Search
E-mail
RSS

Online submission Editor-in-chief Peer review Staff Login

Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 6: 156 - 167

DOI: https://doi.org/10.11978/2023004

Marine Environmental Science

Distribution, main controlling factors and pollution assessment of heavy metals in surface seawater of the Northern Bay of Hainan Island, south China

  • ZENG Weite , 1, 2 ,
  • ZHANG Dongqiang , 1, 3 ,
  • LIU Bing 1, 4 ,
  • YANG Yongpeng 1, 3 ,
  • ZHANG Hangfei 5 ,
  • WU Duoyu 1 ,
  • WANG Xiaolin 1, 3
Expand
  • 1. Hainan Key Laboratory of Marine Geological Resources and Environment, Haikou 570206, China
  • 2. Marine Geological Survey of Hainan Province, Haikou 570206, China
  • 3. Hainan Geological Survey, Haikou 570206, China
  • 4. Hainan Marine Geological Survey, Haikou 570206, China
  • 5. No. 207 Geological Team, Sichuan Bureau of Geology and Mineral Resources, Leshan 614000, China
ZHANG Dongqiang. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2023-01-04

  Revised date: 2023-04-06

  Online published: 2023-04-14

Supported by

Young Talents' Science and Technology Innovation Project of Hainan Association for Science and Technology(QCXM202008)

Hainan Provincial Natural Science Foundation of China(421QN369)

Independent project of Key Laboratory of Marine Geology Resources and Environment of Hainan Province(ZZ[2020]2019256-01)

Fold

Abstract

The dissolved heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb and Zn) were investigated based on the geochemical analysis of 106 surface seawater samples in the Northern Bay of Hainan Island. Correlation and factor analysis were used to study the sources and main controlling factors of distribution of heavy metals. The pollution levels of heavy metals were evaluated by the factor index and the Nemero index with weight modified. The results indicate that, the average contents of As, Cd, Cu, Hg, Pb and Zn are 0.58, 0.14, 8.68, 0.057, 2.07 and 26.24 μg·L-1, respectively. Additionally, the content of Cr is less than the minimum detection limit. The surface seawater, in the Dongzhai Harbor, east and north coast of the Puqian Bay, estuary of both the Maiya River and the Daomeng River, is with high content of dissolved heavy metals. The estuary of Nandu River, surrounding waters of the Ruyi Island and offshore waters of Haikou Bay are highly clean and non-pollution. The periphery of the Haikou Port, the estuary of the Maya River and the Daomeng River, the top and east coast of the Puqian Bay, and the west side of the Mulan Bay, where the pollution levels are low to medium. The pollution of the Dongzhai Port is moderate to serious. Furthermore, the pollution of the estuary of the Yanfeng River is the most serious. The pollution level of 6 heavy metals were sequenced in the decreased order of Pb> Cu> Zn> Hg> Cd> As. Therefore, Pb, Cu and Zn should be regarded as the key environmental monitoring and marine ecological research objects in the future. The heavy metals in the coastal seawater mainly came from terrestrial and ship pollution, meanwhile, the sources of heavy metals also included atmospheric input, agriculture and aquaculture. Higher salinity and lower pH can promote the desorption and release of heavy metals from suspended particles in seawater. In addition, hydrodynamic condition was also one of the main factors that controlled the heavy metals content in seawater.

Key words： northern Hainan Island; surface seawater; heavy metals; distribution; environmental assessment

Cite this article

ZENG Weite , ZHANG Dongqiang , LIU Bing , YANG Yongpeng , ZHANG Hangfei , WU Duoyu , WANG Xiaolin . Distribution, main controlling factors and pollution assessment of heavy metals in surface seawater of the Northern Bay of Hainan Island, south China[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(6) : 156 -167 . DOI: 10.11978/2023004

重金属来源广泛, 富集性强, 而且不易被降解, 能沿食物链富集至人体而产生毒性, 是海洋环境中的主要污染物(邴海健 等, 2010; Chabukdhara et al, 2012; 刘艳丽 等, 2018; 崔衍波 等, 2019; 徐艳东 等, 2021)。海水中的重金属可分为人为来源和天然来源两大类, 人为来源如矿山资源及海洋石油开采、工农业及生活污水排放等, 天然来源如海底火山喷发、大气沉降和地壳岩石风化等(Alam et al, 2012; Gao et al, 2015; Budianta et al, 2020; 李悦昭 等, 2020; 林红梅 等, 2020)。重金属可被海水中悬浮颗粒所吸附, 并通过络合和絮凝等作用沉降至海底, 埋藏在沉积物中(张兆永 等, 2015; Huang et al, 2017; Islam et al, 2018; Ji et al, 2018; Guo et al, 2019), 当水体中氧化还原环境、有机质含量、pH、温度、盐度和重金属含量等理化特征发生改变, 沉积物中重金属元素解吸并迁移至海水中(Hossain et al, 2015; Kacar et al, 2017; 刘慧杰, 等, 2017; Lin et al, 2018; Li et al, 2020; Marrugo et al, 2020)。
海南岛拥有海岸线1944.35km, 海岸带资源丰富, 位于海南岛北部的海口湾、铺前湾和木兰湾紧邻海口市、文昌市, 是国家生态文明试验区(海南)和自由贸易港建设的先行示范区, 该海域主要发育河海混合堆积、三角洲平原、滨海堆积平原、水下岸坡和潮流冲刷槽等地貌类型, 为典型浪控型海湾, 全年主要浪向为东北偏东, 次常浪向为东北向, 潮汐为不正规日潮, 潮流流向为东西向往复流并以不正规日潮流为主(李占海 等, 2003)。近年来, 由于捕捞、城镇生活排污、农业生产、水产养殖行业大规模发展和围海造陆工程实施, 导致海湾资源过度开发, 海湾生态已遭受到不同程度的破坏。前人针对海口湾沉积物和水产品重金属富集特征、海水富营养化评价、海水表观重金属络合容量以及海水重金属的行为特征等进行了深入研究(陈春华 等, 2003; 李鹏山 等, 2010; 刘华峰 等, 2010; 刘建波 等, 2012; 张家友 等, 2012), 但部分资料年代已久, 且研究范围局限。海南自由贸易港建设和“十四五”海洋经济发展规划对海南岛海岸带环境提出了更高的要求, 坚持海陆统筹, 有效保护并有序开发海岸带地质环境资源, 必须加强海岸带生态文明建设, 因此研究海南岛海岸带环境现状及人类影响的意义重大。
本次研究基于海南岛北部海湾106个站位表层海水样品地球化学分析测试, 查明海水中溶解态重金属含量及分布情况, 同时运用数理统计方法, 包括相关性分析和因子分析研究海水中溶解态重金属元素来源, 并进一步明确元素分布主控因素, 分别采用单因子法和权重修正内梅罗法评价海南岛北部海湾重金属元素污染程度, 揭示人为影响下的海湾环境现状, 为建设自由贸易港、海岸带经济建设、海岸带环境保护和资源有效利用开发等决策提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集

2016年7月, 对研究区海域106个站位深度为0.5m的表层海水进行取样(图1), 网度为2km×4km, 近岸区域加密至2km×2km, 在东寨港河口、排污入海口和海水养殖池排放口等地区布设取样站位, 采样设备为卡盖式采水器。
图1 海南岛北部海湾研究区范围

基于国家测绘地理信息局标准地图制作, 审图号琼S(2022)155号

Fig. 1 Location of study area

每组海水样品取样量不少于5.0L, 用醋酸纤维滤膜(0.45μm)进行过滤, Hg待测水样加浓H2SO4固定, As、Cu、Pb、Zn、Cd和Cr水样加浓HNO3固定, 均酸化至pH≈2, 其中Hg待测水样保存于玻璃瓶中, 其余重金属待测水样均用聚乙烯瓶进行保存, 运送实验室前进行密封保存。所有样品的采集、储存、预处理规定均严格参照《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)和《海洋监测规范》(GB 17378-2007)。

1.2 测试方法

As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS), 测定时引入混合调节溶液(质量浓度1.00μg·L-1, 内含7Li、59Co、89Y、137Ba、140Ce和205Tl等), 设备为电感耦合等离子体质谱仪(型号: X Series Ⅱ), 按照《海洋监测技术规程》(HY/T 147.1-2013)要求进行, 方法检出限分别为: As, 0.05μg·L-1; Cd, 0.02μg·L-1; Cr, 0.05μg·L-1; Cu, 0.12μg·L-1; Pb, 0.07μg·L-1; Zn, 0.10μg·L-1。Hg含量测定采用原子荧光法, 设备为双道原子荧光光谱仪(型号: AFS-3000), 方法的检出限为0.007μg·L-1; 盐度测定采用盐度计法, 设备为盐度计(型号: SYA2-2); 悬浮物测定采用滤膜过滤-质量法; pH测定采用pH计法, 设备为pH计(型号: PHBJ-260); Hg、盐度、悬浮物含量和pH测定按照《海洋监测规范》(GB 17378.4-2007)中要求进行。为保证分析精密度和准确度, 测试过程中需同时使用加入样品空白, 抽取超过20%的平行样和密码样, 分别使用国家有证标准物质BWQ7001-2016(20210629)和样品加标进行质量控制, 国家有证标准物质测试结果若在不确定度范围内, 标准物质加标回收率容许值满足表1。
表1 回收率容许值

Tab. 1 Allowable value of recovery rate

浓度或含量范围/(μg·L-1) 回收率/%
<100 60~100
>100 80~100
>1000 90~110
容量及重量法 95~105

1.3 数据处理

相关性分析和因子分析使用SPSS19.0软件, 变量因子为As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn、pH、盐度和悬浮物9项数值。变量因子间相关性均通过Pearson相关系数进行双尾检验, 差异显著水平和极显著水平分别设定为P=0.05和a=0.01。因子分析前运用Bartlett球形法检验数据群中各变量是否相互独立, 若相伴概率小于0.05, 即各变量因子具有相关性, 因子分析结果有效。

1.4 评价方法

1.4.1 单因子污染指数法

分别对海水中溶解态重金属元素As、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Cd进行单因子污染评价:
$\text{ }\!\!~\!\!\text{ }{{P}_{i}}\text{=}\frac{{{C}_{i}}}{{{C}_{n}}}$
式中Pi为元素i的污染指数; Ci为重金属元素i的实测含量; Cn为元素i的评价标准值, 采用《GB-3097-1997海水水质标准》(国家环境保护局, 1998)中Ⅰ类海水相关参数。当Pi≤1, 评价为Ⅰ类海水, 污染程度为低; 当1<Pi≤5, 重金属含量超标, 污染程度为中等; 5<Pi≤10, 污染程度为重; Pi≥10, 污染程度严重。

1.4.2 权重修正内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数法是一种多污染因素综合评价方法, 其计算有效简便, 可用于分析海水多重金属的综合污染程度, 表达式如下:
$~P=\sqrt{\frac{(P_{i, avr}^{2}+P_{i, max}^{2})}{2}}$
式中P为内梅罗污染指数; Pi, avr和Pi, max分别为海水中各重金属单因子污染指数Pi的均值和最大值。由于不同重金属毒性差异, 传统内梅罗污染指数计算法中Pi, max所占比重过大且未能对不同重金属区别对待, 因此该计算法存在放大或减小某种重金属污染程度的可能。
暨卫东(2015)对传统的内梅罗污染指数法进行了改进, 修正各重金属污染程度在计算过程中的权重, 得到权重修正内梅罗污染指数计算法, 表达式如下:
${{W}_{i}}=\frac{{{C}_{n,max}}~/{{C}_{n}}}{\mathop{\sum }_{i=1}^{n}{{C}_{n,max}}~/{{C}_{n}}}$
${{P}_{i,~}}~=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,({{P}_{i}}\times {{W}_{i}})$
${P}'=\sqrt{\frac{(P_{i, }^{2}+P_{i, max}^{2})}{2}}$
式中Wi为重金属i的污染程度权重; Cn, max为所有重金属评价标准最大值; Cn为重金属元素i的评价标准值, 同式(1); Pi为重金属元素i的污染指数; Pi, 加权为加权平均后的污染指数; Pi, max为重金属元素i最大污染指数; P′为修正权重污染指数。经过权重修正的内梅罗污染指数计算法充分考虑了各重金属污染程度的贡献能力, 反映结果更为真实合理, 按照该计算法可将海水重金属污染程度分为四个等级(表2)。
表2 权重修正内梅罗法评价标准

Tab. 2 Pollution grades according to Nemero pollution index with weight modification

污染程度 污染指数
无污染 P′<1.63
程度轻 1.63≤P′<2.28
程度中 2.28≤P′<3.68
程度严重 P′ ≥3.68

2 结果与讨论

2.1 表层海水溶解态重金属分布特征

表层海水溶解态As含量范围在0.19~2.12μg·L-1, 平均值0.58μg·L-1, 变异系数0.62; Cd含量范围在 0.05~0.60μg·L-1, 平均值0.14μg·L-1, 变异系数0.93; Cu含量范围在0.64~24.00μg·L-1, 平均值8.68μg·L-1, 变异系数0.64; Hg含量范围在0.007~0.16μg·L-1, 平均值0.057μg·L-1, 变异系数0.54; Pb含量范围在0.20~11.00μg·L-1, 平均值2.07μg·L-1, 变异系数1.07; Zn含量范围在3.44~88.00μg·L-1, 平均值26.24μg·L-1, 变异系数0.93; 所有表层海水样品Cr含量均小于0.05μg·L-1, 未达到检测阈值。
表层海水溶解态重金属含量分布特征具有一定规律性(图2), 高值区主要集中分布于东寨港内部、铺前湾湾顶及东侧沿岸, 迈雅河与道孟河入海口处重金属呈现一定程度的富集, 为中高值分布区, 南渡江西侧、北侧和东北侧入海口均以舌状低值为分布特征。除上述区域外, 重金属含量分布具有较大差异性, 海口港附近海域为As、Cd、Cu、Hg含量中高值区; 西海岸五源河入海口处为As、Hg含量中值区, 而Cd、Cu、Pb和Zn含量在该处显示为低值; 木兰湾海域As、Hg和Zn含量为中低值而Cd、Cu和Pb含量在局部为中高值。Zn含量呈“南高北低”分布特征, 即在近岸海域呈高值分布, 而在远岸海域, 其含量逐渐降低, 部分重金属含量在研究区北部远离近岸海域出现局部中高值区, 如As和Hg。
图2 表层海水溶解态重金属含量分布

Fig. 2 Distribution of dissolved heavy metals in surface seawater

海南岛北部海湾表层海水溶解态重金属含量远高于南渡江江水, 其中Cd、Cu、Hg和Zn分别超出南渡江江水27、16、56和12倍; 除Hg含量与琼州海峡海水相近外, Cd、Cu、Pb和Zn分别超出琼州海峡海水6、5、17和1倍(表3), 表明相较于南渡江和琼州海峡, 研究海域海水重金属更易聚集。南海中部海水As和Cd含量分别超出研究区海水2倍、8倍, As具有亲硫性, 南海中部海水As富集与低温热液成矿作用相关(朱赖民, 2007), 此外远洋高盐度海水中大量Cl-可将Cd络合到液相中, 使溶解态Cd含量增加, 说明海岸带与中央海盆不同物质来源及主控因素对海水重金属元素含量的影响作用。
表3 海水溶解态重金属含量测试结果统计

Tab. 3 Heavy metal content in seawater

统计量 重金属含量/(μg·L-1)
As Cd Cu Hg Pb Zn
最小值 0.19 0.05 0.64 0.0040 0.20 3.44
最大值 2.12 0.60 24.00 0.1600 11.00 88.00
平均值 0.58 0.14 8.68 0.0573 2.07 26.24
标准差 0.36 0.13 5.57 0.0308 2.21 24.53
变异系数 0.62 0.93 0.64 0.54 1.07 0.93
南渡江(祁士华 等, 2009) 0.26 0.005 0.51 0.001 1.03 2.00
海南岛近岸(国土资源部中国地质调查局, 2011) 3.78 0.62 6.35 0.101 3.14 20.61
琼州海峡(刘翠梅 等, 2002) — 0.02 1.37 0.046 0.11 11.11
南海中部(李景喜 等, 2013) 1.90 1.30 1.60 — 1.99 6.47

2.2 重金属污染评价

2.2.1 单因子污染评价

单因子污染评价结果(表4)表明, 海南岛北部海湾106站位表层海水中溶解态As、Cd和Cr含量均低于Ⅰ类海水水质标准, 其中Cr含量低于监测阈值(0.05μg·L-1), Cu、Hg、Pb和Zn分别有33、46、42和71站位Ⅰ类海水。I类海水主要分布于海口湾西海岸、南渡江入海口、铺前湾西部沿岸、木兰湾和研究区中部及北部海域。Hg、Pb和Cu分别有60、52和31站位被评价为Ⅱ类海水, 主要分布于海口港外围、迈雅河与道孟河入海口、铺前湾湾顶及东侧沿岸、木兰湾西侧。Ⅲ类海水站位数最多为Cu(42站), 其次为Zn(28站)和Pb(11站), Ⅳ类海水仅Pb有1个站位, Ⅲ类和Ⅳ类海水集中分布在东寨港内部。
表4 海水水质分类及重金属污染指数

Tab. 4 Sea water standard and pollution index of heavy metals

元素 达水质标准站位数 Pi
Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 最大值 最小值 平均值
As 106 0 0 0.106 0.010 0.029
Cd 106 0 0 0.600 0.005 0.140
Hg 46 60 0 3.200 0.080 1.155
Zn 71 7 28 4.400 0.172 1.312
Cu 33 31 42 4.800 0.128 1.737
Pb 42 52 44 11.00 0.020 2.070
表层海水溶解态重金属污染程度(表4)为Pb>Cu>Zn>Hg>Cd>As, 污染程度最高为Pb, 累计有11站位为重度污染, 1站位为严重污染, 重金属污染指数最高可达11.00; 其次为Cu、Zn和Hg, 其对应Pi值(重金属污染指数)最高分别可达4.80、4.40和3.20, 污染程度低至中等(图3)。应将Pb、Cu和Zn同时作为今后该海区生态环境研究工作的重点监测对象。
图3 表层海水重金属污染指数分布

Fig. 3 Pollution index of heavy metals

2.2.2 权重修正内梅罗污染评价

权重修正内梅罗污染评价结果显示(图4), 海南岛北部海湾表层海水溶解态重金属已遭受不同程度污染, P′(污染指数)范围在0.43~7.93, 均值为2.12。南渡江入海口、如意岛周边海域和海口湾近岸海域P′≤1.63, 表层海水清洁度高, 评价为无污染; 南海明珠附近海域和迈雅河入海口P '值范围在1.63~2.28, 污染程度轻; 铺前湾东部近岸海域及东寨港内部P′≥2.28, 污染程度中至重, 其中演丰河入海口附近海域P′值介于3.68~7.93, 污染程度最为严重。
图4 表层海水权重修正内梅罗污染评价

Fig. 4 Nemero pollution assessment with weight modification for surface seawater

2.3 重金属来源及主控因素分析

表层海水中溶解态重金属可来源于大气沉降、深部热液活动和陆源输送, 同时受海水理化性质、洋流潮汐、人为作用以及生物活动等综合作用。通过对海水各重金属含量、盐度、pH和悬浮物含量进行相关性分析和因子分析, 深入研究海水中重金属物质来源并明确其分布主控因素。
相关性分析结果(表5)表明, Zn与Cu、As、Pb、Cd具有较高的相关性, 相关系数分别为0.778、0.675、0.560和0.630, 以上元素含量均呈近岸高远岸低的分布趋势(图2), 具有明显陆源输入特征, 并且近岸海水溶解态Zn、Cu、As和Pb都易受Fe-Mn氧化物和细颗粒有机质的吸附作用沉降至沉积物中, 无法有效地向外海运输, 因此研究区表层海水溶解态重金属主要来源为陆源输入。
表5 重金属、盐度、pH和悬浮物相关系数

Tab. 5 Correlation of physical and chemical parameters

Zn As Cu Pb Cd Hg 盐度 pH 悬浮物
Zn 1.000
As 0.675** 1.000
Cu 0.778** 0.414** 1.000
Pb 0.560** 0.256* 0.549** 1.000
Cd 0.630** 0.459** 0.502** 0.460** 1.000
Hg 0.272* 0.312** 0.176 0.196 0.130 1.000
盐度 0.338** -0.014 0.318** 0.379** 0.300** 0.144 1.000
pH -0.590** 0.080 -0.472** -0.492** -0.391** -0.221* -0.481** 1.000
悬浮物 0.531** 0.439** 0.450** 0.433** 0.341** 0.253* 0.301** -0.501** 1.000

注: **a = 0.01时显著相关; *P=0.05时显著相关

Cu、Pb、Zn、Cd与盐度均呈正相关, 相关系数分别为0.318、0.379、0.338、0.300。研究区海域表层海水盐度范围在20.76‰~45.42‰, 均值为30.70‰, 东寨港内部为盐度高值区, 其次为研究区北部远岸海域。当水体盐度增加, 离子强度亦增加, 重金属离子与其他金属阳离子对吸附位点的竞相增强, 通过金属阳离子之间的置换反应, 沉积物和悬浮物颗粒表面的重金属解吸进入上覆水中, 高离子强度还会压缩固态物质的表面双电层从而使其瓦解(王毅, 2018), 吸附剂电性随之发生改变(贺志鹏 等, 2008), 此外随着盐度的升高, 重金属离子还可通过与盐阴离子络合、发生水解等方式弱化沉积物的吸附能力并减少吸附容量, 进一步促使被吸附的重金属解吸释放, 完成从颗粒态到溶解态的转化, 因此溶解态Cu、Pb、Zn和Cd趋于向高盐度水体中聚集, 而夏季(洪季)由于南渡江径流量增大, 表层海水受其稀释作用影响, 沿岸同时为盐度和溶解态重金属带状低值区, 体现了水体盐度对重金属含量的控制作用。
Zn、Cu、Pb、Cd和Hg与 pH呈负相关, 相关系数分别为-0.590、-0.472, -0.492、-0.391、-0.221。海水样品测试结果pH范围7.93~8.75, 均值8.36, 若水体酸碱性发生变化, 酸可提取态金属的溶解能力和金属阳离子对吸附位点竞相程度也发生改变, 重金属元素在沉积物—海水界面发生迁移。当pH减小, 水体氢离子含量增加, 金属氢氧化物和碳酸盐发生溶解, 同时氢离子通过与重金属阳离子竞争固态颗粒物质表面的吸附位点, 使重金属释放进入上覆水体(王宇彤, 2021); 当pH增大, 则会促使溶解态重金属通过化学反应和表面吸附作用被移除(张恩仁 等, 2003), 此时水体离子强度减弱, 电导率降低, 盐度也随之降低, 溶解和离子竞争作用减弱, 固态颗粒对重金属的吸附能力随之增加。
Cu、Pb、Zn、Cd、As与悬浮物(无机颗粒物为主)均呈正相关, 相关系数分别为0.450、0.433、0.531、0.341、0.439。因研究区内入海河流携带悬浮泥沙径流下泄并发生絮凝作用, 使得各个河口处及东寨港内部表层海水悬浮物含量较高, 范围多在30~133mg·L-1。重金属经径流入海后, 在沿岸流、生物活动等作用影响下, 扩散混合并发生物质形态转化, 完成再分布, 因此悬浮颗粒—水体界面的物质交换和溶解平衡为影响河口区溶解态重金属分布的主要控制因素(王百顺 等, 2003)。除水体理化性质外, 外力干扰如风浪、海流和人类活动也会引起沉积物中的重金属释放再迁移(Wang et al, 2015), 研究区浅水区(水深<5m)底部细颗粒沉淀物质易受风浪掀动发生再悬浮, 在远离海岸一定的距离, 吸附于悬浮颗粒上的重金属会被进一步解吸出来, 因而近岸溶解态重金属高值中心均离河口有一定距离。
通过因子分析可进一步解释表层海水中溶解态重金属重来源与分布主控因素, 对初始特征值大于0.8的2个初始因子进行提取, 经过最大方差旋转, 总因子百分占比分别为48.50%和21.81%, 累积贡献率达70.31%(表6)。
表6 表层海水重金属因子信息

Tab. 6 Factors information of heavy metals

元素 因子载荷
因子1 因子2
Cd 0.777 0.097
Cu 0.841 0.117
Pb 0.740 0.045
Zn 0.872 0.324
Hg 0.022 0.929
As 0.540 0.561
特征值 2.910 1.308
贡献率 48.50% 21.81%
累积贡献率 48.50% 70.31%
Cu、Zn、Cd和Pb在因子1中具有很高载荷(图5), 分别为0.841、0.872、0.777和0.740。除生活排污和工业废水排放外, 船舶污染亦被认为是海水中Cu、Zn、Cd和Pb的重要来源之一, 因船体合金中含有大量的Cu和Zn, Cd则主要用于船体电镀防腐处理, 船舶尾气中的Pb可通过大气沉降进入海水。Cu-Zn-Cd-Pb之间的相关性表明船舶活动对水体造成不同程度的影响(罗万次 等, 2014), 结果表明Zn-Cu、Cu-Pb、Cu-Cd、Cd-Pb均呈显著正相关, 相关系数分别为0.778、0.549、0.502和0.460。因此因子1可解释研究区表层海水重金属主要来源为陆源排污以及船舶污染。
图5 海水重金属因子载荷

Fig. 5 Factors load of heavy metals

Hg在因子2中载荷最高, 其次为As(图5)。Hg具有挥发性, 主要通过大气沉降进入海域环境, 属于面源性污染, 存在于煤和石油中的其他重金属元素, 如As、Cd、和Cu等经能源运输、工业燃烧以飘尘或气溶胶形式向大气释放, 进而输送至海水中。此外Hg、As与水产养殖饵料、农药、鱼药、杀虫剂、除菌剂、除草剂使用有关, 遥感解译结果发现有大面积农田以及高位虾池密集分布于铺前湾沿岸、木兰湾西侧及东寨港一带(图6a), 水产养殖污水经迈雅河、道孟河、珠溪河、演丰河或私接暗管直排入海(图6b), 对铺前湾河口和东寨港表层海水溶解态重金属聚集有一定贡献。因此因子2可解释Hg和As的复合来源, 包括大气输入、农业和水产养殖业污染。
图6 研究区遥感解译图

a. 迈雅河沿岸高位虾池与农田; b. 木兰湾高位虾池养殖污水直排入海(箭头处)

Fig. 6 Remote sensing image of study area

海水动力条件是影响重金属分布的另一重要因素。海口湾、铺前湾属浪控型海湾, 受潮流影响较小, 海流观测数据显示海口湾内大潮涨潮平均流速仅为0.16m·s-1。因海口港码头对NEE(常浪向)和N(强浪向)向浪遮蔽作用形成波影区, 造成沿岸水动力条件弱, 工业排污和船舶污染更易于在港内聚集而不能向外海扩散。东寨港深入内陆, 为半封闭状港湾, 海水动力条件进一步减弱, 对外交换不充分, 物理稀释过程缓慢, 陆源物质持续输入不断累积更加剧了重金属元素的富集。琼州海峡存在明显的西向流, 水体输运终年向西(Shi et al, 2002), 木兰湾西北角木兰头为琼州海峡海水进入口, 因“狭管效应”海水进入后流速迅速增大, 海流观测结果显示琼州海峡中部流速最高达1.52m·s-1, 相比海口湾和铺前湾, 木兰湾表层海水中溶解态重金属更易随海流向外扩散, 呈“西漂”特征。

2.4 讨论

海口作为国家生态文明试验区(海南)的先行区与示范区, 大力发展海洋生态文明建设, 化学和重工业发展被严格控制, 因此海湾污染来源主要为城镇生活排污, 工业排污主要通过西海岸五源河和海口港工业排污沟进入海口湾, 另一方面海口湾为重要港口航运区, 海上交通运输频繁, 港口航船过往易导致船舶污染。研究区表层沉积物As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的背景值分别为8.40、0.06、8.32、0.02、18.77和35.87μg·L-1(曾维特 等, 2018), 其中Cd、Cu、Hg、Pb和Zn主要分布于铺前湾河口及东寨港海域, As则具有远岸高值分布区, 与此次研究表层海水重金属含量分布趋势相吻合。当上覆水体环境条件如温度、pH、盐度、溶解氧、悬浮物和重金属含量等发生改变, 吸附作用和解吸作用速率产生差异使得平衡状态被破坏, 重金属可通过吸附—解吸作用完成在沉积物—海水界面的迁移转化(魏俊峰 等, 2003), 直到达到新的平衡, 这种“源”和“汇”相互转化, 或造成海域环境二次污染。此外, 铺前湾、木兰湾与东寨港海域仍有来自农业和水产养殖业的污染源(季一诺 等, 2016; 邢孔敏 等, 2018), 包括饵料过量投放、除虫剂、除菌剂、含重金属农药和鱼药的超量使用。其中东寨港内有密集的鱼排养殖及牡蛎养殖, 牡蛎对海水中Zn、Cu、Pb, 特别是Hg和Cd具有很强的富集能力(翁焕新 等, 1996); Hg和Cd毒性大, 易于与生物体内巯基结合(沈盎绿 等, 2009), Cd还可以通过与Ca类质同象置换作用集中于牡蛎贝壳中; 当牡蛎遭受Cu污染, 则会呈现“蓝牡蛎”或“绿牡蛎”等畸变形态, 一旦重金属元素进入生物体, 便难以排出, 最终危及人体健康。东寨港沿岸红树林群保存完整、种类多样且分布面积全国最大, 重金属可由海水或沉积物经生态循环系统被植物吸收, 应加强对东寨港环境监测及保护力度。
综上所述, 随着海口和文昌地区一体化和城市化进程不断提速, 人口数量逐步攀升, 水产养殖行业规模持续扩大, 化工业发展趋势加快以及周边填海造陆工程实施, 可以预见, 海湾环境污染及受危害程度将逐渐升级。为了海岸带生态环境健康可持续发展, 必须采取及时且有效的预防环保措施, 并针对性地对海洋环境进行生态修复, 如工业、生活废水处理达标后再排放, 对海域生态承载能力进行评估, 控制水产养殖规模, 合理使用除虫剂、除菌剂和农药。

3 结论

研究区表层海水中溶解态As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量平均值分别为0.58、0.14、8.68、0.057、2.07、26.24μg·L-1, Cr含量低于检测阈值。重金属含量高值区主要集中分布于东寨港内部、铺前湾湾顶及东侧沿岸、迈雅河与道孟河河口处, Zn含量呈“近岸高, 远岸低”的分布特征, As和Hg在离岸海域有高值分布区。
Ⅰ类海水主要分布在南渡江入海口、如意岛周边海域和海口湾近岸海域, 表层海水清洁度高, 评价为无污染。Ⅱ类海水主要分布于海口港外围、迈雅河与道孟河入海口、铺前湾湾顶及东侧沿岸、木兰湾西侧, 污染程度低至中等。Ⅲ类和Ⅳ类海水集中分布在东寨港内部, 污染程度中等至严重。重金属污染严重程度从大到小为Pb、Cu、Zn、Hg、Cd、As, 应将Pb、Cu和Zn同时作为今后该海域环境重点监测对象。
近岸表层海水溶解态重金属主要来自陆源输入, 其次为船舶污染, Hg和As具有复合来源, 包括大气输入、农业和水产养殖业污染。水体理化性质和海水动力条件为控制重金属分布的主要因素, 高盐度低pH可促使重金属从水体悬浮颗粒中解吸释放。海口港和东寨港内部水动力条件较弱, 海水中重金属易于聚集。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
邴海健, 吴艳宏, 刘恩峰, 等, 2010. 长江中下游不同湖泊沉积物中重金属污染物的累积及其潜在生态风险评价[J]. 湖泊科学, 22(5): 675-683.

BING HAIJIAN, WU YANHONG, LIU ENFENG, et al, 2010. The accumulation and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the sediment of different lakes within the middle and lower reaches of Yangtze River[J]. Journal of Lake Sciences, 22(5): 675-683 (in Chinese with English abstract).

[2]
陈春华, 谷尚莉, 王道儒, 2003. 海口湾水质污染监测可比性问题的初步探讨[J]. 海洋环境科学, 22(4): 30-33.

CHEN CUNHUA, GU SHANGLI, WANG DAORU, 2003. Discussion on comparability of water polluting monitor in Haikou Bay[J]. Marine Environmental Science, 22(4): 30-33 (in Chinese with English abstract).

[3]
崔衍波, 冯永亮, 刘群群, 等, 2019. 东营市三个河口区域表层海水重金属的分布与生态风险评价[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 49(1): 93-101.

CUI YANBO, FENG YONGLIANG, LIU QUNQUN, et al, 2019. Distribution and ecological risk assessment of heavy metals in surface seawater from three estuaries in Dongying[J]. Periodical of Ocean University of China, 49(1): 93-101 (in Chinese with English abstract).

[4]
国家环境保护局, 1998. GB-3097-1997 海水水质标准[S]. 北京: 中国标准出版社: 1-21. GB-3097-1997, 1997.

State Environmental Protection Administration, 1998. Sea water quality standard[S]. Beijing: Standards Press of China: 1-21 (in Chinese).

[5]
国土资源部中国地质调查局, 2011. 中华人民共和国多目标区域地球化学图集. 海南岛[M]. 北京: 地质出版社: 1-84 (in Chinese).

[6]
贺志鹏, 宋金明, 张乃星, 等, 2008. 南黄海表层海水重金属的变化特征及影响因素[J]. 环境科学, 29(5): 1153-1162.

HE ZHIPENG, SONG JINMING, ZHANG NAIXING, et al, 2008. Variation characteristics and controlling factors of heavy metals in the South Yellow Sea surface seawaters[J]. Environmental Science, 29(5): 1153-1162 (in Chinese with English abstract).

[7]
暨卫东, 2015. 近海重金属污染元素监测与评价方法[M]. 北京: 海洋出版社: 1-210 (in Chinese).

[8]
季一诺, 赵志忠, 吴丹, 等, 2016. 海南东寨港红树林沉积物中重金属的分布及其生物有效性[J]. 应用生态学报, 27(2): 593-600.

JI YINUO, ZHAO ZHIZHONG, WU DAN, et al, 2016. Distribution and bioavailability of seven heavy metals in mangrove wetland sediments in Dongzhai Harbor, Hainan Island, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 27(2): 593-600 (in Chinese with English abstract).

[9]
李景喜, 李俊飞, 郑立, 等, 2013. 南海中南部水域海水中重金属的分布特征[J]. 中国环境监测, 29(3): 65-71.

LI JINGXI, LI JUNFEI, ZHENG LI, et al, 2013. Distribution of heavy metals in the mid-south part of South China Sea water[J]. Environmental Monitoring in China, 29(3): 65-71 (in Chinese with English abstract).

[10]
李鹏山, 林国尧, 谢跟踪, 等, 2010. 海口湾近岸海域水质状况分析与评价[J]. 海南师范大学学报(自然科学版), 23(1): 108-114.

LI PENGSHAN, LIN GUORAO, XIE GENZONG, et al, 2010. Evaluation of water quality status of coastal water in Haikou Bay[J]. Journal of Hainan Normal University (Natural Science), 23(1): 108-114 (in Chinese with English abstract).

[11]
李悦昭, 陈海洋, 孙文超, 2020. “河-湖”沉积物重金属环境特征及来源解析[J]. 环境科学, 41(6): 2646-2652.

LI YUEZHAO, CHEN HAIYANG, SUN WENCHAO, 2020. Environmental characteristics and source apportionment of heavy metals in the sediments of a river-lake system[J]. Environmental Science, 41(6): 2646-2652 (in Chinese with English abstract).

[12]
李占海, 柯贤坤, 王倩, 等, 2003. 琼州海峡水沙输运特征研究[J]. 地理研究, 22(2): 151-159.

LI ZHANHAI, KE XIANKUN, WANG QIAN, et al, 2003. Characteristics of water and sediment transport in the Qiongzhou Strait[J]. Geographical Research, 22(2): 151-159.

DOI

[13]
林红梅, 王伟力, 林彩, 等, 2020. 钦州湾及其邻近海域重金属的时空变化特征和影响因素[J]. 应用海洋学学报, 39(4): 490-500.

LIN HONGMEI, WANG WEILI, LIN CAI, et al, 2020. Temporal and spatial variations of heavy metals and influencing factors in Qinzhou Bay and its adjacent waters in 2013-2014[J]. Journal of Applied Oceanography, 39(4): 490-500 (in Chinese with English abstract).

[14]
刘翠梅, 温伟英, 何清溪, 2002. 琼州海峡海洋环境现状调查与评价[J]. 海洋环境科学, 21(4): 24-28.

LIU CUIMEI, WEN WEIYING, HE QINGXI, 2002. Actuality survey and assessment of marine environment in Qiongzhou Strait[J]. Marine Environmental Science, 21(4): 24-28 (in Chinese with English abstract).

[15]
刘华峰, 傅杨荣, 杨奕, 等, 2010. 琼州海峡表层沉积物重金属元素分布特征与生态风险评价[J]. 安全与环境工程, 17(4): 33-36.

LIU HUAFENG, FU YANGRONG, YANG YI, et al, 2010. Distribution of heavy metals in the sediments of Qiongzhou Strait and the assessment of potential ecological risk[J]. Safety and Environmental Engineering, 17(4): 33-36 (in Chinese with English abstract).

[16]
刘慧杰, 刘文君, 刘继平, 等, 2017. 南中国海表层海水重金属含量及其潜在生态风险分析[J]. 中国环境科学, 37(10): 3891-3898.

LIU HUIJIE, LIU WENJUN, LIU JIPING, et al, 2017. Heavy metals concentration and its potential ecological risk assessment of surface seawater in South China Sea[J]. China Environmental Science, 37(10): 3891-3898 (in Chinese with English abstract).

[17]
刘建波, 刘洁, 陈春华, 等, 2012. 海口湾东部表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价[J]. 安徽农业科学, 40(17): 9416-9418.

LIU JIANBO, LIU JIE, CHEN CHUNHUA, et al, 2012. Contamination characteristic and potential ecological risk of heavy metals in the surface sediment from east Haikou Bay[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 40(17): 9416-9418 (in Chinese with English abstract).

[18]
刘艳丽, 张劲, 何会军, 2018. 黄、东海表层沉积物重金属赋存形态及风险评价[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 48(12): 71-78.

LIU YANLI, ZHANG JING, HE HUIJUN, 2018. Speciation and ecological assessment of heavy metals in surface sediments of the Yellow Sea and East China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 48(12): 71-78 (in Chinese with English abstract).

[19]
罗万次, 苏搏, 刘熊, 等, 2014. 广西北仑河口红树林保护区表层海水溶解态重金属时空分布及其影响因素[J]. 海洋通报, 33(6): 668-675.

LUO WANCI, SU BO, LIU XIONG, et al, 2014. Spatial and temporal distributions and influence factors of the dissolved heavy metals in surface water in the mangrove reserve at the Beilun River Estuary in Guangxi[J]. Marine Science Bulletin, 33(6): 668-675 (in Chinese with English abstract).

[20]
祁士华, 傅杨荣, 刘华峰, 等, 2009. 海南岛生态地球化学调查海岸带生态系统地球化学评价报告[R]. 海南: 海南省地质调查院: 17-27 (in Chinese).

[21]
沈盎绿, 马继臻, 平仙隐, 等, 2009. 褶牡蛎对重金属的生物富集动力学特性研究[J]. 农业环境科学学报, 28(4): 783-788.

SHEN ANGLV, MA JIZHEN, PING XIANYIN, et al, 2009. The kinetic characteristics of bioconcentration of heavy metals in Crassostrea plicatula[J]. Journal of Agro-Environment Science, 28(4): 783-788 (in Chinese with English abstract).

[22]
王百顺, 刘阿成, 陈忠阳, 2003. 1984—2000年长江口海域水质重金属浓度分布变化[J]. 海洋通报, 22(2): 32-38.

WANG BAISHUN, LIU ACHENG, CHEN ZHONGYANG, et al, 2003. Distribution changes of dissolved heavy metal concentration in Changjiang Estuary and its adjacent waters, 1984-2000[J]. Marine Science Bulletin, 22(2): 32-38 (in Chinese with English abstract).

[23]
王毅, 2018. 钦州近岸海域及其入海口重金属的分布、来源及污染风险评价[D]. 南宁: 广西大学, 1-64.

WANG YI, 2018. The distribution, source and risk assessment of the heavy metals in the coastal waters and estuaries of Qinzhou[D]. Nanning: Guangxi University: 1-64 (in Chinese with English abstract).

[24]
王宇彤, 2021. 沉积物中重金属迁移释放规律研究[D]. 徐州: 中国矿业大学: 1-57.

WANG YUTONG, 2021. Study on the migration and release rules of heavy metals in sediments[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology: 1-57 (in Chinese with English abstract).

[25]
魏俊峰, 吴大清, 彭金莲, 等, 2003. 污染沉积物中重金属的释放及其动力学[J]. 生态环境, 2: 127-130.

WEI JUNFENG, WU DAQING, PENG JINLIAN, et al, 2018. Release and kinetics of heavy metals from the contaminated sediments[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2: 127-130 (in Chinese with English abstract).

[26]
翁焕新, PRESLEY B J, 1996. 重金属在牡蛎(Crassostrea virginica)中的生物积累及其影响因素的研究[J]. 环境科学学报, 16(1): 51-58.

WENG HUANXIN, PRESLEY B J, 1996. Bioaccumulation of heavy metals in oyster (Crassostrea virginica)[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 16(1): 51-58 (in Chinese with English abstract).

[27]
邢孔敏, 陈石泉, 蔡泽富, 等, 2018. 海南东寨港表层沉积物重金属分布特征及污染评价[J]. 海洋科学进展, 36(3): 478-488.

XING KONGMIN, CHEN SHIQUAN, CAI ZEFU, et al, 2018. Distribution characteristics and pollution evaluation of heavy metals in surface sediment of Dongzhai Harbor, Hainan Province[J]. Advances in Marine Science, 36(3): 478-488 (in Chinese with English abstract).

[28]
曾维特, 杨永鹏, 张东强, 等, 2018. 海南岛北部海湾沉积物重金属来源、分布主控因素及生态风险评价[J]. 环境科学, 39(3): 1085-1094.

ZENG WEITE, YANG YONGPENG, ZHANG DONGQIANG, et al, 2018. Sources, distribution of main controlling factors, and potential ecological risk assessment for heavy metals in the surface sediment of Hainan Island North Bay, South China[J]. Environmental Science, 39(3): 1085-1094 (in Chinese with English abstract).

[29]
张恩仁, 张经, 2003. 长江河口悬浮物对几种金属吸附的pH效应[J]. 海洋与湖沼, 34(3): 267-273.

ZHANG ENREN, ZHANG JING, 2003. Effects of pH on adsorption of several metals to suspended sediment in the Changjiang river estuary[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 34(3): 267-273 (in Chinese with English abstract).

[30]
张家友, 吴国爱, 傅杨荣, 等, 2012. 海口湾重金属富集与评价[J]. 国土资源科技管理, 29(5): 43-48.

ZHANG JIAYOU, WU GUOAI, FU YANGRONG, et al, 2012. Enrichment and evaluation of heavy metals in Haikou Bay[J]. Scientific and Technological Management of Land and Resources, 29(5): 43-48 (in Chinese with English abstract).

[31]
张兆永, 吉力力·阿不都外力, 姜逢清, 2015. 艾比湖表层沉积物重金属的来源、污染和潜在生态风险研究[J]. 环境科学, 36(2): 490-496.

ZHANG ZHAOYONG, JILILI ABUDUWAILI, JIANG FENGQING, 2015. Sources, pollution statue and potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Aibi Lake, Northwest China[J]. Environmental Science, 36(2): 490-496 (in Chinese with English abstract).

[32]
朱赖民, 高志友, 尹观, 等, 2007. 南海表层沉积物的稀土和微量元素的丰度及其空间变化[J]. 岩石学报, 23(11): 2963-2980.

ZHU LAIMIN, GAO ZHIYOU, YIN GUAN, et al, 2007. Content and spatial change of rare earth element and trace element of surficial sediment in the South China Sea[J]. Acta Petrologica Sinica, 23(11): 2963-2980 (in Chinese with English abstract).

[33]
ALAM L, MOHAMED C A R, BIN MOKHTAR M, 2012. Accumulation pattern of heavy metals in marine organisms collected from a coal burning power plant area of Malacca Strait[J]. Scienceasia, 38(4): 331-339.

DOI

[34]
BUDIANTA W, 2021. Heavy metal pollution and mobility of sediment in Tajum River caused by artisanal gold mining in Banyumas, Central Java, Indonesia[J]. Environmental Science and Pollution Research, 28(7): 8585-8593.

DOI

[35]
CHABUKDHARA M, NEMA A K, 2012. Assessment of heavy metal contamination in Hindon River sediments: A chemometric and geochemical approach[J]. Chemosphere, 87(8): 945-953.

DOI PMID

[36]
GAO LI, GAO BO, WEI XIN, et al, 2015. Assessment of metal toxicity and development of sediment quality guidelines using the equilibrium partitioning model for the Three Gorges Reservoir, China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 22(22): 17577-17585.

DOI

[37]
GUO QINGWEI, LI NINGNING, XIE SHUGUANG, 2019. Heavy metal spill influences bacterial communities in freshwater sediments[J]. Archives of Microbiology, 201(6): 847-854.

DOI PMID

[38]
HOSSAIN M A, ALI N M, ISLAM M S, et al, 2015. Spatial distribution and source apportionment of heavy metals in soils of Gebeng industrial city, Malaysia[J]. Environmental Earth Sciences, 73(1): 115-126.

DOI

[39]
HUANG DANLIAN, LIU LINSHAN, ZENG GUANGMING, et al, 2017. The effects of rice straw biochar on indigenous microbial community and enzymes activity in heavy metal-contaminated sediment[J]. Chemosphere, 174: 545-553.

DOI PMID

[40]
ISLAM M S, HOSSAIN M B, MATIN A, et al, 2018. Assessment of heavy metal pollution, distribution and source apportionment in the sediment from Feni River estuary, Bangladesh[J]. Chemosphere, 202: 25-32.

DOI PMID

[41]
JI HONGBING, LI HONGXIA, ZHANG YAN, et al, 2018. Distribution and risk assessment of heavy metals in overlying water, porewater, and sediments of Yongding River in a coal mine brownfield[J]. Journal of Soils and Sediments, 18(2): 624-639.

DOI

[42]
KACAR E, AKIN H K, CICEK T, et al, 2017. Seasonal variations of heavy metals in water, sediment and tissues of two freshwater fish species (Cyprinion macrostomum and Capoeta trutta) from the Batman Dam (Tigris Basin), Turkey[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 26(6): 4187-4193.

[43]
LI LI, ZHEN XIAOTONG, WANG XIAOJING, et al, 2020. Benthic trace metal fluxes in a heavily contaminated bay in China: Does the sediment become a source of metals to the water column?[J]. Environmental Pollution, 257: 113494.

DOI

[44]
LIN YUFEI, LIU QUNQUN, MENG FANPING, et al, 2018. Integrated toxicity evaluation of metals in sediments of Jiaozhou Bay (China): Based on biomarkers responses in clam Ruditapes philippinarum exposed to sediment extracts[J]. Marine Pollution Bulletin, 131(Pt A): 180-190.

DOI

[45]
MARRUGO N J, PINEDO H J, MARRUGO M S, et al, 2020. Assessment of trace element pollution and ecological risks in a river basin impacted by mining in Colombia[J]. Environmental Science and Pollution Research, 28(1): 201-210.

DOI

[46]
SHI MAOCHONG, CHEN CHANGSHENG, XU QICHUN, et al, 2002. The role of the Qiongzhou Strait in the seasonal variation of the South China Sea circulation[J]. JPO, 32(1): 103-121.

DOI

[47]
WANG FENG, DONG WENYI, ZHAO ZILONG, et al, 2021. Heavy metal pollution in urban river sediment of different urban functional areas and its influence on microbial community structure[J]. Science of the Total Environment, 778(23): 146383.

DOI

Options
Outlines

/

〈 〉