渤海沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究.pdf

1、渤海是我國唯一的半封閉型內(nèi)海，海洋資源豐富，對我國的經(jīng)濟(jì)、社會、軍事以及外交具有重要的戰(zhàn)略地位。但是，隨著環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和海洋開發(fā)活動的不斷加強(qiáng)，渤海所承受的環(huán)境污染也不斷加重。重金屬因其自身的難降解性和通過食物鏈富集、毒性放大的特性，其污染和潛在生態(tài)危害問題更是倍受關(guān)注。沉積物是近海重金屬的積累庫，研究渤海表層沉積物重金屬的時(shí)空分布特征，明確其影響因素，認(rèn)識其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性，對保護(hù)渤海生態(tài)環(huán)境策略制訂、維護(hù)渤海生態(tài)系統(tǒng)健康和可持

2、續(xù)發(fā)展具有重要意義。
　　 本文研究內(nèi)容如下：
　　 (1)分析整理1978年至2009年間的渤海污染監(jiān)測網(wǎng)資料，建立渤海表層沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)據(jù)查詢分析系統(tǒng)；
　　 (2)研究渤海表層沉積物重金屬元素的時(shí)空分布特征及其影響因素；
　　 (3)評估渤海表層沉積物重金屬污染程度及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性，篩選并確定渤海表層沉積物重金屬中的優(yōu)先污染物；
　　 (4)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)方法，并實(shí)際應(yīng)用于

3、渤海萊州灣典型海區(qū)沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性評估。
　　 本文取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)建立了渤海表層沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)據(jù)查詢分析系統(tǒng)以1978年至2009年間的渤海污染監(jiān)測網(wǎng)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用異常值判別等方法剔除非正常數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建渤海污染監(jiān)測網(wǎng)綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)庫；結(jié)合渤海及周邊地區(qū)的基礎(chǔ)地理信息構(gòu)建渤?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上利用.NET語言進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫及

4、用戶管理數(shù)據(jù)庫，建立“渤海表層沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)據(jù)查詢分析系統(tǒng)”。
　　 (2)揭示了近30來年渤海表層沉積物重金屬空間分布與時(shí)間演化特征渤海表層沉積物重金屬Cu、Hg、Cd、Pb和As的含量空間變化趨勢表明，近岸重金屬含量高，離岸距離越遠(yuǎn)，重金屬含量逐漸降低。Hg含量近岸高，外海低，而且從北向南有降低趨勢；Cu與Hg相反，呈現(xiàn)北低南高的趨勢；其它三種重金屬Cd、Pb和As趨勢基本一致，河北、大連近岸海域和黃河口海域高，呈現(xiàn)

5、自高值區(qū)向南北兩側(cè)和外海減小的趨勢。
　　 1978～2009年渤海表層沉積物重金屬Hg、Cu、Cd和As含量隨時(shí)間變化大致分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段是1970年代，重金屬平均含量較高；第二階段1970年代末至1990年代初，重金屬平均含量顯著降低；第三階段1990年代后期至2000年代初，重金屬平均含量再次升高；第四階段自2002年至今，重金屬平均含量再次降低。其中，Hg在1970年代和1990年代后期出現(xiàn)含量高峰期，最高值達(dá)到

6、400x10-9，1990年代初和2000年后，Hg含量很低，約為20x10-9；Cu在90年代后期至2000年附近較高，最高值出現(xiàn)在2003年，為25.60×10-6，總體上Cu平均值隨時(shí)間變動不大；Cd平均最高含量出現(xiàn)在1978年，為0.78×10-6，80年代、90年代以及2000年后的時(shí)間里波動較??；As含量1998年平均值最高，為12.67x10-6，此后大致呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。沉積物重金屬Pb與上述重金屬元素含量隨時(shí)間變化不

7、同，1978年P(guān)b平均值最低，為9.80x10-6；此后至1985年，Pb的平均含量迅速增加，至今，雖然Pb的平均含量存在一定程度的波動，但是整體水平居高不下；在2000年平均值最高，達(dá)20.87x10-6。
　　 (3)研究發(fā)現(xiàn)渤海表層沉積物重金屬含量與沉積物類型密切相關(guān)，重金屬含量隨時(shí)間的變化與沿岸河流的重金屬排放狀況和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)增長(GDP)緊密關(guān)聯(lián)。
　　 重金屬的留存與沉積環(huán)境密切相關(guān)。粒度是沉積物的首要性質(zhì)，

8、通過對1998年和2009年渤海表層沉積物重金屬含量與各級粒度組分的Pearson相關(guān)性分析及聚類分析，結(jié)果表明渤海表層沉積物重金屬基本上符合“元素粒度控制律”，總體上與<16μm粒級組分含量高低相一致。其中Hg和Cd的分布受砂和粉砂等較粗顆粒物影響較大；Pb和Cu分布則受到細(xì)顆粒組分的控制；As與各粒級組分都沒有較顯著的相關(guān)性。
　　 入海河流的重金屬排放量是沉積物中重金屬積累的源泉，并且其在沉積物中的積累有一定的時(shí)間遲滯。通

9、過對2000年～2009年黃河口年河流排放濃度與當(dāng)年及滯后一年沉積物重金屬含量的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)河流重金屬排放量與滯后一年的沉積物Hg、Cd、Pb和As重金屬元素含量呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)性系數(shù)分別為0.9975，0.7549，0.9610，0.9839。各種重金屬在沉積物中積累的時(shí)間遲滯有一定差異。沉積物中Hg的變化總是滯后于排放濃度的變化，滯后時(shí)間約在1-2年；重金屬Cu、Cd、Pb和As含量變化也有類似規(guī)律，總是在排放濃

10、度出現(xiàn)變化后滯后一段時(shí)間相應(yīng)地發(fā)生含量的改變。重金屬Pb在沉積物中的含量很可能主要受到之前一年排放的影響。
　　 重金屬排放量高低間接反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。以渤海黃河口為典型研究區(qū)，發(fā)現(xiàn)排海重金屬總量與GDP值之間存在著一定的關(guān)系。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致高重金屬含量排放的同時(shí)，提高了促進(jìn)重金屬污水治理的能力和水平。這種復(fù)雜作用的結(jié)果，使得GDP在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展初期與特定重金屬排放量之間呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。研究表明，GDP與Hg和Cd顯

11、示較顯著相關(guān)性，分別為0.6155和0.5162；而經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的污染并不直接通過排放影響沉積物中Pb和As的含量，可能有其他的因素作用；Cu與重金屬排?？偭亢虶DP值變化均無關(guān)。
　　 (4)研究發(fā)現(xiàn)渤海表層沉積物重金屬污染程度及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性在不同海區(qū)與不同時(shí)間段差異巨大，Hg和Cd-直是渤海表層沉積物重金屬中的優(yōu)先污染物。
　　 針對渤海表層沉積物重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況，從單個(gè)種類污染狀況、總體污染狀況、綜合化

12、學(xué)毒性、以及重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)與生物有效性等不同角度，采用綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和水體沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法，對近30年來渤海表層沉積物重金屬的綜合污染狀況及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量評價(jià)。結(jié)果表明，渤海中部、河北和大連近岸沉積物重金屬污染狀況較輕，遼東灣、萊州灣和渤海灣沉積物污染較嚴(yán)重。1970年代末以及1990年代中期至本世紀(jì)初，渤海表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處在較強(qiáng)的水平。
　　 不同海區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性存在較大差

13、異。遼東灣沉積環(huán)境重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性最大，其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI處于“高值”或“極高”水平。渤海灣、萊州灣的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性次之；渤海灣在1978年、1996-1998年間沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI均在“中等”的水平；萊州灣在1998年RI達(dá)到了“極高”水平，其余30年間處于“低值”水平，保持了較低的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性。河北近岸、大連近岸沉積環(huán)境重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性較小，僅在個(gè)別年份出現(xiàn)中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的情況。渤海中部潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小，常年保持在

14、輕微生態(tài)危害的水平，這表明渤海中部沉積物尚未被重金屬污染，沉積環(huán)境良好。從海洋生物毒性的角度出發(fā)，利用沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法的評價(jià)，以底棲生物免受特定化學(xué)物質(zhì)致害的保護(hù)性臨界水平、底棲生物劑量.效應(yīng)關(guān)系為判斷依據(jù)，結(jié)果表明，在較長時(shí)期內(nèi)渤海大部分海區(qū)Cu和As的含量居于產(chǎn)生效應(yīng)的臨界濃度(TEL)之上，會偶發(fā)負(fù)面效應(yīng)，長期暴露會造成對海洋生物的不良影響。
　　 突出優(yōu)先污染物的生態(tài)作用，采用綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

15、的評估結(jié)果表明，近30年來Hg和Cd一直是渤海沉積物中的優(yōu)先污染物，相對于Pb、Cu和As污染較重，其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更大。Hg在1978年遼東灣單因子評價(jià)結(jié)果Pi=12.65，地累積指數(shù)Iego達(dá)到了“極強(qiáng)”的程度，潛在生態(tài)危害指數(shù)Eir亦處于“極高”水平以上；1996年，Pi=3.17，Iego達(dá)到了“強(qiáng)-中”的程度。Cd在2000年的大連近岸Iego達(dá)到了“強(qiáng)”的污染程度，Eir達(dá)到了“高值”水平。
　　 (5)建立了沉積物

16、重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評估方法(Comprehensive Ecological RiskAssessment of Heavy Metal in Sediments，CERAHMS)，更加側(cè)重沉積物重金屬的生態(tài)效應(yīng)和對人群健康風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)評估，評估顯示渤海萊州灣沉積物重金屬存在底棲種群衰退跡象與負(fù)面人體健康影響的威脅。
　　 通過對沉積物重金屬含量、底棲生物群落特征和人群健康響應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，建立了沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評估

17、方法(CERAHMS)，能更好地反映沉積環(huán)境重金屬對底棲種群健康和人群健康的風(fēng)險(xiǎn)性。基于2004年和2009年渤海萊州灣相關(guān)數(shù)據(jù)，利用CERAHMS評估結(jié)果表明，2009年萊州灣沉積物重金屬風(fēng)險(xiǎn)性較2004年有所升高，部分區(qū)域存在底棲種群衰退跡象與負(fù)面人體健康影響的風(fēng)險(xiǎn)。CERAHMS法優(yōu)勢在于，從沉積物重金屬對種群健康和人類健康角度，將沉積物重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性從化學(xué)量更新到生物量，更確切地體現(xiàn)重金屬的生物效應(yīng)及其對人類的潛在危害性。<