唐山海岸带环境重金属含量特征及影响因素

Characteristics and Influencing Factors of Heavy Metals in Tangshan Coastal Environment

摘要: 唐山是我国北方重要的工业基地，伴随近年来快速的工业化进程，唐山海岸带区域成为承接京津和唐山市钢铁、化工等重点企业的重要场所。本文在详细野外踏勘的基础上，在河流入海口、曹妃甸湿地、南堡、乐亭等工业区、京唐港等港口、祥云湾旅游区以及人工岛等不同部位，采集了丰富的表层沉积物样品。利用XRF、AAS以及ICP-MS对样品进行主量、微量和稀土元素地球化学分析。研究显示，由于人工岛、港口防波堤等大型海洋工程的建设，改变了原有的沉积条件，促使局部水动力条件发生改变，造成冲淤条件失衡，原本淤积海岸侵蚀加剧，泥质沉积区沉积物粒度增大，出现粉砂、砂质堆积。该特征在曹妃甸港、京唐港、打网岗等地表现最为明显。微观上，工业化进程导致微量元素发生迁移或积聚，重金属污染有加剧的趋势，其在滦河口、陡河口、曹妃甸港、京唐港等观测点偏高，在湿地、围海造地区偏低。启示快速工业化进程可能造成某些元素在新的沉积环境条件下富集，也有可能在特定环境中因受到稀释而含量降低，具有较大的随机性和不确定性。

Abstract: Tangshan is an important industrial base in the north of China. With the rapid industrialization process in recent years, Tangshan coastal zone has become an important place to undertake key enterprises such as steel and chemical industry in Beijing, Tianjin and Tangshan. On the basis of detailed field survey, abundant surface sediment samples were collected from river estuary, Caofeidian wetland, Nanpu, Leting and other industrial areas, ports such as Jingtang Port, Xian-gyun Bay Tourist Area and artificial island. XRF, AAS and ICP-MS were used for the geochemical analysis of major, trace and rare earth elements in the samples. The study shows that due to the construction of large-scale marine engineering such as artificial island and port breakwater, the original sedimentary conditions have been changed, and the local hydrodynamic conditions have changed, resulting in the imbalance of scouring and silting conditions. The erosion of the original silted coast has been intensified, and the sediment particle size in the argillaceous deposition area has increased, resulting in the accumulation of silt and sand. This feature is most obvious in Caofeidian port, Jingtang Port and Daowanggang. On the micro level, the process of industrialization leads to the migration or accumulation of trace elements, and the pollution of heavy metals tends to aggravate, which is higher in Luanhe estuary, Douhekou, Caofeidian port, Jingtang Port and other observation points, while it is lower in wetlands and sea reclamation areas. It is suggested that the rapid industrialization process may lead to the enrichment of some elements in the new sedimentary environment, or the content of some elements may be reduced due to dilution in a specific environment, which is of great randomness and uncertainty.

1. 引言

海岸带通常由于优越的地理位置、良好的自然条件、丰富的自然资源以及典型的海陆交互作用特征，成为人类生产最为活跃，居住最为密集的区域。迄今为止，占全球陆地面积仅为10%的海岸带区域，生活着全世界近60%的人口 [1]。在地质演化过程中，海岸带沉积物是诸多元素迁移转化、物质循环的载体和归宿。海岸带的发展变化除了受到陆地、海洋、气候等自然因素的制约之外，现代人类大规模的生产活动可对其产生更为直接、深远的影响。对海洋及海岸带的大规模开发利用，诸如港口航运、围海造地、海岸工程等施工与建设，均可破坏原有沉积条件之平衡，从而对海岸带资源环境产生重要的影响 [2] [3] [4] [5]。Hornberger等对旧金山湾不同时期沉积物的重金属含量研究显示，随着经济发展状况的改变重金属含量也表现出差异性 [6]。Lee等对Humber河口沉积物来源追踪显示沉积物的重金属垂向分布受污染物的历史输入、河口堆积与再悬浮的共同控制 [7]。Palanques综合对Besos河前三角洲地区近十年的沉积物重金属含量分析得出重金属含量变化与工业化、人口增长和能源消费相关联 [8]。

唐山位于渤海西岸，是河北重要的能源、钢铁、港口、重化等工业集中分布区，也是国家级曹妃甸科学发展示范区重大工程项目的实施区域，目前仅曹妃甸工业区就已完成围海造地310 km²。因城市、工业、农业的发展及人口的迅速增加，唐山海岸带因人为因素造成的影响已经远远超过自然因素 [9]。尤其渤海湾沉积物中Cu、Cd和Pb等重金属含量日益积聚，重金属污染形势日趋严重 [10] [11] [12]。伴随着京津冀协同发展及唐山市产业调整的进程，唐山滨海区域承接了首钢、华润等来自京津的产业项目100余个，海岸带环境承载压力不断上升。海岸带复杂的海洋物理、化学和海洋动力条件，制约着水体中的悬浮颗粒物的沉积过程及重金属元素的迁移方式，因此，探讨快速工业化进程背景下海岸带沉积环境的变化，有助于实现研究区人与自然的和谐发展 [13] [14] [15] [16] [17]。

2. 地质背景

区域上，唐山海岸带沿岸线呈带状分布，东起滦河口，西至洒金坨，陆地岸线长达229.72 km (图1)。由于处于构造运动活跃区，地壳破碎，全新世活动断裂发育，以沉降作用为主要构造背景。受控于全新世以来频繁的气候变化和海平面升降的影响，海陆交互沉积特征明显，在广泛发育冲积平原、冲积扇以及河流、湖泊等陆相沉积的基础上，又经历多次海水入侵，发育了厚度不等的三角洲相、浅海相与滨海潮滩相等海相沉积层。地貌类型以冲积、湖积、海积平原、三角洲、湿地、泥质岸滩、浅滩以及粉砂质沙洲为主 [18]。海岸类型属于平原型淤泥质海岸。现代沉积速率湿地约为0.1 cm/a、瀉湖约为0.5 cm/a、潮坪则高达约1.3~3 cm/a [19] [20] [21] [22] [23]。

Figure 1. Location of study area and distribution of the observation points and sampling points

图1. 研究区位置及观测点和采样点分布简图

Table 1. Geomorphology and sediment types in the study area

表1. 研究区地貌与沉积物类型

3. 研究方法与样品分析

本研究采取宏观和微观相结合的方法，宏观方面通过详细的野外踏勘，长期的现场观测，记录海岸带自然景观的变化；微观方面，通过对观测点沉积物的地球化学采样分析，解析快速工业化进程背景下海岸带沉积指标元素的变化，探讨人类活动对海岸带环境产生的影响。

沿唐山海岸带以陡河口为起点，滦河口为终点设计31个采样点位，包含芦苇塘、养殖场、入海口、人工岛、港口、排污口、沼泽、华北理工大学和盐场等不同类型区域。利用特制的无扰动原位取样设备进行取样。每个点位采集表层0~30 cm沉积物样品500 g，样品装入聚乙烯袋中常温保存。在华北理工大学石油工程实验室进行自然风干，除去杂草等杂质以二分法取样，通过玛瑙研钵进行研磨，再通过200目筛网进行分选，最后把制好的样品粉末送至东北大学和中国地质大学(北京)，利用东北大学测试研究中心的AB-104L、X射线荧光光谱仪(PW2404)等设备进行常量元素分析，利用中国地质大学(北京)的生物地质与环境地质国家重点实验室的Optimass-9500型ICP-TOF-MS等相关仪器进行微量和稀土元素的分析测试。

4. 微观变化

沉积物中元素的初始来源于母岩的风化，人类强烈的生产活动可以导致自然环境本身的物质转移和元素循环，必造成沉积环境中部分元素发生淋失、积累和重新分配，使沉积环境的元素组成发生改变，其中微量元素的变化尤其灵敏 [24] [25]。人类活动可以促使某些元素累积，甚至可以引起环境污染，而重金属元素的增加就是一个非常主要的环境指标。Pb、Cr、Hg、As等重金属元素，主要是通过工业生产而发生迁移，并最终在人类生活环境中富集 [26] [27] [28] [29] [30]。

4.1. 指标元素含量特征

唐山海岸带沉积物指标性元素含量特征如表2所示：

Table 2. Content of index elements in coastal sediments (×10−6)

表2. 海岸带沉积物指标性元素含量表(×10⁻⁶)

注：表中^*代表%含量。

Figure 2. Accumulation curve of indicator elements Mn-Zn-Fe^*

图2. 指标性元素Mn-Zn-Fe^*堆积曲线图

从总体上看，除Fe、Nb均值高于1993年海岸带指标元素均值外 [31]，其余均属于正常范围。其中Mn、Zn含量分别为(170.2~924.3) × 10⁻⁶、(28.5~175.2) × 10⁻⁶，其平均值分别为558 × 10⁻⁶、58.1 × 10⁻⁶，Fe^*含量在(1.27~18.18)%，平均值为4.19%。由堆积曲线图(图2)可见Mn、Zn和Fe^*三者之间呈正相关性，其曲线变化曲线较为一致，从沉积物粒度粗细变化推测为同一条件下沉积并积聚。随着入海口底部深水湍流作用以及Fe、Mn氧化物和黏土矿物的吸附作用，使得在入海口及岛屿(月坨岛和菩提岛)之间沉积物中Mn、Zn和Fe三者的含量显示高值。

4.2. 重金属元素含量特征

唐山海岸带沉积物重金属元素含量特征如表3所示：

Table 3. Contents of heavy metals in coastal sediments (×10−6)

表3. 海岸带沉积物重金属元素含量表(×10⁻⁶)

5. 讨论

沉积响应是一个缓慢而长期的过程，有待持续的观察和研究。尽管唐山海岸带指标元素均值与30多年前变化不大，但落实到不同采样点，变化还是显而易见的。如Fe元素有18个采样点超过1993年均值，最高含量是其4.95倍；有10个采样点Nb含量超过均值，最高为其6.36倍；8个采样点Mn超标，最高3.83倍。其余元素在不同的采样点也均有不同程度的超标现象。

从重金属含量特征看，唐山海岸带沉积物中4种常见重金属的采样结果为：Cu、Cd、Pb和Zn的含量分别为(4.3~40.4) × 10⁻⁶、(0.02~0.2) × 10⁻⁶、(12.9~47.7) × 10⁻⁶、(28.5~175.2) × 10⁻⁶，其均值分别为15.18 × 10⁻⁶、0.086 × 10⁻⁶、25.49 × 10⁻⁶、58.03 × 10⁻⁶，均小于海洋沉积物一类标准值(表4)，从变化趋势图(图3)中可见Cu、Cd、Pb和Zn的含量分布趋势相近但具体到各采样点，变化特征更为明显。与2009年相同区域观测数据相比，12个采样点Pb含量超过2019年均值；16个采样点Cu超过2019年均值；14个采样点Zn超过2019年均值。对应到具体观测点，滦河口、陡河口、唐山港及曹妃甸矿石码头周边重金属含量偏高；打网岗、月坨岛、菩提岛等与背景值相差不明显；曹妃甸湿地区域偏低，而在华北理工大学、人工岛、南堡工业区等围海造地区域也低于背景值。Cu和Zn含量与沉积物中的有机质存在正相关性，两者被水体中可溶性有机质相结合，而其在河口、渔场和人工岛的含量较湿地、港口和曹妃甸矿石码头周边都高，Pb、Hg、As与有机质赋存无相关性。4种重金属的高值出现在陡河口和嘴东经济开发区沿线，该区域的多为淤泥和粉砂质黏土，受到水动力条件较弱和海水稀释作用不明显的影响，从河口到工业区的入海污染物中重金属元素易附着在细颗粒沉积物上造成重金属的积聚。

Table 4. Content characteristics of heavy metals in coastal zone (×10−6)

表4. 海岸带重金属含量特征(×10⁻⁶)

Figure 3. Change trend of heavy metal content

图3. 重金属含量变化趋势图

有14个采样点As含量超过2009年和2019年均值；有5个采样点Cr含量超过1993年均值，最高为7.09倍，其高值区较为分散，存在于华北理工大学和港口边缘区，可能与大规模人工扰动有关。值得注意的是唐山海岸带沉积物中Cd的含量均值虽然在背景值(0.04~0.136) × 10⁻⁶范围内，但在临港工业区、嘴东经济开发区、陡河口和养殖区出现高值，Cd毒性水平较高，对人体危害较大，此区域居住人口和水产养殖产品加工与农田较多，应在污染物排放予以重视。

6. 结论

1) 唐山海岸带区域近年来快速的工业化进程，促使沉积条件发生改变，海岸带局部冲淤条件变化，造成打网岗、曹妃甸、京唐港、菩提岛等区域向海侧侵蚀加剧，向陆侧淤积加快。

2) 快速的工业化进程导致沉积物中指标元素发生迁移和累积。Fe、Mn、Nb等指标元素在不同采样点不同程度超过1993年观测值；重金属元素在滦河口、陡河口、曹妃甸港、京唐港等观测点偏高，在湿地、近年围海造地区域偏低。启示快速工业化进程可能造成某些元素在新的沉积环境条件下富集，也有可能因受到稀释而含量降低。

致谢

感谢审稿专家的辛勤工作，感谢课题组参与野外取样、观测的所有的人员。

基金项目

本文由国家自然科学基金项目(编号：41972004)和河北省自然科学基金(编号：E2019209339，D2017209236)联合资助。

NOTES

^*通讯作者。