環(huán)渤海濱海濕地重金屬的時空變化及來源分析

簡銳風,岳甫均,朱兆洲,劉小龍,張璐瑤

環(huán)渤海濱海濕地重金屬的時空變化及來源分析

簡銳風1,2,岳甫均3,4*,朱兆洲2,劉小龍2,張璐瑤1,2

(1.天津師范大學,地理與環(huán)境科學學院,天津 300387；2.天津師范大學,天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室,天津 300387；3.天津大學,地球系統(tǒng)科學學院,天津 300072；4.天津大學,天津環(huán)渤海濱海地球關(guān)鍵帶國家野外科學觀測研究站,天津 300450)

以環(huán)渤海濱海濕地的水體、表層沉積物、表層土壤重金屬為對象,通過收集已有數(shù)據(jù),利用內(nèi)梅羅指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、主成分分析等方法分析了重金屬的時空變化、污染水平、來源,旨在為環(huán)渤海地區(qū)濱海濕地重金屬污染防控、治理提供重要信息.結(jié)果表明:2000～2020年,環(huán)渤海濱海濕地水體As、Pb、Cd、Cu濃度上升,Cr、Hg、Zn濃度下降;濕地表層沉積物As、Ni含量變化較小,Cr、Cu、Zn、Hg含量上升,Pb、Cd含量下降;濕地表層土壤Cr、Zn含量上升,As、Cu、Ni、Pb、Cd、Hg含量下降,三種濕地環(huán)境介質(zhì)表現(xiàn)出差異性變化;環(huán)渤海濱海濕地重金屬中Cd、Hg單因子污染水平較高,分別為2.67和2.57;2010s環(huán)渤海濱海濕地重金屬綜合污染水平較高,水體、沉積物、土壤的內(nèi)梅羅指數(shù)和污染負荷指數(shù)分別為1.53、4.49、2.52和0.34、0.96、1.44,但在中國三大經(jīng)濟圈中處于較低水平; Cu、Ni、Cr、Zn、As對環(huán)渤海濱海濕地環(huán)境影響程度較低,主要來源于自然來源及少量人為來源;Hg、Pb、Cd對環(huán)渤海濱海濕地環(huán)境影響程度較高,主要來自重工業(yè)、與重工業(yè)聯(lián)系較強的輕工業(yè).

濱海濕地；環(huán)渤海；重金屬；時空變化；來源分析

濕地、森林和海洋并稱地球三大生態(tài)系統(tǒng)[1],其中濕地在維持生態(tài)平衡、涵養(yǎng)水源、凈化污染物等方面具有重要的作用[2].在眾多的濕地類型中,濱海濕地蘊藏著豐富的水、土與生物資源,是介于海洋與陸地的重要生態(tài)緩沖區(qū),除擁有濕地常見重要功能外,還擁有諸如有效遏制海岸侵蝕、防止海水入侵等特殊的功能[3].隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類排放的污染物輸入并累積在濕地的水、沉積物、土壤等環(huán)境介質(zhì)中導(dǎo)致濱海濕地污染[4-7].在各種污染物中,重金屬由于其極強的毒理效應(yīng),通過各種方式在生態(tài)系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化,會影響濕地功能且直接或間接對人類及濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)造成危害[8-9].中國的濱海濕地主要分布在東部沿海11個省(市、區(qū))和港澳臺地區(qū),環(huán)渤海、長三角、珠三角這三大經(jīng)濟區(qū)的濱海濕地受人類活動影響最為突出.

環(huán)渤海地區(qū)是中國濱海濕地主要集聚區(qū)之一,解析該區(qū)域內(nèi)重要濱海濕地重金屬賦存與來源具有重要意義.環(huán)渤海地區(qū)一般指環(huán)渤海經(jīng)濟圈,2021年GDP和人口占中國的18.1%和17.6%,其與長三角、珠三角地區(qū)在我國的社會經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位[10].以第二產(chǎn)業(yè)為主的環(huán)渤海地區(qū)存在大量的重金屬污染物源,導(dǎo)致重金屬成為渤海環(huán)境質(zhì)量惡化的主要污染物[11],而環(huán)渤海地區(qū)濱海濕地凈化污染物的功能對于緩解渤海重金屬污染具有重要作用.如今重金屬已通過各種途徑進入環(huán)渤海濱海濕地中,環(huán)渤海濱海濕地大范圍的污染現(xiàn)狀是目前濕地污染防控需要了解的基礎(chǔ)內(nèi)容.國內(nèi)對環(huán)渤海重金屬的大范圍研究較少,且已有研究未分析其時間變化,僅分別對環(huán)渤海蘆葦濕地沉積物重金屬、環(huán)渤海土壤重金屬進行了污染評價[10,12].

本研究通過對已有環(huán)渤海濱海濕地水體、表層沉積物、表層土壤(以下分別簡稱為沉積物、土壤)重金屬數(shù)據(jù)進行收集,使用多種統(tǒng)計分析方法對其進行研究和討論,旨在認識環(huán)渤海濱海濕地水體、沉積物和土壤環(huán)境中的重金屬污染水平及時空變化趨勢,了解其污染現(xiàn)狀與主要來源,為環(huán)渤海地區(qū)濱海濕地重金屬污染防控、治理提供重要依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 研究區(qū)濱海濕地的分布 環(huán)渤海地區(qū)重要濱海濕地如圖1所示,這些濱海濕地主要是經(jīng)過海陸變遷、地下水、河流、潮流、波浪等陸地和海洋環(huán)境因素及生物因素綜合作用下形成的[13].

圖1 環(huán)渤海重要濱海濕地分布

基于自然資源部標準地圖服務(wù)網(wǎng)站GS(2019)1822號的標準地圖制作,底圖邊界無修改

1.1.2 研究區(qū)經(jīng)濟與人口概況 經(jīng)濟的高速發(fā)展會帶來人口大量集聚,從1970～2021年,環(huán)渤海地區(qū)的GDP與人口由418.37億元、14727萬人增長到了166766.35億元、23220萬人[14],這種增長帶來了極高的環(huán)境壓力[15].

1.1.3 自然資源概況 環(huán)渤海地區(qū)具有豐富的自然資源,其中灘涂資源、漁類資源、油氣資源最為突出[16-18].灘涂是濱海濕地的一種類型,環(huán)渤海地區(qū)沿海灘涂面積高達68.04×104hm2,集中分布在黃河三角洲和遼河三角洲地區(qū);渤海的漁業(yè)資源量約為58×104t/a,遼東灣、灤河口、渤海灣和萊州灣是我國重要的漁場,與濱海濕地位置有較大重合;環(huán)渤海油氣資源較為突出,包括華北、大港、勝利、渤海、冀東、遼河油田.

1.1.4 濕地面積變化 由于人類活動的影響,環(huán)渤海濱海濕地近40a來自然濕地面積減少了66%,人工濕地面積增加了162%,演變趨勢為自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變,人工濕地向非濕地轉(zhuǎn)變[19].為了有效遏制濱海濕地退化趨勢,2017年后包括天津市在內(nèi)的環(huán)渤海行政單位都制定了《自然保護區(qū)區(qū)劃》,對濕地進行政策上的“退塘還濕”、“退養(yǎng)還濕”、“退耕還濕”等修復(fù)工作,目前已有初步成效[20].

1.1.5 廢水排放情況 2000年來環(huán)渤海地區(qū)廢水排放總量波動增長,2000s～2010s增長了42.3%[21].據(jù)研究表明,2005年以來環(huán)渤海地區(qū)水污染物空間溢出效應(yīng)明顯,高排放區(qū)從零星分布向連片分布轉(zhuǎn)變,環(huán)渤海地區(qū)已成為水污染物高排放區(qū)的疊加區(qū)域[22].

1.2 數(shù)據(jù)的來源與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 主要的數(shù)據(jù)來源為環(huán)渤海濱海濕地重金屬研究文獻,從中國知網(wǎng)、Web of science、Researchgate、American Geophysical Union、Proquest、谷歌學術(shù)中按濱海濕地保護區(qū)名/濕地所在地地名、濕地(wetland)、重金屬(heavy metal)等關(guān)鍵詞對文獻進行搜索并篩選,搜索截止時間為2022年底.搜索時對土壤與沉積物有所區(qū)分,濕地沉積物與土壤物源相似,主要區(qū)別在于是否被水體覆蓋,二者可以通過一系列過程相互轉(zhuǎn)化.

通過對檢索結(jié)果進行篩選,僅120篇文獻符合要求,含中文文獻71篇,外文文獻49篇,以其數(shù)據(jù)建立了環(huán)渤海濱海濕地重金屬數(shù)據(jù)庫,含有2000年以前數(shù)據(jù)的文獻7篇,包括1990年以前的早期數(shù)據(jù)1篇,2000s (2000～2009年)數(shù)據(jù)的文獻40篇, 2010s(2010～2019年)數(shù)據(jù)的文獻83篇(其中2020前后,包括2017～2022年,即around 2020,簡稱a2020,30篇);水體文獻16篇,沉積物文獻62篇,土壤文獻52篇;As數(shù)據(jù)97條,Cd數(shù)據(jù)138條,Cr數(shù)據(jù)112條,Cu數(shù)據(jù)146條,Hg數(shù)據(jù)68條,Ni數(shù)據(jù)58條,Pb數(shù)據(jù)151條,Zn數(shù)據(jù)141條.由于存在一篇文獻擁有不同時間段、不同環(huán)境介質(zhì)的數(shù)據(jù),因此文獻總量與時段、不同環(huán)境介質(zhì)的文獻數(shù)量總和存在不匹配的情況.

1.2.2 方法 (1)時空變化分析方法:將環(huán)渤海濱海濕地分為萊州灣(1～3,圖1)、渤海灣(4～15)、渤海中部沿岸(16～19)、遼東灣(20～26)四個區(qū)域進行不同介質(zhì)重金屬加權(quán)平均值的時空變化分析,僅對數(shù)據(jù)較齊全的2010s時段進行具體的空間變化分析.

(2)重金屬污染評估方法:重金屬評估方法較多,結(jié)合數(shù)據(jù)庫的情況,選擇在單因子指數(shù)基礎(chǔ)上使用內(nèi)梅羅指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法(PLI)對重金屬綜合污染水平進行評價.單因子指數(shù)法是對某一污染物的污染程度進行簡單評價的方法[23],其計算公式為:

式中:A為污染物的單因子評價指數(shù);C為污染物的濃度;S為污染物的評價標準值.環(huán)渤海濱海濕地評價中所使用標準值如表1所示,水體采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)[24],沉積物采用環(huán)渤海地區(qū)土壤背景值、土壤采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618-1995)[25],其中土壤不使用最新的GB 15618-2018試行標準的原因是其強調(diào)作為農(nóng)用地的標準,而GB 15618-1995中I類標準可適用于自然保護區(qū).

內(nèi)梅羅指數(shù)法是在單因子污染指數(shù)評價的基礎(chǔ)上對多因子綜合評價的方法[26-28],其計算公式為:

PLI法是Tomlinson等在研究重金屬污染水平分級時提出的一種評價方法,它能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻程度,以及重金屬在時空上的變化趨勢[29],計算方法如下:

表1 單因子評價指數(shù)所使用標準值

首先計算單個重金屬的最高污染系數(shù),其與單因子污染指數(shù)計算(公式1)相似,但分母S一般指當?shù)刂亟饘僭乇尘爸?外文文獻一般使用全球頁巖平均值或當?shù)乇尘爸礫30],同時存在將其應(yīng)用于地表水評價的情景[31].故結(jié)合實際情況在計算地表水PLI指數(shù)時使用單因子指數(shù)代替最高污染系數(shù)進行計算,而計算沉積物和土壤PLI指數(shù)時使用環(huán)渤海地區(qū)土壤背景值作為S值而不使用全球頁巖平均值.

其次計算某一點的污染負荷指數(shù),公式為:

式中:A為重金屬的最高污染系數(shù);為參與評價的重金屬種類數(shù).

最后計算某一區(qū)域的污染負荷指數(shù),公式為:

式中:PLI為某一點的污染負荷指數(shù);為參與評價的點的個數(shù).當PLI<1時,代表尚清潔;當1

(3)重金屬來源分析方法:主成分分析及聚類分析是進行重金屬來源分析的常用方法[32-33],故采用SPSS 26的最大方差旋轉(zhuǎn)的主成分分析與系統(tǒng)聚類分析對環(huán)渤海濱海濕地重金屬的來源進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)渤海濱海濕地重金屬時空變化分析

2.1.1 環(huán)渤海濱海濕地水體重金屬濃度時空變化分析 如圖2所示,從2000s～2010s,環(huán)渤海濱海濕地水體As、Pb、Cd、Cu濃度呈上升趨勢,其中Pb、Cd、Cu上升幅度可達402%～611%;Cr、Hg、Zn濃度呈下降趨勢,最大下降幅度為Hg,下降了96%.

早期研究中,1981年黃河三角洲濕地水體Hg、Pb、Zn濃度明顯高于近20a萊州灣濱海濕地,其中Hg濃度超過現(xiàn)今濃度14倍.2000s～2010s,①萊州灣濱海濕地水體As濃度變化較小;Cr、Pb、Cd、Cu濃度呈上升趨勢,其中Cr、Cd、Cu濃度上升幅度較大,分別上升了812%、362%、109%;Hg、Zn濃度呈下降趨勢,分別下降了85%和64%.②渤海灣濱海濕地水體As、Cr、Hg濃度呈下降趨勢,Pb、Cd濃度呈上升趨勢,其中Hg、Pb、Cd濃度變化幅度極大,Hg濃度下降到原來的0.96%,Pb、Cd濃度分別上升到原來的15和21倍.③遼東灣濱海濕地水體Pb濃度變化較小,Cd、Cu、Zn濃度呈上升趨勢,分別是原來的3.3倍、30倍、4.1倍. Hg濃度下降到了原來的一半.

2010s,環(huán)渤海濱海濕地水體重金屬在空間上的變化為:As濃度遼東灣>渤海灣>萊州灣,Cd濃度分布與之相反;Cr、Pb濃度渤海灣>萊州灣>遼東灣,Hg濃度分布與之相反;Cu濃度遼東灣>萊州灣,Zn濃度分布與之相反.

2.1.2 環(huán)渤海濱海濕地沉積物重金屬含量時空變化分析 如圖3所示,近20a來環(huán)渤海濱海濕地沉積物As、Ni含量變化較小,Cr、Cu、Zn、Hg含量上升,其中Cr、Hg含量上升幅度較大,分別為56.1%和36.4%;Pb、Cd含量下降,其中Cd下降了46.2%,幅度較大.沉積物重金屬含量時空上的變化可以通過對各區(qū)域分別分析獲取.

與早期數(shù)據(jù)相比, 1990s黃河三角洲濕地無Cr檢出,Pb含量略低于近20a,但Cu、Ni、Zn是近20a的1.5～2倍; 1980s～1990s遼河三角洲濕地Cd、Cu、Pb、Zn是近20a的一半左右,但As、Hg含量是近20a的2.1與4.8倍.2010s與2000s相比,①萊州灣濱海濕地沉積物Pb、Hg含量變化較小;As、Cr、Cu、Zn、Cd含量呈上升趨勢,其中幅度較大的是Cr和Cd,都上升了114%;而Ni含量下降了20%.②渤海中部沿岸濱海濕地沉積物重金屬主要呈上升趨勢,其中Zn、Cd、Hg幅度變化較大,分別上升了53.3%、69.8%、86.4%,其它重金屬變化幅度較小.③遼東灣沿岸濱海濕地沉積物As含量變化不大,Cr含量上升了56%,其他重金屬含量下降了17%～27%,其中最大下降幅度為Cd的50%.為體現(xiàn)最新含量變化,將a2020重金屬含量與2010s比較,①萊州灣濱海濕地大多重金屬含量變化不大,體現(xiàn)為As含量下降,Cr、Cu、Ni、Pb含量上升,變化幅度在4.8%～28%之間,變化最大的是Cd含量上升了55%;②遼東灣濱海濕地變化較大的Hg含量上升195%,Cd含量下降75%,其他重金屬含量上升了26%～54%.

圖2 環(huán)渤海濱海濕地水體重金屬濃度均值濃度時空變化

圖3 環(huán)渤海濱海濕地沉積物重金屬含量均值時空變化

2010s渤海中部沿岸濱海濕地所有重金屬含量都較低,As、Cd、Cr、Zn含量遼東灣最高,其次As、Cd含量萊州灣>渤海灣, Cr、Zn含量渤海灣>萊州灣;Cu、Hg、Ni、Pb含量渤海灣最高,其次遼東灣>萊州灣.

2.1.3 環(huán)渤海濱海濕地土壤重金屬含量時空變化分析 如圖4所示,2000s～2010s環(huán)渤海濱海濕地土壤Cr、Zn含量呈上升趨勢, Cr上升幅度較大,上升了40.4%;As、Cu、Ni、Pb、Cd含量下降了9.1%～26.6%,下降幅度最大的是Hg,下降了77.9%.從2010s～a2020,除Cd外各重金屬含量都略有上升,Cd含量略有下降.

圖4 環(huán)渤海濱海濕地土壤重金屬濃度均值時空變化

早期已有學者對黃河三角洲濕地土壤重金屬進行研究,與近20a相比, As、Cd、Cu、Pb、Zn含量是1996年的2～3倍.近20a來,①萊州灣濱海濕地土壤重金屬含量整體呈下降趨勢,Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量下降了20%～31%,As、Cd含量下降幅度較大,分別為48%和72%.②渤海灣濱海濕地土壤As、Pb、Zn、Cd含量上升,其中As、Cd含量上升幅度達98.5%和113.7%,Cr、Cu、Ni、Hg含量下降,最大下降幅度為Hg的41.8%.③遼東灣沿岸濱海濕地土壤Cr、Zn、Cd含量大幅增長,分別增長了310%、83%、77.7%,Cu含量小幅增長16.3%,Pb含量小幅降低31.5%,As含量幾乎無變化.與2010s相比,最新的a2020數(shù)據(jù)中①萊州灣濱海濕地重金屬都呈現(xiàn)上升趨勢,除Cd上升幅度不大外,其他重金屬都上升了36%～74%;②渤海灣濱海濕地Cr、Cu、Ni上升了9%～21%,As、Pb、Zn下降了5.4%～29%,最大下降幅度Cd為77%;③遼東灣濱海濕地重金屬變化幅度較小,其中Cu、Cd上升幅度較大,分別為32%、16%.

渤海中部沿岸濱海濕地2010s土壤重金屬含量與沉積物含量類似,幾乎都為最低水平,As、Pb、Cd含量渤海灣最高,其中As、Pb萊州灣>遼東灣,而Cd與之相反;Cr、Cu、Ni、Zn含量遼東灣>渤海灣>萊州灣.

2.2 環(huán)渤海濱海濕地重金屬污染綜合評價

環(huán)渤海濱海濕地重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)2000～2020年單因子指數(shù)均值分別為0.70、2.7、0.79、0.57、2.6、0.63、0.59、0.83,其中Cd、Hg平均污染水平較高,其他重金屬平均污染水平較低.與前人對環(huán)渤海蘆葦濕地沉積物、全域土壤重金屬進行的污染評價結(jié)果相近[10,12].內(nèi)梅羅指數(shù)均值如表2所示,各區(qū)域指數(shù)中有3個屬于非污染,7個屬于輕度污染,3個屬于中度污染,13個屬于重度污染,顯然整個環(huán)渤海濱海濕地重金屬污染水平較高,其變化情況為:從2000s～2010s,水體、沉積物重金屬污染水平呈下降的趨勢,其中沉積物重金屬污染水平未離開重度范圍,而土壤重金屬污染水平由中度上升為重度.從環(huán)渤海各區(qū)域來看,重金屬污染水平最高的介質(zhì)為2000s的渤海灣水體和遼東灣沉積物,污染水平變化情況為:①萊州灣濱海濕地水體、土壤在兩個時段污染水平由重度轉(zhuǎn)為輕度,而沉積物正好相反;②渤海灣濱海濕地水體在兩個時段污染程度由重度變?yōu)橹卸?沉積物與之相反;③渤海中部沿岸濱海濕地沉積物由非污染變?yōu)檩p度污染;④遼東灣濱海濕地水體、土壤在兩個時段間污染水平上升,而沉積物雖然保持重度污染,但污染水平明顯大幅下降,內(nèi)梅羅指數(shù)由22.5下降到了9.3.

表2 環(huán)渤海濱海濕地重金屬評價指數(shù)

環(huán)渤海濱海濕地的重金屬平均污染負荷指數(shù)最高不超過2,最多到達中度污染負荷的水平.各區(qū)域指數(shù)中有16個屬于清潔,10個屬于中度污染負荷.可見環(huán)渤海地區(qū)濱海濕地重金屬污染負荷水平①水體整體上較清潔,負荷較低;②沉積物主要在渤海灣及遼東灣出現(xiàn)了中度負荷的情況,而萊州灣、渤海中部沿岸、環(huán)渤海地區(qū)整體負荷較低;③土壤整體上都出現(xiàn)了中度負荷的情況,但2010s萊州灣和渤海中部沿岸污染負荷較低.④2000s～2010s環(huán)渤海濱海濕地整體上水體和沉積物污染負荷上升但依然處于清潔水平,土壤污染負荷下降但依然處于中度污染負荷水平.

2.3 環(huán)渤海濱海濕地重金屬來源分析

2.3.1 主成分分析 環(huán)渤海濱海濕地重金屬數(shù)據(jù)分時段無法通過KMO與Bartlett球形檢驗,但全時段數(shù)據(jù)KMO檢驗值為0.764>0.5,Bartlett球形檢驗值顯著性水平<0.05,可以通過檢驗,故以之進行最大方差旋轉(zhuǎn)的主成分分析.結(jié)果如表3所示,其存在兩個結(jié)果特征值大于1,故可以提取2個主成分,主成分1、2分別可解釋總變量方差的41.7%、38.2%.累積方差貢獻率達到了79.9%.其中As、Cr、Cu、Ni、Zn在第1主成分上有較高的載荷,Cd、Hg、Pb在第2主成分中存在較高載荷,其中Zn在兩個成分上都有接近的載荷水平,在同一主成分上具有較高載荷的重金屬元素可能具有同源性.

表3 環(huán)渤海濱海濕地重金屬含量主成分分析

2.3.2 系統(tǒng)聚類分析 為了深入分析主成分分析的結(jié)果,找出環(huán)渤海濱海濕地重金屬更詳細的來源劃分,對環(huán)渤海濱海濕地重金屬含量進行了系統(tǒng)聚類分析.通過將不同的聚類方法進行結(jié)果生成,最終選擇了與主成分分析相匹配的皮爾遜相關(guān)質(zhì)心聚類方法,結(jié)果如圖5所示.該種系統(tǒng)聚類分析組合將8種重金屬分為了與主成分分析相同的As、Cr、Cu、Ni、Zn與Hg、Pb、Cd兩大類,同時進行了更細微的劃分:一大類中將Cu、Ni分為一類,Cr、Zn分為一類、As分為一類,另一大類中Hg與Pb關(guān)系更近,分為一小類的重金屬可能有相似的性質(zhì)或污染來源.

圖5 環(huán)渤海濱海濕地重金屬含量系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

3 討論

3.1 環(huán)渤海濱海濕地重金屬時空變化的機理研究

上文分析的結(jié)果表明環(huán)渤海濱海濕地重金屬在時空上的變化對于不同介質(zhì)、不同種類重金屬都有所區(qū)別,存在濃度或含量(以下簡稱含量)上升、下降及相近的情況,出現(xiàn)這種情況是因為多種影響因素的制約.影響因素按影響方式分為影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的因素和影響重金屬來源的因素.前者影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化存在直接和間接兩種方式,大多數(shù)研究者使用相關(guān)分析對其進行研究[34-38],后者則被研究者們使用案例討論等方式進行探究[39-42].本研究首先討論影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的因素,而對影響重金屬來源的因素與下文對重金屬來源一起討論.

多數(shù)研究表明,影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的直接因素有:固體顆粒物對重金屬離子的吸附、吸附劑本身的組成和性質(zhì)、重金屬本身的化學性質(zhì)和存在狀態(tài)等[6,32,43].水體中主要有水流量、鹽度、pH值、有機碳含量等因素[6],沉積物中主要有有機碳含量、沉積物粒度、鐵和錳的含量等因素[35,44],土壤中主要有有機碳含量、有機氮含量、鹽分、pH值、土壤的物理性狀等因素[43,45-47].而間接因素主要通過影響上述直接因素來影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化,比如降水變化對水流量有明顯影響;微地形影響水位差與植被蓋度,二者又影響土壤環(huán)境中有機質(zhì)含量、土壤物理性狀等因素[48].

無論是直接或間接影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的因素在時空上都會有所變化,但在本研究的尺度上一部分影響因素隨時間變化不大,而隨空間變化較大.例如,土壤中有機質(zhì)含量在遼東灣、渤海灣、渤海中部沿岸地區(qū)的含量較高,在0～30cm的土層中可達10～20g/kg,而萊州灣濱海地區(qū)含量較低,約為6～10kg[49],有機質(zhì)含量與除碳酸鹽結(jié)合態(tài)的大部分重金屬含量呈正相關(guān)[50],因此萊州灣濱海濕地受有機質(zhì)影響的情況比其他區(qū)域弱,其受有機質(zhì)含量影響的重金屬含量會比其他區(qū)域更少.另一個例子是沉積物粒度,其在環(huán)渤海濱海濕地的變化主要體現(xiàn)為海岸類型的變化,在萊州灣西南岸、渤海灣、遼東灣北岸的海岸沉積物大多都存在黏粒,體現(xiàn)為(粉砂)淤泥質(zhì)海岸[51],而渤海中部沿岸、萊州灣東南岸、遼東灣東西兩岸部分地區(qū)幾乎不存在黏粒,體現(xiàn)為以砂礫為主的砂質(zhì)海岸[52].黏粒、粉粒、砂礫的粒徑由小到大,小顆粒沉積物具有更大的比表面積,有更高的表面活性能力適合重金屬吸附,因此重金屬與沉積物粒徑體現(xiàn)為負相關(guān)[53],渤海中部沿岸整體較低的重金屬含量水平結(jié)合其砂質(zhì)海岸沉積物粒徑較大的情形正好照應(yīng)了這種相關(guān)性.

各種因素耦合后還會導(dǎo)致其在互相影響的同時共同影響重金屬含量,體現(xiàn)為不同研究中單因素與重金屬含量存在不同的相關(guān)性.該情況在環(huán)渤海濱海濕地研究中的發(fā)生不在少數(shù),例如:黃河三角洲濕地與遼河三角洲濕地的研究中水體懸浮顆粒物與懸浮態(tài)重金屬濃度相關(guān)性相反[34-35];季節(jié)變化會導(dǎo)致大遼河口溶解態(tài)重金屬與鹽度相關(guān)度變化[54];黃河三角洲濕地沉積物中對于Hg含量是否受到有機質(zhì)影響在不同研究中得出了相反結(jié)論[6,55];黃河三角洲濕地沉積物研究中Cr、Cd含量明顯沒有受到有機質(zhì)影響,重金屬含量與沉積物粒度相關(guān),而昌黎黃金海岸沉積物研究中Cr與有機質(zhì)顯著相關(guān),重金屬與沉積物粒徑相關(guān)性不顯著[6,55-56];渤海西海岸潮上帶濱海濕地的土壤有機質(zhì)只有達到一定程度才會影響土壤中的重金屬積累[36].綜上所述,環(huán)渤海濱海濕地影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的因素多種多樣、互相耦合,進而形成了研究時段內(nèi)復(fù)雜的重金屬時空格局.

3.2 環(huán)渤海濱海濕地重金屬來源探討

環(huán)渤海濱海濕地八種重金屬除常見的成土母質(zhì)等自然來源外,潛在人為來源多種多樣,包括含重金屬垃圾掩埋和焚燒、采礦與冶金、金屬鹽生產(chǎn)、實驗室廢棄物、化石燃料的燃燒等常見共同來源[57-58];也包括農(nóng)藥化肥、有機化工、紡織、印刷、造紙、玻璃制造、制革、油漆制造、木材防腐等化工輕工業(yè)來源,其主要帶來除Pb外的重金屬[59-65];還包括金屬加工、機械制造、電鍍、工程施工、電池工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)等工程與重工業(yè)來源,其主要帶來除As外的重金屬[66-72];此外石油開采是Cu、Ni的重要來源之一,同時存在陸源與海源污染情況[73].除上述潛在來源外,水體、沉積物、土壤、大氣、生物等重金屬匯會因為污水灌溉、大氣沉降、底泥釋放、動植物殘體腐殖化等原因成為重金屬污染的二次來源.

通過結(jié)合來源分析的結(jié)果與潛在來源可知:在第一主成分中Cu、Ni被分為一類,它們是石油中重要的重金屬元素[73],其主要人為來源為石油污染與石油的使用.Cr、Zn被分為一類,都為親銅重金屬[73],共同主要人為來源為工業(yè)廢水的排放.As單獨為一類,其部分來自與前兩類重金屬相似的工業(yè)污染,除此之外還來自農(nóng)業(yè)污染[74].第一主成分的重金屬平均污染水平從單因子指數(shù)上來看都未超過1,其指數(shù)在研究區(qū)內(nèi)不均勻分布,結(jié)合環(huán)渤海地區(qū)重工業(yè)比例高于輕工業(yè)的情況,將其總結(jié)為在環(huán)渤海濱海濕地中受人為來源影響較低的重金屬組合,主要來源為自然來源、與重工業(yè)聯(lián)系較低的化工輕工業(yè)(染料油漆、木材紙張等)、部分重工業(yè).Zn在兩個主成分中載荷接近相同,將其與第二主成分一起討論.第二主成分中Hg、Pb、Cd、Zn均有在沉積物、土壤中污染水平較高的情況,且均主要來自工業(yè)廢水、工程工業(yè)機械磨損等來源的重金屬,故將其總結(jié)為在環(huán)渤海濱海濕地中受人為來源影響較大的重金屬組合,主要來自重工業(yè)、與重工業(yè)及工程聯(lián)系較高的輕工業(yè)(水泥、電池、機械維護用化工產(chǎn)品等).

影響環(huán)渤海濱海濕地重金屬來源的因素多種多樣,包括政策法規(guī)、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)集聚、技術(shù)革新、重大事故等.政策法規(guī)上,2000年前后國家在第四～六次全國環(huán)境保護會議后修訂并出臺了《水污染防治法》、《清潔生產(chǎn)促進法》等一系列法規(guī),控制了當時高度發(fā)展的工業(yè)帶來的廢水排放,間接影響了2000s重金屬污染的增長幅度.2010年前后對早期法規(guī)的修訂,頒布《中華人民共和國環(huán)境保護法》等新法規(guī)進一步對廢水排放進行了規(guī)制[40],體現(xiàn)為2010s重金屬污染水平的下降.經(jīng)濟方面有研究表明經(jīng)濟發(fā)展會導(dǎo)致重金屬來源減少[75],該結(jié)論與2000s年后環(huán)渤海濱海濕地重金屬綜合污染水平整體呈下降趨勢相符.產(chǎn)業(yè)集聚上,2000s時渤海灣、遼東灣、渤海中部沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對工業(yè)廢水的減排效應(yīng)較弱,而萊州灣地區(qū)減排效應(yīng)增強,2010s時渤海灣、遼東灣、渤海中部沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對工業(yè)廢水的減排效應(yīng)有所增強,但萊州灣減排效應(yīng)減弱[39].技術(shù)革新體現(xiàn)在對含重金屬廢水處理方式的進步上,傳統(tǒng)的化學沉淀法、化學還原法、吸附法、溶劑萃取法、膜分離法陸續(xù)從實驗室應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中,從單一方法到使用多種方法對重金屬廢水進行處理,使排放的廢水中重金屬含量降低[76].在諸多事故中,對環(huán)渤海濱海濕地影響較大的事故為2011年康菲公司所述蓬萊19-3油田發(fā)生的大范圍溢油事故,原油中的Ni和Pb等有害重金屬因此首先進入渤海灣濱海濕地中,并隨石油污染的遷移影響環(huán)渤海其他濱海濕地[77].

3.3 中國三大經(jīng)濟圈濱海濕地重金屬污染水平的比較

為充分了解環(huán)渤海濱海濕地污染水平的高低,將其2010s數(shù)據(jù)及土壤介質(zhì)存在的a2020數(shù)據(jù)與前人在環(huán)渤海的重金屬研究數(shù)據(jù)、長三角、珠三角濱海濕地數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果見表4.在中國三大經(jīng)濟圈濱海濕地的水體中,環(huán)渤海濱海濕地、長江口濱海濕地水體各重金屬單因子指數(shù)均未超過1,代表其平均含量未超過標準值,珠江口濱海濕地水體單因子指數(shù)中Hg超標極為嚴重,Pb存在一定超標現(xiàn)象.環(huán)渤海濱海濕地水體內(nèi)梅羅指數(shù)處于1～2之間,體現(xiàn)為輕度污染,長江口濱海濕地水體內(nèi)梅羅指數(shù)小于1,屬非污染水體,而珠江口濱海濕地水體內(nèi)梅羅指數(shù)高達11.97,處于十分嚴重的污染水平.三大經(jīng)濟區(qū)濱海濕地水體的PLI指數(shù)都未超過1,說明它們的重金屬污染負荷指數(shù)都處于清潔范圍內(nèi),環(huán)渤海濱海濕地水體的重金屬污染負荷指數(shù)略高于其他兩大經(jīng)濟區(qū).

表4 中國三大經(jīng)濟圈濱海濕地重金屬污染水平比較

注:/為無數(shù)據(jù)或無標準值而無法計算指數(shù),所有環(huán)渤海數(shù)據(jù)由表1標準計算;a采用地表水I類標準值計算;b采用海水II類標準值計算;c采用上海市土壤背景值計算;d采用珠三角土壤背景值計算;e采用土壤I類標準值計算.

沉積物研究中,環(huán)渤海濱海濕地在2010s存在相近的污染水平,需要注意在最新的2022年研究中出現(xiàn)多數(shù)重金屬超標且內(nèi)梅羅指數(shù)極高的情況.此外,環(huán)渤海濱海濕地沉積物Hg含量高于珠江口濱海濕地且超過標準值,Cd含量在三大經(jīng)濟圈的濱海濕地沉積物中都存在嚴重超標的現(xiàn)象,但環(huán)渤海濱海濕地沉積物Cd污染水平低于其他濕地.三大經(jīng)濟圈濱海濕地沉積物內(nèi)梅羅指數(shù)都大于3,處于嚴重污染水平,但環(huán)渤海濱海濕地沉積物的綜合污染水平明顯比其他兩個經(jīng)濟圈的濱海濕地低.三大經(jīng)濟區(qū)濱海濕地沉積物PLI指數(shù)都在1左右或超過1,說明三大經(jīng)濟區(qū)濱海濕地的沉積物重金屬污染負荷基本為中等負荷,且長江口重金屬污染負荷明顯大于珠江口及環(huán)渤海.其中環(huán)渤海地區(qū)濱海濕地整體沉積物PLI指數(shù)都小于1,但蘆葦濕地、潮間帶沉積物大于1,說明這兩種濕地污染負荷更大.

土壤研究中,環(huán)渤海濱海濕地2010s與環(huán)渤海整區(qū)統(tǒng)計的重金屬含量相差不大;環(huán)渤海濱海濕地土壤從2010s～a2020綜合污染水平、Cd污染水平下降,但As、Cr、Zn都由未超標變?yōu)槁晕⒊^標準值.環(huán)渤海a2020、長江口、珠江口濱海濕地土壤較多種重金屬超過標準值,其中超過標準值最多的是珠江口濱海濕地土壤的Cd,其指數(shù)高達15.6,是環(huán)渤海的近8倍.環(huán)渤海2010s和長江口濱海濕地土壤內(nèi)梅羅指數(shù)在2～3,屬中度污染,而珠江口濱海濕地土壤的內(nèi)梅羅指數(shù)高達16.2,存在非常嚴重的污染.三大經(jīng)濟區(qū)濱海濕地土壤PLI指數(shù)都在1以上,屬中度污染負荷,珠江口甚至接近3,達到了強污染的負荷水平.

4 結(jié)論

4.1 2000～2020年環(huán)渤海濱海濕地水體As、Pb、Cd、Cu濃度上升,Cr、Hg、Zn濃度下降;沉積物As、Ni含量變化較小,Cr、Cu、Zn、Hg含量上升,Pb、Cd含量下降;土壤Cr、Zn含量上升,As、Cu、Ni、Pb、Cd、Hg含量下降,三種濕地環(huán)境介質(zhì)表現(xiàn)出差異性變化.a2020與2010s相比,濕地沉積物重金屬中萊州灣濱海濕地As含量下降,Cr、Cu、Ni、Pb含量上升,遼東灣濱海濕地As、Cr、Ni、Zn、Hg含量上升,Cd含量下降;濕地土壤從2010s～a2020,除Cd外含量都略有上升.

4.2 環(huán)渤海濱海濕地2010s水體As、Hg、Cu濃度遼東灣最高,Cr、Pb濃度渤海灣最高,Cd、Zn濃度萊州灣最高;沉積物渤海中部沿岸所有重金屬含量最低,As、Cr、Zn、Cd含量遼東灣最高,Cu、Hg、Ni、Pb含量渤海灣最高;土壤在渤海中部沿岸所有重金屬含量最低,As、Pb、Cd含量渤海灣最高,Cr、Cu、Ni、Zn含量遼東灣最高.

4.3 環(huán)渤海濱海濕地重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)2000～2020年單因子指數(shù)均值分別為0.7、2.67、0.79、0.57、2.57、0.63、0.59、0.83,其中Cd、Hg平均污染水平較高.內(nèi)梅羅指數(shù)均值體現(xiàn)環(huán)渤海濱海濕地重金屬綜合污染水平較高,其中2000s的渤海灣水環(huán)境和遼東灣沉積環(huán)境污染水平最高.PLI指數(shù)體現(xiàn)環(huán)渤海濱海濕地沉積物、土壤存在一定的重金屬污染負荷,其中土壤負荷相比水體和沉積物較高.雖然環(huán)渤海濱海濕地水體PLI指數(shù)略高于其他兩大經(jīng)濟圈,但未達到中污染負荷,故認為內(nèi)梅羅指數(shù)與PLI指數(shù)都表明環(huán)渤海濱海濕地綜合重金屬污染水平在三大經(jīng)濟圈中相對較低.

4.4 環(huán)渤海濱海濕地重金屬中Cu、Ni、Cr、Zn、As主要來源于自然來源及少量人為來源.Hg、Pb、Cd來自對環(huán)渤海濱海濕地影響較大的人為來源,主要為重工業(yè)、與重工業(yè)聯(lián)系較高的輕工業(yè).

5 展望

5.1 近20a來環(huán)渤海濱海濕地研究更偏向于對黃河三角洲濕地和遼河三角洲濕地進行研究,其他重要濱海濕地研究較少.其他大部分重要濱海濕地近年來已經(jīng)被有關(guān)部門確立為濕地保護區(qū),且《中華人民共和國濕地保護法》自2022年6月1日已開始施行,這些被國家及政府重視的新保護區(qū)應(yīng)該被進行廣泛研究,達到研究區(qū)在環(huán)渤海地區(qū)“百花齊放”的效果.

5.2 需要重點關(guān)注環(huán)渤海濱海濕地Cd與Hg污染問題,這兩類污染主要體現(xiàn)在沉積環(huán)境中,Cd還體現(xiàn)于土壤環(huán)境中.應(yīng)該注意減少來自重工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的污染排放、廢水灌溉,繼續(xù)發(fā)展對污染物的處理技術(shù),對已受污染的濱海濕地進行修復(fù).

5.3 未來的研究可以重點關(guān)注重工業(yè)、化工污染排放對環(huán)渤海濱海濕地的影響,例如可以利用廢水進行污染模擬,利用已有數(shù)據(jù)進行重金屬污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬,利用同位素等方式對重金屬污染物在環(huán)渤海濱海濕地形態(tài)變化、遷移轉(zhuǎn)化路徑進行探究.還可以從地球關(guān)鍵帶角度入手,濱海濕地包含關(guān)鍵帶大部分內(nèi)容,通過對重金屬在地球關(guān)鍵帶各部分的循環(huán)可以進一步了解重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機理.上述研究都可以為環(huán)渤海濱海濕地重金屬污染的治理提供基礎(chǔ)資料.

[1] 楊永興.國際濕地科學研究的主要特點、進展與展望 [J]. 地理科學進展, 2002,(2):111-120. Yang Y X. Main characteristics, progress and prospect of international wetland science Research [J]. Progress in Geography, 2002,(2):111- 120.

[2] 張永澤,王 烜.自然濕地生態(tài)恢復(fù)研究綜述 [J]. 生態(tài)學報, 2001,(2):309-314. Zhang Y Z, Wang X. A review of ecological restoration studies on natural wetland [J]. Acta Ecologica Sinica, 2001,(2):309-314.

[3] 徐東霞,章光新.人類活動對中國濱海濕地的影響及其保護對策 [J]. 濕地科學, 2007,(3):282-288. Xu D X, Zhang G X. Impact of human activities on coastal wetlands in China [J]. Wetland Science, 2007,(3):282-288.

[4] 張曉龍,李培英,李 萍,等.中國濱海濕地研究現(xiàn)狀與展望 [J]. 海洋科學進展, 2005,(1):87-95. Zhang X L, Li P Y, Li P, et al. Present conditions and prospects of study on coastal wetlands in China [J]. Advances in Marine Science, 2005,(1):87-95.

[5] 劉 峰,李秀啟,董貫倉,等.黃河口濱海濕地水質(zhì)污染物現(xiàn)狀研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2011,31(10):1705-1710. Liu F, Li X Q, Dong G C, et al. Water pollution of Yellow River estuary coastal wetland [J]. China Environmental Science, 2011,31(10): 1705-1710.

[6] 劉淑民,姚慶禎,劉月良,等.黃河口濕地表層沉積物中重金屬的分布特征及其影響因素 [J]. 中國環(huán)境科學, 2012,32(9):1625-1631. Liu S M, Yao Q Z, Liu Y L, et al. Distribution and influence factors of heavy metals in surface sediments of the Yellow River Estuary wetland [J]. China Environmental Science, 2012,32(9):1625-1631.

[7] Ma Y Q, Qin Y W, Zheng B H, et al. Seasonal variation of enrichment, accumulation and sources of heavy metals in suspended particulate matter and surface sediments in the Daliao river and Daliao river estuary, Northeast China [J]. Environmental Earth Sciences, 2015,73: 5107-5117.

[8] 徐爭啟,倪師軍,庹先國,等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價中重金屬毒性系數(shù)計算 [J]. 環(huán)境科學與技術(shù), 2008,(2):112-115. Xu Z Q, Ni S J, Tou X G, et al. Calculation of heavy metals' toxicity coefficient in the evaluation of potential ecological risk index [J]. Environmental Science & Technology, 2008,(2):112-115.

[9] Rai P K. Heavy metal pollution in aquatic ecosystems and its phytoremediation using wetland plants: an ecosustainable approach [J]. International Journal of Phytoremediation, 2008,10(2):133-160.

[10] 葛曉穎,歐陽竹,楊林生,等.環(huán)渤海地區(qū)土壤重金屬富集狀況及來源分析 [J]. 環(huán)境科學學報, 2019,39(6):1979-1988. Ge X Y, Ouyang Z, Yang L S, et al. Concentration, risk assessment and sources of heavy metals in soil around Bohai Rim [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019,39(6):1979-1988.

[11] Gao X, Chen C T A. Heavy metal pollution status in surface sediments of the coastal Bohai Bay [J]. Water Research, 2012,46(6):1901-1911.

[12] 岳夢宇,任雨璇,徐 剛,等.環(huán)渤海蘆葦濕地沉積物重金屬污染評價 [J]. 環(huán)境科學與技術(shù), 2022,45(9):160-168. Yue M Y, Ren Y X, Xu G, et al. Assessment of heavy metal pollution in reed wetland sediments around Bohai Sea [J]. Environmental Science & Technology, 2022,45(9):160-168.

[13] 馬振興.天津濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)及其資源特征 [J]. 海洋通報, 1998,(2):72-77. Ma Z X. Coastal wetland ecosystem in Tianjin and its resource characteristics [J]. Marine Science Bulletin, 1998,(2):72-77.

[14] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2022:16-37. National Bureau of Statistics of the People's Republic of China. China Statistical Yearbook [M]. Beijing: China Statistics Press, 2022:16-37.

[15] 郭士康.產(chǎn)業(yè)集聚、人口規(guī)模對環(huán)境污染影響的時空異質(zhì)性研究 [D]. 無錫:江南大學, 2021. Guo S K. Research on Spatial and temporal heterogeneity of the effects of Industrial agglomeration and Population size on Environmental pollution [D]. Wuxi: Jiangnan University, 2021.

[16] 何書金,李秀彬,劉盛和.環(huán)渤海地區(qū)灘涂資源特點與開發(fā)利用模式 [J]. 地理科學進展, 2002,(1):25-34. He S J, Li X B, Liu S H. Beach resource characteristics and development model in Bohai Rim [J]. Progress in Geography, 2002, (1):25-34.

[17] 張耀光,關(guān) 偉,李春平,等.渤海海洋資源的開發(fā)與持續(xù)利用 [J]. 自然資源學報, 2002,(6):768-775. Zhang Y G, Guan W, Li C P, et al. A study on the exploition and the sustainable utilization of marine resources in the Bohai Sea [J]. Journal of Natural Resources, 2002,(6):768-775.

[18] 劉光鼎,郝天珧,祝靚誼.環(huán)渤海地區(qū)油氣資源探查的思考 [J]. 地球物理學進展, 2002,(4):559-563. Liu G D, Hao T Y, Zhu L Y. Review on the exploration of oil and gas resources around the Bohai Region [J]. Progress in Geophysics, 2002,(4):559-563.

[19] 魏 帆.1980～2017年圍填?；顒佑绊懴碌沫h(huán)渤海濱海濕地演變特征 [D]. 聊城:聊城大學, 2018. Wei F. Temporal and spatial dynamic evolution of coastal wetland under the action of sea reclamation in Bohai Rim during 1980～2017 [D]. Liaocheng: Liaocheng University, 2018.

[20] 邵曉龍,邢美楠,王金梅,等.退塘還濕生態(tài)修復(fù)效果評估——以天津七里海濕地為例 [J]. 環(huán)境工程學報, 2022,16(9):3102-3112. Shao X L, Xing M N, Wang J M, et al. Evaluation on the ecological restoration effect of returning fishpond to wetland: A case study in Qilihai wetland, Tianjin, China [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022,16(9):3102-3112.

[21] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2021:81-92. National Bureau of Statistics of the People's Republic of China. China environmental statistics yearbook [M]. Beijing: China Statistics Press, 2021:81-92.

[22] 周 侃,樊 杰,劉漢初.環(huán)渤海地區(qū)水污染物排放的時空格局及其驅(qū)動因素 [J]. 地理科學進展, 2017,36(2):171-181. Zhou K, Fan J, Liu H C. Spatiotemporal patterns and driving forces of water pollutant discharge in the Bohai Rim Region [J]. Progress in Geography, 2017,36(2):171-181.

[23] 曾 永,樊引琴,王麗偉,等.水質(zhì)模糊綜合評價法與單因子指數(shù)評價法比較 [J]. 人民黃河, 2007,(2):45,65. Zeng Y, Fan Y Q, Wang L W, et al. Comparison of water quality fuzzy comprehensive evaluation method and single factor index evaluation method [J]. Yellow Rive, 2007,(2):45,65.

[24] GB3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標準 [S]. GB3838-2002 Environmental quality standard for surface water [S].

[25] GB15618-1995 土壤環(huán)境質(zhì)量標準 [S]. GB15618-1995 Soil environmental quality standard [S].

[26] Kowalska J, Mazurek R, G?siorek M. Soil pollution indices conditioned by medieval metallurgical activity-A case study from Krakow (Poland) [J]. Environmental Pollution, 2016,218:1023-1036.

[27] 郭笑笑,劉叢強,朱兆洲,等.土壤重金屬污染評價方法 [J]. 生態(tài)學雜志, 2011,30(5):889-896. Guo X X, Liu C Q, Zhu Z Z, et al. Evaluation methods for soil heavy metals contamination: A review. [J]. Chinese Journal of Ecology, 2011,30(5):889-896.

[28] 陳 明,蔡青云,徐 慧,等.水體沉積物重金屬污染風險評價研究進展 [J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015,24(6):1069-1074. Chen M, Cai Q Y, Xu H, et al. Research progress of risk assessment of heavy metals pollution in water body sediments [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015,24(6):1069-1074.

[29] Tomlinson D, Wilson J, Harris C, et al. Problems in the assessment of heavy-metal levels in estuaries and the formation of a pollution index [J]. Helgol?nder Meeresuntersuchungen, 1980,33:566-575.

[30] Joksimovi? D, Pero?evi? A, Castelli A, et al. Assessment of heavy metal pollution in surface sediments of the Montenegrin coast: a 10-year review [J]. Journal of Soils and Sediments, 2020,20:2598- 2607.

[31] Abdullah M, Manap N, Saat A, et al. Assessment of surface water metal pollution based on pollution load index (pli) supported by multivariate statistical analysis [J]. Pollution Research, 2016,35(1):29- 35.

[32] Chen Y, Song Q, Pan L, et al. Trace metals, organic carbon and nutrients in the Beidagang Wetland Nature Reserve, northern China [EB/OL]. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204812 2018-10-02/ 2023-03-26.

[33] Li Y, Zhang H, Chen X, et al. Distribution of heavy metals in soils of the Yellow River Delta: concentrations in different soil horizons and source identification [J]. Journal of Soils & Sediments, 2014,14: 1158–1168.

[34] 張 雷,秦延文,馬迎群,等.大遼河感潮段及其近海河口重金屬空間分布及污染評價 [J]. 環(huán)境科學, 2014,35(9):3336-3345. Zhang L, Qin Y W, Ma Y Q, et al. Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in the tidal reach and its adjacent sea estuary of Daliaohe Area, China [J]. Environmental Science, 2014, 35(9):3336-3345.

[35] 張曉曉.黃河下游水體及河口濕地沉積物中重金屬的變化特征研究 [D]. 青島:中國海洋大學, 2010. Zhang X X. The variance characteristic of heavy metals in the lower reaches of the Huanghe and sediments of estuarine wetland [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2010.

[36] 鄭 義.渤海西海岸潮上帶濕地重金屬積累性風險及溯源分析 [D]. 天津:天津理工大學, 2018. Zheng Y. The accumulation risk and origin for heavy metals in the supratidal wetlands on the west coast of Bohai Sea [D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2018.

[37] Bai J, Xiao R, Zhang K, et al. Arsenic and heavy metal pollution in wetland soils from tidal freshwater and salt marshes before and after the flow-sediment regulation regime in the Yellow River Delta, China [J]. Journal of Hydrology, 2012,450:244-253.

[38] Lin C, He M, Liu S, et al. Contents, enrichment, toxicity and baselines of trace elements in the estuarine and coastal sediments of the Daliao River System, China [J]. Geochemical Journal, 2012,46(5):371-380.

[39] 蔣岱位.中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動對污染排放與區(qū)域生態(tài)效率的影響研究 [D]. 蘭州:蘭州大學, 2022. Jiang D W. Study on the impact of industrial structure changes on pollution emission and regional eco-efficiency in China [D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2022.

[40] 張國鳳.中國環(huán)境規(guī)制對環(huán)境污染的影響研究 [D]. 西安:西北大學, 2020. Zhang G F. Impact of industrial structure change on pollution emission and regional eco-efficiency in China [D]. Xi￠an: Northwestern University, 2020.

[41] Xie Z, Zhao G, Sun Z, et al. Comparison of arsenic and heavy metals contamination between existing wetlands and wetlands created by river diversion in the Yellow River estuary, China [J]. Environmental Earth Sciences, 2014,72:1667-1681.

[42] Zhou B, Xing M, Liao H, et al. Assessing heavy metal pollution of the largest nature reserve in Tianjin City, China [J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2022,109(5):684-690.

[43] 于君寶,董洪芳,王慧彬,等.黃河三角洲新生濕地土壤金屬元素空間分布特征 [J]. 濕地科學, 2011,9(4):297-304. Yu J B, Dong H F, Wang H B, et al. Spatial distribution characteristics of metals in new-born coastal wetlands in the Yellow River Delta [J]. Wetland Science, 2011,9(4):297-304.

[44] Li C, Sun M, Song C, et al. Assessment of heavy metal contamination in the sediments of the Shuangtaizi estuary using multivariate statistical techniques [J]. Soil and Sediment Contamination: An International Journal, 2017,26(1):45-58.

[45] Xie Z, Sun Z, Zhang H, et al. Contamination assessment of arsenic and heavy metals in a typical abandoned estuary wetland—a case study of the Yellow River Delta Natural Reserve [J]. Environmental monitoring and assessment, 2014,186:7211-7232.

[46] Yao X, Xiao R, Ma Z, et al. Distribution and contamination assessment of heavy metals in soils from tidal flat, oil exploitation zone and restored wetland in the Yellow River Estuary [J]. Wetlands, 2016,36:153-165.

[47] Yu Y, LingY, Li Y, et al. Distribution and influencing factors of metals in surface soil from the Yellow River Delta, China [J]. Land, 2022,11 (4):523.

[48] Liu R, Zhang Y, Wang Y, et al. Vertical distribution of mercury and MeHg in Nandagang and Beidagang wetlands: Influence of microtopography [J]. Physics and Chemistry of The Earth, 2018,103: 45-50.

[49] 呂真真,劉廣明,楊勁松,等.環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局 [J]. 土壤學報, 2014,51(5):944-952. Lü Z Z, Liu G M, Yang J S, et al. Spatial variability and distribution pattern of soil nutrients in Bohai coastal area [J]. Acta Pedologica Sinica, 2014,51(5):944-952.

[50] 韓春梅,王林山,鞏宗強,等.土壤中重金屬形態(tài)分析及其環(huán)境學意義 [J]. 生態(tài)學雜志, 2005,(12):1499-1502. Han C M, Wang L S, Gong Z Q, et al. Chemical forms of soil heavy metals and their environmental significance [J]. Chinese Journal of Ecology, 2005,(12):1499-1502.

[51] 楊世倫.中國淤泥質(zhì)海岸的發(fā)育特點 [J]. 華東師范大學學報(自然科學版), 1990,(4):85-91. Yang S L. The developmental characteristics of muddy coasts in China [J]. Journal of East China Normal University (Natural Science Edition), 1990,(4):85-91.

[52] 李 震,雷懷彥.中國砂質(zhì)海岸分布特征與存在問題 [J]. 海洋地質(zhì)動態(tài), 2006,(6):1-4,39. Li Z, Lei H Y. Distribution and existing problems of sandy coast in China [J]. Marine Geology Letters, 2006,(6):1-4,39.

[53] 趙玉庭,孫 珊,由麗萍,等.萊州灣沉積物粒度與重金屬分布特征 [J]. 海洋科學, 2021,45(3):43-50. Zhao Y T, Sun S, You L P, et al. Distribution characteristics of grain size and heavy metals of sediments in Laizhou Bay [J]. Marine Science, 2021,45(3):43-50.

[54] 王小靜,張 帥,簡慧敏,等.大遼河口溶解態(tài)重金屬的變化特征及影響因素研究 [J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 2011,41(10):79- 86. Wang X J, Zhang S, Jian H M, et al. Variation characteristics of dissolved heavy metals in the Daliaohe Estuary [J]. Journal of Ocean University of China (Natural Science Edition), 2011,41(10):79-86.

[55] 繆雄誼.黃河三角洲濱海濕地表層土壤礦物與地球化學特征研究 [D]. 青島:中國海洋大學, 2014. Miao X Y. The geochemical and mineral research of surface soil of coastal wetland in Yellow River Delta [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014.

[56] 喬志芳,劉東陽,郭曉楠,等.昌黎黃金海岸保護區(qū)表層海域沉積物中重金屬的賦存形態(tài)特征及生態(tài)風險評價 [J]. 海洋湖沼通報, 2021, (1):101-108. Qiao Z F, Liu D Y, Guo X N, et al. Speciation characteristics and ecological risk assessment of heavy metals in the surface sea sediments of the Changli Gold Coast Reserve, 2021,(1):101-108.

[57] Duruibe J O, Ogwuegbu M O C, Egwurugwu J N. Heavy metal pollution and human biotoxic effects [J]. International Journal of Physical Sciences, 2007,2(5):112-118.

[58] Cheng S. Heavy metal pollution in China: Origin, pattern and control [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2003,10:192-198.

[59] 程嘉熠,王曉萌,楊正先,等.雙臺子河口沉積物重金屬溯源及生態(tài)風險評估 [J]. 中國環(huán)境科學, 2021,41(3):1345-1353. Cheng J Y, Wang X M, Yang Z X, et al. Sources and assessment of heavy metals in sediments in Shuangtaizi estuary [J]. Chinese Environmental Science, 2021,41(3):1345-1353.

[60] 雷 停,孫傳敏.重金屬鎳的土壤污染及遷移轉(zhuǎn)化 [J]. 地球科學進展, 2012,27(S1):359-361. Lei T, Sun C M. Soil contamination and transport of heavy metal nickel [J]. Advances in Earth Science, 2012,27(S1):359-361.

[61] 李 婧,周艷文,陳 森,等.我國土壤鎘污染現(xiàn)狀、危害及其治理方法綜述 [J]. 安徽農(nóng)學通報, 2015,21(24):104-107. Li J, Zhou Y W, Chen S, et al. An overview of the current situation of soil cadmium pollution, its hazards and its treatment methods in China [J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2015,21(24):104-107.

[62] 湯克勇.鉻的污染源及其危害 [J]. 皮革科學與工程, 1997,(1):33- 37,48. Tang K Y. Pollution sources of chromium and its hazards [J]. Leather Science and Engineering, 1997,(1):33-37,48.

[63] 王 萌,李杉杉,李曉越,等.我國土壤中銅的污染現(xiàn)狀與修復(fù)研究進展 [J]. 地學前緣, 2018,25(5):305-313. Wang M, Li S S, Li X Y, et al. An overview of current status of copper pollution in soil and remediation efforts in China [J]. Earth Science Frontiers, 2018,25(5):305-313.

[64] Wang S, Mulligan C N. Occurrence of arsenic contamination in Canada: Sources, behavior and distribution [J]. Science of The Total Environment, 2006,366(2/3):701-721.

[65] Wang X L, Sun Y J, Guo H, et al. Analysis of soil heavy metal Hg pollution source based on GeoDetector [J]. Polish Journal of Environmental Studies, 2022,31(1):347-355.

[66] 楊金燕,楊肖娥,何振立.土壤中鉛的來源及生物有效性 [J]. 土壤通報, 2005,(5):127-134. Yang J Y, Yang X E, He Z L. Resource and bio-availability of lead in soil [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2005,(5):127-134.

[67] Faroon O, Ashizawa A, Wright S, et al. Toxicological profile for cadmium [R]. Atlanta: Agency for Toxic Substances and Disease Registry (US), 2013.

[68] Fekiacova Z, Cornu S, Pichat S. Tracing contamination sources in soils with Cu and Zn isotopic ratios [J]. Science of The Total Environment, 2015,517:96-105.

[69] Gmochowska W, Pietranik A, Tyszka R, et al. Sources of pollution and distribution of Pb, Cd and Hg in Wroclaw soils: Insight from chemical and Pb isotope composition [J]. Geochemistry, 2019,79(3):434-445.

[70] Saha R, Nandi R, Saha B. Sources and toxicity of hexavalent chromium [J]. Journal of Coordination Chemistry, 2011,64(10):1782- 1806.

[71] Tumolo M, Ancona V, De Paola D, et al. Chromium pollution in European water, sources, health risk, and remediation strategies: An overview [J]. InternationaL Journal of Environmental Research and Public Health, 2020,17(15):5438.

[72] Xu H, Zhu Y, Wang L, et al. Source contribution analysis of mercury deposition using an enhanced CALPUFF-Hg in the central Pearl River Delta, China [J]. Environmental Pollution, 2019,250:1032-1043.

[73] 呂雙燕.黃河三角洲濱海濕地石油烴和重金屬空間分布規(guī)律與潛在生態(tài)風險研究 [D]. 煙臺:魯東大學, 2017. Lü S Y. Spatial distribution and potential ecological risk of petroleum hydrocarbons and heavy metals in coastal wetlands of the Yellow River Delta [D]. Yantai: Ludong University, 2017.

[74] 紀冬麗,孟凡生,薛 浩,等.國內(nèi)外土壤砷污染及其修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望 [J]. 環(huán)境工程技術(shù)學報, 2016,6(1):90-99. Ji D L, Meng F S, Xue H, et al. Situation and prospect of soil arsenic pollution and its remediation techniques at home and abroad [J]. Journal of Environmental Engineering Technology, 2016,6(1):90-99.

[75] 鄧藝姿.我國經(jīng)濟發(fā)展與污染排放之間的實證分析——基于VAR模型 [J]. 投資與創(chuàng)業(yè), 2022,33(9):226-228. Deng Y Z. Empirical analysis between economic development and pollution emission in China - based on VAR model [J]. Investment and Entrepreneurship, 2022,33(9):226-228.

[76] 楊 亮,陳 東.重金屬廢水傳統(tǒng)處理技術(shù)的研究綜述 [J]. 廣東化工, 2017,44(17):144-145. Yang L, Chen D. Review of traditional treatment technology for heavy metal wastewater [J]. Guangdong Chemical Industry, 2017, 44(17):144-145.

[77] 周云霄.我國海洋溢油事故應(yīng)急機制探析 [D]. 上海:華東政法大學, 2017. Zhou Y X. Exploration of emergency response mechanism for marine oil spill accidents in China [D]. Shanghai: East China University of Political Science and Law, 2017.

[78] 李亭亭,王京剛,王 穎,等.長江口濱岸重金屬含量、形態(tài)及其分布特征 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2014,33(6):1189-1196. Li T T, Wang J G, Wang Y, et al. Contents, forms and distributions of heavy metals in surface water and sediments from Yangtze Estuary [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014,33(6):1189-1196.

[79] 徐頌軍,許觀嫦,廖寶文.珠江口紅樹林濕地海水重金屬污染評價及分析 [J]. 華南師范大學學報(自然科學版), 2016,48(5):44-51. Xu S J, Xu G C, Liao B W. Evaluation and analysis on heavy metals' pollution in mangrove wetland's seawater of the Pearl River Estuary [J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2016,48(5):44-51.

[80] 趙肖依,魏海峰,黃 欣,等.環(huán)渤海濕地沉積物重金屬污染監(jiān)測與風險評價 [J]. 中國野生植物資源, 2020,39(12):33-37,41. Zhao X Y, Wei H F, Huang X, et al. Analysis and evaluation of heavy metal pollution in sediments in key wetlands around the Bohai Sea [J]. Chinese Wild Plant Resources, 2020,39(12):33-37,41.

[81] 張 雷,秦延文,鄭丙輝,等.環(huán)渤海典型海域潮間帶沉積物中重金屬分布特征及污染評價 [J]. 環(huán)境科學學報, 2011,31(8):1676-1684. Zhang L, Qin Y W, Zheng B H, et al. Distribution and pollution assessment of heavy metals in sediments from typical areas in the Bohai Sea [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011,31(8):1676-1684.

[82] 張 諾,劉其根,陳麗平,等.長江口鹽沼濕地沉積物重金屬空間分布特征及其潛在生態(tài)風險評價 [J]. 大連海洋大學學報, 2021,36(1): 135-146. Zhang N, Liu Q G, Chen L P, et al. Spatial distribution and ecological risk assessment of sediment heavy metals from salt marsh of Yangtze River estuary [J]. Journal of Dalian Ocean University, 2021,36(1): 135-146.

[83] 馬 玉,李團結(jié),王 迪.珠江口濱海濕地沉積物重金屬污染現(xiàn)狀及潛在生態(tài)危害 [J]. 熱帶地理, 2011,31(4):353-356. Ma Y, Li T J, Wang D, et al. Pollution and potential ecological risk of heavy metals in sediment of coastal wetland of the Pearl River Estuary [J]. Tropical Geography, 2011,31(4):353-356.

[84] Hu X F, Du Y, Feng J W, et al. Spatial and seasonal variations of heavy metals in wetland soils of the tidal flats in the Yangtze Estuary, China: Environmental implications [J]. Pedosphere, 2013,23(4):511-522.

[85] 張林英,徐頌軍,付笛峰.珠江河口濕地土壤重金屬污染評價及空間特征分析 [J]. 熱帶地貌, 2018,39(1):20-25. Zhang L Y, Xu S J, Fu D F. Characteristics of heavy metal pollution in the Pearl River Estuary wetland soil [J]. Tropical Geomorphology, 2018,39(1):20-25.

Temporal and spatial variation of heavy metals in coastal wetlands around the Bohai Sea and analysis of their sources.

JIAN Rui-feng1,2, YUE Fu-jun3,4*, ZHU Zhao-zhou2, LIU Xiao-long2, ZHANG Lu-yao1,2

(1.College of Geography and Environmental Science, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China；2.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China；3.School of Earth System Science, Tianjin University, Tianjin 300072, China；4.Tianjin Bohai Rim Coastal Earth Critical Zone National Observation and Research Station, Tianjin University, Tianjin 300450, China)., 2023,43(11)：6025～6038

In this study, published data was collected and Nemerow index, pollution load index and principal component analysis methods were utilized to analyze the spatial and temporal variation of heavy metals, pollution levels and sources. The results provided important information for the prevention, control and management of heavy metal pollution in coastal wetlands around the Bohai Sea. The results indicated that between 2000 and 2020, the concentrations of As, Pb, Cd and Cu in the coastal wetlands of the Bohai Sea exhibited an increase while those of Cr, Hg and Zn showed a decrease. In terms of wetland surface sediment composition, changes in As and Ni were minimal whereas contents of Cr, Cu, Zn and Hg increased while those of Pb and Cd decreased. Additionally, there was an increase in Cr and Zn content within the surface wetland soil while contents of As, Cu, Ni, Pb, Cd and Zn decreased. The single-factor pollution levels of Cd and Hg in heavy metals in coastal wetlands around the Bohai Sea were high, which were 2.67 and 2.57. In the 2010s, the levels of heavy metal pollution in the coastal wetlands of the Bohai Sea were high, and the Nemerow index and Pollution Load index of water, sediment and soil were 1.53, 4.49, 2.52 and 0.34, 0.96, 1.44, whereas they remained at a low level in China’s three economic regions. Cu, Ni, Cr, Zn, As have minimal impact on the environment of the coastal wetlands of the Bohai Sea as they were primarily derived from natural sources and only a minor contribution from anthropogenic sources. Cu, Ni, Cr, Zn and As had a limited impact on the environment of coastal wetlands in the Bohai Sea due to their predominantly natural sources with minor anthropogenic sources; whereas Hg, Pb and Cd posed significant environmental risks to these wetlands primarily as a result of heavy industries and light industries closely linked to them.

coastal wetland；Bohai Rim；heavy metals；temporal and spatial variation；source analysis

X55

A

1000-6923(2023)11-6025-14

簡銳風(1998-),男,廣東韶關(guān)人,天津師范大學碩士研究生,研究方向為環(huán)渤海濱海濕地水環(huán)境質(zhì)量及其環(huán)境效應(yīng). jianruifeng168@qq.com.

簡銳風,岳甫均,朱兆洲,等.環(huán)渤海濱海濕地重金屬的時空變化及來源分析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2023,43(11):6025-6038.

Jian R F, Yue F J, Zhu Z Z, et al. Temporal and spatial variation of heavy metals in coastal wetlands around the Bohai Sea and analysis of their sources [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6025-6038.

2023-03-29

國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項項目(2021FY101001);國家自然科學基金重大項目(42293262)

* 責任作者, 副教授, fujun_yue@tju.edu.cn