连云港近岸海域沉积物中重金属污染来源及生态评价海湖Word格式.docx
- 文档编号:18334722
- 上传时间:2022-12-15
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:76.15KB
连云港近岸海域沉积物中重金属污染来源及生态评价海湖Word格式.docx
《连云港近岸海域沉积物中重金属污染来源及生态评价海湖Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《连云港近岸海域沉积物中重金属污染来源及生态评价海湖Word格式.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
,东经119°
23´
—119°
51´
之间,是北起岚山头,南支燕尾港的一个开放性内湾。
影响连云港近岸海域生态环境演变的主要因素为工业、农业、渔业、城市生活以及近岸海洋工程。
陈斌林(2006;
2007)等先后报道了连云港港口海域的污染物排放情况及环境变化对底栖生物群落的影响,但对于连云港近岸海域海州湾沉积物中重金属的污染来源并没有进行分析判断,对沉积物质量也没有进行生态风险综合评价。
本研究利用主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)数理统计法对沉积物中重金属来源进行了说明,并以此为基础应用海洋沉积物污染指数(Marinesedimentpollutionindex,MSPI)和平均沉积物质量标准商数(Meansedimentqualityguidelinequotient,SQG-Q)评价了沉积物中重金属的污染状况及对生物的潜在影响。
1、材料与方法
本次调查于2009年5月进行,布设的采样站位如图1所示,主要分布在海州湾最大的排污入海口临洪河口邻近海域和田湾核电站周边海域,在入湾河流蔷薇河的上游也采集样品以作参照。
用抓斗式采泥器在16个站点采集底泥,用塑料勺取其中央未受干扰的表层0-2cm泥样于聚乙烯袋中,将泥样在80°
C烘箱内烘干24小时,用玛瑙研钵将其研碎并全部通过160目筛,充分混匀后取样以供测定。
沉积物消解方法见《海洋监测规范》(1998),采用等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定Pb、Zn、Cd、Cr、Fe、Mn。
Hg用冷原子吸收法测定,As以原子荧光光谱法测定。
沉积物中总有机质的含量以灼烧法来测定,用烧失量(lossofignition,LOI)表征。
本文以550°
C、灼烧2小时的条件(Borgetal,1996),测定了沉积物中的总有机质的含量。
用统计软件Statistica5.1进行数据处理。
图1采样站位分布图
Fig.1samplingstations
2、结果与讨论
2.1海洋沉积物重金属污染评价方法的综述
为了更好的管理近海海域,对其的污染评价方法应易于被海域管理者及决策者理解接受。
环境质量评价标准和方法是一个有力的手段来处理、分析、输送原始的环境信息给、决策人员、管理人员、技术人员及公众(Ramosetal,2002)。
近年来各种的金属评价方法应用到近海海域沉积物污染状况上来,它们共同的特点是都涉及到金属污染物在环境中的含量,归纳一下可以分为以下三类:
1.污染指数(contaminationindices):
与洁净海区或未污染站位的污染物进行比较,反映多种污染物的综合效应。
包括污染指数(Pollutionindex,PI)、海洋沉积物金属污染指数(Indexofmetalspollutioninmarinesediments)、金属污染指数(Metalpollutionindex,MPI)(Useroetal,1996)、海洋沉积物污染指数(Marinesedimentpollutionindex,MSPI)、金属富集指数(Metalenrichmentindex,SEF)。
2.背景值富集指数(backgroundenrichmentindices):
把调查海域的污染物含量状况与不同的基准值或背景值相比较,这些基准值和背景值来自文献,适用于各个海区。
背景值是在进行海洋资源调查、勘探、评估过程中重要的参照指标,也是海洋环境污染状况评价中的一项重要指标,是海洋综合管理的重要基础性数据。
包括污染度数(Degreeofcontamination,DC)、新地质累积指数(Newindexofgeoaccumulation,NIgeo)(Ruiz2001)。
3.生态风险评价指数(ecologicalriskindices):
把沉积物中污染物含量与规定的沉积物质量标准作对比,这些质量标准并不是统一的。
Chapman(1995)指出:
污染沉积物对水生生物除产生现在的“三致”效应(致死、致畸、致突变)之外,还构成了“定时炸弹”似的潜在威胁。
因此对沉积物进行生态风险性评价就显得极其重要。
沉积物生态风险性评价是建立沉积物质量控制基准、环境管理信息系统和专家鉴定系统的关键要素,可为环境的规划、预测、管理和污染防治等提供参考依据。
包括污染负荷指数(Pollutionloadindex,PLI)、沉积物化学指数[Indexforchemistry(ratio-to-reference,RTR)ofthesedimentsqualitytriadcomponent,I]、平均沉积物质量标准商数(Meansedimentqualityguidelinequotient,SQG-Q)、对数衰退模型(Logisticregressionmodels,p)沉积物质量次指数方程(Equationsub-indexsedimentquality,EQUATION)、潜在生态风险指数(Potentialecologicalriskindex,ERF)。
我们知道,沉积物的污染状况不是仅仅由一种污染物决定的,而是多种污染物共同作用的结果,单用一种污染物来进行沉积物的污染评价是不全面的。
但多种污染物之间往往相互关联,现场数据使得海域管理者和公众难以明白。
因此,环境污染指数是一个很好的手段把复杂的数据转变成简单的易理解的因子(Shinetal,2001)。
现在国际上用于海洋沉积物金属污染评价的方法共有16种(如上),综合起来,Caeiro(2005)等认为,海洋沉积物污染指数(Marinesedimentpollutionindex,MSPI)和平均沉积物质量标准商数(Meansedimentqualityguidelinequotient,SQG-Q)能够更好的评价沉积物中金属的污染状况。
前一种指数根据背景值对沉积物的污染和富集状况进行说明,后一种指数则评价了沉积物对生物可能产生的负效应。
这两种评价方法避免了其它方法的不足,集合了其它方法的优点,一:
把特定海域的污染物浓度与已确定的标准值相比较;
二,把所有污染物看成一个整体,且在计算过程中给出每种污染物的贡献率;
三,与生态系统联系起来,考察了沉积环境对生物的潜在影响。
2.2主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)计算结果
主成分分析是一种掌握主要矛盾的统计分析方法,能够通过简化数据(即用较少的综合指标代替原来具有一定相关性的较多的指标)来反映原来多变量的大部分信息。
能够不根据任何线性假设而确定和量化变量之间的相关性,很好的对污染物的来源进行判断(DelVallsetal,1998b)。
表1为连云港海州湾近岸表层沉积物的主成分分析计算结果,评价因子共有9个。
通过主成分分析计算,沉积物中9种污染物的全部信息可由3个主成分(特征值:
4.879+1.714+1.474=8.067个变量)反映89.62%,即对前3个主成分进行分析已经能够反映全部数据的大部分信息。
表1本研究中主成分分析主要计算结果
Table1Themaincalculatedresultsofprincipalcomponentanalysis(PCA)inthisstudy
第一主成分Factor1
第二主成分Factor2
第三主成分Factor3
特征值Eigenvalue
4.879
1.714
1.474
贡献率%Totalvariance
54.21
19.04
16.37
累计贡献率%Cumulative
73.25
89.62
As
0.204786
0.861779
0.031606
Cd
0.974334
-0.083229
-0.067966
Cr
0.649370
-0.643883
0.122381
Fe
0.675978
-0.032270
0.080080
Hg
-0.271352
0.260210
-0.847879
Mn
0.817420
-0.474821
0.215288
Pb
0.810721
0.409418
0.065968
Zn
0.971930
0.133094
0.117568
LOI
0.070610
-0.147855
-0.935785
图2各污染物的三维因子载荷图
Fig.2Plotofthepollutantsinthespacedefinedbythreecomponents
表2各因子间相关系数
Table2Correlationcoefficientsoftheitems
1.00
0.11
-0.26
0.65*
0.12
0.96*
0.62*
0.17
-0.21
-0.40
-0.34
-0.18
0.82*
0.90*
0.81*
-0.47
0.36
0.73*
0.80*
-0.20
0.45
0.33
0.92*
0.56
0.95*
-0.37
0.74*
0.83*
-0.14
0.01
-0.01
-0.11
-0.05
-0.03
*表示在0.05水平显著性相关
第一主成分的贡献率为54.21%,特点表现为因子变量在Cd,Zn,Pb,Mn的浓度上有较高的正载荷。
Cd,Zn主要来自临洪河口及核电站周边工业及生活排污,通过混合排污口进入海州湾。
因此从Cd,Zn,2种重金属对第一主成分的贡献就可以理解第一主成分所代表的实际意义,即反映了工业排污和生活污水对沉积物的污染。
表2为各污染物之间的Pearson相关关系,其中Cd,Zn,Pb,Mn,Fe,Cr之间具有较强的相关性,相关系数从0.65至0.96,可知第一主成分主要支配着沉积物中重金属Cd和Zn的来源,同时也部分支配Pb,Cr的来源,且铁和锰的氧化物或氢氧化物是这些金属的主要赋存相。
第二主成分的贡献率是19.04%,在As上的载荷较高,为0.861779。
元素砷在自然环境中极少,是化肥和农药的重要成分。
海州湾的入海河流主要为新沂河、新沭河,流经多个地区,农业污染严重,而且境内的沙旺河、大浦河及东门五图河也已成为工农业及生活污水的排放通道。
因此这个主成分主要表征了农业使用农药和化肥的残留对沉积物中污染物的影响。
第三主成分的贡献率是16.37%,在LOI上的载荷为0.935785。
在LOI上的高载荷说明有机质作为金属离子结合物的重要性(Krzysztof,2003)。
从表1可以看到第三主成分在各金属浓度上的载荷情况,其中以Hg为最高(0.847879),且LOI与Hg之间的相关系数为0.62,充分说明海州湾沉积物中Hg的存在特征符合其他研究者得出的结论,即有机质是Hg在沉积物中的主要结合物,其含量与成分的变化是决定Hg分布的主要控制因子(Rasmussenetal,1998)。
由此可以推断由于有机质的降解而伴随的金属离子的释放是沉积物中重金属Hg的主要来源,因此第三主成分主要表征了有机质对沉积物中重金属来源的贡献。
此结果从图2各污染物的三维因子载荷图中可以直观地看到。
2.3海州湾沉积物中重金属的污染评价
海洋沉积物污染指数(Marinesedimentpollutionindex,MSPI)在沉积物评价方法中属于污染指数法,它是根据主成分分析的计算结果来进行污染变量的选择的,表达式如下:
MSPI=(∑qiwi)2/100,qi指的是第i种变量的沉积物质量级别(sedimentqualityrating),wi是指每个变量对MSPI的贡献率。
沉积物质量级别从0到100被划分为5个梯度,如表4,每个变量根据浓度水平来决定梯度数值,变量的贡献率则由变量的相对特征值和相对载荷的乘积得到。
MSPI的计算结果被定义为5个等级来描述沉积物的质量状况:
极好的(MSPI:
0-20),好的(MSPI:
20-40),一般的(MSPI:
40-60),坏的(MSPI:
60-80),极坏的(MSPI:
80-100)。
海州湾表层沉积物中金属的PCA计算结果见表3,根据变量的沉积物质量级别(表4),得到各个站位的MSPI,见表6。
从评价结果来看,本次调查活动中参加统计的海州湾近岸11个站位中9个站位的海区沉积物质量重金属污染严重(MSPI值在60到80之间),占调查海域的81.82,站位3海区的沉积物污染最为严重(MSPI值大于80),只有一个站位的沉积物质量一般(MSPI值在40到60之间)。
表3通过PCA计算的海州湾表层沉积物中金属的分重结果
Table3WeightsforvariablesselectedfromPCAforcalculationoftheMSPIinHaizhouBaysurfacesediments
主成分Factor
相对特征值Relativeeigenvalue
变量Variable
载荷Loadingvalue
相对载荷Relativeloadingvalue
分重(相对特征值×
相对载荷)Weight(relativeeigenvalue×
relativeloadingvalue)
1
0.605
0.272
0.165
0.229
0.138
0.227
0.137
Total
3.574405
1.000
2
0.212
0.212
3
0.183
Total
8.067
表4本研究中用到的沉积物质量级别(Caeiroetal,2005)
Table4Sedimentqualityratingguidelinesusedinthisstudy
沉积物质量级别Sedimentqualityrating
0-20
0.6
340
3.3
15.4
7.0
0.060
21-40
1.0
440
5.0
34
8.0
0.070
41-60
1.5
540
57
10.2
0.080
61-80
2.9
670
18.2
101.6
21.0
0.232
81-100
800
69.0
507.0
58.0
0.70
平均沉积物质量标准商数(Meansedimentqualityguidelinequotient,SQG-Q)(LongandMacDonald,1998),属于海洋沉积物生态风险评价,能够评价海洋沉积环境对生物的潜在负效应。
虽然这种以观察实验为基础的方法在现场监测和评价过程中还存在争议,但它的预测能力却得到广泛的证明(Longetal,2000),特别是污染物的浓度和生物响应相关的情况下(Faireyetal,2001)。
表达式如下:
SQG-Q=∑PEL-Qi/n,PEL-Qi=Contaminant/PEL。
PEL-Q是指污染物对生物可能产生的影响率,PEL(probableeffectlevel)(表5)指对生物产生影响的临界浓度值(MacDonald,1996),被调查站位根据被影响级别进行排序:
PEL-Q≦0.1,未受冲击,对生物具有最低负影响潜力;
0.1<
PEL-Q<
1,对生物具有中度水平的负影响潜力;
PEL-Q≧1,对生物具有高度负影响潜力。
本次调查的SQG-Q结果见表6。
从SQG-Q指数来看,连云港近岸海域沉积物对生物的负影响潜力为中度水平(0.1<
1),但有些站位已接近高度负影响水平。
表5PEL值
Table5ValuesofPEL
PEL
Cu
(MacDonaldetal.,1996)
4.21
112
271
108
41.6
160
0.7
表6海州湾表层沉积物的金属污染指数
Table6Indicesofmetalcontaminationinsurfacesediments
4
5
6
7
11
12
13
14
15
16
MSPI
81.18
63.74
69.12
74.72
52.07
63.17
75.34
64.61
SQG-Q
0.919
0.493
0.856
0.608
0.621
0.953
0.652
0.803
0.483
0.873
0.719
3、结论
通过主成分分析发现连云港海州湾近岸表层沉积物中重金属主要有三个来源:
工业和生活污水的排放、农业排污、有机质的降解。
运用多因子评价法对沉积物的质量状况进行评价发现:
本次调查活动中海州湾11个站位中9个站位的海区沉积物质量污染严重(MSPI值在60到80之间),排污口海区的沉积物污染最为严重(MSPI值大于80)。
参考文献
陈斌林,方涛、张存勇等。
连云港核电站海域2005年与1998年大型底栖生物群落组成及多样性特征比较[J].海洋科学,2007,3,16~19.
陈斌林,贺心然,展卫红等.连云港港口海域污染物总量控制研究[J].中国海洋大学学报,2006,36(3),447~450.
国家海洋局.海洋监测规范[M].北京:
海洋出版社.1998,340-380.
BorgH,JonssonP,1996.Large-ScaleMetalDistributioninBalticSeaSediments[J].MarinePollutionBulletin,32,8-21.
CaeiroS,CostaMH,RamosTB,etal,2005.AssessingheavymetalcontaminationinSadoEstuarysediment:
Anindexanalysisapproach[J].EcologicalIndicators,5:
151-169.
ChapmanPM,1995.Sedimentqualityassessment:
statusandoutlook[J].AquaticEcologicalHealth,(4),183-194.
ChapmanPM,WangF,2001.Assessingsedimentcontaminationinestuaries[J].EnvironmentalToxicology&
Chemistry,20:
3-22.
DelVallsTA,ForjaJM,Go´
mez-ParraA,1998b.IntegratedassessmentofsedimentqualityintwolittoralecosystemsfromtheGulfofCa´
diz,Spain[J].EnvironmentalToxicologyandChemistry,17,1073-1084.
FaireyR,LongER,RobertsCA,etal,2001.Anevaluationofmethodsforcalculatingmeansedimentqualityguidelinequotientsasindicatorsofcontaminationandacutetoxicityto
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 连云港 近岸 海域 沉积物 重金属 污染 来源 生态 评价
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)