廣西珍珠灣紅樹林濕地沉積物重金屬分布及評價

張曉磊，楊源禎，閻琨，3,龐國濤

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.中國地質(zhì)調(diào)查局煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心，山東 煙臺 264000；3.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

濕地被稱為“地球之腎”，紅樹林濕地作為地球上生產(chǎn)力水平最高的海洋自然生態(tài)系統(tǒng)之一，具有豐富的生產(chǎn)力和生物多樣性，在護岸消浪、抗災減災、凈化水體、促淤保灘、優(yōu)化海岸帶環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。紅樹林濕地表層沉積物受人類活動、入海河流及海洋等因素共同影響，沉積環(huán)境較為特殊，沉積物來源廣、沉積速率快且更易積累來自入海河流、潮水和近岸生活垃圾等污染。紅樹林濕地中沉積的重金屬通常具有來源范圍廣、存在時間長、污染后難以恢復等特點，對生態(tài)系統(tǒng)具有潛在的危害[3-4]，且一旦進入生態(tài)循環(huán)就很難被生物降解，往往會通過低等生物、水體等進入食物鏈，進而破環(huán)生物體的正常生理代謝活動，最終通過生物富集作用危害人體健康和生態(tài)環(huán)境[5]。此外，沉積物中的重金屬還會抑制酶的活性，從而干擾生態(tài)環(huán)境中的生化反應，威脅濕地底棲生物的生理健康[6]。近年來隨著城市發(fā)展，沿岸工業(yè)、海洋牧場、海水養(yǎng)殖、旅游等活動的日漸密集為近岸污染物，特別是重金屬元素的富集沉淀創(chuàng)造了有利條件。前人對珍珠灣的研究多集中在紅樹林的種類和固碳方面[7-9]，周邊區(qū)域的重金屬研究多集中在防城港和欽州灣海域[10-12]。因此，對珍珠灣國家級紅樹林保護區(qū)開展沉積物重金屬含量、分布及污染狀況的研究，可為珍珠灣紅樹林的保護與修復治理等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西北侖河口國家級紅樹林自然保護區(qū)的珍珠灣區(qū)域，因盛產(chǎn)珍珠而得名。海灣出口狹窄，呈漏斗狀，灣口西起萬尾金灘的東沙頭，北與防城區(qū)江山鎮(zhèn)接壤，東臨白龍半島風景區(qū)的白龍臺，南部與防城灣相連，灣口寬約3.5 km，灣內(nèi)海岸線長約46 km，海灣面積94.2 km2(圖1)。研究區(qū)屬南亞熱帶海洋季風氣候，年日照時長大于1 600 h，平均氣溫22.5 ℃，平均降雨量為2 220.5 mm[13]。潮汐類型以正規(guī)全日潮為主，多年平均潮差2.22 m，最大潮差可達5.1 m[14]。海岸帶土壤以風沙土和沖積土為主，陸地土壤主要為紅壤土和黃壤土。灣內(nèi)紅樹林具有連片面積大、分布集中、觀賞性強等特點，總分布面積可達10.68 km2，占北侖河口保護區(qū)紅樹林面積的83.8%[15]。

圖1 珍珠灣紅樹林采樣站位分布Fig.1 Distribution of mangrove sampling points in Zhenzhu Bay

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

本研究于2021年9月在珍珠灣紅樹林分布區(qū)采集表層沉積物樣品13件，采樣位置如圖1所示。采樣時先將沉積物表層雜物清理干凈，再用潔凈木鏟取表層0～5 cm深的泥質(zhì)沉積物，去除樣品中的根系等雜質(zhì)后，快速裝入聚乙烯袋密封保存并送樣。樣品的采集、保存及后期處理等依據(jù)《GB 17378.3—2007海洋監(jiān)測規(guī)范》[16]的相關規(guī)定，所有樣品均進行重金屬檢測。

樣品測試分析由青島海洋地質(zhì)研究所海洋地質(zhì)實驗檢測中心完成。樣品在實驗室常溫解凍后使用烘箱烘干(60 ℃)，之后研磨至200目以下，放在馬弗爐中灼燒破壞有機質(zhì)，之后用HNO3-HF-HClO4消解。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和Ni使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀Thermo X Series 2測定；Hg和As使用雙道原子熒光光度計AFS-920測定。重金屬元素平行樣的相對誤差<0.5%，標準物的回收率為110%～125%。

2.2 重金屬污染評價方法

2.2.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(the Geo-accumulation Index,Ig)法是評價單一種類重金屬污染程度的方法，該方法既考慮自然成巖作用，又兼顧了人類綜合活動等對沉積環(huán)境的影響，經(jīng)常用于評價沉積物中的重金屬污染水平[17]，其公式為

(1)

表1 地累積指數(shù)和污染程度關系Tab.1 Relationship between Ig and pollution levels

2.2.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)(Potential Risk Index,RI)法是通過先評價單個重金屬元素潛在危害，再累加評價站位多種重金屬綜合潛在生態(tài)風險的方法。該方法綜合應用生物毒理學、生態(tài)學和環(huán)境化學等方面的內(nèi)容，定量分析重金屬的潛在危害程度，是國內(nèi)外評價沉積物質(zhì)量最為有效的方法之一[18],其公式為

(2)

表2 沉積物重金屬元素的背景值和毒性系數(shù)Tab.2 Background value and toxicity index of heavy metal elements in sediment

表3 重金屬元素潛在生態(tài)風險程度Tab.3 Potential ecological risk levels of heavy metal elements

3 結果與分析

3.1 沉積物重金屬含量及分布特征

珍珠灣紅樹林濕地13個站位表層沉積物的重金屬含量特征如表4所示，8種重金屬平均含量表現(xiàn)為Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>As>Cd>Hg。變異系數(shù)越大說明沉積物中的重金屬污染受人為活動干擾越強烈[26]，研究區(qū)Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的變異系數(shù)均低于40%，離散程度較低，說明元素分布較均勻，推測這幾種元素在沉積過程中受人類活動干擾較弱；Ni和Hg的變異系數(shù)分別為40%和47%，屬中等變異，分布不均勻，可能受到了一定程度的人為干擾。

表4 珍珠灣表層沉積物重金屬元素含量特征Tab.4 Content characteristics of heavy metal elements in surface sediments of Zhenzhu Bay

為判斷珍珠灣表層沉積物重金屬含量水平，本文收集了中國海岸帶背景值及國內(nèi)其他地區(qū)紅樹林沉積物的重金屬含量(表5)。珍珠灣紅樹林濕地表層沉積物中只有Cd和Hg平均值略高于中國海岸帶背景值，Cu、Pb、Zn、Cd、As均低于中國紅樹林均值，只有Cr略高于中國紅樹林均值；珍珠灣表層沉積物重金屬含量與湛江灣區(qū)域相近，略低于茅尾海，遠低于九龍江口。綜合對比顯示，珍珠灣紅樹林濕地表層沉積物中的重金屬含量處于相對較低的水平。

表5 研究區(qū)與其他地區(qū)紅樹林沉積物重金屬含量Tab.5 Contents of heavy metals in mangrove sediments between the study area and other areas

3.2 重金屬污染評價

應用地累積指數(shù)法評價珍珠灣表層沉積物中的8種重金屬，結果見圖2?？梢钥闯稣渲闉硡^(qū)域表層沉積物重金屬的Ig值分布比較集中，說明其在各站位的污染情況相似，Ig值表現(xiàn)為Hg>Cd>As>Pb>Cu>Zn>Cr>Ni。13個站位的樣品中Cd元素有2個站位(ZZ06和ZZ13)、Hg元素有4個站位(ZZ02、ZZ03、ZZ04和ZZ06)的Ig為0～1，處于輕微污染，其他站位的重金屬Ig值均<1，無污染。除ZZ13站位外其他受污染站位均位于江平江入海河口附近，推測重金屬來源可能與江平江輸入有關。

圖2 重金屬元素地累積指數(shù)Fig.2 Geological accumulation index of heavy metal elements

3.3 重金屬潛在生態(tài)風險分析

圖3 重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)Fig.3 Potential ecological hazard index of heavy metal elements

圖4 珍珠灣表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)Fig.4 Potential ecological hazard index of heavy metals in surface sediments of Zhenzhu Bay

3.4 重金屬來源分析

3.4.1 重金屬相關性分析

對珍珠灣表層沉積物中8種重金屬的含量開展Pearson相關性分析，采用單尾t檢驗(Sig.<0.05)進行顯著性檢驗，分析結果見表6?？梢钥闯龀鼵d外的其他7種重金屬相關性均在0.79以上，說明這7種重金屬元素在沉積基礎上具有較強的相似性和同源性。Cd元素與其他重金屬元素相關系數(shù)相對較小，說明Cd的來源與其他金屬元素存在一定的差異，這可能與人類經(jīng)濟活動以及其自身的沉積特性有關。

表6 重金屬相關性分析Tab.6 Correlation analysis of heavy metals

3.4.2 主成分分析

主成分分析可以較好地分析沉積物中的重金屬來源。對重金屬元素處理后進行主成分分析，得到7個主成分，提取其中特征值大于1的2個主成分，累計方差貢獻率為96.09%，可以解釋大部分的物源信息(圖6)。其中第一主成分正載荷較高的元素有Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As和Hg，均表現(xiàn)出較高的相關性，通過分析各站位的含量發(fā)現(xiàn)其分布較均勻，說明這7種元素主要為自然沉積，受人類活動影響較?。坏诙鞒煞謨H有Cd有明顯的正載荷，結合Cd的分布發(fā)現(xiàn)峰值站位為ZZ06和ZZ13，含量分別為0.10×10-6和0.11×10-6，說明其含量受江平江污染物輸入和珍珠灣東南部海水養(yǎng)殖的影響較顯著。

(a)載荷分布 (b)主成分得分圖5 主成分分析圖Fig.5 Principal component analysis diagram

為了進一步討論各污染源的相對貢獻率，利用主成分-多元線性回歸(PCA-MLR)模型計算金屬來源貢獻率，以標準化后的8種重金屬濃度之和為因變量，以主成分因子得分為自變量，得到標準化后的回歸方程，公式為

C=0.625×PC1+0.476×PC2。

(5)

式中：C為8種重金屬濃度之和；PC1和PC2分別為第一和第二主成分得分。結果值與預測值之間的相關系數(shù)為0.992，表明擬合效果較好。

通過計算，江平江輸入重金屬貢獻率為57%，海水養(yǎng)殖重金屬貢獻率為43%。以江平江為代表的第一主成分自然背景來源的貢獻率最高，與研究區(qū)環(huán)境保護較好具有良好的對應關系。

4 結論

(1)珍珠灣紅樹林濕地表層沉積物中重金屬含量表現(xiàn)為：Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>As>Cd>Hg，除Ni和Hg外其他元素變異系數(shù)較低，分布較均勻，未見明顯污染；與國內(nèi)其他地區(qū)的紅樹林相比，珍珠灣表層沉積物中重金屬含量整體處于較低水平，沉積環(huán)境較清潔。

(2)地累積指數(shù)法表明，珍珠灣紅樹林沉積物主要為清潔級，僅有部分站位的Cd和Hg表現(xiàn)為輕微污染；潛在生態(tài)風險指數(shù)法結果表明，大部分元素為低生態(tài)風險，Cd和Hg在部分站位處于中等生態(tài)風險；灣內(nèi)生態(tài)風險指數(shù)RI范圍為49.07～147.71，所有站位均為低生態(tài)風險。

(3)主成分-多元線性回歸模型顯示研究區(qū)重金屬主要受江平江輸入和珍珠灣東南部海水養(yǎng)殖的影響，二者的相對貢獻率分別為57%和43%。

(4)珍珠灣紅樹林濕地整體生態(tài)環(huán)境良好，但需持續(xù)關注來自江平江和海水養(yǎng)殖的Cd輸入。