海南島八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地表層沉積物重金屬分布特征及污染評(píng)價(jià)

吳丹，趙志忠，季一諾，王軍廣

（海南師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，海南海口571158）

海南島八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地表層沉積物重金屬分布特征及污染評(píng)價(jià)

吳丹，趙志忠*，季一諾，王軍廣

（海南師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，海南?？?71158）

文章研究了海南島八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地表層沉積物的重金屬含量及分布特征，并運(yùn)用沉積物富集系數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行了富集評(píng)價(jià)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).結(jié)果表明：沉積物中的金屬除Cd、As外，均未發(fā)生明顯的富集和累積.濕地內(nèi)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI∈（148.17，799.66）），整體上處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平.其中Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，As次之，其他5種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn和Pb僅具有輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).濕地的部分區(qū)域存在對(duì)重金屬的沉積和富集的“聚集區(qū)”，因此在濕地的治理保護(hù)過(guò)程中對(duì)重金屬“聚集區(qū)”應(yīng)予以關(guān)注，同時(shí)也應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控沉積物中Cd與As的治理.

重金屬；污染評(píng)價(jià)；紅樹(shù)林濕地；海南島

紅樹(shù)林是一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，通常生長(zhǎng)在熱帶和亞熱帶沿海河流潮間帶、河口和海灣［1］.紅樹(shù)林是颶風(fēng)，洪水和海岸侵蝕的天然屏障，是最有生產(chǎn)力的陸地生態(tài)系統(tǒng)，其凈初級(jí)生產(chǎn)力約為149mol cm-2y-1，也是當(dāng)?shù)氐膭?dòng)物群落和相鄰的沿海食物網(wǎng)重要的食物來(lái)源，它還具有提供侵蝕減緩和維持相鄰的沿海地貌穩(wěn)定的作用［2-3］.此外，紅樹(shù)林沉積物具有較高的保留潮汐、淡水河流和雨水徑流中重金屬容量的能力，所以它們經(jīng)常成為重金屬的匯集地［4］.盡管它們擁有很高的生態(tài)價(jià)值，由于不合理的開(kāi)發(fā)與管理，紅樹(shù)林面積在最近幾十年顯著下降.在中國(guó)廣東省，紅樹(shù)林面積從1956年的21273 hm2至1986的3526 hm2，減少了85%［5-6］.因此，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的生存環(huán)境研究，已成為全球科學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)和工作的重點(diǎn).

在所有造成海岸帶顯著環(huán)境沉積的污染中，重金屬因其生物毒性而對(duì)環(huán)境造成的污染具有持久性和普遍性［7］.本文不僅分析了八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物重金屬的空間分布規(guī)律，而且也探討了八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物中重金屬來(lái)源，同時(shí)對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià).旨在為八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和治理、重金屬的治理提供科學(xué)依據(jù).

1　材料與方法

1.1原料

研究區(qū)選擇了海南島東北部文昌市南部八門(mén)灣地區(qū)紅樹(shù)林群落，該地區(qū)位于河口，光、水、濕、熱條件優(yōu)越，全年無(wú)霜凍，年平均氣溫為23.9℃，海水表層平均溫度24.5℃，年平均降水量1700～1933 mm.成土母質(zhì)為玄武巖，還含有少量橄欖玄武巖等.八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物樣品采集時(shí)間為2013年8月，總共采取24個(gè)土壤樣品（見(jiàn)圖1）.

圖1　研究區(qū)采樣點(diǎn)位置分布圖Fig.1Location of the study area and the distribution of sample points

1.2方法

1.2.1主要儀器設(shè)備與試劑

電感耦合等離子質(zhì)譜（Agilent7700X，安捷倫科技有限公司）；微波消解儀（MILESTONE公司）；（XS205，萬(wàn)分之一，美國(guó)梅特勒—托利多公司）；去離子水系統(tǒng)（Cascada AN WATER，美國(guó)頗爾公司）；調(diào)溫加熱板（TWJR-B280×280，上海越眾儀器有限公司）.

硝酸（AR，廣州東紅化工廠）；氫氟酸（AR，天津大茂化學(xué)試劑廠）；多元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb，質(zhì)量濃度為1000 mg/L，安捷倫科技有限公司）.

1.2.2試驗(yàn)方法

采集回來(lái)的土壤樣品自然風(fēng)干，剔除礫石、貝殼和植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，經(jīng)用研缽碾磨成細(xì)粉，過(guò)200目的尼龍篩（相當(dāng)于0.074 mm），放入已編號(hào)的潔凈的密封袋內(nèi)，待用.

重金屬含量測(cè)定：準(zhǔn)確稱取0.1 g已處理的干燥土壤樣品（精確到0.0001g）后，加入9 mL混酸HNO3-HF（2∶1），放入微波消解儀中按設(shè)定的程序進(jìn)行消解；消解完畢后，冷卻，將消解液全部轉(zhuǎn)移至燒杯中，加入0.5 mL H2O2，蒸干剩余酸；加入0.02 mL HNO3至燒杯中以溶解鹽類；將全部溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，加超純水定容；最后使用ICP-MS測(cè)定Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb元素的含量.

采用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0軟件對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用ArcGis9.3及Origin 9.0軟件繪制圖像.

2　結(jié)果與討論

2.1沉積物重金屬含量與分布特征

24個(gè)土壤樣品的7種重金屬及海南水系沉積物元素背景值見(jiàn)表1.可以看出，大多數(shù)元素的濃度具有較大范圍的變化區(qū)間.

Cd的含量介于0.30～1.77 mg/kg之間，平均值為0.63 mg/kg，各個(gè)站點(diǎn)的Cd含量均不同程度地高于元素背景值，其中站點(diǎn)B22（1.77 mg/kg）和站點(diǎn)B17（1.27 mg/kg）的Cd含量最高，分別是背景值的25.29倍和18.14倍；As的含量范圍是1.99～55.75 mg/kg，平均值為12.80 mg/kg.各個(gè)站點(diǎn)的As含量均不同程度地高于元素背景值，其中以站點(diǎn)B20（55.75 mg/kg）和站點(diǎn)B21（27.98 mg/kg）的As含量最高，分別是背景值的21.44倍和10.76倍；Cr的含量介于12.08～105.92 mg/kg之間，平均值為55.07 mg/kg，除了B7、B8、B12、B14、B15、B19、B22和B23外，其他站點(diǎn)的Cr含量均高于元素背景值，其中站點(diǎn)B17（105.92 mg/kg）和站點(diǎn)B16（96.70 mg/kg）含量最高，分別是背景值的2.74倍和2.5倍；Ni、Cu、Zn、Pb的含量范圍分別是7.33～52.60、2.63～21.09、16.24～138.21 mg/kg、4.18～30.18 mg/kg，平均值分別為21.11、10.55、49.51、12.63 mg/kg，在這幾種元素中，只有部分站點(diǎn)的重金屬含量大于背景值.

從沉積物重金屬的變異系數(shù)來(lái)看，As的變異系數(shù)最大，為0.86；其次是Zn、Cd、Ni和Cu，分別是0.60、0.60、0.58和0.58；變異系數(shù)最小的是Cr和Pb，僅為0.51和0.45.

2.2沉積物重金屬富集特征分析

運(yùn)用沉積物富集系數(shù)法，以Sr作為參考元素，計(jì)算出紅樹(shù)林濕地沉積物中重金屬元素的富集系數(shù)（EF），結(jié)果見(jiàn)圖2.按照公式（1）計(jì)算富集系數(shù)（EF）：

表1　濕地表層沉積物重金屬含量（mg/kg）Tab.1Heavy metal content in surface sediments of wetlands（mg/kg）

式中Me代表某一種元素，Mesimple和Srsimple分別代表沉積物中重金屬元素與Sr的測(cè)量值；而Mebackground和Srbackground分別代表沉積物中重金屬元素與Sr的背景值.

從總體上來(lái)看，各站點(diǎn)Ni、Cu、Zn、Cr和Pb的富集系數(shù)均小于1.5，說(shuō)明這5種元素未富集，它們主要來(lái)源于地殼和巖石圈的自然風(fēng)化過(guò)程，未受到人類活動(dòng)影響；Cd和As的元素富集系數(shù)大于1.5，表明該區(qū)域內(nèi)Cd、As元素出現(xiàn)了不同程度的富集，人為活動(dòng)所貢獻(xiàn)的重金屬遠(yuǎn)比天然來(lái)源的重金屬含量更大［8］.具體來(lái)看，Cd在各站點(diǎn)的富集系數(shù)明顯高于其他元素，平均值為2.19，其中有一半站點(diǎn)的富集系數(shù)都大于1.5，尤其是B20和B22站點(diǎn)，EF值分別達(dá)到5.23和4.68；而As在B1、B9、B18、B20、B21和B22站點(diǎn)的富集系數(shù)大于1.5，最高值出現(xiàn)在站點(diǎn)B20，達(dá)到7.73.

圖2　濕地表層沉積物重金屬的富集系數(shù)Fig.2Enrichment factor of heavy metals in surface sediments of wetlands

整體上看，濕地沉積物中重金屬并未出現(xiàn)明顯的富集行為，僅在部分站點(diǎn)有部分元素表現(xiàn)出顯著的富集現(xiàn)象.自20世紀(jì)末以來(lái)，隨著海南人口的增多和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿海地區(qū)大量土地被開(kāi)發(fā)為農(nóng)田和養(yǎng)殖場(chǎng).紅樹(shù)林沉積物中重金屬的污染主要來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的含重金屬的化肥和農(nóng)藥［9］，B18、B20、B21和B22站點(diǎn)出現(xiàn)Cd和As元素富集，可能是因?yàn)檫@些地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，餌料和排泄物對(duì)濕地沉積物中重金屬的含量貢獻(xiàn)很大.

2.3沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析

通過(guò)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，得出八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物中各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Eir和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI（見(jiàn)表2）.具體方法見(jiàn)下式：

式中，RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eir為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Tir為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)；Cif為重金屬i的污染系數(shù)；Cid為沉積物中重金屬i的實(shí)測(cè)含量；Cir為相應(yīng)重金屬i的參照值［10］.

表2　濕地表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.2Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments of wetlands

圖3　濕地表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.3Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments of wetlands

在八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地區(qū)域，多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為238.07，遠(yuǎn)大于重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的限值150，變異系數(shù)為0.73，說(shuō)明八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地整體上處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)［11］.并且隨著站點(diǎn)位置的變化，RI有明顯波動(dòng)式變化（見(jiàn)圖3）.在整個(gè)濕地中總體呈逐步上升趨勢(shì).從站點(diǎn)B1的251.96到站點(diǎn)B22的799.66，波動(dòng)式升高217.38%.值得注意的是，在濕地中B4、B17、B20、B22處分別出現(xiàn)不同的峰值.特別是在下游的站點(diǎn)B22，RI值為799.66，是濕地中RI值最高的點(diǎn)位，處于很高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平.這說(shuō)明在整個(gè)研究區(qū)濕地內(nèi)，隨著距離入?？谠絹?lái)越近，重金屬元素的富集程度也越來(lái)越高，尤其是水流比較緩和的地區(qū).另一方面峰值的出現(xiàn)，說(shuō)明該點(diǎn)重金屬含量較其他點(diǎn)的含量高，累積效應(yīng)較顯，原因可能是由于近年來(lái)人類活動(dòng)比較頻繁，排放的重金屬含量較高的污染物未經(jīng)處理或處理不當(dāng)進(jìn)入濕地，并賦存于沉積物中；也有可能是由于周邊受到重金屬污染的土壤在雨水的沖刷下進(jìn)入濕地，重金屬經(jīng)過(guò)一系列復(fù)物理、化學(xué)、生物過(guò)程最終累積，導(dǎo)致重金屬發(fā)生了大幅度的沉積和富集.

由前面的分析和表1可知，八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物中主要富集的重金屬為Cd，因此為進(jìn)一步確定研究區(qū)沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小，對(duì)各站點(diǎn)Cd單一污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)）進(jìn)行分析，如圖4所示.所有站點(diǎn)的Eri值均大于80，處于較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的范圍，其中有一半站點(diǎn)的Eri值則大于160，說(shuō)明它們的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高污染或很高污染.總的來(lái)說(shuō)，各站點(diǎn)Cd的Eri的變化趨勢(shì)與RI基本相同，在濕地中總體上呈逐步上升趨勢(shì)，不僅具有明顯波動(dòng)式變化，在部分站點(diǎn)也出現(xiàn)了峰值現(xiàn)象.

圖4　Cd單一污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Fig.4Potential ecological risk factor of Cd

因此，八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明：Cd具有很高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，As也具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，它們對(duì)總生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)值較大，其他5種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn和Pb僅具有輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).這一現(xiàn)象在濕地的治理保護(hù)過(guò)程中應(yīng)予以關(guān)注，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控沉積物中Cd與As的治理.

2.4重金屬污染的空間特征分析

為了更直觀地描述研究區(qū)內(nèi)重金屬污染的分布情況，將對(duì)多種重金屬的綜合污染指數(shù)（IPI）進(jìn)行計(jì)算.每個(gè)元素的污染指數(shù)（PI）定義為該金屬濃度與相應(yīng)金屬背景濃度的比，綜合污染指數(shù)（IPI）為某一站點(diǎn)重金屬元素污染指數(shù)（PI）的平均值（見(jiàn)圖5）.

可以看出，24個(gè)站點(diǎn)的重金屬的IPI值均大于1，表明各個(gè)站位的重金屬都達(dá)到不同程度的污染水平［12］.值得注意的是，在整個(gè)濕地的左側(cè)，尤其是距離出海口較近的地方，IPI的值明顯高于濕地其他地區(qū).紅樹(shù)林地處河口與海岸帶，通常是陸源污染物質(zhì)的匯集地，而濕地沉積物是金屬元素特別是重金屬最主要的“匯”［9］.一方面，在實(shí)地調(diào)研過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)IPI值偏高的區(qū)域農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖較密集，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)使用的重金屬含量較高的農(nóng)藥、餌料等，對(duì)重金屬在當(dāng)?shù)氐睦塾?jì)貢獻(xiàn)很大；另一方面，濕地左側(cè)屬于八門(mén)灣下游，水體流速較緩，重金屬元素與水體中的顆粒物結(jié)合后很容易沉降下來(lái)，導(dǎo)致濕地沉積物中金屬含量隨著水流的變化呈波浪式上升的變化規(guī)律.而這一結(jié)果與重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的結(jié)果相吻合.在濕地中RI出現(xiàn)峰值的B4、B17、B20、B22站點(diǎn)，IPI值也很高，可以認(rèn)為這些區(qū)域可能是重金屬元素在濕地沉積的“聚集區(qū)”，進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)重金屬發(fā)生明顯的富集作用.

圖5　濕地沉積物表層重金屬的綜合污染指數(shù)（IPI）Fig.5Integrated Pollution Index（IPI）of heavy metals in wetland surface sediments

3　結(jié)論

1）根據(jù)沉積物富集系數(shù)法，看出八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物中的重金屬?zèng)]有發(fā)生明顯的富集和累積，只有Cd、As的富集程度較高.人為輸入是研究區(qū)內(nèi)Cd和As的主要來(lái)源.

2）八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地沉積物中多種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的平均值為238.07，大于重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的限值150，整體上處于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).其中Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，As次之，其他5種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn和Pb僅具有輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

3）在八門(mén)灣紅樹(shù)林濕地內(nèi)，周邊農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖較密集的地方以及下游水體流速較緩的區(qū)域，存在對(duì)重金屬的沉積和富集的“聚集區(qū)”.

4）Cd和As是濕地沉積物中主要的重金屬污染元素，在濕地的治理保護(hù)過(guò)程中應(yīng)予以關(guān)注，重點(diǎn)監(jiān)控沉積物中Cd與As的治理.

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責(zé)任編輯：黃瀾

The Spatial Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals in the Surface Sediments of Bamenwan mangrove wetland，Hainan Island

WU Dan，ZHAO Zhizhong*，JI Yinuo，WANG Junguang
（College of Geography and Tourism，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

This paper analyzed the content and seasonal distribution characteristics of heavy metals in the surface sedi?ments of Bamenwan mangrove wetland，Hainan Island，and evaluated the pollution and ecological risk of these heavy metals by Enrichment coefficient method and Hakanson potential ecological risk index method.The results showed that Cd，As，oth?er metals in sediments did not significantly enrich and accumulate.Heavy metal potential ecological risk index（RI∈（148.17，799.66））in the wetlands，was in a high level in terms of ecological risk as a whole.Among these ecological risk Cd has the greatest potential ecological risks and As was slightly lower with the other five kinds of heavy metals Cr，Ni，Cu，Zn and Pb of only slight ecological risk.There is some area of wetlands and deposition of heavy metals enrichment"gathering area"and therefore in the process of governance to protect the wetlands、heavy metal"gathering area"should be concerned about，and Cd and As should be particularly focused in sediment monitoring.

heavy metals；pollution assessment；mangrove wetlands；Hainan Island

X 131.2

A

1674-4942（2015）04-0432-06

2015-09-21

海南師范大學(xué)青年教師啟動(dòng)項(xiàng)目（QN1438，QN1439）；海南省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDXM20130021）；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（311050）