東臺(tái)條子泥候鳥(niǎo)棲息地與毗鄰潮間帶表層沉積物重金屬含量及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

蔡楨杰,李 果,曠澤行,王壽兵

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200433)

濱海濕地作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一,存在于陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡交錯(cuò)區(qū)域,具有多種生態(tài)服務(wù)功能,諸如碳匯、凈化污染物、改善近岸海域水質(zhì)、保護(hù)生物多樣性與遷徙候鳥(niǎo)、防范海洋災(zāi)害和調(diào)節(jié)氣候等,為沿海地區(qū)發(fā)展帶來(lái)了顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。然而,在陸地、海洋和人類的多重影響下,近岸海域往往成為了海洋區(qū)域中污染最嚴(yán)重的部分,濱海濕地也成為了重金屬等各類污染物的源和匯,其中,潮間帶在十分復(fù)雜的水文和物理化學(xué)條件下極易造成重金屬的二次生態(tài)污染[6-7]。重金屬存在于各種環(huán)境介質(zhì)中,具有隱蔽性高,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),難以被生物降解且不易修復(fù)等特性[8-9]。重金屬元素通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程進(jìn)入潮間帶沉積物,有的在海浪潮汐作用下又被釋放到海洋中,從而影響海洋生物、海洋生態(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)安全[10-11],并在食物鏈的富集作用下,進(jìn)一步影響到人體健康[12]。

東臺(tái)市位于江蘇省鹽城市南端,海岸線長(zhǎng)85 km,近海與濱海濕地面積2 116.7 km2,并且每年以150 m的速度向海擴(kuò)張成陸,每年新增的陸地造成了生態(tài)環(huán)境資源的改變[13-15]。位于東臺(tái)市的條子泥濱海濕地是中國(guó)第一塊,世界第二塊濱海濕地型世界自然遺產(chǎn)地的重要組成部分,也是東亞—澳大利亞遷飛區(qū)關(guān)鍵候鳥(niǎo)棲息地,被國(guó)際上稱為“太平洋西岸唯一未被污染的濱海濕地”。為更好地保護(hù)候鳥(niǎo),2020年,東臺(tái)沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)管委會(huì)在條子泥觀潮區(qū)大堤內(nèi)側(cè)租賃了一塊約720畝(約48 hm2)的養(yǎng)殖池塘,經(jīng)過(guò)“退漁還濕 ”等方式的生態(tài)改造后作為高潮期的候鳥(niǎo)棲息地。目前,該棲息地保護(hù)區(qū)建設(shè)已取得重大成功。在聯(lián)合國(guó)《生物多樣性公約》締約方大會(huì)第十五次會(huì)議(CBD COP15)非政府組織論壇上發(fā)布的“生物多樣性100+案例”中,鹽城“以恢復(fù)鳥(niǎo)類棲息地為目標(biāo)的自然解決方案”入選全球特別推薦案例,其中“條子泥‘720’候鳥(niǎo)棲息地”是該方案的重點(diǎn)。

目前,雖然國(guó)內(nèi)已開(kāi)展很多對(duì)中國(guó)近海、海灣和濱海濕地沉積物重金屬污染以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)研究[16-20],但對(duì)濱海濕地型世界自然遺產(chǎn)地,尤其是新建的專門供候鳥(niǎo)在潮水處于高潮位時(shí)臨時(shí)棲息的人工濕地沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)研究還未見(jiàn)報(bào)道。與普通濱海濕地相比,高潮位棲息地在候鳥(niǎo)遷徙途中具有不可替代的重要作用。候鳥(niǎo)是濕地重金屬污染的重要生物指示物,其生命活動(dòng)也是濕地重金屬的主要來(lái)源之一[21-22],對(duì)棲息地沉積物中重金屬含量及其生態(tài)污染評(píng)價(jià)刻不容緩。本研究對(duì)候鳥(niǎo)棲息地及其毗鄰的堤外潮間帶表層沉積物中重金屬含量特征進(jìn)行了比較研究,旨在初步探明該候鳥(niǎo)棲息地的環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),為未來(lái)制定和實(shí)施更為有效的生態(tài)保護(hù)和監(jiān)測(cè)工作提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省東臺(tái)市的條子泥濱海灘涂濕地,東臨黃海,屬于北亞熱帶和暖溫帶過(guò)渡區(qū),具有海洋季風(fēng)型氣候特征,年均降水量900～1 068 mm,年平均氣溫13.5～14.6 ℃,土壤為堿性淤積中壤質(zhì)濱海鹽土[23]。條子泥位于呈輻射狀的水下沙脊群和江蘇海岸中部交匯處,是江蘇海岸中部最大的近岸灘涂濕地。潮流和泥沙的輸運(yùn)過(guò)程分別塑造了沙脊群地形地貌和灘涂濕地[24]。候鳥(niǎo)棲息地略呈長(zhǎng)方形,長(zhǎng)約600 m,寬約800 m,總面積約48 hm2。其采樣站位分別位于堤內(nèi)候鳥(niǎo)棲息地和堤外潮間帶,具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置和采樣站位分布Fig. 1 Location of the research area and distribution of sampling sites

1.2 樣品采集

2021年7月,利用表層底泥取樣器,在候鳥(niǎo)棲息地和堤外區(qū)分別采集表層沉積物樣品。其中候鳥(niǎo)棲息地由于環(huán)境條件原因?qū)е虏蓸永щy,采用了梅花布點(diǎn)法設(shè)置了5個(gè)采樣站位(圖1),堤外區(qū)采樣站位設(shè)計(jì)成近直線斷面,共4個(gè)采樣站位,間距為110 m。樣品的采集、貯存和運(yùn)輸參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[25]的相關(guān)要求。按 “三點(diǎn)法”在每個(gè)采樣站位相互間隔1 m采集表層0～5 cm沉積物樣品,并將每站采集的3個(gè)樣品混合均勻后,取500 g樣品裝入聚乙烯密封袋室溫保存,用于實(shí)驗(yàn)室重金屬含量測(cè)定。

1.3 樣品分析方法

沉積物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,經(jīng)90 ℃烘干至恒重,按四分法收集,研磨后通過(guò)160目(孔徑0.098 mm)的尼龍篩,將過(guò)篩后的樣品裝入自封袋中保存?zhèn)溆?。?.1 g樣品放入石墨消解管中備用,加6 mL硝酸(ρ=1.42 g/mL)、2 mL氫氟酸(ρ=1.49 g/mL)和2 mL鹽酸(ρ=1.19 g/mL)于微波消解儀按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行消解。消解冷卻后,放入趕酸儀,再加入1 mL高氯酸趕酸至黃豆粒大小,用超純水定容至10 mL。處理后的樣品用于重金屬元素含量的測(cè)定。其中Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量采用賽默飛iCAP PRO系列電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定[26];Hg含量采用北京海光儀器有限公司生產(chǎn)的原子熒光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定[27]。為確保分析精度,各元素都采用了4次重復(fù)分析和1次土壤標(biāo)樣(Li、Sc、Ge、Y、In、Tb和Bi)分析,實(shí)驗(yàn)的分析相對(duì)誤差均低于20%,回收率均在85%～115%之間。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(geoaccumulation index,Igeo)法是Müller 在1969年提出的一種評(píng)價(jià)沉積物重金屬污染的方法,常用于沉積物重金屬污染定量分析[28]。計(jì)算公式[28]如下:

(1)

表1 地質(zhì)累積指數(shù)與重金屬污染分級(jí)Tab.1 Geoaccumulation indexes and levels of heavy metal pollution

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(potential ecological risk index,RI)法是Hakanson于1980年提出的,從生物的毒性角度反映沉積物中重金屬元素對(duì)生態(tài)污染的影響[30]。在某特定環(huán)境條件下,該方法既可以反映單個(gè)重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,也可以反映數(shù)種重金屬元素對(duì)區(qū)域的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。相關(guān)的參數(shù)計(jì)算公式如下[30]:

(2)

(3)

(4)

表2 沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)Tab. 2 Potential risk levels of heavy metals in sediments

表3 各重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)Tab. 3 Toxicity response coefficient of each heavy metal element

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量特征統(tǒng)計(jì)及變異系數(shù)

沉積物重金屬含量特征統(tǒng)計(jì)如表4所示, 候鳥(niǎo)棲息地所在區(qū)域沉積物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分別為0.02、0.08、58.54、9.63、8.76、8.69、17.45、44.44 mg/kg,堤外區(qū)沉積物中上述重金屬的平均含量分別為0.01、0.04、50.43、5.94、7.46、4.60、15.16、37.20 mg/kg,均未超過(guò)國(guó)家一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[32]。其中候鳥(niǎo)棲息地沉積物中As平均含量略高于背景值,其他元素平均含量均低于背景值,基本保持了自然狀態(tài)。與堤外區(qū)相比,候鳥(niǎo)棲息地沉積物重金屬平均含量均高于堤外區(qū),相較于堤外區(qū)Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分別高出了100.0%、100.0%、16.1%、62.1%、17.4%、88.9%、15.1%和19.5%,堤內(nèi)外重金屬含量具有顯著的差異性(P<0.05)。

表4 兩個(gè)研究區(qū)表層沉積物中重金屬含量特征統(tǒng)計(jì)Tab. 4 Characteristics of heavy metal contents in surface sediments of two areas investigated

變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)表示變量的變異程度或離散趨勢(shì),反映數(shù)據(jù)的波動(dòng)狀況[32],并且較高的變異系數(shù)可以反映人類活動(dòng)的影響。根據(jù)變異系數(shù)的大小可以將變異程度分為三類,0.00%≤CV<15.00%屬于小變異,15.00%≤CV<35.00%屬于中等變異,CV≥35.00%屬于高度變異。候鳥(niǎo)棲息地所研究區(qū)域沉積物中,Hg的變異系數(shù)為25.19%,屬于中等變異;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的變異系數(shù)相對(duì)較小,分別為1.93%、7.36%、11.93%、7.77%、13.23%、5.91%和5.89%,屬于小變異。堤外區(qū)所研究區(qū)域沉積物中,Hg的變異系數(shù)為28.62%,屬于中等變異;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的變異系數(shù)相對(duì)較小,分別為0.25%、1.31%、10.31%、2.38%、13.36%、2.19%和3.06%,屬于小變異。

2.2 重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

兩個(gè)區(qū)域各采樣站位地累積指數(shù)均值計(jì)算結(jié)果如表5所示。整體來(lái)看,兩個(gè)區(qū)域各采樣站位8種重金屬的Igeo值均小于0,說(shuō)明各站位表層沉積物均處于清潔水平,無(wú)明顯重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)。所研究區(qū)域中各重金屬Igeo平均值由大到小的排序,候鳥(niǎo)棲息地為:As>Cd>Hg>Cr>Zn>Ni>Pb>Cu,堤外區(qū)域?yàn)?Cr>As>Zn>Ni>Cd>Pb>Hg>Cu,可見(jiàn)兩個(gè)區(qū)域的重金屬累積情況有顯著差異。

表5 兩個(gè)區(qū)域表層沉積物重金屬地累積指數(shù)均值Tab. 5 Mean geoaccumulation indexes of heavy metals in surface sediments of the two areas investigated

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

表6 兩個(gè)區(qū)域表層沉積物重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值Tab. 6 Mean values of single potential ecological risk indexes and comprehensive potential ecological risk indexes of heavy metals in surface sediments of two areas investigated

圖2 各站位表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布Fig. 2 Potential ecological risk indexes of heavy metals in surface sediments from each sampling site

3 討論

3.1 重金屬含量特征和環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

候鳥(niǎo)棲息地和堤外區(qū)所研究區(qū)域表層沉積物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量均未超過(guò)國(guó)家海洋沉積物質(zhì)量第一類標(biāo)準(zhǔn)值。其中候鳥(niǎo)棲息地所在區(qū)域沉積物中As平均含量略高于背景值,其他元素平均含量均低于背景值 ,基本保持了自然狀態(tài),說(shuō)明研究區(qū)域Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn可能主要受到地質(zhì)背景的影響,巖體在表生作用下風(fēng)化,在海域水體中發(fā)生沉積,而受人為因素的影響較小。

各采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布規(guī)律為,候鳥(niǎo)棲息地:S1>S4>S5>S2>S3,堤外區(qū)域:Y1>Y2>Y3>Y4。候鳥(niǎo)棲息地采樣點(diǎn)S2和S3距離入水管道較近(圖1),經(jīng)過(guò)入水的沖刷作用容易導(dǎo)致重金屬含量的稀釋,而采樣站位S1和S4距離入水管道較遠(yuǎn),水動(dòng)力條件差,重金屬不易遷移擴(kuò)散,容易造成重金屬的富集。毗鄰的堤外潮間帶在漲落潮的作用下,泥沙經(jīng)過(guò)輸移和沉降等過(guò)程,增強(qiáng)懸浮泥沙中重金屬向水體的釋放,從而減小表層沉積物中重金屬的富集,這也可能是導(dǎo)致堤外區(qū)研究區(qū)域相較于候鳥(niǎo)棲息地研究區(qū)域表層沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更低的因素之一[39]。此外,由于距離陸地越遠(yuǎn)越容易受到潮水沖刷的影響,可增強(qiáng)潮間帶沉積物中重金屬的稀釋,而受水流量影響相對(duì)較低的區(qū)域重金屬顆粒的稀釋作用相對(duì)減弱[40],這也可能是造成堤外區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由陸向海呈逐漸減小趨勢(shì)的因素之一。

3.2 研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果比較及與我國(guó)其他濱海濕地對(duì)比

比較本研究的兩個(gè)區(qū)域的沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小: 候鳥(niǎo)棲息地>堤外區(qū),兩個(gè)區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯著差異,其差異可能與候鳥(niǎo)棲息地建設(shè)前的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)、候鳥(niǎo)棲息活動(dòng)、周邊農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水動(dòng)力條件有關(guān)。候鳥(niǎo)棲息地是水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘經(jīng)過(guò)“退漁還濕”生態(tài)改造后的人工濕地,改造前的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)可能會(huì)帶來(lái)一定的污染。在水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)中,飼料殘留物質(zhì)、多余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及魚(yú)體的代謝廢物等會(huì)在沉積物中積累,沉積物中大量有機(jī)物和微生物能夠使重金屬離子發(fā)生穩(wěn)定化作用并富集[42]。同時(shí),沉積物中還含有一些硫化物和其他可以與重金屬形成穩(wěn)定性較高的配合物,也有助于重金屬離子的穩(wěn)定化[43]。候鳥(niǎo)在候鳥(niǎo)棲息地中生命活動(dòng)較為活躍也可能使重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變大,候鳥(niǎo)產(chǎn)生的排泄物以及體表沾染等可能會(huì)使重金屬進(jìn)入濕地沉積物,并產(chǎn)生一定的生態(tài)隱患[44-45]。堤內(nèi)候鳥(niǎo)棲息地周邊的農(nóng)業(yè)活動(dòng)也可能是影響該區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的因素之一,農(nóng)業(yè)活動(dòng)中使用的化肥和農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)含有一定重金屬,其通過(guò)徑流進(jìn)入棲息地中從而增加沉積物重金屬的含量[46]。此外,候鳥(niǎo)棲息地處于堤內(nèi)的半封閉狀態(tài),雖然會(huì)定期通過(guò)排放水進(jìn)行濕地生態(tài)保護(hù),但因水動(dòng)力條件較差,沉積物中的重金屬易被重新懸浮和輸運(yùn),導(dǎo)致了重金屬釋放到表層沉積物中造成富集[47]。

為進(jìn)一步分析東臺(tái)條子泥濕地重金屬污染水平,本研究收集整理了部分我國(guó)其他天然濱海濕地的重金屬含量,包括黃河三角洲濱海灘涂濕地、遼東灣北部濱海濕地、鹽城濱海濕地、天津臨港濱海濕地和長(zhǎng)江口鹽沼濕地,比較了不同地區(qū)濕地表層沉積物中重金屬主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及污染風(fēng)險(xiǎn)(表7)[48-52]。遼東灣、天津臨港和長(zhǎng)江口沿岸地區(qū)作為發(fā)展已久的重工業(yè)和化工業(yè)基地,工業(yè)水平較高,所屬區(qū)域濕地受到了相對(duì)較高的重金屬污染。與之相比,東臺(tái)條子泥濕地沉積物中各重金屬的含量更低,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對(duì)較低。這應(yīng)該與東臺(tái)條子泥地區(qū)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平較低,尤其是與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中無(wú)產(chǎn)生重金屬排放的產(chǎn)業(yè)有關(guān)。

表7 研究區(qū)與其他濱海天然濕地中重金屬特征對(duì)比Tab. 7 Comparison of heavy metals between the areas investigated and other coastal natural wetlands

候鳥(niǎo)棲息地作為人工濕地,和堤外天然濕地所研究區(qū)域沉積物的重金屬含量均處于較低水平,比部分我國(guó)其他天然濕地的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更低,其為鳥(niǎo)類提供了低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重要生境。此外,候鳥(niǎo)棲息地由水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘改造而成,水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘也是人工濕地的主要類型之一。雖然人工濕地并不能完全取代天然濕地作為水鳥(niǎo)棲息地,但是通過(guò)針對(duì)性管理將海堤內(nèi)鄰近的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘等人工濕地改造為適合水鳥(niǎo)棲息的臨時(shí)生境,這對(duì)未來(lái)制定合理可行的鳥(niǎo)類保護(hù)方案和加強(qiáng)科學(xué)管理工作具有重要參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本研究對(duì)東臺(tái)條子泥“720”高潮位候鳥(niǎo)棲息地和毗鄰的堤外潮間帶表層沉積物中重金屬含量特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了比較研究,主要結(jié)論如下:

(1)兩個(gè)區(qū)域表層沉積物中重金屬Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量均符合國(guó)家海洋沉積物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn)。各采樣點(diǎn)的各重金屬含量均處于清潔水平,無(wú)明顯重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象,單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(2) 利用養(yǎng)殖池塘改造而成的候鳥(niǎo)棲息地表層沉積物重金屬含量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯著高于堤外潮間帶表層沉積物的。兩個(gè)區(qū)域差異可能與候鳥(niǎo)棲息地建設(shè)前的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)、候鳥(niǎo)棲息活動(dòng)、周邊農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水動(dòng)力條件有關(guān),指示人類活動(dòng)是兩個(gè)區(qū)域重金屬含量差異的主要原因。

(3)通過(guò)研究區(qū)與其他濱海自然濕地中重金屬特征對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),本研究區(qū)域中的主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子是Hg和Cd,其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的主要因素是候鳥(niǎo)棲息活動(dòng)、地球化學(xué)過(guò)程和人類活動(dòng)。