点源污染对胶州湾海水体系中不同形态重金属富集的影响

第29卷第10期2009年10月

生态学报ACT A ECOLOGI CA SI N I CA

Vol . 29, No . 10

Oct . , 2009

点源污染对胶州湾海水体系中不同形态

重金属富集的影响

李　玉

1, 2

, 俞志明

1, 3

, 宋秀贤, 曹西华

(1. 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室, 青岛　266071; 2. 淮海工学院, 江苏连云港222005)

摘要:对胶州湾水体中悬浮颗粒物、柱状沉积物和底栖生物中重金属的污染与富集状况进行了分析与评价。结果表明:大量未处理的废水污水的排放入海与陆源物质向外海的有限扩散直接导致了点污染源对水体及生物体中重金属的富集。悬浮物中重金属的富集已明显受到人为因素的影响; 柱状样的人为影响因子表明河口区沉积物的污染状况较其它海区重; 胶州湾底栖生物体内重金属的含量与离污染源的远近有关系, 底栖生物菲律宾蛤仔对重金属Cd 的富集能力大于其它金属。关键词:点源污染; 悬浮颗粒物; 重金属; 生物富集; 胶州湾

文章编号:100020933(2009) 1025592208　中图分类号:X171, X52　文献标识码:A

I nfluence of po i n t sources on heavy m et a l accum ul a on i n d i apart m en ts of J i a ozhou Bay

L I Yu

1, 2

, Y U Zhi 2M ing

1, 3

, S ONG Xiu 2Xian , CAO 1

1Key L aboratory of M arine Ecology and O Acade m y of Sciences, Q ingdao 266071, China 2Huaihai Institute of L , A cta Ecologica S in ica, , ) :5599.

Abstract:The pollution and enrichment states of heavy metals in sus pended particulate matter (SP M ) , sedi ment core and benthic organis m s were analyzed and evaluated in J iaozhou Bay . Results showed that:(1) The discharge of a large amount of untreated effluents and the insufficient diffusi on of the terrestrial contam ination t o outer bay directly led to point s ource contam ination, which caused the heavy metal enrichment in water and in benthic organis m; (2) Anthr opogenic activities significantly affected the heavy metals enrichment in SP M. The anthr opogenic factors (AF ) of sedi ment cores showed that the pollution at the estuary was more serious than that of other investigated areas; (3) The concentration of heavy metals in benthic organis m had cl ose relationshi p with the distance fr om the samp ling site to the pollution s ources . Venerupis

Philippinarum , a benthic organis m, was esti mated t o have higher accumulating capacity to cadm ium as compared t o any

other tested heavy metals .

Key W ords:point s ources; sus pended particulate matter; heavy metal; bio 2accumulation; J iaozhou Bay

半包围型海湾扩散污染物的能力往往比较低, 容易受到人类活动的影响, 排放入其中的污染物很难向外海扩散而主要集中在排放源邻近海区, 导致水质、沉积物和生物体的污染

[1, 2]

。这些污染物(重金属、合成有

[3]

机物及氯化物) 主要来源于点源污染, 包括受污染的河流、居民生活废水和工农业污水排放口等。胶州湾

基金项目:国家973资助项目(2007CB407305) ; 中国科学院重要方向资助项目(KZ CX22Y W 2208) ; 国家自然科学基金资助项目(40576058) 收稿日期:2009204203; 　　修订日期:2009206222

致谢:感谢中国科学院海洋研究所测试中心的林强、俞立东老师在样品测试过程中提供的帮助, 同时也感谢本课题组母清林、吴继法同学协助采样

3通讯作者Corres ponding author . E 2mail:zyu@ms . qdi o . ac . cn

　10期　　　李玉　等:点源污染对胶州湾海水体系中不同形态重金属富集的影响　5593

系一典型的半封闭型浅水海湾, 为青岛市(人口7×10) 所包围, 湾口仅宽2. 5km , 以此与黄海相通。入湾河

流海泊河、李村河、娄山河等常年无自然径流, 中、下游已成为市区工业废水和生活污水的排污沟渠。对胶州湾沉积物及底栖生物体中重金属的含量已有报道度的污染富集, 且明显受到点源污染的影响

[6]

[4, 5]

。表层沉积物中Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Cr, A s 已有不同程

, 但鲜见有关点源污染对海湾中悬浮颗粒物、柱状沉积物、生物

体中重金属富集影响状况的评价。针对该不足, 本文测定了胶州湾悬浮颗粒物、柱状沉积物及底栖生物(菲律宾蛤仔) 中金属元素(Zn, Pb, Cd, Cu, Hg, A s, Cr, A l, Fe, Mn ) 的含量并计算了富集因子, 以期阐明胶州湾点源污染对不同形态金属元素污染及蓄积的影响, 为限制陆源排污, 有效保护海湾环境提供基础依据。1　材料与方法

本次调查在胶州湾布设的采样站位如图1所示。采集活动在5个断面进行, 水样用聚乙烯桶采集, 回到μm , 直径60mm ) 抽滤, 过滤后的滤膜在实验室取1000mL 水样用事先已称重的滤膜(经过稀酸浸泡, 孔径0. 45

40～50℃范围内烘干6～8h, 然后再放入硅胶干燥器内冷却6～8h 之后称重, 并根据有关公式计算出海水悬

浮体含量(mg/L) 。悬浮颗粒物在105°C 烘箱内烘干, 用氢氟酸2硝酸2高氯酸体系进行微波消解待测。在Y1、A3、B2站采集表层0～2c m 泥样后取生物样品(现场用海水洗净) , 在B6、C2、D4、D6站用柱状采泥器采集90c m 长的柱状泥样, 现场切分为上层(0～10c m ) 、中层(10～80c m ) 和下层(80～90c m ) , 泥样和生物样皆置于

聚乙烯袋中, 0～4℃下保存, 回实验室待测。将泥样在80°C 烘箱内烘干24h, 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。生物样撬壳取出软体, 称其湿重, 80°C 脱水干燥, 待恒重称其干重。将干样用玛瑙研钵研成细粉, 收分光光度法测定, Hg 定

[10]

[8]

[5]

(, 取样及碎样等

[7]

工具及器皿均先净化处理) 。Pb, Cd 。11]

Fe,Mn 以火焰原子吸

[9]

; A , A s 以原子荧光光谱法测

图1　胶州湾采样站位分布图

Fig . 1　Samp ling stati ons in J iaozhou Bay

5594　生　态　学　报　　　29卷　

2　结果与讨论

2. 1　点源污染对悬浮颗粒物中重金属含量分布的影响

　　本研究中悬浮态Cu 的浓度范围在26. 84～203. 00mg/kg 之间, 均值为69. 54mg/kg; Zn 在0. 77～447. 00mg/kg 之间, 均值为162. 16mg/kg;Pb 的浓度范围在0. 36～160. 00mg/kg 之间, 均值为67. 32mg/kg; Cd 在0. 027～19. 81mg/kg 之间, 均值为3. 31mg/kg; Cr 在106. 00～6914. 01mg/kg 之间, 均值为906. 81mg/kg;Mn

在97. 90～1879. 02mg/kg 之间, 均值为1176. 63mg /kg。与中国长江口162116mg/kg 远远低于Homebush 湾

[13]

[12]

、杭州湾

[12]

悬浮体中重金属含量相

比, 胶州湾颗粒态的Cu 含量与长江口悬浮体中Cu 的含量相当, 高于杭州湾。胶州湾颗粒态Zn 的含量

悬浮体中Zn 的含量600. 60mg/kg, 而Cr 的含量则远远高于Homebush

湾。胶州湾悬浮体中重金属Cd 的含量相对来讲比较高, 平均值达到3. 31mg/kg, 为长江口悬浮体中Cd 浓度的2倍, 而比杭州湾悬浮体中Cd 的浓度高出数十倍。胶州湾颗粒态Pb 的含量高于长江口和杭州湾, 但低于澳大利亚Port Jacks on 河口的Homebush 湾。图2为本研究中胶州湾海域悬浮颗粒物中金属含量的空间分布图。从各个站位上的浓度水平来看, 悬浮体中重金属含量在全湾范围内分布并不均衡, 多数重金属浓度高值主要出现在胶州湾东部海泊河口、李村河口、娄山河口及青岛港邻近海域, 明显的表明了点源污染对其的影响。Cu, Zn, 和Mn 的浓度从河口到湾内有降低的趋势。在Ta mar, Beaulieu 和Scheldt 等河口海域中颗粒态Zn 也有相似的行为个主要原因。

为了评价点源污染对近岸和河口水域悬浮物质的影响, 异。, , 因为铝在自然界中富集量较大, [[14～16]

, 主要是由于河流所携带的高金属含量的物质与海洋低金属含量的沉积物相混合的结

果。重金属Pb 在湾内B3站出现浓度高值, 除了受到海泊河排污的影响外, , 一个调查区域中的样品, 来源于

。表1为本研究中胶州湾表层海水中悬浮颗粒。从结果中可以看出, 在所有监测站位7种金属元素和铝元素的浓度比值都不是常数, 表示胶州湾海域悬浮颗粒态金属的来源除了自然因素外, 人为污染是导致其富集的主要途径。当然, 水体中颗粒态金属浓度受悬浮体含量大小的影响也是非常大的。结果表明, 悬浮体中所有金属都与水体中悬浮体的含量呈负相关, 其中有些金属如Pb, 和悬浮体的相关性为显著性相关(图

[18]

3) 。这和前人的研究结论相吻合, 即人为污染对悬浮颗粒物的贡献在高悬浮体水域会被自然因素掩盖, 而当悬浮体含量降低时, 人为因素就变得显著了。

表1　胶州湾水体中悬浮颗粒物的浓度(mg/L) 及悬浮态金属元素与铝元素的浓度比值

Table 1　Tot a l suspended ma tter (TS M ) and ra ti os of parti cul a te trace m et a l concen tra ti on s/A l concen tra ti on s from J i a ozhou Bay

站位Stati on

A10A1A3A0A5B0B1B3C3D5Y0

SS 86. 4126. 7016. 1228. 407. 538. 1156. 806. 908. 122. 5053. 01

Cu /Al 29. 5217. 617. 986. 6213. 5032. 904. 858. 389. 8612. 2649. 15

Zn /Al 0. 791. 8823. 6924. 7220. 23116. 1413. 4320. 7725. 6523. 77108. 23

Pb /Al 0. 3721. 719. 799. 039. 0914. 746. 0023. 2413. 3223. 7712. 13

Cd /Al 0. 0280. 160. 0990. 0190. 720. 550. 310. 222. 410. 471. 55

Cr/Al 724. 7950. 4826. 670. 4557. 59272. 5945. 5050. 7121. 641027. 3444. 05

Fe /Al 0. 100. 0620. 50368. 680. 580. 320. 360. 510. 450. 820. 16

Mn /Al 466. 00267. 10271. 25192. 72359. 9331. 58136. 64294. 02250. 71279. 20184. 52

2. 2　柱状样中重金属的含量与富集

柱状样能够反映特定海区地球化学的演变。人类活动等非自然因素对柱状沉积物的影响可以用人为影

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图2　胶州湾海域悬浮体中金属含量空间分布图

Fig . 2　The distributi on of metals in SP M fr om Jiaozhou Bay

[19]

响因子(anthr opogenic fact or, A F ) 来描述表征。A F 可以量化柱状沉积物因受点源污染影响而发生的改变,

计算公式如下:A F =M s /Md 。式中M s 代表柱状样最上层沉积物中金属元素的平均浓度, M d 代表柱状样最下层沉积物中金属元素的平均浓度。本研究分别在河口(B6) 、湾内(C2) 、湾口(D4) 及湾外(D6) 海区各采集了1

5596　生　态　学　报　　　29卷　

图3　Fig . 3　Changes in t otal 2metal on t o SP M concentrati ons in J iaozhou Bay

个柱状样, (表3) , 并根据上述公式计算了柱状沉积物中重金属的A F 值(表4) , 。从表3中可以看出, 在湾口B6站, 柱状

样下层沉积物中重金属Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Cr 的含量与其它站位相差不大, 但上层沉积物中这些重金属的含量则明显高于其它站。柱状沉积物中Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Cr 的这种空间分布特点表现出了点源污染对柱状样的影响痕迹。由表4可知, 除砷外B6站各金属的人为影响因子值都大于其它各站。Szefer

[19]

指出, 金属元素

的A F 值小于3说明柱状沉积物中此种金属为中度富集, 大于3则为严重富集。所以总体上看, 胶州湾柱状沉积物中大多数重金属属于轻度到中度富集, 但B6站的Cu 、Zn 、Cd 、Hg 和D4站的Hg 则富集比较严重(A F >3) 。　

表3　柱状沉积物中重金属的含量(mg ・kg -1)

Table 3　Concen tra ti on s of heavy m et a ls i n sed i m en t cores

站位Stati on

Cu 79. 7868. 1818. 3433. 1131. 7130. 8020. 6625. 2218. 8925. 6929. 1632. 40

Zn 150. 30117. 9144. 0784. 31100. 51141. 3042. 4952. 0040. 8747. 8088. 9740. 95

Pb 34. 9129. 3119. 3026. 3031. 6423. 1021. 6219. 2418. 7119. 1021. 9120. 24

Cd 0. 160. 0870. 0470. 0130. 0110. 0230. 0130. 0260. 0140. 0140. 0130. 012

Cr 128. 80123. 2155. 0088. 5084. 0175. 6838. 7081. 1268. 6683. 7989. 5993. 94

Hg 5. 791. 010. 870. 790. 260. 870. 621. 390. 201. 160. 801. 29

Fe 3. 133. 002. 093. 112. 782. 882. 152. 331. 912. 432. 752. 69

A s 4. 193. 123. 695. 189. 715. 564. 194. 284. 915. 086. 314. 37

Mn 269. 80307. 40229. 21549. 70534. 71519. 24343. 20386. 84299. 72512. 60505. 80491. 31

A l 2O 38. 497. 256. 619. 058. 958. 426. 716. 846. 336. 957. 777. 98

上层Surface layer 中层M iddle layer 下层Deeper layer

C2上层Surface layer 中层M iddle layer 下层Deeper layer

D4上层Surface layer 中层M iddle layer 下层Deeper layer

D6上层Surface layer 中层M iddle layer 下层M iddle layer

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表4　胶州湾柱状沉积物中重金属的人为影响因子A F

Table 4　An thropogen i c factors for heavy m et a ls of sed i m en t cores from J i a ozhou Bay

　5597

站位Stati on

B6C2D4D6

Cu 4. 351. 081. 040. 79

Zn 3. 410. 601. 041. 17

Pb 1. 811. 141. 160. 94

Cd 3. 471. 170. 931. 17

Cr 2. 340. 910. 560. 89

Hg 6. 630. 913. 060. 90

Fe 1. 501. 081. 120. 90

A s 1. 140. 930. 851. 16

Mn 1. 181. 061. 141. 04

A l 2O 31. 281. 071. 060. 87

2. 3　点源污染对底栖生物体内富集重金属的影响

用测定双壳类软体动物的痕量金属含量评述水域生态系统的污染状况的方法已被广泛采用, 国际上已有许多学者以贻贝、牡蛎等双壳类软体动物作为指示生物去研究某些海区的重金属污染情况

[20]

。本研究采集

沉积物的同时, 在Y1、B2和A3三个站采集底栖生物菲律宾蛤仔, 测定其肉体的重金属含量, 并用生物2沉积物富集因子(bi ota 2sedi m ent accumulati on fact ors, B SA F ) 来评价底栖生物体内和沉积物中重金属含量的平衡关系

[21]

。计算公式如下:B SA F =C x /Cs 。式中C x 和C s 分别代表生物体中和沉积物中金属元素的平均浓度。由

表5可见, Y1站生物体内大多数金属元素的含量高于B2站及A3站, 此结果与上述胶州湾水体中各金属的来源相对应, 即胶州湾底栖生物体内重金属的含量与离污染源的远近有关系。从各金属元素的B SA F 值来看, 菲律宾蛤仔对镉的富集因子最高, 从河口到湾内分别为6. 26、3. 47、2. 07, 平均值为而其它重金属的

B SA F 值则都接近1或小于1。B SA F 值小于1重金属的能力较差, 因此可以说, 。

刘明星等

[5]

认为, , 但环境的影响是首要

的。Y1, 另一方面是河水把淤, 由此使以悬浮体作为饵料的蛤仔的体内金属浓度也相应增加。

表5　生物体内重金属含量及生物2沉积物富集因子(mg ・kg -1)

Table 5　Concen tra ti on s of heavy m et a ls i n organ is m s and the i r b i ot a 2sed i m en t accu m ul a ti on factors

金属Heavy metal

Cu Zn Pb Cd Hg Fe A s Mn

[22]

EC 生物体

BSAF

EC 生物体

BSAF

EC 生物体

BSAF

18. 8582. 000. 570. 620. 99×10-31555. 00

1. 1947. 00

0. 550. 740. 0126. 260. 0110. 0880. 0460. 090

8. 2353. 220. 320. 670. 51×10-31130. 00

1. 3529. 43

0. 470. 660. 0132. 070. 021

11. 3446. 480. 710. 62

0. 450. 570. 0243. 47

2012. 00

1. 2655. 67

0. 110. 0400. 13

Owen 和Sandhu

指出判断半包围型海湾能否造成污染主要取决于工业废水与生活污水的排放和细沉

积物扩散之间的平衡。近年来, 尽管在胶州湾东部河流的入海处建成了大型的污水处理厂, 但每年仍有数千万吨未经处理的废水污水排放入海。而影响胶州湾海水运动的主要因子是潮流, 且湾内涨潮流流速大于落潮流流速(差值为10. 7c m /s ) 。因此, 涨潮流不但阻止了陆源物质的向外海扩散, 而且能将沿途的一部分早期沉积下来的细粒沉积物搅起, 顺流而上, 带至湾顶水动力条件较为稳定的地区沉积, 加大了那里的沉积速率, 以致能通过湾口输到黄海的陆源物质甚少

[23]

。所以, 污水废水的大量排放与细沉积物的有限扩散造成了胶州

湾东部局部海区的污染。黄海的潮波经过狭窄的薛团海峡传入湾内后, 分别沿3个水道向湾顶扩散, 基本上具有往复流的性质, 从而使河流输入湾内的物质主要沿潮流传播的方向扩散, 而不利于海湾东西两侧的物质

5598　生　态　学　报　　　29卷　

交换。由此出现了分析中悬浮物、沉积物与生物体对重金属的富集主要在点污染源邻近海区的结果。3　结论

胶州湾的点源污染主要来自被工农业废水与生活污水污染的河流及受海事影响的青岛港, 大量未处理的废水污水的排放入海及陆源物质向外海的有限扩散是造成胶州湾污染的主要因素。胶州湾东部的主要点污染源对悬浮物中重金属造成了一定程度的富集。河口区柱状样的人为影响因子高于其它海区, 大多数重金属属于轻度到中度富集, B6站的Cu 、Zn 、Cd 、Hg 和D4站的Hg 则富集比较严重。胶州湾底栖生物体内重金属的含量与离污染源的远近有关系, 菲律宾蛤仔积累重金属镉的能力比积累其它金属能力强。

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