且分布較廣的幾類重金屬,與賀心然等[19]對海州灣地區(qū)調(diào)查的數(shù)據(jù)相比,本次調(diào)查中這幾類重金屬污染物的濃度都有不同程度的上升,而在變化上有其時空規(guī)律。其中最值得注意的是Cd污染程度比較嚴重,這主要體現(xiàn)在兩個方面:一是調(diào)查站點間的差異大,從個位到百位的單位數(shù)量級分布體現(xiàn)出吸附于表層沉積物的含Cd物質(zhì)有很強的遷移轉(zhuǎn)化性,與粒徑的空間變化特征相符且表現(xiàn)得更為明顯,表明在調(diào)查海域內(nèi)Cd污染的潛在生態(tài)風險較大;二是季節(jié)變化明顯,從等值線分布圖中對比發(fā)現(xiàn), Cd在春、夏、秋3個季節(jié)呈現(xiàn)出不同的分布特征,同樣揭示了含Cd污染物質(zhì)在海域中存在的不穩(wěn)定性,重金屬是一類典型的積累性污染物[20],而灣頂附近某一時間段內(nèi)的潮流情況可能是影響Cd含量累積的決定因素。

總體分析結(jié)果表明:調(diào)查海域以Cd為代表的污染物有基于區(qū)域表層沉積物的運動規(guī)律,且在積累濃度超過沉積物附著飽和度時能發(fā)揮出自身更大的轉(zhuǎn)移活躍性;反過來說,一旦某種污染物具有這種活躍性,說明其有超過所屬環(huán)境承載的危險。調(diào)查海域中,重金屬等污染物以附近的臨洪河口的陸源輸入、連云港港口30萬t航道及附近臨港工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染物排放為主要源頭。此外,海州灣水域的余流場基本為向岸方向,在E向和 ESE向風所產(chǎn)生余流作用下加劇了污染物的向岸堆積[2]。在降水較少的春季,灣頂?shù)滦沽枯^少,表層沉積物中Cd向岸堆積趨勢比較明顯,由于魚礁的阻流作用,魚礁對Cd由灣外向灣內(nèi)擴散有一定的阻擋作用,在一定程度上阻止了Cd向灣頂?shù)妮斎?而在降水較多的夏、秋季,受河流下泄影響,由灣內(nèi)向灣外的水交換能力增強,但這種阻滯效果不明顯,有利于污染物向灣外輸送,對降低灣內(nèi)重金屬含量有一定幫助。今后對海域重金屬進行監(jiān)測時,需要考慮沉積物隨潮流的運動規(guī)律及底質(zhì)的環(huán)境飽和度。

3.3 海州灣海洋牧場區(qū)營養(yǎng)鹽類的狀況

海州灣海域的入海河流較多,通過陸源輸入了大量有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽,近岸水域的富營養(yǎng)化比較嚴重,而人工魚礁建設(shè)區(qū)域處于灣口漸寬處,根據(jù)對粒徑的分析結(jié)果來看,調(diào)查站點所處區(qū)域的潮流往復(fù)運動較為明顯,水體流動交換頻繁,有效降低了赤潮的危害程度。但近年來魚礁建設(shè)區(qū)內(nèi),人工養(yǎng)殖生產(chǎn)逐漸興起,海洋牧場區(qū)域的營養(yǎng)鹽特別是氮鹽不可避免地快速累積,使沉積物中N濃度逐漸增加,與重金屬污染物一樣,當沉積物中N的積累量達到飽和程度時,其活躍性即與海水交換的頻率逐漸增加,容易打破水中的N、P平衡,造成生態(tài)災(zāi)害。雖然歷史上赤潮最終多以P元素成為限制性因子而結(jié)束[21],但對于N源的輸入仍然需要加強控制和嚴密監(jiān)測。

3.4 相關(guān)模型的可行性分析

比較各數(shù)據(jù)模型結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),達到顯著或極顯著性水平 (P＜0.05或P＜0.01)的一元回歸方程共有7組,分別為春季的Pb-TN組、秋季的Pb-TN組、夏季的Cu-TP組、秋季的Cu-TP組、春季的Zn-TN組、夏季的Zn-TP組以及秋季的Zn-TP組。其中3個季節(jié)的數(shù)量相當,可以看出在各個季節(jié)都有建立模型的條件,而4種重金屬元素中,與所建立的化學元素間變化幅度越小,建立起的回歸方程有效性就越高,如夏季的Cu-TP數(shù)據(jù)組。而Cd在本次調(diào)查年度中由于其時空變化較為強烈,無法建立能通過相關(guān)性和顯著性檢驗的數(shù)據(jù)模型。總體來說,表2反映了是否能在本海域建立沉積物化學元素間相關(guān)模型的可行性,越穩(wěn)定的定量模型就需要越大的時間跨度數(shù)據(jù)支持,當前一年的數(shù)據(jù)無法滿足建立一個完整、可靠的模型時,需要后續(xù)幾年的數(shù)據(jù)積累才能完成。而相關(guān)性較高的幾組數(shù)據(jù)從另一方面反映了其相互之間變化幅度的頻率相近。

4 結(jié)論

1)海州灣海洋牧場的底質(zhì)物理環(huán)境較為平穩(wěn),表層沉積物平均粒徑為4.44～6.14(φ制),沉積物種類的分布相差不大,主要分為黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土兩種。粒度大小的分布符合灣頂潮流往復(fù)流向,經(jīng)度上差異較為明顯。東南輸入向的沉積物粒徑比東北輸出向略小,而人工魚礁投礁區(qū)處于潮流運動內(nèi)外緩沖區(qū),魚礁的存在對于沉積物運動有一定滯緩作用。

2)表層沉積物中幾類重金屬含量比往年有所升高,其中Cd污染較為嚴重,其運動轉(zhuǎn)化較為活躍,一定程度上達到了沉積物吸附的飽和濃度,海流方向決定了其遷移方向。

3)表層沉積物中TN濃度的時空變化較大,總體范圍波動較小,TP的年變化穩(wěn)定,N源的持續(xù)輸入提升了海區(qū)富營養(yǎng)化風險。

4)建立穩(wěn)定有效的定量模型需要在本次調(diào)查的基礎(chǔ)上擴大監(jiān)測海域及監(jiān)測頻率,而對分布變化較大的污染物建立回歸模型時,要在調(diào)查站點上囊括主要輸入源區(qū)域。

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The main physical and chemical characterization and correlation of surface sediment at marine ranching area in Haizhou Bay

DI Huan,ZHANG Shuo,QIAN Wei-guo
(College of Marine Sciences,Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources,Ministry of Education,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The particle size,sediment type,concentrations of heavy metal,and total nitrogen and phosphorus levels were detected based on the survey data of surface sediment at the marine ranching area in Haizhou Bay in 2011. The results showed that the particle sizes were found to be variable from φ4.44 to φ6.14,that is,between silt and clay,which was attributed to the northeast-wind wave of the bay mouth.The concentrations of Cu,Zn,Pb and Cd were shown higher now than before 2010,especially Cu being far more higher than the third standard of sediment quality with highly temporal and spatial variation,which apparently was affected by tidal current sediment movement.The levels of N and P were changed steadily,and the quantitative relationship models among the indexes of some heavy metals with small change for each quarter a year were established.

surface sediment;Haizhou Bay;heavy metal;nutrient;marine ranching area

X834

:A

2095-1388(2013)04-0406-07

2013-03-10

上海市教委創(chuàng)新項目 (09YZ272);農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)項目 (技09-0065,D8006-11-0092);大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目 (KF201001)

狄歡 (1988-),男,碩士研究生。E-mail:huand@live.cn

張碩 (1976-),男,副教授。E-mail:s-zhang@shou.edu.cn