山口紅樹林濕地沉積物重金屬含量及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

韋江玲，王增軍，潘良浩，李武崢

(1.廣西壯族自治區(qū)山口紅樹林生態(tài)自然保護(hù)區(qū)管理處，廣西 北海536000；2.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西 北海536000；3.廣西科學(xué)院紅樹林研究中心，廣西 北海 536000)

0 引言

紅樹林是生長(zhǎng)于熱帶、南亞熱帶潮間帶的木本植物群落，其在降低海洋災(zāi)難、凈化環(huán)境、維持生物多樣性等方面發(fā)揮了重大作用[1]。紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)具有獨(dú)特生境特征，隨著廣西北部灣經(jīng)濟(jì)的開發(fā)，加之船舶運(yùn)輸業(yè)、農(nóng)業(yè)和漁業(yè)等人為活動(dòng)影響，不少點(diǎn)源、面源污染物匯集于紅樹林濕地，使其成為重金屬污染物重要的源和匯[2-3]。重金屬具有來源廣、不易分解，殘留時(shí)間長(zhǎng)、毒性大等特點(diǎn)，可以通過食物鏈或其他遷移方式給生物及人類健康帶來極大的潛在危害，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[4]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)紅樹林濕地沉積物重金屬污染做了一些研究，如對(duì)重金屬含量和分布特征分析[5-6]，也有從沉積、遷移、累積機(jī)制[7-8]，以及從重金屬的富集特征和污染狀況評(píng)價(jià)等[9]。廣西山口紅樹林作為國(guó)際重要濕地，目前還未見相關(guān)報(bào)道。本研究通過對(duì)廣西山口紅樹林國(guó)際重要濕地沉積物中重金屬污染進(jìn)行測(cè)定、分析并評(píng)價(jià)，以期為紅樹林濕地重金屬的監(jiān)測(cè)、紅樹林生態(tài)系的保護(hù)和恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

廣西山口國(guó)家級(jí)紅樹林生態(tài)自然保護(hù)區(qū)位于廣西合浦縣沙田半島東西兩側(cè)(中心位置地理坐標(biāo)21°28′N，109°43′E)，保護(hù)區(qū)2002年被列為國(guó)際重要濕地名錄。所覆蓋的區(qū)域轄于山口、沙田和白沙三鎮(zhèn)，共19個(gè)村委會(huì)，9萬余人。該濕地海岸線長(zhǎng)41 km，濕地面積4 000 hm2，紅樹林有林面積818.8 hm2。區(qū)內(nèi)有真紅樹植物種類共9科10屬10種，半紅樹植物5科6屬6種。真紅樹植物中，白骨壤(Avicenniamarina)、桐花樹(Aegicerascorniculatum)、秋茄(Kandeliacandel)、紅海欖(Rhizophorastylosa)、木欖(Bruguieragymnorrhiza)和海漆(Excoecariaagallocha)是保護(hù)區(qū)紅樹植物群落中的主要建群種。該濕地地屬?gòu)V西東海岸，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。多年平均日照時(shí)數(shù)1 796～1 800 h，多年平均氣溫23.4 ℃，≥10 ℃年積溫7 708～8 261 ℃，1月平均氣溫14.2～14.5 ℃，極端低溫2.0 ℃。氣溫年變化振幅不大，僅13.8 ℃。多年平均降水量1 500～1 700 mm，平均相對(duì)濕度為80%。海區(qū)潮汐類型屬非正規(guī)全日潮。在1年中約有60%的時(shí)間為1天1次潮，其余時(shí)間為1天2次潮。該區(qū)多年平均潮差在2.31～2.59 m之間，潮差的季節(jié)變化是夏季大，春季小。多年平均潮差2.52 m，最大潮差6.25 m。該區(qū)東面的英羅港有武留江、洗米河和湛江的大壩河3條小河流入，西面的丹兜海有那郊河注入。濕地周圍有大量水產(chǎn)養(yǎng)殖塘及居民點(diǎn)，西側(cè)丹兜海有港口區(qū)。

1.2 樣品采集

綜合考慮山口紅樹林濕地分布面積、潮位變化及人類活動(dòng)影響等因素，于2018 年9月沿著海岸線，在濕地的英羅港和丹兜海共布設(shè)15個(gè)采樣站位(圖1)，每個(gè)站位采集土壤樣品2～3個(gè)，表層沉積物采用抓斗式采泥器采集，樣品取自表層0～5 cm，放入聚乙烯袋中扎緊袋口冷藏密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 重金屬的測(cè)定

野外采集的土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干，剔除礫石和顆粒較大的動(dòng)植物殘骸后研磨。過180目尼龍篩，保存于棕色玻璃瓶中備用。樣品的測(cè)定依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第5 部分(GB17378.5-2007)[10]的要求進(jìn)行，樣品消解采用MARS 5進(jìn)行微波消解(120 ℃/5min-150 ℃/5min-185 ℃/30min)。經(jīng)消解后，Cu、Pb、Zn、Cr重金屬元素采用ICP-AES(PE-Optima 7000DV)，Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法(原子吸收光譜儀PE-AA700)，Hg采用原子熒光形態(tài)分析儀(SA-20)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)用平行樣和國(guó)家水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07318分別控制樣品分析的精確性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 19.0 軟件完成。

圖 1 采樣站位示意Figure 1 Sampling stations

1.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

采用污染指數(shù)法和H?kanson的潛在生態(tài)危害指數(shù)法來進(jìn)行重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11]。公式如下：

Cfi=Csi/Cni

(1)

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

(4)

表 1 沉積物中污染物評(píng)價(jià)參比值(Cni)及毒性響應(yīng)系數(shù)(Tri )Table 1 Cni and Tri of the sediments

污染物HgCrCuZnPbCd Tri 40251530 Cni0.1173.3027.1059.7020.100.06

式(1～4)中：Cfi是第i種重金屬污染參數(shù)；Csi是第i種重金屬濃度實(shí)測(cè)值； 是污染物i的評(píng)價(jià)參比值；Cd為表層沉積物多種重金屬的綜合污染指數(shù)；Eri是單種污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)；Tri是第i種污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)。不同污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)取值見表1。RI是沉積物多種污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。Cni值采用1986—1990年全國(guó)土壤環(huán)境背景值調(diào)查研究中的廣西土壤重金屬元素并選擇底土層的幾何平均值作為背景值[12]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是 H?kanson根據(jù)8種污染成分(Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和PCBs) 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)綜合提出的，但本研究的僅選擇了6種重金屬污染物，依據(jù)邱耀文等[13]的研究，對(duì)RI值進(jìn)行了調(diào)整，不同Cfi、Eri和RI值對(duì)應(yīng)的污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)見表2。

表 2 Cfi、 Eri和RI值對(duì)應(yīng)的污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度Table 2 Pollution degree and potential ecological risk degree corresponding to Cfi,Eri and RI

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬含量及分布

表 3 表面沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg·kg-1)Table 3 Contents of heavy metal in the surface sediments

站位HgCrCuZnPbCd 1#0.01536.134.7923.9414.690.08 2#0.089132.7228.5466.407.880.19 3#0.06022.294.8113.495.760.05 4#0.01037.606.8626.3616.900.19 5#0.06448.367.8742.0425.570.06 6#0.07138.315.9625.3816.470.06 7#0.04820.161.0010.015.010.05 8#0.05038.132.6017.029.990.07 9#0.05142.015.2631.9418.610.12 10#0.099201.1119.8372.9112.200.19 11#0.01546.005.4631.1812.350.11 12#0.03643.217.0138.0223.740.16 13#0.01061.888.2436.0422.110.16 14#0.01120.971.0010.265.03 0.10 15#0.03062.147.2533.9616.780.08 平均0.04456.737.7631.9314.210.11 海南東寨港紅樹林[14]0.03015.2613.3420.613.930.20 深圳福田紅樹林[15]0.270—78.70269.3073.100.40 湛江東海島紅樹林[16]0.07443.4712.5060.8027.000.04 福建九龍江口紅樹林[17] ——38.54353.2156.152.73 海洋沉積物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn)0.20080.0035.00150.0060.000.50

表 4 表層沉積物重金屬污染指數(shù)和污染程度分級(jí)Table 4 Heavy metal pollution index and pollution degree classification of sediments

站位CfiHgCrCuZnPbCdCd總體污染程度1#0.140.490.180.400.731.363.30低污染2#0.801.811.051.110.393.118.27中污染3#0.540.300.180.230.290.882.42低污染4#0.090.510.250.440.843.135.26中污染5#0.580.660.290.701.271.044.54低污染6#0.640.520.220.430.820.933.56低污染7#0.430.280.040.170.250.832.00低污染8#0.450.520.100.290.501.173.03低污染9#0.460.570.190.530.932.074.75低污染10#0.892.740.731.220.613.179.36中污染11#0.140.630.200.520.611.904.00低污染12#0.320.590.260.641.182.645.63中污染13#0.090.840.300.601.102.705.63中污染14#0.100.290.040.170.251.662.51低污染15#0.270.850.270.570.831.284.07低污染平均0.400.770.290.530.711.864.56低污染

從表3可看出，山口紅樹林濕地表層重金屬Hg、Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為0.010～0.099 mg·kg-1、20.16～201.11 mg·kg-1、1.00～28.54 mg·kg-1、10.01～72.91 mg·kg-1、5.01～25.57 mg·kg-1和0.05～0.19 mg·kg-1，均值分別為0.044 mg·kg-1、56.73 mg·kg-1、7.76 mg·kg-1、31.93 mg·kg-1、14.21 mg·kg-1和0.11 mg·kg-1。Hg、Cr、Zn、Cd的最高值出現(xiàn)在10#，而Cr、Cu、Zn、Pb、Cd的最低值出現(xiàn)在7#。

從表3還可看出，7#和14#與其他站位相比，各重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，原因在于：7#和14#處在保護(hù)區(qū)核心區(qū)且在高潮帶，此處有生長(zhǎng)茂密原生紅樹林，且分布著保護(hù)區(qū)大面積分布和完整保存著中國(guó)大陸海岸唯一的一片紅海欖純林和木欖純林，由于紅樹林發(fā)達(dá)根系的阻滯，潮水中顆粒物大部分在中潮帶即被截留而沉降，尤其是天文小潮周期內(nèi)到達(dá)高潮帶的沉積物更少，高潮帶沉積物中的重金屬得到補(bǔ)給較少；高潮帶生長(zhǎng)有茂密的原生紅樹林，其對(duì)重金屬的吸收作用也強(qiáng)于中低潮帶的次生林、人工林或光灘。

從各重金屬的平均含量與區(qū)域背景值的對(duì)比可看出，各重金屬平均含量都低于區(qū)域背景值。根據(jù)海洋沉積物質(zhì)量(GB18668-2002)第一類標(biāo)準(zhǔn)，得出各重金屬的平均含量均低于國(guó)家海洋沉積物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)，與國(guó)內(nèi)其他紅樹林濕地對(duì)比，得出山口紅樹林濕地土壤沉積物的重金屬平均含量總體處于較低水平。

3.2 重金屬的污染分析

單因子污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。對(duì)照表2標(biāo)準(zhǔn)，Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、Cd重金屬單因子的平均污染指數(shù)分別為0.40、0.77、0.29、0.53、0.71、1.86，Cd屬中度污染水平，其他重金屬均為低污染。從空間分布看，其中Pb在5#、12#、13#屬中度污染；Cr、Zn在2#、10#屬中度污染；Cu在2#屬于中度污染。各重金屬單因子污染程度大小為Cd>Cr>Pb>Zn>Hg>Cu。從總體污染指數(shù)(Cd)可看出，2#、4#、10#、12#、13# 為中污染，整個(gè)濕地總體污染指數(shù)平均為4.56，屬低污染水平。

3.3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

各重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)及各站位綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的計(jì)算結(jié)果見表5。對(duì)照表2標(biāo)準(zhǔn)，從單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)看，Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均達(dá)到了55.72，屬中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度由高到低依次為 Cd>Hg>Pb>Cr>Cu>Zn，其中 Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)明顯高于其他元素，貢獻(xiàn)率達(dá)70.90%，表明 Cd為山口紅樹林濕地的主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。從 6種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值來看，2#、10#的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為144.10和137.22，均大于105，為中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其余各站位的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于105，為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)山口紅樹林濕地綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為78.60，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度低。

表 5 表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(Eri)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)Table 5 Eri and RI of heavy metals in surface sediments

站位EriHgCrCuZnPbCdRI總的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度1#5.410.990.880.403.6540.9052.23低2#32.073.625.261.111.9693.20137.22中3#21.620.610.890.231.4326.3651.14低4#3.601.031.270.444.2093.77104.31低5#23.061.321.450.706.3631.2264.12低6#25.591.051.100.434.1027.8660.12低7#17.300.550.180.171.2525.0044.45低8#18.021.040.480.292.4935.0257.33低9#18.381.150.970.534.6362.1687.82低10#35.685.493.661.223.0495.02144.10中11#5.411.261.010.523.0756.9168.17低12#12.971.181.290.645.9079.09101.08低13#3.601.691.520.605.5081.0193.92低14#3.960.570.180.171.2549.8856.02低15#10.811.701.340.574.1738.3856.97低平均15.831.551.430.533.5355.7278.60—

3.4 重金屬來源分析

3.4.1 相關(guān)分析

已有研究表明，具高度顯著相關(guān)關(guān)系的多種重金屬之間，一定程度上存在相似的含量分布規(guī)律，具有同源性[18]。利用SPSS 19.0對(duì)表層沉積物6種重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析(表6)。經(jīng)分析顯示，Cu與Cr呈極正顯著相關(guān)(r=0.860)；Zn與Cr呈極正顯著相關(guān)(r=0.915)，與Cu呈極正顯著相關(guān)(r=0.907)；Cd與Cu呈極正顯著相關(guān)(r=0.660)，與Zn呈極正顯著相關(guān)(r=0.683)?？梢?，Cr與Cu、Zn具有極正顯著相關(guān)性。

3.4.2因子分析

濕地重金屬主要來源于巖石礦物的自然風(fēng)化、大氣的輸入、海洋底部沉積物向上的遷移活動(dòng)以及人類活動(dòng)產(chǎn)生的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水，而后者是引起濕地重金屬污染的重要來源[3]。本研究采用因子分析方法進(jìn)一步對(duì)重金屬來源進(jìn)行解析。因子分析方法已被證實(shí)能在分析沉積物中元素的來源方面提供明確的信息，且較于主成分分析其因子更具有明確的意義[19]。通過因子分析適宜性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示KMO值為0.511，大于閾值0.5，說明變量之間是存在相關(guān)性的；Bartlett 的球形度檢驗(yàn)相伴概率小于顯著水平0.05，表明變量數(shù)據(jù)是適合進(jìn)行因子分析的。公因子方差提取的值均大于0.7，所以變量可以較好地被表達(dá)。分析過程采用主成分提取方法，共提取出初始特征值大于1的2個(gè)公因子，就可以解釋變量中82.75%的方差信息。為了使因子載荷兩極分化，使用最大方差法進(jìn)行正交變換，旋轉(zhuǎn)后的因子分析結(jié)果如表7所示。

結(jié)果顯示，因子1貢獻(xiàn)率為61.50%，因子變量包括Cu、Zn、Cr。結(jié)合野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2#、10# 重金屬污染程度較嚴(yán)重的站位其共同特征是污水未經(jīng)處理直接排放到濕地中。2#和10#附近居民點(diǎn)分布較多，且陸地水產(chǎn)養(yǎng)殖塘廣布，約300 hm2，調(diào)查發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖污水通過管道直接排入紅樹林，水產(chǎn)養(yǎng)殖中飼料、魚藥的施用和居民生活污水等可能會(huì)引起Zn、Cu、Cr等重金屬污染[20]。故推測(cè)因子1主要是人類活動(dòng)影響，養(yǎng)殖排污和生活污水為主要來源。

因子2的貢獻(xiàn)率為21.26%，因子變量為Pb，通過表4可知，5#、11#、12#所在區(qū)域分別都有淡水河注入，且Pb在5#、11#、12#質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，可知5#、11#、12#重金屬Pb主要來源于陸源輸入。

4 結(jié)論

廣西山口紅樹林濕地表層沉積物6種重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比深圳福田、湛江東海島和福建九龍江口紅樹林濕地低，且6種重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于國(guó)家海洋沉積物一類標(biāo)準(zhǔn)，呈現(xiàn)出較為健康狀態(tài)。從單因子污染指數(shù)看，山口紅樹林濕地重金屬污染程度依次為：Cd>Cr>Pb>Zn>Hg>Cu。Cd是該區(qū)域主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。從綜合污染指數(shù)看，山口紅樹林濕地重金屬為低污染水平。從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)看，2#、10#的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為 144.10和137.22，均大于105，為中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)山口紅樹林濕地綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為78.60，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度低，各重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度依次為Cd>Hg>Pb>Cr>Cu>Zn，區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度RI值為78.60，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度低。山口紅樹林濕地表層土壤中Cr、Cu和Zn之間具有強(qiáng)相關(guān)性。通過因子分析和結(jié)合濕地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山口紅樹林濕地Zn、Cu、Cr主要來源于人類活動(dòng)影響，其中養(yǎng)殖排污和生活污水為主要來源，應(yīng)值得關(guān)注。在今后的濕地管理中，應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)濕地周邊養(yǎng)殖排污和生活污水的監(jiān)測(cè)和治理。

表 6 6種表層沉積物重金屬相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of six heavy metal contentsin surface sediments

因子HgCrCuZnPbCdHg1Cr0.630?1Cu0.623?0.860??1Zn0.577?0.915??0.907??1Pb-0.148-0.012-0.0040.2901Cd0.0500.629?0.660??0.683??0.2021

注：*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表 7 山口紅樹林濕地表層沉積物重金屬來源因子分析Table 7 Factor analysis of heavy metals in the surface sediments of mangrove wetland in Shankou

類別因子1因子2貢獻(xiàn)率/%61.5021.26累積貢獻(xiàn)率%61.8182.75主成分Cu、Zn、CrPb