紅樹林濕地沉積物中重金屬元素含量及其存在形態(tài)研究進展

王軍廣，趙志忠，趙廣孺，張忠偉，王 鵬

（海南師范大學 地理與旅游學院，海南 ?？?571158）

紅樹林濕地沉積物中重金屬元素含量及其存在形態(tài)研究進展

王軍廣，趙志忠*，趙廣孺，張忠偉，王 鵬

（海南師范大學 地理與旅游學院，海南 ?？?571158）

紅樹林濕地，由于其固有的特性和處于特殊的地理環(huán)境，成為重金屬污染的源和匯，紅樹林濕地沉積物重金屬污染問題引起了國內外學者的極大關注，并對其地球化學特征進行了大量研究.在通過對紅樹林濕地沉積物重金屬元素含量、分布特征、賦存形態(tài)及污染評價方面研究進展和存在問題進行綜述的基礎上，認為對紅樹林濕地沉積物中重金屬元素地球化學的研究應加強多學科的綜合研究，重視對紅樹林沉積物重金屬元素在柱狀樣中的垂直分布的研究，加強對紅樹林濕地沉積物中重金屬元素生物有效性分析等，以便為探討紅樹林濕地的可持續(xù)發(fā)展以及污染紅樹林的生態(tài)恢復提供依據.

紅樹林沉積物；重金屬元素；賦存形態(tài)

紅樹林濕地是世界上四大高生產力海洋生態(tài)系統之一，在全球生態(tài)平衡中起著不可替代的重要作用［1］.作為分布于熱帶、亞熱帶海陸交錯帶的一個特殊重要界面，由于其固有的一些特性，能夠大量接受來自潮汐、河水以及暴雨產生的徑流等所攜帶的重金屬污染物，使其較一般潮灘更宜于重金屬元素的富集，紅樹林沉積物常常成為重金屬污染物的源和匯［2-3］.近年來，隨著城市化和工業(yè)化的急速發(fā)展，農業(yè)和漁業(yè)等人為活動影響的日益劇烈，大量的點源、面源污染物被排放到江河湖海中［4-5］，使得紅樹林濕地面積縮減，濕地資源狀況和其生態(tài)功能惡化，其中重金屬污染物，因不能被生物降解、殘留時間長和通過食物鏈富集等特性，紅樹林濕地沉積物中重金屬元素的地球化學特征已引起國內外學者的極大關注，并對此進行了大量研究.本文就近年來國內外對紅樹林濕地沉積物重金屬元素的相關研究進行綜述，并對今后的研究趨勢提出了一些看法.

1 紅樹林濕地沉積物中重金屬元素含量及其分布特征

近20年來，隨著環(huán)境污染的加劇和各國對紅樹林濕地保護的重視，有關紅樹林濕地沉積物中重金屬污染物的富集及其與沉積物理化性狀關系的研究得到了較多的開展.從近年來國內外一些紅樹林濕地沉積物中幾種主要重金屬含量的測定結果，可以看出，紅樹林沉積物重金屬含量大體上表現為：Mn＞ Zn＞ Cu、Pb＞ Ni＞ Cd［6］.

由于環(huán)境條件及人為影響的差異，不同河口紅樹林沉積物重金屬含量的變化范圍極大［7］.一般認為，紅樹林濕地沉積物中重金屬含量與其有機質含量及沉積物機械組成有關.如Harbison（1986）［2］在對澳大利亞南部Barker港紅樹林、海草場及潮間帶光灘沉積物中重金屬含量的比較研究中發(fā)現，紅樹林沉積物富集重金屬的能力超過了潮間帶的光灘、海草場及河口底質.他們把這種重金屬在紅樹林沉積物中的高水平富集歸因于紅樹林濕地沉積物中較高的有機質含量和粘粒含量，并指出重金屬元素含量與有機質含量、粘粒（＜63 μm）含量呈顯著正相關.

同一紅樹林濕地不同位置重金屬含量也存在較大差異［8］.Soto-Jiménez和Páez-Osuna（2001）在墨西哥紅樹林濕地重金屬累積分布的研究中同樣發(fā)現，沉積物中重金屬含量與沉積物粘粒、粉粒含量間存在正相關關系，與砂粒含量則呈負相關關系.Tam和Yao（1998）在對香港紅樹林沉積物重金屬污染物的歸一化研究中則發(fā)現，沉積物中只有Cr、Cu的含量與沉積物中有機質含量呈顯著正相關關系，其他幾種重金屬（Zn、Ni、Mn）含量與沉積物有機質含量間則沒有發(fā)現顯著相關關系.陳小勇等（2003）［9］研究發(fā)現，同一紅樹林濕地不同紅樹林下沉積物中重金屬含量也存在明顯差異.重金屬在紅樹林底泥中的垂直分布也存在顯著差異，重金屬主要富集在紅樹林底泥的表層，只有在表層土壤飽和后，重金屬才會向土壤下層遷移［10］.

2 紅樹林濕地沉積物重金屬元素賦存形態(tài)研究

沉積物中重金屬元素是以各種形態(tài)存在于顆粒物中，確定沉積物中重金屬的存在形態(tài)對于揭示重金屬的來源、變化遷移規(guī)律、生物毒性等方面具有非常重要的意義.因此，對沉積物中重金屬的存在形式及它們之間相對比例的研究就顯得極為重要，有關重金屬化學形態(tài)及其轉化方面的研究工作得到國內外學者的廣泛重視.

2.1 重金屬元素在沉積物中存在形態(tài)

土壤和沉積物中的重金屬不是簡單地以某一離子或基團存在，而是以各種不同的結合形態(tài)存在.由于沉積物中重金屬元素存在形態(tài)比較復雜，對于沉積物中重金屬形態(tài)的劃分，不同的學者有不同的看法，我國學者陳靜生認為［11］，重金屬在沉積物中的存在方式主要有4種，即吸附、與鐵錳的水合氧化物共沉淀、被有機分子絡合、結合于礦物晶格中，據此可以將沉積物重金屬的形態(tài)劃分為：可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài).

由于沉積物中的重金屬含量很低，很難對其形態(tài)進行直接分析，因此常常采用化學方法對其中重金屬的形態(tài)進行化學表征，主要方法有3種：1）直接準確測定.所采用的分析測試方法包括電化學法、色譜法和光譜法.2）模擬計算.以化學平衡為基礎建立相應的模型進行計算是形態(tài)分析中很重要的一種方法.3）逐級提取.逐級提取由于其操作簡便、適用范圍廣、能提供豐富的信息等優(yōu)點，得到了廣泛的應用［12］.

Clark等采用連續(xù)提取方法研究了澳大利亞紅樹林濕地不同樣點中重金屬的形態(tài)分布，研究結果表明：Zn、Ni、Cr三種重金屬元素主要以硫化物和有機結合態(tài)的形式存在；Pb、Cd、Hg則在結合形態(tài)中都有一定的分布；Cu的分布介于兩種類型中間［13］.李柳強研究表明：東寨港紅樹林沉積物中Cr以硫化物及有機結合態(tài)和殘渣態(tài)存在；Cu以硫化物及有機結合態(tài)為主；Zn主要以硫化物及有機結合態(tài)和可交換離子態(tài)存在；Cd以殘渣態(tài)為主；Pb基本上以殘渣態(tài)和硫化物及有機結合態(tài)存在［14］.李柳強通過對中國主要紅樹林地區(qū)沉積物研究得出：Cr、Cu、As、Pb形態(tài)中有機質 -硫化物結合態(tài)含量相對較高，這可能是由于紅樹林沉積物中高有機質含量和高硫含量所致.

一些研究表明，大多數重金屬在紅樹林沉積物中以有機質-硫化物結合態(tài)存在.而紅樹林沉積物中大多數重金屬碳酸鹽結合態(tài)和鐵錳氧化物結合態(tài)比例相對較低.原因可能是由于海潮的周期性淹沒，紅樹林沉積物基本上處于還原狀態(tài)，整個土體被水分飽和，通氣性差，使得沉積物的氧化還原電位低［13］.雖然沉積物中碳酸鹽可與大量重金屬結合，使碳酸鹽結合態(tài)成為重金屬的重要結合形態(tài)，但只有在有機質和鐵錳氧化物相對不足的水體系統中，才會出現這一現象，因為碳酸鹽結合態(tài)是一種相對松散的結合形態(tài)，隨著環(huán)境條件的改變易于釋放出來.重金屬形態(tài)存在明顯的水平空間變化，主要表現在紅樹林不同位置（林外、林緣、林內）及低潮帶、高潮帶沉積物中重金屬形態(tài)分布存在一定差異.分析表明：沉積物中重金屬鐵錳氧化物結合態(tài)間存在顯著相關關系，表明鐵錳氧化物是控制重金屬行為的重要因素.有機質-硫化物結合態(tài)則受沉積物有機質含量與過酸可揮發(fā)硫化物含量（AVS）共同制約［15］.

2.2 影響沉積物重金屬形態(tài)分布的因素

沉積物中重金屬元素總是在不斷地發(fā)生時空的遷移和價態(tài)、形態(tài)的轉化，這一地球物理化學過程極其復雜多樣；歸納為四個主要物理化學作用，即：溶解-沉淀作用、離子交換與吸附作用、絡合-離解作用、氧化還原作用.這些作用過程受到沉積物的酸堿度（pH）、氧化還原電位、溫度、鹽度、有機質含量、植物根系及微生物生活能力等多種環(huán)境、生物因素的綜合制約，進而影響著重金屬在沉積物中存在的形態(tài)和分布［15］.通過對我國主要紅樹林地區(qū)沉積物中重金屬元素形態(tài)與其沉積環(huán)境的相關性分析表明：Zn、As和Cd可交換離子態(tài)含量與有機質和pH呈極顯著或顯著正相關；Cu、Zn和Pb碳酸鹽結合態(tài)含量與pH呈顯著正相關；Cr、Zn和Pb的有機質-硫化物結合態(tài)含量與有機質呈顯著或極顯著正相關［15］.劉景春通過對福建紅樹林沉積物重金屬研究：紅樹林濕地表層沉積物AVS含量與其水分含量呈顯著正相關［15］，雖然沉積物水分含量的高低不能完全表達出沉積物氧化還原電位的高低，但Mackey and Mackay等發(fā)現，水分含量的高低在一定程度上可以反映沉積物表層的氧化還原電位變化［13］.

3 重金屬元素的污染評價

國內外評價沉積物中重金屬元素污染的方法有很多，目前普遍采用的方法主要有地質累積指數法、潛在生態(tài)危害指數法、臉譜圖法、綜合指數法、尼梅羅綜合指數法、污染負荷指數法、沉積物富集系數法和次生相富集系數法［16］.Silva等研究表明可以用牡蠣（Crassostrea rhizophorae）中重金屬的含量來指示紅樹林沉積物中重金屬污染物的生物有效性.Tam和Yao開展了以Fe對香港紅樹林濕地中重金屬的歸一化研究［10］.

李柳強采用地質積累指數法、綜合指數法和潛在生態(tài)危害指數法對我國主要紅樹林分布區(qū)表層沉積物重金屬進行評價，綜合這幾種方法的評價結果：本文認為我國主要紅樹林分布區(qū)沉積物污染程度大小順序為深圳福田＞東寨港＞浮宮＞北侖河口＞臺山＞鵝灣＞洛陽橋＞姚家?guī)Z＞英羅灣＞大冠沙＞三亞＞欽州灣.受陸域環(huán)境的影響較大的紅樹林濕地的環(huán)境壓力日益增加［14］.

4 重金屬元素含量及其存在形態(tài)研究展望

紅樹林濕地沉積物重金屬元素的含量及其存在形態(tài)研究經過多年的發(fā)展，已經積累了大量有價值的基礎資料和研究經驗，許多已經取得突破性的研究成果.本文通過對紅樹林濕地沉積物重金屬元素含量及其存在形態(tài)研究資料的大量調研，認為應加強以下幾個方面的研究：

1）目前，對紅樹林濕地沉積物中重金屬元素的研究，主要側重于沉積物中幾種重金屬元素，并未對重金屬元素與其他元素的相關性進行分析，沉積物中元素的分布并非雜亂無章，而是在各種因素綜合作用下形成特定的共生組合，通過對沉積物中元素的共生組合進行研究，更有利于對沉積物中地球化學特征進行研究.

2）運用多學科的綜合分析手段對紅樹林沉積物中重金屬地球化學研究.當前，土壤地球化學、自然地理學、景觀生態(tài)學等學科相關研究理論已比較成熟，具有一套合理可行的研究方法，運用多學科的綜合分析手段，可以更有效地用于紅樹林沉積物中重金屬元素含量及其存在形態(tài)研究.

3）紅樹林濕地的固有特性和處于的特殊的地理環(huán)境，使其沉積物成為眾多污染物的積蓄地，記錄了沉積物中重金屬污染歷史，在今后的研究中，應該重視對紅樹林沉積物重金屬元素在柱狀樣中的垂直分布，這樣可以了解研究區(qū)域重金屬的污染歷史，也可以反映出不同階段人類活動對研究區(qū)域重金屬的輸送量的變化情況.對于了解區(qū)域社會經濟發(fā)展在不同時期對紅樹林生態(tài)系統造成的影響，評價最近污染物排放控制措施是否成功具有重要的參考價值.

4）應該加強對紅樹林濕地沉積物中重金屬元素生物有效性分析.沉積物中重金屬污染物的毒性與其生物可獲得性是相關的，只有被生物吸收才有可能對生物產生危害，不同形態(tài)的重金屬被釋放的難易程度不同，生物可利用性也不同，毒性大小也不一樣，對紅樹林濕地沉積物中重金屬元素生物有效性分析，以及如何確定紅樹林沉積物中重金屬元素的生物有效性已經成為環(huán)境科學領域里的熱點問題.

5）應該注重研究紅樹林沉積物中重金屬元素對紅樹植物的影響.紅樹林沉積物是重金屬元素富集區(qū)，一些學者已對紅樹植物對沉積物中重金屬污染物的抗性及耐性進行了相關研究，但很少從景觀生態(tài)學的角度對紅樹植物與沉積物中重金屬元素的相互影響進行系統的研究，加強紅樹植物與沉積物之間的相互影響，可以從側面反映紅樹林濕地沉積物中重金屬元素的地球化學特征，為污染紅樹林的生態(tài)恢復提供依據.

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責任編輯：黃 瀾

Research Progress of Content and Speciation of Heavy Metals Element in Sediment of Mangrove Wetlands

WANG Junguang,ZHAO Zhizhong*,ZHAO Guangru,ZHANG Zhongwei，WANG Peng
（College of Geography and Tourism，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

Mangrove wetlands,due to their attributes and special geographical environment,has become the sources of heavy metal pollution.In recent years,heavy metal pollution in sediment of mangrove wetlands has aroused great concern and a great number of researches on element geochemistry feature have been conducted.This paper here reviews the progress and some issues relating to content,distribution,speciation and pollution assessment of heavy metals in mangrove wetlands sediment.It is concluded as follows:First,the multidisciplinary comprehensive research on element geochemistry of heavy metals in sediment of mangrove wetlands should be strengthened and much more concern for their vertical distribution of cores should be paid;Second,the analysis of bioavailability of heavy metals in sediment of mangrove wetlands should be strengthened,which will provide a basis for the sustainable development and restoration of the mangrove wetlands.

mangrove wetland sediment；heavy metals element；speciation

X 142

A

1674-4942（2010）03-0343-04

2010-06-20

海南省自然科學基金項目(40879)；海南省教育廳項目（HJKJ2010-28）；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目；海南師范大學“地圖學與地理信息系統及自然地理學”重點學科聯合資助

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