膠州灣表層沉積物重金屬污染狀況評價

膠州灣表層沉積物重金屬污染狀況評價

作為一種長期污染物的遺傳因子，海洋沉積物的質量是評價水環(huán)境健康的重要指標。隨著沉積物中積累的有毒物質和不斷增加的有機物最終被轉化為生物交換區(qū)域，并進入鏈中，對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生重大影響。在許多污染物中，重金屬作為一種長期藥物，由于其毒性和永久性，重金屬成為影響沉積物質量的嚴重藥物。這不僅可以來自巖石的自然風化和侵蝕，還可以來自許多分散的污染物（如灰塵、降水或水質交換）。同時，它也可以來自受污染河流、居民生活廢水和農(nóng)業(yè)污水排放的污染?，F(xiàn)在越來越多的研究人員使用主成分分析（pca）來評估沉積物中污染物的來源。主成分分析是一種捕捉主要矛盾的統(tǒng)計方法。通過簡化數(shù)據(jù)（即使用更少的綜合指標來反映大多數(shù)原始變量），可以反映整個觀中的信息。這種方法使用rybnik水庫或不規(guī)則泉藍字形沉積物來評估重金屬的可能來源。膠州灣是一個典型的半封閉型淺水海灣,受人類活動的影響十分顯著.陳先芬和殷效彩曾先后報道了其表層沉積物中重金屬的含量與分布,但未見有關沉積物中重金屬來源的分析報道.本文測定了膠州灣表層沉積物中重金屬和有機質的含量,評價了其污染狀況,并運用主成分統(tǒng)計方法分析了重金屬來源的可能途徑,旨在為評價近海沉積物污染狀況提供指導.1測定樣品及方法本次調查在膠州灣布設的表層沉積物有效監(jiān)測站如圖1所示.用抓斗式采泥器在14個站點采集底泥,用塑料勺取其中央未受干擾的表層0～2cm泥樣于已洗凈的聚乙烯袋中,扎緊袋口,0～4℃下保存,回實驗室待測.將解凍至室溫的樣品在80℃烘箱內烘干24h,用瑪瑙研缽將其研碎并全部通過160目篩,充分混勻后取樣以供測定(為避免樣品被玷污,取樣及碎樣等工具及器皿均先凈化處理).Pb,Cd用石墨爐原子吸收分光光度儀測定;Cu,Cr,Zn,Fe和Mn以火焰原子吸收分光光度法測定,Hg用冷原子吸收法測定;Al用等離子體發(fā)射光譜儀測定;As以原子熒光光譜法測定.沉積物消解方法見《海洋監(jiān)測規(guī)范》.為檢測分析方法的精確性,本文測定了標準沉積物樣品(代號GSBZ50012-88,國家海洋局北海分局提供)中各元素的含量并與其參考值對比,得出各元素的分析誤差(表1).結果發(fā)現(xiàn)所有元素的分析誤差皆在5%以內.沉積物中總有機質的含量以灼燒法來測定,用燒失量(LossofIgnition,LOI)表征.本文以550℃、灼燒2h的條件,測定了沉積物中的總有機質的含量.用統(tǒng)計軟件Statistica5.1進行數(shù)據(jù)處理.2結果與討論2.1cd和as的含量測定表2為本次調查的膠州灣表層沉積物中有機質(LOI)和金屬元素的含量范圍及平均值,同時也給出了各金屬的平均富集因子(AverageEnrichmentFactors,AEF).Cu的濃度在9.74～498.9mg/kg之間,與1989年的調查結果相比雖然分布趨勢相似,但無論是平均值、最大值還是最小值都高于1989年;Zn的平均濃度為100.3mg/kg,高于渤海灣和紅海灣;Pb濃度的平均值為38.94mg/kg,高于1989年的測定結果.Cd的最高濃度(1.94mg/kg)比1989年低,但平均值和最小值仍高于1989年的結果;本次調查中膠州灣表層沉積物中Hg的平均含量為0.323mg/kg,與1989年相比最高濃度值增加了3.3倍;As的濃度范圍在21.02～37.84mg/kg之間,高于中國土壤中As的含量(11.5±8.41)mg/kg;本研究結果中沉積物中重金屬Cr無論是分布還是含量都與1989年的調查結果有了很大的不同,最高含量(430.4mg/kg)增加了接近10倍,全灣范圍內濃度分布并不均衡,高濃度值主要分布在膠州灣東部.通過以上分析可知,膠州灣表層沉積物中重金屬含量與1989年相比都有了增長的趨勢.平均富集因子AEF是用來表征沉積物中重金屬富集及污染狀況的參數(shù),數(shù)學表達式:AEFMe=ACMe/BVMe中,ACMe指的是被測金屬的平均濃度,BVMe指的是被考察海區(qū)此金屬的背景值.本文中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Mn、Fe的背景值皆取南黃海北部表層細沉積物中重金屬的背景值(表3),Hg和As的背景值則用中國土壤的背景值來代替,由此分別計算出各種金屬污染物的AEF值(見表2).根據(jù)H?kanson給出的定義,膠州灣表層沉積物重金屬污染可分為3類:輕度污染(AEFs<2),其中有Zn,Pb,Cr,Mn和Fe;中度污染(AEFs=2～3),包括Cu和Cd;嚴重污染(AEFs>3),為As和Hg.2.2重金屬的主成分及其聚類分析首先對膠州灣沉積物中各種污染物進行因子分析,得出其各種相關指標,發(fā)現(xiàn)各污染物之間具有較強的相關性,且Bartlett球度檢驗相伴概率為0.000,小于顯著性水平0.05,因此本研究中的數(shù)據(jù)適合于作因子分析.從表4可以看出,通過主成分分析計算,沉積物中11種污染物(11個變量)的全部信息可由3個主成分(特征值:5.787+1.911+1.815=9.513個變量)反映86.48%,即對前3個主成分進行分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息.第一主成分的貢獻率為52.61%,特點表現(xiàn)為因子變量在Cr,Cu,Zn,Cd的濃度上有較高的正載荷.由青島沿岸點源污染物入海量統(tǒng)計可知,六價Cr主要來自化工廠鉻鹽生產(chǎn)排污、Cu主要來自冶金廠,通過混合排污口進入膠州灣,所以,大沽河、婁山河、海泊河、李村河等河口海區(qū)海水中Cu和Cr的含量遠遠高于灣內及灣外海區(qū).因此從Cr,Cu2種重金屬對第一主成分的貢獻就可以理解第一主成分所代表的實際意義,即反映了工業(yè)排污和生活污水對沉積物的污染.表5為各污染物之間的Pearson相關關系,其中Cu,Zn,Cr,Cd之間具有較強的相關性,相關系數(shù)從0.653(Cd-Cr)至0.943(Cu-Cr),可知第一主成分主要支配著沉積物中重金屬Cr和Cu的來源,同時也部分支配Zn,Cd的來源.第二主成分的貢獻率是17.37%,在LOI上的載荷為0.809.在LOI上的高載荷說明有機質作為金屬離子結合物的重要性.從表5可以看出所有的重金屬元素與LOI都呈顯著的正相關,由此可以推斷由于有機質的降解而伴隨的金屬離子的釋放是沉積物中重金屬元素的又一來源,因此第二主成分主要表征了有機質對沉積物中重金屬來源的貢獻.從表4可以看到第二主成分在Zn,Pb,Cd,Hg濃度上的載荷情況,其中以Hg為最高(0.952),且LOI與Hg之間的相關系數(shù)為0.675,充分說明膠州灣沉積物中Hg的存在特征符合其他研究者得出的結論,即有機質是Hg在沉積物中的主要結合物,其含量與成分的變化是決定Hg分布的主要控制因子.第二主成分還主要支配著Pb、部分支配著Zn和Cd的來源.第三主成分的主要特征是在Mn和Fe的濃度上有較高的載荷,分別為0.828和0.765.由于Mn和Fe是海洋沉積物中的主要化學成分,所以這個主成分主要表征了地球化學成分的變化對沉積物中污染物的影響.沉積物中As和Al的來源主要受此主成分的支配.圖2為各污染物的空間三維及二維因子載荷情況.圖2中各元素之間的離散程度較直觀地反映出了膠州灣表層沉積物中重金屬的3個主要來源,即工業(yè)排污、有機質降解、巖石的自然風化與侵蝕過程.PCA還可以通過聚類分析來綜合評價調查站點間污染狀況的相似性及遠近關系,以此來反映沉積物中污染物特別是重金屬的空間分布特點.圖3是PCA聚類分析的垂直冰柱圖,從圖3中可以看出其分類的連接是非常明確的,本次研究中所調查的14個站位在污染程度上可分為5大類.第1類站位數(shù)9個,分別為:B6,A4,Y1,A3,C3,D3,B1,B4,A11;第2類站位數(shù)2個,為A10與D8;第3類、第4類和第5類站位數(shù)都為1個,分別是Y0、A0和B0.很顯然屬于一類的所有站點的污染狀況是相似的,類與類之間距離相差越遠沉積物的污染強度也是相差越大.由此可以總結出膠州灣表層沉積物中污染物的空間分布特點,即近河口濃度高遠河口濃度低,此結果也支持了工業(yè)排污是沉積物中重金屬污染主要來源的分析.3主成分支配的情況(1)調查中膠州灣表層沉積物中的重金屬含量與1989年相比已有了不同程度的增加,其中Hg和As平均富集因子最高,其次為Cu和Cd.通過主成分分析發(fā)現(xiàn),沉積物中11種污染物的全部信息可由3個主成分來反映,它們的貢獻率分別為52.61%、17.37%、15.60%.其中,Cu和Cr主要受第一主成分的支配;Hg,Pb主要受第二主成分的支配;As主要受第三主成分的支配;Zn,Cd則是第一主成分和第二主成分共同支配.(2)沉積物中的污染物特別是重金屬有3個主要來源,即工業(yè)排污、有