湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物重金屬時(shí)空分布特征及污染評價(jià)*

唐道斌 羅松英 李雅婷 蔡妙瑩 歐陽婉盈

(1.嶺南師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,廣東 湛江 524048;2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;3.嶺南師范學(xué)院紅樹林研究院,廣東 湛江 524048;4.云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南 昆明 650500)

生長于亞熱帶和熱帶潮間帶的紅樹林在凈化海水、防風(fēng)消浪、維持生物多樣性、固碳儲碳等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。紅樹林具有植物根系發(fā)達(dá)、沉積物有機(jī)質(zhì)含量高和缺氧等特點(diǎn),而位于河口區(qū)的紅樹林容易受到來自潮水和河流污染的雙重影響[3-4]。在我國人口密集的東南濱海地區(qū),由于沿海城市的工業(yè)化和城市化進(jìn)程快,紅樹林面臨的重金屬污染問題非常突出,尤其是城市河口區(qū)。自然資源部、國家林業(yè)和草原局于2020年印發(fā)了《紅樹林保護(hù)修復(fù)專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025)》,明確指出要加強(qiáng)紅樹林監(jiān)測與評估,及時(shí)掌握紅樹林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。

湛江紅樹林國家級自然保護(hù)區(qū)(簡稱湛江紅樹林)是中國最大的紅樹林保護(hù)區(qū),面積約20 278 hm2,也是我國首個(gè)“藍(lán)碳”碳匯交易項(xiàng)目示范地[5]。隨著湛江城市化發(fā)展,水產(chǎn)養(yǎng)殖、港口和碼頭建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)等人類活動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng),湛江紅樹林遭受的環(huán)境壓力日益加劇。目前,學(xué)者們已對湛江紅樹林沉積物重金屬含量與形態(tài)特征、空間分布及污染現(xiàn)狀等開展了一些研究[6-8],[9]308;其中,湛江城市河口紅樹林沉積物中重金屬污染具有較大的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[10]162,[11]405。然而,目前關(guān)于湛江紅樹林沉積物重金屬污染的監(jiān)測研究時(shí)長通常較短,缺少較長時(shí)間(全年)的監(jiān)測研究。湛江城市河口紅樹林由于地處城區(qū),受人類活動(dòng)影響較大,其沉積物重金屬污染更需要加強(qiáng)監(jiān)測與評估。湛江觀海長廊紅樹林面積約30 hm2[12],主要有人工種植的桐花樹(Aegicerascorniculatum)和白骨壤(Avicenniamarina)等[11]399,具有典型的城市河口紅樹林特征,又適合采樣,是理想的湛江城市河口紅樹林調(diào)查地點(diǎn)。

本研究在湛江觀海長廊紅樹林進(jìn)行了為期1年的觀測,分季節(jié)采集紅樹林表層沉積物,測定沉積物重金屬含量并分析其時(shí)空分布特征,結(jié)合內(nèi)梅羅污染指數(shù)進(jìn)行污染評價(jià),以期為湛江城市河口區(qū)紅樹林生態(tài)修復(fù)、污染防治以及打造“紅樹林之城”提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2018年7月(夏季)、2018年10月(秋季)、2019年1月(冬季)和2019年4月(春季)在湛江觀海長廊紅樹林采集表層(0～20 cm)沉積物樣品,2019年7月(夏季)也進(jìn)行了采樣,旨在與2018年7月進(jìn)行對比,驗(yàn)證季節(jié)周期的重復(fù)性。沿觀海長廊布置了6個(gè)采樣站點(diǎn)(GHCL01～GHCL06，見圖1)。使用聚乙烯塑料管采集沉積物樣品,每個(gè)采樣站點(diǎn)在5 m×5 m范圍內(nèi)取3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)用四分法取樣后混勻,取約1 kg沉積物作為樣品,5次采樣共采集了30份樣品。

將沉積物樣品中動(dòng)植物殘?bào)w、礫石、塑料等雜物挑出,60 ℃烘干,研磨過100目尼龍篩后,As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn使用HCI-HNO3-HF-HClO(體積比為10∶5∶5∶3)進(jìn)行消解后蒸至近干,用稀鹽酸(0.5 mol/L)溶解并定容至12.5 mL,其中Cr、Pb、Ni和Zn采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Varian Vista)測定,Cd、Cu和As采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700x)測定;Hg使用王水進(jìn)行消解后,用去離子水定容至10 mL,然后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測定。用國際土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GLG908-4、MRGeo08、OREAS 45d、OGGeo08和OREAS 45e)進(jìn)行質(zhì)量控制,回收率高于90%。同時(shí),設(shè)定了20%平行樣,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%。空白樣低于檢出限。

圖1 研究區(qū)域和采樣站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 評價(jià)方法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)既考慮單個(gè)污染指標(biāo)對環(huán)境的影響程度,又兼顧多個(gè)污染指標(biāo)平均水平和最大水平[13],單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)的計(jì)算公式分別見式(1)和式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù);Ci為重金屬i的實(shí)測質(zhì)量濃度,mg/kg;Si為重金屬i的參比質(zhì)量濃度,mg/kg,本研究使用廣東省雷州半島磚紅壤重金屬環(huán)境背景值[14];P綜為重金屬的綜合污染指數(shù);Pi,Max為各重金屬的單因子污染指數(shù)最大值;Pi,Ave為各重金屬的單因子污染指數(shù)平均值。

考慮到不同重金屬的污染影響不同,本研究采用加權(quán)法計(jì)算Pi,Ave,其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：wi為重金屬i的權(quán)重,本研究Hg、Pb、Cd、As取3,Cr、Cu、Ni、Zn取2[15]。

單因子污染指數(shù)的分級：Pi≤1為無污染,15為重度污染。綜合污染指數(shù)的分級：P綜≤0.7為安全,0.73.0為重度污染。

表1 紅樹林表層沉積物重金屬質(zhì)量濃度Table 1 Heavy metals mass concentrations in mangrove surface sediment

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物重金屬含量特征

湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中8種重金屬質(zhì)量濃度如表1所示。Hg、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni和As的平均值分別為0.19、17.4、70.47、0.27、23.37、13.9、8.7、19.7 mg/kg。8種重金屬的變異系數(shù)為28.62%～90.93%,Pb和As可認(rèn)為是中等變異程度(15%～36%),其他重金屬達(dá)到高變異程度(>36%)[16],其中Cd、Hg的變異系數(shù)最大,這兩種重金屬很可能受人為干擾的影響。與GB 18668—2002第一類標(biāo)準(zhǔn)對比發(fā)現(xiàn),有標(biāo)準(zhǔn)限值的重金屬平均值均沒有超標(biāo),但除Pb和Ni外,其余6種重金屬平均值都超過了區(qū)域背景值。

2.2 表層沉積物重金屬時(shí)空分布特征

由圖2可知,GHCL01～GHCL03的8種重金屬濃度呈下降趨勢。這可能與河口排污的距離有關(guān),加上這里的紅樹林分布密集,使得發(fā)達(dá)的植物根系對污染物有較強(qiáng)的攔截作用,造成GHCL01和GHCL02沉積物中重金屬含量較高,GHCL01和GHCL02的重金屬來源可以初步判斷為城市污水及第三產(chǎn)業(yè)活動(dòng)[17]。GHCL04由于又受到暗渠的影響,與GHCL03的重金屬濃度差異不大,GHCL05、GHCL06在菉塘河北側(cè),在地形上受觀景圓臺阻隔,加上潮流在觀海長廊沿岸以往南為主,而且這里的紅樹林植被比較稀疏,污染物截留能力較弱,因此GHCL05、GHCL06的重金屬濃度也較低。

圖2 紅樹林表層沉積重金屬的空間差異Fig.2 Spatial variation of heavy metals in mangrove surface sediment

圖3表明,8種重金屬在夏季、秋季、冬季、春季大體呈現(xiàn)高、低、高、低的變化規(guī)律,呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。冬季湛江降水明顯偏少,與雨季相比,沉積物中重金屬含量較高[18]。另外,分析2018年7月(夏季)與2019年7月(夏季)的重金屬含量發(fā)現(xiàn),具有較高的重復(fù)性,說明季節(jié)的周期性變化規(guī)律比較可靠。夏季的重金屬含量高主要可能與排污有關(guān)。與莫瑩等[10]160的2015年重金屬平均含量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中大部分重金屬都有所下降。這可能與相關(guān)部門在2018—2019年加強(qiáng)了菉塘河黑臭水體大規(guī)模整治有關(guān)。

圖3 紅樹林表層沉積物重金屬的時(shí)間變化Fig.3 Time variation of heavy metals in mangrove surface sediment

2.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果

單因子污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果見表2。從各重金屬的單因子污染指數(shù)平均值來看,Cr、Ni和Pb為無污染,As和Cu為輕度污染,Zn為中度污染,Cd和Hg為重度污染。湛江觀海長廊位于市中心,緊靠交通主干線,車流量大,而且附近有碼頭,船只來往繁忙。相關(guān)研究表明,汽車、船舶等的尾氣排放進(jìn)入大氣后通過沉降作用易造成土壤Cd和Hg污染[9]313,[19-20]。具體而言,As的Pi為1.69～4.74,全部都有輕微污染至中度污染;Cr、Ni和Pb的Pi分別為0.17～1.63、0.26～1.96、0.34～1.55,只有少量輕微污染,分別占10.0%、20.0%、30.0%;Cu的Pi為0.34～3.37,存在輕微污染至中度污染,占比達(dá)到86.7%;Zn的Pi為0.86～5.90,輕微污染至重度污染都有,占比達(dá)到93.3%;Cd和Hg的Pi分別為1.12～9.03、2.20～40.67,污染較為嚴(yán)重,僅重度污染占比分別達(dá)到了60.0%、66.7%。

表2 單因子污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of single factor pollution index

綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果見圖4。綜合污染指數(shù)的時(shí)間變化也表現(xiàn)出夏季、秋季、冬季、春季大體呈高、低、高、低的變化規(guī)律,表明夏季和冬季重金屬污染更為嚴(yán)重;空間差異上GHCL01～GHCL03總體呈下降趨勢,GHCL04～GHCL06基本持平,也與重金屬含量的空間差異一致。其中,大部分采樣站點(diǎn)在不同季節(jié)的綜合污染指數(shù)都超過了3.0,達(dá)到了重度污染,GHCL01、GHCL02的綜合污染指數(shù)最大值更是分別達(dá)到了29.46、20.88。由此可見,湛江觀海長廊表層沉積物的重金屬污染問題在夏季和冬季較為突出,尤其是菉塘河南側(cè)離河口排污較近的GHCL01和GHCL02。

圖4 綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of comprehensive pollution index

3 結(jié) 論

(1) 湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中8種重金屬(As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn和Hg)與GB 18668—2002第一類標(biāo)準(zhǔn)相比,有標(biāo)準(zhǔn)限值的重金屬平均值均沒有超標(biāo),但除Pb和Ni,其余6種重金屬平均值都超過了廣東省雷州半島磚紅壤重金屬環(huán)境背景值。

(2) 湛江觀海長廊紅樹林表層沉積中8種重金屬的污染存在明顯的時(shí)空分布規(guī)律。從時(shí)間變化看,8種重金屬在夏季和冬季污染較為突出;從空間分布看,位于菉塘河河口排污南側(cè)的GHCL01和GHCL02的重金屬污染較為嚴(yán)重。Cd和Hg的變異系數(shù)大,內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)發(fā)現(xiàn)多為重度污染。