張起源,劉谞承,趙建剛,劉香華

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廣東沿海沉積物重金屬含量及風險評價

張起源1,2,劉谞承2*,趙建剛1*,劉香華2

(1.暨南大學生態(tài)學系,廣東 廣州 510632；2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所,廣東 廣州 510655)

通過收集大量監(jiān)測資料,研究廣東省沿海沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風險評價.基于社會、經濟、自然等方面,分析廣東省沿海沉積物重金屬的主要影響因素.結果表明,珠江口海域沉積物中重金屬含量高于粵東、粵西區(qū)域,其中Cu(106.98±70.69μg/g)、Pb含量(65.74±65.03μg/g)分別以廣州、深圳最高,Zn(250.25±55.01μg/g)、Cd(1.48±0.30μg/g)、Cr(96.48±9.79μg/g)、As(17.30±14.00μg/g)含量均為中山最高. Hakanson潛在生態(tài)風險評價結果顯示,廣東沿海各單項指數(shù)(0.528±0.377~2.107±3.665)及綜合指數(shù)(7.135±7.880)均處于“低等”水平.單因素生態(tài)風險評價結果為:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr,而生態(tài)風險綜合指數(shù)則表現(xiàn)為:珠江口(12.131)>粵東(5.488)>粵西(4.1560).沿海沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr之間均具顯著正相關性(<0.05),說明各重金屬污染來源相近,具有同源性;部分重金屬(Cu、Pb、Zn)含量與TOC顯著正相關(<0.05),而部分重金屬(Cu、Cr、Cd)含量與pH值顯著負相關(<0.05).

廣東沿海；重金屬；沉積物；生態(tài)風險評價

作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,沉積物是陸源污染物入海后的主要富集介質,也是水生生物的重要棲息場所,其穩(wěn)定性高于水介質,可較準確地反映海洋環(huán)境質量狀態(tài)和趨勢.重金屬是海洋環(huán)境中關注的重要污染物之一[1],主要源于地表徑流、大氣沉降和近海直接排污等[2],可通過懸浮顆粒物吸附沉降于沉積物中.重金屬具有蓄積性、殘留時間長的特點,易于底棲生物體內富集,通過食物鏈轉移至捕食者或人體,危害水生生物及人類健康[3].海洋沉積物重金屬含量與土壤背景值、區(qū)域經濟發(fā)展水平和人為活動干擾程度密切相關[4].

廣東省大陸海岸線總長3829.91km[5],沿海共分布14個地級市,水深低于80~90m以內范圍可分為珠江口(惠州、深圳、東莞、廣州、中山、珠海、江門)、粵東(潮州、汕頭、揭陽、汕尾)、粵西(陽江、茂名、湛江)3個海區(qū)(圖1)[6].據(jù)《2015年廣東省海洋環(huán)境狀況公報》,廣東省2015年主要入海河流共排放重金屬1.357t,重金屬長年累月大量排放,對沿海環(huán)境質量造成潛在的生態(tài)風險.

目前國內在江蘇、福建沿海以及渤海灣等已有較多沿海沉積物重金屬含量和生態(tài)風險方面的研究[7-10],而廣東沿海相關研究多集中于經濟發(fā)達的珠江口地區(qū)[11-12],粵東、粵西則較少關注,且近年來未見全省范圍內沿海沉積物重金屬含量及生態(tài)風險的相關報道.

本研究通過收集廣東沿海大量監(jiān)測點位數(shù)據(jù),以Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr等為重點,將整個廣東省沿海納入研究范圍,分析廣東沿海各市沉積物重金屬含量分布的時空差異及影響因素.按照區(qū)域經濟發(fā)展差異性,將廣東沿海分為粵東、粵西、珠江口等3個區(qū)域研究社會、經濟因素對于重金屬含量的影響,并對廣東沿海各市和粵東、粵西、珠江口3區(qū)域的重金屬潛在生態(tài)風險水平進行評價.基于沿海各市自然環(huán)境、社會經濟狀況,分析影響重金屬污染的關鍵因素,為廣東沿海重金屬污染防控提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)國家海洋局、廣東省海洋與漁業(yè)局等單位2015年以來公布的62本建設項目海洋環(huán)境影響報告書全本或簡本,收集了2014~2016年,沿海13市(缺潮州市,圖1)共484個監(jiān)測點位的海洋沉積物環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測指標含Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr、總有機碳(TOC)、石油類、pH值共9項.

圖1 廣東省海洋沉積物環(huán)境監(jiān)測點位分布圖

1.2 生態(tài)風險評價

采用Hakanson指數(shù)法[13],基于重金屬含量、數(shù)量、毒性及敏感性等條件,計算重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù),計算公式如下:

表1 全國及廣東土壤和海洋沉積物背景值(Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr平均值)研究 (μg/g)

表2 單類金屬及其綜合潛在生態(tài)風險評價

1.3 數(shù)據(jù)處理及圖形制作

采用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和相關性分析.采用Arcgis 10.5軟件進行圖形制作.圖2采用插值法作圖.

2 結果與分析

2.1 沉積物重金屬污染特征

廣東省海洋沉積物中,珠江口海域重金屬含量顯著高于其他區(qū)域.其中,Cu含量廣州地區(qū)最高為106.98±70.69(μg/g),中山、江門、珠海、深圳、汕頭、陽江較高,范圍為(34.02±30.63)~(70.78±15.77)μg/g,其他區(qū)域含量較低; Pb含量深圳為65.74±65.03(μg/g)、廣州為64.55±28.90(μg/g)、中山為62.90±7.47(μg/g),3地相近且較高,茂名、湛江、陽江則較低; Zn、Cd、As、Cr含量均為中山地區(qū)最高,分別為250.25±55.01 (μg/g)、1.48±0.30(μg/g)、17.30±14.00(μg/g)和96.48± 9.79(μg/g),除As含量以惠州最低為4.81±2.21(μg/g), Zn、Cd、Cr含量均以陽江最低,分別為39.77±43.56 (μg/g)、0.06±0.07(μg/g)和10.30±0.07(μg/g).

不同區(qū)域而言,珠江口海洋沉積物重金屬含量顯著高于粵東、粵西地區(qū)(<0.05); TOC含量珠江口>粵西>粵東,其中江門地區(qū)最高; 石油類珠江口>粵西>粵東,其中以東莞、廣州最高; pH值均大于7.2,粵東>粵西>珠江口(圖2).重金屬高含量區(qū)集中位于珠江三角洲區(qū)域,這與珠江三角洲地區(qū)人類活動和社會經濟高度發(fā)展密切相關.

圖2 廣東省沿海沉積物重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr)及其他指標含量空間分布

2.2 沉積物重金屬生態(tài)風險評價

廣東省沿海各市海洋沉積物中,Zn、Cd、As、Cr的生態(tài)風險指數(shù)以中山市最高,Cu、Pb分別以廣州和深圳最高(表3).珠江三角洲區(qū)域6項重金屬生態(tài)風險指數(shù)均大于粵東、粵西地區(qū),除Cd為粵東最低外,其余指標均為粵西最低.廣東各項重金屬單因素生態(tài)風險均處于“低等”水平,平均水平為:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr.重金屬綜合生態(tài)風險以中山、廣州最高,珠江三角洲地區(qū)顯著高于粵東和粵西地區(qū),但均處于“低等”水平.

表3 廣東省沿海各地海洋沉積物重金屬污染生態(tài)風險評價

注: a、b、c不同字母表示2者組間在5%水平顯著差異.

2.3 沉積物重金屬影響因素分析

2.3.1 重金屬相關性分析 廣東省沿海沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd的含量彼此呈顯著正相關(<0.05),表明這4種重金屬可能具有相同的來源及相似的遷移路徑(表4); Cr與Zn顯著正相關(<0.05),與Cu、Pb、Zn極顯著正相關(<0.01); As與Zn顯著正相關(<0.05),與Cu、Pb、Cr、Cd無顯著相關性.

2.3.2 與TOC、pH值、石油類相關性分析 6項重金屬含量均與TOC正相關,其中Cu、Pb、Zn、Cr與TOC顯著正相關(<0.05),有機質可以通過吸附、陽離子交換以及螯合反應與重金屬產生吸附、絡合和沉淀,有機碳的積累又增加了沉積物對重金屬的吸附固定,增加了沉積物中重金屬的穩(wěn)定性,有機物的沉積利于重金屬的累積[23].石油類與Cu含量顯著正相關(<0.05),與其他重金屬含量無顯著相關性,說明其對重金屬沉積影響較小.pH值與重金屬含量呈負相關,其中與Cu、Cr、Cd含量顯著負相關(<0.05),說明pH值越高的區(qū)域沉積物部分重金屬越難以累積(表4).

表4 海洋沉積物重金屬相關性分析

注:=484,*代表顯著相關(<0.05); **代表極顯著相關(<0.01).

表5 廣東省沿海各市社會、經濟、自然環(huán)境因子均值一覽表(2014~2016年)

表6 廣東省海洋沉積物重金屬平均含量與社會、經濟、自然環(huán)境因子相關性分析

注:*代表顯著相關(<0.05); **代表極顯著相關(<0.01).

2.3.3 與社會經濟、自然環(huán)境等因子相關性分析 根據(jù)廣東省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),廣東省沿海各市2014~2016年平均的社會因子(人口、城鎮(zhèn)化率)、經濟因子(GDP、工業(yè)總產值)、自然環(huán)境因子(廢水排放量、年均溫度、降雨量)等如表5所示.據(jù)SPSS分析可知(表6),除As、Cr外,各市沉積物重金屬含量一般與當?shù)氐纳鐣?、經濟因子正相關,與年均溫度負相關,即社會經濟發(fā)展水平越高, 年均溫度越小,海洋沉積物中重金屬含量可能越高.

各市沿海沉積物Cu、Pb、Zn含量與各市GDP和廢水排放量顯著正相關(<0.05),說明這三種金屬受到各市的經濟發(fā)展和廢水排放的影響.Pb、Zn、Cd、As均與城鎮(zhèn)化率顯著正相關(<0.05),說明沉積物中這4種重金屬含量受到當?shù)爻擎?zhèn)化發(fā)展的影響.Cu含量與工業(yè)生產總值極顯著正相關(<0.01),與GDP顯著正相關(<0.05),說明Cu含量主要受到當?shù)毓I(yè)廢水排放的影響.

3 討論

3.1 廣東省沉積物重金屬含量時間變化規(guī)律

近幾十年來,珠江口沉積物環(huán)境質量狀況已有不少研究,主要集中在珠江入海口和八大口門[24-25].結合珠江口部分研究結果(表7)可知,1980年以來,珠江口沉積物中Cu、Pb、Zn含量呈波動變化,2003年達到峰值,2012年較低,之后呈上升趨勢,總體可分為3個階段.

表7 廣東省沿海海洋沉積物研究比較(mg/kg)

續(xù)表7

研究區(qū)域監(jiān)測時間CuPbZnCdAsCr文獻來源 珠江口198019.9529.4981.950.2118.9986.91[29] 粵東2014~201617.7637.0873.370.089.4840.62本文 粵東200712.8935.2563.60.011[30] 粵東200230.0543.6597.120.3838.20[31] 粵東19803.1020.0047.000.059.0074.00[7] 粵西2014~201612.3419.4854.510.118.1626.50本文 粵西20078.9416.1736.930.15[30] 粵西200430.3327.154.970.4414.0769.39[32] 粵西198013.0033.0052.000.0810.00103.00[7]

注:“本文”為62本環(huán)評監(jiān)測報告2014~2016年以來對應地區(qū)的各重金屬含量平均值.

3.1.1 1980~2003年 Cu、Pb、Zn含量升高,其主要原因可能在于改革開放后,珠三角經濟快速發(fā)展,工業(yè)制造業(yè)飛速發(fā)展,大量工業(yè)廢水排放入海洋,沉積物中重金屬含量逐年增高.

3.1.2 2003~2012年 2003年《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》等相關法規(guī)相繼出臺,環(huán)境保護工作力度不斷加大,珠江三角洲工廠企業(yè)亂排污現(xiàn)象得到有效遏制; 2008年,在國際經濟危機影響下,廣東省提出“騰籠換鳥”的戰(zhàn)略思路,將珠江三角洲勞動密集型產業(yè)向東西兩翼、粵北山區(qū)轉型.上述因素綜合作用下,2003~2012年珠江三角洲環(huán)境質量總體趨于好轉,珠江口海域沉積物中Cu、Pb、Zn含量亦有所降低.

3.1.3 2012~2015年 隨著產業(yè)轉型升級順利開展,珠江三角洲工業(yè)產值大幅增加,工業(yè)廢水排放總量逐年上升,污染物總量仍然處于較高水平,珠江口沉積物中Cu、Pb、Zn含量呈上升趨勢.

粵東和粵西區(qū)域6種重金屬含量在各個時期都顯著低于珠江口區(qū)域,這與區(qū)域社會經濟和工業(yè)的發(fā)展不平衡相關.粵東在2002年重金屬含量達到最高,2002~2007年呈下降趨勢,之后又有所升高;粵西在2004年重金屬含量達到最高,到2007年呈下降趨勢,到2015年略有升高.粵東和粵西重金屬變化趨勢與珠江口相似,粵東Cu、Pb、Zn、Cd、As含量現(xiàn)狀較1980年均有所升高;與1980年相比,粵西Pb、Cr明顯降低,其余各項重金屬含量變化不大.珠江口、粵東和粵西海洋沉積物中Cr含量均較1980年低,說明廣東省海洋沉積物中Cr本底值較高.

3.2 重金屬含量影響因素分析

3.2.1 污染來源 廣東沿海沉積物重金屬主要來源為生活廢水和工業(yè)污染的排放,不同區(qū)域研究結果存在差異.孟加拉國芬尼河口沉積物重金屬主要源于地質積累[33].我國南黃海和東海北部的沉積物Cr、Cu和Zn主要源于自然地質累積,而Pb、Cd、As則受人為活動影響[34-35].萊州灣沉積物重金屬Cu、Pb和Cd多為自然沉積,而As主要源于人類生產活動,Cr則受自然累積和污染排放綜合影響[36].不同于國內外其他海域沉積物中Cu、Pb、Zn以自然沉積為主的狀況,珠江口海域沉積物中Cu、Pb、Zn總體呈上升趨勢,可能主要與人類生產生活排放污染物有關.

3.2.2 社會經濟影響因素 已有研究表明,海洋重金屬含量與區(qū)域人口、GDP值具有顯著正相關性[37-38].廣東省沿海沉積物中Cu、Pb、Zn含量與GDP、廢水排放量顯著正相關,Pb、Zn、Cd、Ar含量還與城鎮(zhèn)化率顯著正相關,說明沿海沉積物中重金屬含量受到了來自社會經濟和工業(yè)發(fā)展的影響.而Cr含量受社會經濟因子影響較小,可能與本底值較高且排放量較少有關.

3.2.3 自然環(huán)境影響因素 廣東省海洋沉積物重金屬含量與TOC正相關,與年降雨量、pH值負相關,受溫度、石油類含量影響較小.TOC對重金屬沉積起到促進作用,有機質的降解會釋放重金屬,使沉積物重金屬含量降低[39-40];pH值、年降雨量越高,則越不利于沉積物中重金屬的累積.

3.2.4 其他影響因素 沉積物粒度也是影響重金屬分布的重要因素[41].中國海大陸架底泥中絕大部分重金屬含量隨著粒度變細而升高[42],人為釋放的重金屬元素基本上存在于20μm以下的底泥細顆粒中[43].廣東省海洋沉積物重金屬含量與粒徑關系值得進一步深入研究.

3.3 生態(tài)風險評價結果

廣東省沉積物中6項重金屬單項及綜合生態(tài)風險均處于“低等”水平,Zn、Cd、As、Cr單項生態(tài)風險指數(shù)及綜合指數(shù)均為中山最高,Cu、Pb生態(tài)風險指數(shù)分別為廣州和深圳最高.

生態(tài)風險綜合指數(shù)珠江口(12.131)>粵東(5.488)>粵西(4.156),三者皆小于40.廣東省沿海沉積物6種重金屬單因素生態(tài)風險結果為:Cd>Cu> Pb>Zn>As>Cr.Cd的生物毒性較高,會對呼吸道產生刺激,可經呼吸被體內吸收,積存于肝或腎臟造成危害,尤以對腎臟損害最為明顯[44].Cd是潛在的生態(tài)風險因子,需加強對Cd的風險監(jiān)控.

4 結論

4.1 廣東沿海沉積物重金屬含量珠江口大于粵東粵西區(qū)域,其中Cu(106.98±70.69μg/g)、Pb(65.74± 65.03μg/g)含量分別以廣州、深圳最高, Zn(250.25± 55.01μg/g)、Cd(1.48±0.30μg/g)、Cr(96.48±9.79μg/g)、As(17.30±14.00μg/g)含量均以中山最高.

4.2 沿海沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr之間均具顯著正相關性(<0.05);重金屬(Cu、Pb、Zn)含量與TOC含量以及城市GDP、廢水排放量、城鎮(zhèn)化率顯著正相關(<0.05),而重金屬(Cu、Cr、Cd)含量與pH值顯著負相關(<0.05).

4.3 廣東沿海沉積物中6項重金屬單項及綜合生態(tài)風險均處于“低等”水平,單因素生態(tài)風險評價結果為:Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr,區(qū)域生態(tài)風險綜合指數(shù)評價結果為:珠江口(12.131)>粵東(5.488)>粵西(4.156).

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致謝：感謝暨南大學張修峰研究員在本文潤色中給予的幫助;感謝廣州地理研究所肖喬丹工程師在圖形制作中給予的幫助.

Contents and risk assessment of heavy metal sediments in Guangdong coastal areas.

ZHANG Qi-yuan1,2, LIU Xu-cheng2*, ZHAO Jian-gang1*, LIU Xiang-hua2

(1.Department of Ecology, Jinan University, Guangzhou 510632, China；2.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environment Protection, Guangzhou 510655, China)., 2018,38(12)：4653~4660

The data of heavy metal content in sediments of costal area of Guangdong Province were collected and its ecological risks were assessed using the Hakanson’s potential ecological risk index. Based on social, economic and natural aspects, the major factors affecting the heavy metals content were investigated. Results showed that the contents of various heavy metals in sediments of Pearl River Estuary were significantly higher than that of the eastern or western coastal regions of Guangdong. The highest contents of Cu (106.98±70.69μg/g) and Pb (65.74±65.03μg/g) were recorded in Guangzhou and Shenzhen among all the coastal areas, whereas the highest contents of Zn (250.25±55.01μg/g), Cd (1.48±0.30μg/g), Cr (96.48±9.79μg/g) and As (17.30±14.00μg/g) were recorded in Zhongshan. Hakanson potential ecological risk assessment showed that the individual index (0.528±0.377~2.107±3.665) and the comprehensive index (7.135±7.880) of Guangdong coast were overall low. The results from single factor ecological risk assessment indicated that the order of ecological risk for the six heavy metals was Cd>Cu>Pb>Zn>As>Cr, and the order of ecological risk index was the Pearl River Estuary (12.131) >eastern coastal regions of Guangdong (5.488)>western coastal regions of Guangdong (4.1560). Significant correlations were found between the contents of Cu, Pb, Zn, Cd and Cr in the sediments (<0.05), indicating the homologous sources. The contents of Cu, Pb and Zn in sediments were positively correlated with TOC (<0.05), while the contents of Cu, Cr and Cd in sediments were negatively correlated with pH values (<0.05).

Guangdong coastal areas；heavy metals；sediments；ecological risk assessment

X55

A

1000-6923(2018)12-4653-08

張起源(1995-),男,河南省商丘市人,碩士研究生,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究.

2018-05-16

環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金(2006001004026);重大環(huán)保專項資金資助項目(2110203);廣州市科技計劃項目(201804010494,201604020029)

* 責任作者, 高級工程師, liuxucheng@scies.org;高級工程師, zhjg@jnu.edu.cn