引用本文
王惠艳, 陈亮, 胡树起, 孙忠军. 渤海湾西部海域表层沉积物重金属含量分布与评价[J]. 物探与化探, 2016,40(3): 609-613.
WANG Hui-Yan, CHEN Liang, HU Shu-Qi, SUN Zhong-Jun. The concentration distribution and evaluation of the heavy metals in the surface sediments of western Bohai Bay[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(3): 609-613.
Doi:10.11720/wtyht.2016.3.25  
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渤海湾西部海域表层沉积物重金属含量分布与评价
王惠艳, 陈亮, 胡树起, 孙忠军
中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 王惠艳(1988-),女,助理工程师,地球化学专业。E-mail:wanghuiyan@igge.cn

收稿日期: 2015-09-01
基金: 中国地质调查局项目(1212011120211)
摘要

通过分析测定渤海湾100个站位表层沉积物中重金属元素的含量,探讨其分布特征及富集状况,并通过地累积指数法和潜在生态危害指数法对渤海湾西部岐口凹陷海域底质环境进行了评价。结果表明:渤海湾西部海域表层沉积物中As、Hg、Cu、Pb、Cd的平均含量分别为12.9×10-6、0.031×10-6、29.5×10-6、27.4×10-6、0.159×10-6。结合5种元素的地球化学图及地累积指数法分析表明,研究区表层沉积物整体上未受到As、Hg、Cu、Pb、Cd的污染,而在高值区Pb和Cu达到轻度污染的水平;潜在生态危害指数法的评价结果指明,重金属元素的潜在危害程度顺序是Hg>Cd>As>Pb>Cu,研究区重金属的潜在生态危害轻微,只有在高值区,Hg和Cd才达到中等程度的生态危害。

关键词: 渤海湾西部; 表层沉积物; 重金属分布; 污染评价
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)03-0609-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.3.25
The concentration distribution and evaluation of the heavy metals in the surface sediments of western Bohai Bay
WANG Hui-Yan, CHEN Liang, HU Shu-Qi, SUN Zhong-Jun
Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China
Abstract

Values of heavy metals from the 100 surface sediment stations in western Bohai Bay were determined, and two methods were used to evaluate the sediment environment. The results show that the average values of As, Hg, Cu, Pb, Cd in the surface sediments are 12.9×10-6, 0.031×10-6, 29.5×10-6, 27.4×10-6, 0.159×10-6. The indices of geoaccumulation show that, in the high value area, Pb and Cu reach the slight pollution level. The potential ecological risk indices show that Hg and Cd have reached moderate ecological harm, while in the study area, the harm degree sequence of the five heavy metals is Hg> Cd> As>Pb> Cu.

Keyword: western Bohai bay; surface sediments; distribution of heavy metals; quality assessment

金属元素具有显著的生物毒性, 可导致多器官的畸变、突变和癌变效应。进入海水中的重金属元素大部分转移至悬浮颗粒物和底质沉积物中, 长时间累积的重金属元素又会在一定的条件下释放到水体中, 造成二次污染, 在反复的富集和放大作用下, 重金属会对海洋环境造成直接和间接的危害。渤海湾作为渤海腹地, 毗邻经济发达的京津唐地区, 环境问题需要引起高度重视。近些年, 许多学者采用多种评价方法对渤海湾沉积物中的重金属污染物开展过研究, 包括各种重金属污染物质的来源、分布、迁移和转化 19, 也有学者利用渤海湾沉积物中的重金属总含量进行海域生态效应评价[10, 11], 对揭示重金属元素在底质沉积物中的富集规律、海洋环境资源的开发保护、海域底质环境评价及经济发展都有十分重要的意义。笔者在借鉴前人研究成果的基础上, 对渤海湾西部海域进行高值区圈定, 并对高值区进行重金属污染和生态评价, 更有针对性地开展重金属污染与防治工作。

本次研究从面积着手, 在渤海湾西部歧口凹陷海域盆地采集100个站位的地球化学调查样品, 借鉴陆地地球化学工作的经验, 旨在采用地积累指数法和潜在生态危害指数法, 探明As、Hg、Cu、Pb、Cd等5种重金属在渤海湾西部海域的分布特征, 从地球化学和海洋环境的角度, 对其污染程度以及潜在生态危害进行评价, 为今后的海域重金属污染防治提供参考。

1 研究区域及研究方法介绍
1.1 样品采集与分析测试

渤海是我国最大的半封闭陆架边缘海, 它由辽东湾、渤海湾、莱州湾及中央盆地组成。渤海沿岸河流甚多, 主要有黄河、辽河、滦河、海河、蓟运河及小清河等, 每年将1.3× 109 t的泥沙携带入海, 其中黄河为1.2× 109 t, 辽河5.5× 107 t, 滦河2.4× 107 t, 海河7.0× 107 t[3]。渤海湾位于渤海腹地, 北起河北省大清河口, 南到山东省黄河口, 其陆域边界为经济发达的京津唐地区, 底质沉积物以泥和粉砂质泥为主。研究区位于渤海湾西部, 天津新港与河北黄骅港之间, 覆盖面积达1 300 km2, 构成一面型区域。采样站位布设如图1所示, 采样网度为4 km× 4 km, 共计100个站位。从构造学角度上看, 研究区位于歧口凹陷范围内, 歧口凹陷为渤海湾盆地大型富油气凹陷之一, 已发现多个油气藏, 是渤海湾盆地的重点勘查战场。随着沿岸地区经济社会的快速发展和海上石油作业的大力发展, 该海域的环境质量需要引起高度重视。

图1 渤海湾表层沉积物采样站位示意

样品采集工作由青岛海洋地质研究所协助完成, 元素测试分析由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室完成, 表层沉积物中As、Hg、Cu、Pb、Cd等5种重金属元素的分析方法及检出限见表1。

表1 元素分析方法
1.2 沉积物重金属污染评价方法

采用地积累指数法和潜在生态危害指数法对渤海湾研究区表层沉积物中As、Hg、Cu、Pb、Cd进行污染评价。

1) 地积累指数法(index of geoaccumulation, Igeo)[12]是德国海德堡大学沉积物研究所科学家Muller于1969年提出的一种研究水体沉积物中重金属污染的定量标准, 其计算公式为:

Igeo=log2[Cn/(K·Bn)],

式中, Cn是实测元素n在沉积物中的含量; Bn为该元素在普通页岩中的地球化学背景值; K是考虑了各地岩石差异可能会引起背景值变动而取的系数, 一般取值为1.5。在计算过程中选取合理的地球化学背景值作为参比值是十分重要的。地积累指数法通常采用世界标准页岩(相当于< 2 μ m的粘土矿物)的平均组成作为参比值, 但是结合实际情况, 此次用来分析测试的样品并不能完全满足< 2 μ m的粒度要求, 若直接应用该参考值会造成污染水平降低[13]; 为此, 选用国内学者测定的渤海湾表层沉积物中重金属元素的背景值[3]作为参比。根据Igeo值将沉积物重金属污染等级进行划分[14, 15], 结果见表2。

表2 沉积物重金属污染等级划分

2) 采用瑞典著名地球化学家Lars Hakanson(1980)提出的潜在生态指数法(the potential ecological risk index, RI[16])对研究区表层沉积物中重金属污染的潜在生态危害进行评价。该评价方法是基于元素丰度和释放能力的原则提出来的, 是目前最为常用的重金属污染程度评价方法之一, 通过综合考虑重金属毒性、重金属在沉积物中普遍的迁移转化规律, 以及评价区域对重金属污染的敏感性, 并且与区域背景值进行比较, 消除了区域差异及异源污染的影响, 适合于区域范围内不同源沉积物之间进行评价比较。

潜在生态危害指数(RI)值的大小受以下几个因素的影响:① 表层沉积物的浓度; ② 重金属的种类; ③ 重金属的毒性水平; ④ 水体对重金属的敏感性。RI的计算公式是

单项重金属Hakanson潜在生态危害指数用Er表示,

Er=Tr·Cn/Bn,

其中Cn是实测元素n在沉积物中的含量; Bn为参比值, 为与Igeo具有可比性, 选用与本文地累计指数相同的环境背景值; Tr为各重金属的毒性系数, 反映重金属对人体和对水生生态系统的危害。依据金属毒性的大量相关研究, Hg、Cd、As、Cu、Pb五种元素的Tr取值分别为40、30、10、5、5[17, 18]。潜在生态危害指数与污染程度的划分标准如表3所示。

表3 Hakanson潜在生态危害指数法对污染程度的划分
2 重金属元素含量及空间分布特征

海洋沉积物中重金属元素含量不仅蕴含许多有价值的地质和环境信息, 而且能较好地反映一个地区的底质环境质量现状, 是开展地球化学研究和进

行环境评价的基础资料。表4列出了渤海湾研究区100个站位表层沉积物的重金属元素含量变化范围以及平均值等信息。用“ 全国海岸带背景标准值” 作为参照值进行评价, 可以发现100个表层沉积物样品中Pb含量平均值超过标准, Cu、As在个别站位超标, Hg、Cd未发现超标。其中, Pb作为本区的主要污染物之一, 其含量变化范围为(19.4~57.7)× 10-6, 平均值是27.4× 10-6, 超标率达79%; Cu的含量变化范围为(18.9~36.5)× 10-6, 平均值为29.5× 10-6, 超标率达47%; As的含量变化范围为(10.2~16.3)× 10-6, 平均值为12.9× 10-6, 超标率达3%; Cd和Hg的含量变化范围分别为(0.102~0.235)× 10-6和(0.013~0.041)× 10-6, 未超过标准值。

表4 渤海湾表层沉积物中重金属元素的含量与分布

图2 渤海湾西部表层沉积物中重金属元素地球化学分布

将研究区100个表层沉积物样品中重金属元素含量数据采用迭代法来求取背景值, 迭代法的处理步骤为:① 计算全区所有数据的均值(X1)和标准差(S1); ② 将大于(X1+3S1)的数据剔除掉, 然后将剩下的数据再进行均值(X2)和标准差(S2)的计算; ③ 重复第二步直到数据不存在大于(X+3S)时, 取均值(X)作为背景值。通过以上步骤的计算, 最后得到该研究区表层沉积物中As、Cd、Cu、Hg、Pb的背景值分别为12.9× 10-6、0.157× 10-6、29.5× 10-6、0.031× 10-6、26.6× 10-6, 与前人研究结果(表4)十分接近。

图2是As、Cd、Cu、Hg、Pb等5种重金属元素的地球化学分布图, 将高于背景值含量的元素富集区域视为高值区, 这样就可以明显看出各重金属元素在研究区中的含量分布情况以及富集情况。从图2可以看出, As的高值区覆盖了研究区偏南的大部分地区, Cd和Cu的高值区分布相似, 在研究区东北和西南呈对称延伸, 而Hg的高值区主要集中在西部和南部, Pb的高值区主要集中在研究区北部。5种元素含量发生富集的位置并不相同, 也并未形成完全相似的分布规律。

3 底质环境评价

在研究海域底质环境质量的过程中, 由于海域面积广阔, 若能圈定污染元素发生明显富集的高值区, 将对评价污染程度及预防污染加强与扩散起到十分重要的作用, 也会事半功倍。笔者在5种重金属元素地球化学分布范围的基础上, 将从研究区全区、高值区两个层面对研究区表层沉积物中的重金属进行污染与风险评价, 这样就能更加具有针对性地进行重金属污染的防治。

3.1 表层沉积物中重金属元素污染评价

表5列出了研究区表层沉积物中5种重金属元素的Igeo值, 参照表2列出的重金属污染等级划分, 从全区水平看来, 5种重金属的平均Igeo均小于0, 污染程度均为0级, 未表现出明显的污染迹象。而在5种重金属元素的高值区, Pb和Cu的Igeo分别为0.34和0.02, 达到了1级轻度污染的水平, 而其他三种重金属的Igeo均小于0, 尚在清洁范畴。

3.2 表层沉积物中重金属元素生态风险评价

表5还列出了渤海湾西部海域表层沉积物中各重金属元素的Er值, 根据表3列出的单项重金属潜在生态危害程度的划分, 从全区平均水平看来, 该海域表层沉积物中As、Hg、Cu、Pb、Cd的平均Er分别为8.6、39.7、6.67、5.48、28.1, 均低于40, 处于轻微生态危害。在高值区, Hg和Cd的Er值为48.3、41, 已步入中等生态危害的行列, 其他3种重金属的Er值虽然有所增加但仍处于轻微生态危害的范畴。5种重金属元素所构成的潜在生态危害程度的排列次序为Hg> Cd> As> Cu> Pb, 由此可以看出, 研究区沉积物中主要污染元素为Hg。

虽然上述分析认为渤海湾西部海域重金属的潜在生态危害较低, 但这并不能说明重金属污染问题可以不予重视, 因为重金属在沉积物中积累并造成污染的过程是不可逆转的, 具有滞后性, 随着时间的推移和海洋环境的变化, 通过二次释放对海洋水环境和底质环境将会产生严重的破坏作用。所以, 在进行海域沉积物重金属污染评价的时候, 更应该有针对性地进行污染监测与防治, 通过圈出高值区, 能够使污染评价的结果更为客观, 进而彻底杜绝重金属超标现象的发生。

表5 表层沉积物中重金属元素地累积指数和潜在生态危害指数
4 结论

渤海湾西部海域表层沉积物中As、Hg、Cu、Pb、Cd的平均含量分别为12.9× 10-6、0.031× 10-6、29.5× 10-6、27.4× 10-6、0.159× 10-6, 说明渤海湾西部海域底质环境质量尚属清洁范畴, 但在各元素高值区, Pb和Cu达到轻度污染, Hg和Cd构成中度生态危害。

综合地累积指数和潜在生态危害评价的结果, 从总体污染程度分析, 渤海湾西部海域的底质环境比较清洁, 潜在生态危害也比较轻微, 但是在元素含量高值区, 各种金属元素的污染程度都有所加强, 且潜在生态危害也有所加剧。分别从全区以及高值区两个角度进行评价, 能够使该海域的污染评价结果更加客观, 也使今后重金属污染的监测和防治更具有针对性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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