长江口及邻近海域沉积物中石油烃污染特征

李 磊,蒋 玫,王云龙,袁 骐,徐国栋,沈新强

(中国水产科学研究院东海水产研究所,上海 200090)

长江口及邻近海域沉积物中石油烃污染特征

李 磊,蒋 玫,王云龙,袁 骐,徐国栋,沈新强*

(中国水产科学研究院东海水产研究所,上海 200090)

根据 2004～2009年丰水期对长江口及邻近海域的调查监测资料,研究了沉积物中石油烃的时空分布特征及污染情况,分析了其影响机理.结果表明,石油烃平均含量为176.25mg/kg,沉积物无石油烃污染;沉积物中石油烃空间分布格局整体上呈由近岸向远岸递减的趋势,陆源输送、水动力条件、细颗粒物质的吸附以及絮凝作用是控制石油烃分布的主要因素;调查海域空间分布尺度上可以划分为4个海域,MDS排序分析以及 ANOSIM 检验均支持了划分结果;沉积物中石油烃含量为近岸最大浑浊带最高,其次为近岸区和泥质区,在远岸区则常年存在一个石油烃含量的低值区.

长江口；沉积物；石油烃；分布特征

石油烃是由烷烃、烯烃、芳烃、杂环芳烃等多组分复杂分子结构组成的均质混合物,开采、炼制、贮存运输和使用等人类活动过程是其进入海洋环境中的主要途径[1].各种途径来源的石油烃进入海洋后,显著特征是在海面形成一层厚度不等的薄膜,干扰海气界面间正常的气体、能量和水分交换,影响限制光合作用[2],并对海洋生物产生毒害[3-7].结果不仅破坏海洋生态系统的物质循环与能量流动的基础,而且最终可能会破坏食物链平衡,降低海洋生物多样性指数,引起海洋生物资源的衰退、弱化海洋生态系统[8].同时,通过生物富集、食物链放大,石油污染物最终可能会影响人类健康.尽管在经过蒸发、光化学作用、微生物分解等一系列物理、化学、生物过程后,部分石油烃进入大气,但大部分石油烃最终以溶解组分或相应的降解组分存在于海洋中,并且有相当部分通过吸附、絮凝和沉淀作用进入沉积物,成为石油烃的“汇”[9].进入沉积物的石油烃,尽管也会被底泥中的微生物降解,但由于海底低温、缺氧等不利条件,底质中石油烃降解缓慢,不仅对活动能力较差的各种底栖生物造成短期或者长期毒性危害,在某些特定环境条件下,还能够成为水体二次污染的主要“源”[10].

河口是海陆交替的过渡带之一,是淡水和海洋之间的生态交错区,其物质和能量的转换远比其他地域迅速,对流域自然环境变化和人类活动的响应敏感,属于相对脆弱的生态系统[11].近海沉积物作为环境演变的产物之一,蕴含着许多的环境信息,能够显示某海域的底质环境污染状况并作为地球化学研究和进行环境评价的基础[12].因此,研究沉积物中石油烃含量、分布等特征不仅可以了解该海区的污染状况、迁移和沉积机制,对探讨石油烃对底栖生物的影响也有着重要的意义.本文以2004～2009年5月、8月丰水期对长江口及邻近海域的监测为基础,研究了沉积物中石油烃在时间、空间尺度上的连续分布特征及污染水平,同时探讨分析了其影响机制,以期为长江口及邻近海域沉积物中石油烃污染有效控制和进一步研究提供支持.

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

2004～2009年5月、8月丰水期在长江口及邻近海域设置了20个监测站位(图1),采用蚌式采泥器采集表层 0～10cm沉积物样品,样品的采集、贮存和运输方法均按照《海洋调查规范》[13]的有关要求进行.沉积物样品经自然风干,挑除石块、残根等杂物,充分混匀磨碎后过80目(180μm)筛,使用正己烷作萃取剂,用 Na2SO4洗涤萃取液,弃去水相,使用三科(上海三科仪器有限公司) 752N型紫外分光光度计测定沉积物中石油烃的含量[14].采用国家海洋环境监测中心提供的标准油(浓度1.0g/L)绘制标准曲线(R=0.999).

1.2 数据处理与评价方法

1.2.1 评价方法 为了定量反映各站位、年际之间石油烃的空间波动程度的大小差异,选用变异系数来表示它们变化程度的大小,变异系数计算公式如下[16]∶

式中∶CV为变异系数;S2为各站位、年际之间石油烃的空间、时间序列的标准偏差为各站位、年际之间石油烃空间、时间序列的平均值.

图1 监测站位分布(底图据文献[15])Fig.1 Location of sampling stations(Base map after reference[15])

使用单因子指数质量模型对沉积物中石油烃质量进行评价,其计算公式为[17]∶

式中∶Pi,Ci和Si分别为石油烃评价结果、实测数据和评价标准,当Pi>1,表明沉积物已经受到污染,当 Pi≤1,表明沉积物未受到污染,Pi越大,表明沉积物受污染程度越高.本研究采用《海洋沉积物质量》Ⅰ类标准[18].

1.2.2 数据分析 沉积物中石油烃的平面分布使用Surfer 8.0软件(Golden Software, USA)绘制,使用克里格法(Ordinary Kriging)网格化数据.

应用 Primer5.0 软件(Plymouth MarineLaboratory, UK)进行聚类分析(CA)和多维定标分析(MDS)进行聚类划分,MDS结果用胁强系数(Stress)检验,Stress<0.20时,可用MDS二维散点图来表示,图形有一定可信度,Stress<0.10时,是一个好的排序,Stress<0.05,具有很好的代表性[19].利用相似性分析(ANOSIM)检验聚类分析结果的差异性,该分析给出一个统计量 R,其大小一般介于0～1,值越大表明差异越大.

各站位、年际之间沉积物中石油烃实测数据的差异显著性采用SPSS 17.0软件进行处理分析,利用 Kruskal-Wallis非参数检验进行统计比较,当P<0.05时,差异显著.

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物中石油烃的含量及年际变化

2004～2009年调查海域表层沉积物中石油烃含量范围为 50.05～428.50mg/kg,平均含量为176.25mg/kg,各年际间石油烃含量无显著性差异(P>0.05);2004～2009年际间石油烃含量均符合《海洋沉积物质量》[18]Ⅰ类标准(≤500mg/kg),其Pi值均≤1,表明沉积物未受到石油烃污染; 2004～2009年际间石油烃含量的顺序依次为 2008年 >2006年>2007年>2009>2005年>2004年,各年际间石油烃含量波动微弱,但总体上略微增长;2004～2009年际间石油烃含量变异系数的顺序依次为2005年>2006年>2008年>2004> 2007年>2009年,平均变异水平为46%,属于中等变异水平[20],表明各年际间石油烃含量在调查海域的具有一定的空间离散度(图2).

图2 2004～2009年表层沉积物中石油烃含量年际变化Fig.2 Annual changes of petroleum contents in surface sediments from 2004 to 2009

2.2 表层沉积物中石油烃空间聚类和排序分析

图3 各站位表层沉积物中石油烃的聚类分析Fig.3 Cluster of petroleum in surface sediments

对2004～2009年的调查海域20个监测站位沉积物中石油烃进行空间聚类分析,聚类结果如图3所示,可以比较明显的分为4组,第1组包括1、2、3、4号站位;第2组包括17、18、19、20号站位,第3组包括5、6、13、14、15、16号站位,第4组包括7、8、9、10、11、12号站位.为了验证聚类效果,应用Bray-Curtis相似性指数计算各聚类分组的相似性水平,图4是以Bray-Curits相似性为基础的20个监测站位组成的相似MDS图,该图分析的stress值为0.03<0.05,说明该图具有非常好的说服力,依据 MDS排序分析结果,2004～2009年的20个监测站位沉积物中石油烃可以比较明显的分为4组,与聚类分析结果一致(图3),可以很好地解释各站位沉积物中石油烃分布的相似关系.同时,应用Primer5.0对上述聚类和排序分析结果做ANOSIM分析,对各聚类组(1、3组,1、4组,1、2组,3、4组,3、2组,4、2组)的差异进行显著性检验,结果为总体R=0.99,P (level%)=0.1%,表明各聚类组两两之间均具有显著性差异(表 1),故可以把所有站位分为 4个类别组.

图4 各站位表层沉积物中石油烃MDS排序分析Fig.4 MDS ordination of petroleum in surface sediments

2.3 表层沉积物中石油烃的空间分布

如图5所示,6年间沉积物中石油烃的分布趋势总体一致,局部存在差异,主体呈现出近岸高、外海低,沿岸到离岸方向呈逐渐降低的分布趋势,空间差异与变异水平一致.在调查海域西部近岸海域、东北偏东部海域有2个显著的高值区,最高值分别出现在2006年的8号站位、2008年的1号站位,分别为311.70,428.50mg/kg.同时分别以2个高值区为基础形成了2个呈西北-东南、西-东走向的2个舌状凸出等值线,其值在向外延展的过程中逐渐递减.在调查海域的东南方向海域则常年存在一个石油烃含量的低值区,最低值出现在2005年的20号站位,为50.05mg/kg.调查海域沉积物中石油烃的空间分布与长江河口水下三角洲的走向相吻合,这是受其来源、水动力条件以及沉积机理制约的结果.石油烃污染物主要来源于人类活动输入[1],长江口作为世界第3大河的入海口,海域紧邻工农业发达的长江三角洲地区,是流域物质流的汇集之地,陆源输送的石油烃污染物入海量巨大[21],进入长江口的石油烃受陆源输送及水动力条件控制,随长江冲淡水呈扇形向外海扩展,在强烈的物理、化学和生物过程作用下,石油烃被悬浮颗粒物吸附、絮凝并沉淀,并在潮水作用下向沉积物深处迁移,使其残留于沉积物的一定深度内长期滞留[22].此后随着长江冲淡水控制力的逐渐减弱,海水稀释作用占据主导地位,沉积物中石油烃含量由近岸向远岸海域递减,等值线也由与河口趋向于平行延展逐渐转变为趋向于与河口垂直的带状分布.

表1 聚类结果的ANOSIM分析Table 1 ANOSIM test of CA

对照监测站位空间分布(图 1),并参照孟翊等[23]、王丽萍等[24]对长江口海域沉积物地球化学分区的研究,图3中聚类分析所分类的4组监测站位基本上分别对应近岸最大浑浊带区、远岸区、泥质区和近岸区.第1组监测站位位于近岸最大浑浊带区,陆源输送、排污口排污污染负荷较重,同时此区沉积物以泥质粉砂和粉砂质泥为主(图 1),沉积物粒度较细,拥有大比表面积,絮凝作用强烈,吸附污染物的能力相对于较大颗粒物要大很多,对石油烃具有“过滤”作用[25],地理位置和沉积物粒径特性的叠加作用是第1组高于并区别于其他组的原因(图6).第2组监测站位位于较远海域,远离陆源污染,且开放性海域也有利于污染物的扩散,石油烃含量也最低(图6).第3组监测站位位于泥质区(图 1),沉积物粒度相比较最大浑浊带更细(中值粒径 6.9Φ),比表面积也更大[15],但由于海水的稀释作用,输送到此海域的石油烃量已经减少,其值也低于近岸最大浑浊带,具有区别于其余监测站位的空间相似性(图6).第4组监测站位位于近岸区,陆源输送、排污口排污对这些监测站位影响最为强烈,尽管其底质类型与第1组一致,但其值低于吸附作用强烈的近岸最大浑浊带(图6).

图5 表层沉积物中石油烃的平面分布(mg/kg)Fig.5 The distribution of petroleum in surface sediments(mg/kg)

图6 各聚类分组石油烃含量Fig.6 Petroleum contents of different groups

3 结论

3.1 沉积物中石油烃含量范围为 50.05～428.50mg/kg,平均含量为 176.25mg/kg,各年际间含量无显著性差异(P>0.05),污染轻微.

3.2 沉积物中石油烃在空间尺度上可以划分为4组,MDS排序分析支持划分结果,ANOSIM分析表明各聚类组两两之间均具有显著性差异.

3.3 沉积物中石油烃的分布趋势总体一致,局部存在差异,主体呈现沿岸到离岸方向呈逐渐降低的分布趋势,石油烃分布为近岸最大浑浊带最高,其次为近岸区和泥质区,在远岸区常年存在一个石油烃含量的低值区.

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Characteristics of petroleum hydrocarbon pollution in surface sediments from the Changjiang Estuary and its adjacent areas.

LI Lei, JIANG Mei, WANG Yun-long, YUAN Qi, XU Guo-dong, SHEN Xin-qiang*
(East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：752～757

In order to investigate the characteristics of the distribution and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments. Based on data obtained from the Changjiang Estuary and its adjacent areas in the rainy season from year 2004to 2009, the distribution characteristics and pollution level of the petroleum hydrocarbon in surface sediments analyzed, and their influencing mechanisms was further analyzed. The average content of the petroleum hydrocarbon was 176.25mg/kg and there was almost no pollution in the investigation area. The distribution pattern of the petroleum hydrocarbon was decreased from the alongshore to the open sea and hydrographic dynamics, adsorption and flocculation played important roles in the distribution of the petroleum. According to the spatial analysis results, the petroleum hydrocarbon in surface sediments was classified into four areas and the results were supported by multidimensional analysis and ANOSIM test. The investigation area could classify into inshore turbidity maximum areas, inshore areas, muddy areas, and there was a perennial low value area in the offshore area located in the southeast.

the Changjiang Estuary；surface sediments；petroleum hydrocarlon；spatial distribution

X171

：A

：1000-6923(2014)03-0752-06

李 磊(1985-),男,安徽亳州人,助理研究员,硕士,研究方向为海洋生态.发表论文25篇.

2013-06-23

国家“973”项目(2010CB429005);农业部应对溢油关键技术专项(2012-2014)

* 责任作者, 研究员, xinqiang_shen@hotmail.com