渤海西部河口潮间带区海水及沉积物中重金属研究

张效龙, 丁德文, 徐家声, 刘敦武, 王慧艳, 陶常飞

(1.大连海事大学环境与工程学院,辽宁大连 116026;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061;3.化为海洋网络有限公司,天津 300456)

渤海西部河口潮间带区海水及沉积物中重金属研究

张效龙1,2,3, 丁德文1,2, 徐家声2, 刘敦武2, 王慧艳2, 陶常飞2

(1.大连海事大学环境与工程学院,辽宁大连 116026;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061;3.化为海洋网络有限公司,天津 300456)

通过对渤海湾西部永定新河河口潮间带区海水及沉积物中重金属含量及污染状况的研究,认为海水中重金属含量平均值的大小顺序为 Zn>Cu>Pb>Hg>Cd;因海水中重金属输入途径的不同,不同潮期海水中重金属含量存在差异:大潮期海水中重金属 Cu,Pb和 Hg的含量大于小潮期海水中的含量,而重金属 Zn和 Cd的含量则小于小潮期海水中的含量;因受海水中悬浮物含量、种类及河口区咸淡水混合发生絮凝作用等的影响,海水中重金属含量在垂向上也存在差异。无论是大潮期还是小潮期,海水中重金属含量总是表层略大于底层;按一类水质标准对海水中重金属污染状况的分析,认为研究区海水已局部受到重金属污染,污染最严重的是重金属 Zn,其次为重金属 Pb,Hg和 Cu,不存在重金属 Cd污染;沉积物中重金属含量平均值的大小顺序与海水中的相同,说明海水与沉积物中重金属循环处于相对平衡状态。沉积物中重金属含量平均值均在渤海湾环境背景值范围内,且是渤海海域含量最低的区域。经过对沉积物重金属污染状况的分析,研究区沉积物重金属污染轻微。

渤海湾;永定新河河口;潮间带;海水;沉积物;重金属;污染

由于重金属特殊的化学、地球化学性质及毒性效应,重金属被称为环境中最具潜在危害的污染物,且具有高度危害性和难治理性 (海热提等,2006),因而在环境评估及修复治理方面倍受关注。潮间带是海洋与陆地的过渡地区,它为众多的海洋生物提供了产卵、索饵、孵化的场所和栖息地。进入潮间带环境的重金属不仅会在沉积物中富集(黄岁梁等,1994;王晓蓉,1983;鲍永恩等,1994),而且可以通过生物体进入生态系统,并在生态系统中富集或放大,对生态系统直接或间接的构成威胁 (陈静生等,1990),进而危害人体的身心健康。因此,研究潮间带地区海水及沉积物中重金属就显得非常重要。

渤海西部区域是天津沿海所在地,是环渤海经济带的龙头地区,经济发达,人口聚集,附近有永定新河、海河等河流汇入。这些河流在携带大量泥沙流入渤海的同时,也将大量的重金属带入渤海。徐恒振等(2000)和陈江麟等 (2004)对渤海沉积物中重金属的研究均证明了渤海沉积物中重金属含量已存在不同程度的富集,局部海域污染程度已非常严重。当前,对于渤海湾西部沉积物中的重金属已有所研究(齐凤霞等,2004),对于水陆交互的潮间带地区沉积物中重金属研究却很少 (秦延文等,2006),在潮间带区同时对海水及沉积物中重金属的研究更鲜为报道。笔者对永定新河河口海陆相互作用最活跃的潮间带地区海水及沉积物中重金属含量及污染状况进行了研究,为该区环境评估及修复治理提供依据。

1 实验部分

1.1 样品的采集

样品采集时间为 2004年 10月。采样站位 12个,均匀布设在研究区内 (图 1)。海水样品分大潮期和小潮期两个航次采集。水样采集时,如果采样站位水深大于5 m,则每个航次分别进行表、底两层采样。表层沉积物样品采集与小潮期海水样品采集同步实施。本次研究共采集表层水样 12个,底层水样 7个,表层沉积物样品 12个。

1.2 分析方法

(1)海水中重金属含量测定。采用标准分析方法 (国家海洋局,2002a;国家环保局,1989),用有机溶剂甲基异丁基酮对海水样品进行萃取,经硝酸反萃取后,用 PE-300原子吸收分光计和原子荧光光谱仪,测定海水中重金属的含量。

图1 研究区及取样站位位置Fig.1 The survey area and samp ling po int locations

(2)沉积物中重金属含量测定。采用国家海洋局(2002b)提供的方法,将样品制备好后,用 HNO3-HCI O4-HF消化,7%的 HCl定容,然后用 PE-300原子吸收分光计和原子荧光光谱仪对重金属含量进行测定。

2 结果与讨论

2.1 海水中重金属

(1)海水中重金属含量。海水中重金属含量测定结果如表 1所示。通过对表 1中的数据进行分析,小潮期表层海水中重金属含量平均值的大小顺序为 Zn>Cu>Pb>Hg>Cd,而大潮期表层海水中以及大、小潮期底层海水中重金属含量平均值的大小顺序均与小潮期表层海水中的相同,说明研究区海水中重金属含量相对稳定。就大、小潮期间海水中重金属含量平均值的比较,无论是表层海水还是底层海水中,重金属 Cu,Pb和 Hg的含量平均值总是大潮期大于小潮期,而重金属 Zn和 Cd的含量平均值则为小潮期大于大潮期。其原因可能受重金属来源控制。海水中重金属 Cu,Pb和 Hg以环境背景或自然来源为主,大潮期时研究区增水,渤海其它区域海水中的重金属 Cu,Pb和 Hg通过海水被带入研究区,而小潮期研究区减水,研究区海水中重金属 Cu,Pb和 Hg相对向其它区域输运,从而导致海水中重金属 Cu,Pb和 Hg的含量平均值总是大潮期大于小潮期的现象。重金属 Zn和 Cd主要以河流输入为主,因小潮期河流对研究区输入的贡献比大潮期时强,导致小潮期海水中重金属Zn和 Cd的含量平均值大于大潮期海水中的含量。

通过海水中重金属含量平均值在垂向上的对比分析,研究区海水中的重金属含量平均值无论在小潮期还是大潮期均为表层大于底层。根据陈春华等 (1999),海水中重金属含量与海水中悬浮物含量正相关,即悬浮物含量多的水体中重金属含量大,悬浮物含量少的水体中重金属含量则小。通常而言,海水中悬浮物含量因重力作用底层大于表层,因而底层海水中重金属含量应大于表层。而研究区海水中重金属含量平均值却是表层大于底层。为研究这一反常现象,笔者对研究区大潮期的 5号站、8号站和 12号站海水中悬浮物含量及其粒径大小进行了试验测定(表 2)。对比表 2的结果,研究区大潮期海水中悬浮物含量底层大于表层,而悬浮物平均粒径则为表层大于底层。由此可见,解释研究区海水中重金属含量表层大于底层的现象,不仅应考虑海水中悬浮物含量,还应考虑悬浮物的粒径及比表面积(黄岁梁等,1994)。研究区表层海水中悬浮物以粘土为主,底层海水中悬浮物以粉砂为主。研究区因咸淡水混合发生絮凝作用,使得表层海水中悬浮物粒径大于底层,导致表层海水中悬浮物对重金属的吸附作用强于底层,造成表层海水中重金属含量高于底层海水中的现象。

表 1 海水中重金属含量及超标率Tab.1 The heavy metal content and their superstandard ratio in the seawater μg·L-1

表 2 大潮期海水中悬浮物含量及其平均粒径Tab.2 The suspended solids content and their average sizes in seawater of spring season

(2)海水中重金属污染状况。根据《海水水质标准》(国家海洋局,1998),按一类水质标准对研究区海水中重金属污染状况进行分析,确定的超标率见表1。根据超标率结果分析,研究区表层海水中小潮期重金属超标率由大到小的顺序为 Zn>Cu,Pb,Hg>Cd;大潮期重金属超标率由大到小的顺序为 Zn>Pb>Hg>Cu>Cd。小潮期重金属 Zn的超标率最高,为 58%,重金属 Cu、Pb和 Hg的超标率相同均为 8.3%,重金属 Cd不存在超标现象。大潮期重金属 Zn的超标率仍为最高,为41.7%,其次为重金属 Pb和 Hg,分别为 33.3%和 16.7%,最后为重金属 Cu,为 8.3%,重金属Cd仍不存在超标现象。底层海水中小潮期仅有重金属 Zn超标,超标率为71.4%;大潮期仅有重金属 Pb超标,超标率为 14.3%。由此可见,研究区海水已经局部受到重金属污染,污染最严重的是重金属 Zn,其次为重金属 Pb,Hg,Cu,不存在重金属Cd的污染。表层海水中重金属污染程度较底层海水中严重,大潮期重金属污染较小潮期严重。

为进一步分析研究区海水中重金属污染特征,笔者概括总结了近年来我国沿海不同海区海水中重金属含量的检测结果平均值 (李淑媛等,1995),并将研究区海水中重金属含量平均值与它们进行比较,结果发现研究区海水中重金属 Cu和 Zn的含量比任何海区都高;重金属 Pb的含量比海口湾和珠江口低;重金属 Cd含量仅比太平洋的高。由此可见,渤海湾地区海水中金属污染均比其它海区严重,在研究区重金属 Cu和 Zn污染尤为显著 (表3)。

表 3 不同海区海水中重金属含量的监测结果Tab.3 The heavy metal content in different sea area

2.2 沉积物中重金属

(1)沉积物中重金属含量。研究区沉积物中重金属 Cu,Pb,Zn,Cd和 Hg的含量平均值分别为21.26,2.78,62.85,0.10和 0.12 mg/kg(表 4)。它们的大小顺序为 Zn>Cu>Pb>Hg>Cd,这与海水中重金属含量的大小顺序一致,说明海水与沉积物中重金属间的吸放循环处于相对平衡状态。不过由于重金属在沉积物中的富集,沉积物中重金属含量要比海水中的重金属含量约大 3个数量级。

根据表 4的统计结果,将研究区沉积物中重金属含量与渤海湾环境背景值 (孟伟等,2006)进行比较,研究区沉积物中重金属 Pb的含量远低于环境背景值,重金属 Cu,Zn和 Cd含量平均值均在渤海重金属含量环境背景值范围内。在研究区内的 12个站位中重金属Cu,Zn和Cd含量超过环境背景值的站位主要为河道内的 1号站和河口附近的 3号站,说明河流输入对研究区沉积物中重金属具有影响作用。

表 4 沉积物中重金属含量、环境背景值及超标率Tab.4 The heavy m etal content,am bient background value and superstandard ratio in sedi ment mg·kg-1

(2)沉积物中重金属污染状况。根据《海洋沉积物质量标准》(国家海洋局,2002b),对沉积物中重金属污染状况进行分析。沉积物中重金属污染指数特征值的大小顺序为 Cu>Zn>Hg>Cd>Pb。从超标率分析,仅有重金属 Cu存在超标现象,超标率为8.0%,超标站位为河道内的 1号站,其余重金属均不超标,表明研究区沉积物中重金属污染轻微。该结果与陈江麟等 (2004)的研究结果相一致。

研究区及渤海其它海区表层沉积物中重金属平均含量结果列于表 5。比较表 5中的数据统计结果可知,研究区沉积物中重金属 Pb含量比渤海其它任何海域都低,重金属 Cu含量仅高于辽河口滩地、莱州湾中部海域和黄河口地区,重金属 Zn含量仅高于辽河口滩地和黄河口地区,重金属 Cd含量仅高于渤海中部海区 (李淑媛等,1995)。由此可见,研究区沉积物中重金属含量是渤海湾内相对最低的区域,其结果从另一方面反映了研究区沉积物重金属污染是渤海海域较轻微的地区。

3 结论

通过对渤海北部永定新河河口潮间带区海水及沉积物中重金属含量和污染状况的研究,得出如下的认识:

(1)研究区海水中重金属含量平均值大小顺序不受潮期及水深影响,均为 Zn>Cu>Pb>Hg>Cd。就大小潮期而言,大潮期海水中重金属 Cu、Pb和Hg的含量平均值总是大于小潮期,重金属 Zn和Cd的含量平均值则小于小潮期。就表、底层而言,无论大潮期还是小潮期,海水中重金属含量平均值总是表层大于底层,其原因可能受悬浮物成分、含量、粒度、比表面积以及咸淡水混合发生絮凝作用的影响和制约。通过对海水中重金属污染状况的分析,研究区海水已局部受到重金属污染,污染最严重的是重金属 Zn,期次为重金属 Pb,Hg和 Cu,不存在重金属 Cd的污染。

表 5 研究区及渤海其它海区表层沉积物中重金属平均含量结果Tab.5 The heavy m etalmean content in the surveyarea and other area ofBohai seamg·kg-1

(2)研究区沉积物与海水中重金属含量平均值大小顺序相同,表明海水与沉积物中重金属循环处于平衡状态。相对渤海其它海域,研究区沉积物中重金属含量最低,其沉积物重金属含量平均值均不超过环境背景值范围。通过对沉积物中重金属污染状况的分析,研究区沉积物重金属污染轻微。

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HeavyMetal in Seawater and Sedi ment I nvestigation at Bohai Sea Western Estuary Tidal Zone

ZHANG Xiao-long1,2,3, DI NGDe-wen1,2, XU Jia-sheng2, LI U Dun-wu2, WANG Hui-yan2, T AO Chang-fei2
(1.Department of Environment Science and Engineer,Dalian Maritime University,Dalian,LN 116026,China;2.First Institute ofOceanography,SOA,Qingdao,SD 266061,China;3.HuaweiMarine NetworksLimited Company,Tianjin 300456,China)

the heavy metal content in the seawater and seabed sediment and their contamination conditions have been investigated at the Bohai sea western estuary tidal zone.Some new conclusions are obtained.The order relation of heavymetal content average value is Zn>Cu>Pb>Hg>Cd in seawater。The heavymetal content is different in different tidal-season because of the difference of their imputing path.The Cu、Pb and Hg contents are higher in spring season than in neap season,but the Zn and Cd contents are inverse.The heavymetal content in superficial seawater is always higher than in the bottom seawater,because of affected by the suspendedmatter content,their types in seawater and flocculation in estuary area.According to the one class water quality standard,the seawater in the investigated zone has partly been contaminated by the heavy metal,and Zn contamination is severe,next is Pb,Hg and Cu,Cd contamination is non-existent.The order relation of heavymetal content average value in sedi ment is samewith in seawater,which indicates heavymetal circulation between sediment and seawater is in equilibrium state.The heavymetal content average values in the investigated area is not exceeding the ambient background value in Bohai sea,and is the lowest than any areas of Bohai sea.According to the heavy metal contamination conditions analyzing,the heavymetal contamination in sediment is very little.

Bohai sea;Yongding new river estuary;tidal zone;seawater;sediment;heavy metal;contamination

X55

A

1674-3504(2010)03-276-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.03.10

2009-09-04

国家自然科学基金资助 (40572142)

张效龙 (1975—),男,副研究员,博士生,主要从事海洋工程环境及海底光缆路由勘察方面的工作和研究。E-mail:zhangxiaolong@huawei marine.com