广西珍珠湾红树林湿地沉积物重金属分布及评价

引用本文

张晓磊, 杨源祯, 阎琨, 庞国涛. 广西珍珠湾红树林湿地沉积物重金属分布及评价[J].中国地质调查, 2022,9(5): 104-110.
ZHANG Xiaolei, YANG Yuanzhen, YAN Kun, PANG Guotao. Distribution and evaluation of heavy metals in sediments of Zhenzhu Bay mangrove wetland in Guangxi[J].Geological Survey of China, 2022,9(5): 104-110. 复制到剪切板

doi: 10.19388/j.zgdzdc.2022.05.12

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广西珍珠湾红树林湿地沉积物重金属分布及评价

张晓磊^1,², 杨源祯², 阎琨^2,³, 庞国涛²

1.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛 266100

2.中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心,山东烟台 264000

3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉 430074

通信作者简介: 庞国涛(1990—),男,工程师,主要从事海岸带环境地质调查与评价工作。Email: pgt5241@163.com。

第一作者简介: 张晓磊(1982—),男,工程师,主要从事基础地质与海洋地质调查工作。Email: 117220755@qq.com。

收稿日期: 2022-05-05 修回日期: 2022-09-19

基金资助: 中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心“广西仑北河口—茅尾海一带重要红树林湿地资源调查(编号: ZD20220131)”与中国地质调查局“广西饮州湾海岸综合地质调查(编号: DD20191024)”项目联合资助

摘要

沉积物中的重金属属于持久性污染物,具有富集性、难降解性和毒性,长时间累积会对生态环境和人体健康造成威胁。为研究珍珠湾红树林湿地表层沉积物中的重金属含量分布特征及质量现状,2021年9月在珍珠湾红树林分布区采集13件表层沉积物样品,分析测试重金属含量。结果表明: 与国内其他红树林湿地相比,珍珠湾红树林湿地表层沉积物中的重金属含量处于相对较低水平; 地累积指数法显示大部分表层沉积物样品无重金属污染,仅有2个站位受到Cd和Hg的轻微污染,潜在生态风险指数法表明湾内各站位均为低生态风险; 相关性分析和主成分分析表明,Cd主要受江平江输入和珍珠湾东南部海水养殖的影响,其他元素主要为自然背景的岩石风化沉积,利用主成分-多元线性回归模型对重金属的来源进行解析认为,表明江平江输入的重金属贡献率为57%,海水养殖影响的重金属贡献率为43%。综上所述,珍珠湾红树林湿地整体生态状况良好,但仍需重点关注Cd的输入。

关键词: 珍珠湾; 红树林湿地; 沉积物重金属; 污染评价

中图分类号:P736.21;X508 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2022)05-0104-07

Distribution and evaluation of heavy metals in sediments of Zhenzhu Bay mangrove wetland in Guangxi

ZHANG Xiaolei^1,², YANG Yuanzhen², YAN Kun^2,³, PANG Guotao²

1. College of Marine Earth Sciences, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China

2. Yantai Geological Survey center of Coastal Zone, China Geological Survey, Shandong Yantai 264000, China

3. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Hubei Wuhan 430074, China

Abstract

Heavy metals in sediments belongs to persistent pollutants, with characteristics of enrichment, recalcitrance and toxicity, which would pose a threat to the ecological environment and human safety after long-term accumulation. In order to study the distribution characteristics and quality status of heavy metals in the surface sediments of Zhenzhu Bay mangrove wetland, the authors collected 13 surface sediment samples in the mangrove distribution area of Zhenzhu Bay on September in 2021 to analyze the heavy metal content. The results shows that the content of heavy metals in the surface sediments of Zhenzhu Bay mangrove wetland is relatively low compared with other mangrove wetlands in China. Only some stations showed weak Cd and Hg pollution and most stations wasn’t plolluted by heavy metals, with two showed weak Cd and Hg pollution according to the geo-accumulation index. and all stations in the bay are at low ecological risk based on potential risk index method. Correlation analysis and principal component analysis show that Cd was mainly affected by the input of Jiangping River and mariculture in the southeast of Zhenzhu Bay, and other elements were mainly affected by the weathering and normal deposition of natural background rocks. The contribution rates of Jiangping River input and Zhenzhu Bay mariculture were 57% and 43% respectively through PCA-MLR model analysis on the heavy metal source. The results show that the overall ecological condition of the Zhenzhu Bay Mangrove Wetland is good, however, it is still necessary to pay attention to the input of Cd.

Keyword: Zhenzhu Bay; mangrove wetland; heavy metals in sediments; pollution assessment

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0 引言

湿地被称为“ 地球之肾” , 红树林湿地作为地球上生产力水平最高的海洋自然生态系统之一, 具有丰富的生产力和生物多样性, 在护岸消浪、抗灾减灾、净化水体、促淤保滩、优化海岸带环境等方面发挥着重要作用^{[1, 2]}。红树林湿地表层沉积物受人类活动、入海河流及海洋等因素共同影响, 沉积环境较为特殊, 沉积物来源广、沉积速率快且更易积累来自入海河流、潮水和近岸生活垃圾等污染。红树林湿地中沉积的重金属通常具有来源范围广、存在时间长、污染后难以恢复等特点, 对生态系统具有潜在的危害^{[3, 4]}, 且一旦进入生态循环就很难被生物降解, 往往会通过低等生物、水体等进入食物链, 进而破环生物体的正常生理代谢活动, 最终通过生物富集作用危害人体健康和生态环境^[5]。此外, 沉积物中的重金属还会抑制酶的活性, 从而干扰生态环境中的生化反应, 威胁湿地底栖生物的生理健康^[6]。近年来随着城市发展, 沿岸工业、海洋牧场、海水养殖、旅游等活动的日渐密集为近岸污染物, 特别是重金属元素的富集沉淀创造了有利条件。前人对珍珠湾的研究多集中在红树林的种类和固碳方面^{[7, 8, 9]}, 周边区域的重金属研究多集中在防城港和钦州湾海域^{[10, 11, 12]}。因此, 对珍珠湾国家级红树林保护区开展沉积物重金属含量、分布及污染状况的研究, 可为珍珠湾红树林的保护与修复治理等提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于广西北仑河口国家级红树林自然保护区的珍珠湾区域, 因盛产珍珠而得名。海湾出口狭窄, 呈漏斗状, 湾口西起万尾金滩的东沙头, 北与防城区江山镇接壤, 东临白龙半岛风景区的白龙台, 南部与防城湾相连, 湾口宽约3.5 km, 湾内海岸线长约46 km, 海湾面积94.2 km²(图1)。研究区属南亚热带海洋季风气候, 年日照时长大于1 600 h, 平均气温22.5 ℃, 平均降雨量为2 220.5 mm^[13]。潮汐类型以正规全日潮为主, 多年平均潮差2.22 m, 最大潮差可达5.1 m^[14]。海岸带土壤以风沙土和冲积土为主, 陆地土壤主要为红壤土和黄壤土。湾内红树林具有连片面积大、分布集中、观赏性强等特点, 总分布面积可达10.68 km², 占北仑河口保护区红树林面积的83.8%^[15]。

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	图1 珍珠湾红树林采样站位分布Fig.1 Distribution of mangrove sampling points in Zhenzhu Bay

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

本研究于2021年9月在珍珠湾红树林分布区采集表层沉积物样品13件, 采样位置如图1所示。采样时先将沉积物表层杂物清理干净, 再用洁净木铲取表层0~5 cm深的泥质沉积物, 去除样品中的根系等杂质后, 快速装入聚乙烯袋密封保存并送样。样品的采集、保存及后期处理等依据《GB 17378.3— 2007海洋监测规范》^[16]的相关规定, 所有样品均进行重金属检测。

样品测试分析由青岛海洋地质研究所海洋地质实验检测中心完成。样品在实验室常温解冻后使用烘箱烘干(60 ℃), 之后研磨至200目以下, 放在马弗炉中灼烧破坏有机质, 之后用HNO₃-HF-HClO₄消解。Cu、Zn、Pb、Cr、Cd和Ni使用电感耦合等离子质谱仪Thermo X Series 2测定; Hg和As使用双道原子荧光光度计AFS-920测定。重金属元素平行样的相对误差< 0.5%, 标准物的回收率为110%~125%。

2.2 重金属污染评价方法

2.2.1 地累积指数法

地累积指数(the Geo-accumulation Index, I_g)法是评价单一种类重金属污染程度的方法, 该方法既考虑自然成岩作用, 又兼顾了人类综合活动等对沉积环境的影响, 经常用于评价沉积物中的重金属污染水平^[17], 其公式为

I_g=lb[ $\frac{C_{m}^{i}}{1.5 \times C_{b}^{i}}$ ] 。 (1)

式中: I_g为地累积指数, 可分为7个污染程度, 具体见表1; $C_{m}^{i}$ 和 $C_{b}^{i}$ 分别为第i种重金属的实测浓度和背景值; 1.5为成岩作用可能引起重金属变化的变动系数。

表1 地累积指数和污染程度关系 Tab.1 Relationship between I_g and pollution levels

2.2.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数(Potential Risk Index, RI)法是通过先评价单个重金属元素潜在危害, 再累加评价站位多种重金属综合潜在生态风险的方法。该方法综合应用生物毒理学、生态学和环境化学等方面的内容, 定量分析重金属的潜在危害程度, 是国内外评价沉积物质量最为有效的方法之一^[18], 其公式为

R_I= $\overset{n}{\sum_{i = 1}} E_{r}^{i}$ = $\overset{n}{\sum_{i = 1}} T_{r}^{i}$ × $\frac{C_{m}^{i}}{C_{b}^{i}}$ 。 (2)

式中: R_I为多种重金属综合潜在生态风险指数; $E_{r}^{i}$ 和 $T_{r}^{i}$ 分别为第i种重金属的潜在生态风险指数和毒性系数, $C_{m}^{i}$ 为第i种重金属的检测浓度; $C_{b}^{i}$ 为第i种重金属的区域背景值。本文重金属的毒性系数采用徐争启等^[19]的研究成果, 背景值采用Zhao等^[20]计算的中国海岸带沉积物中化学元素的平均值, 如表2所示。不同的 ${E^{i}}_{r}$ 和R_I值范围所对应的重金属潜在生态风险程度见表3。

表2 沉积物重金属元素的背景值和毒性系数 Tab.2 Background value and toxicity index of heavy metal elements in sediment

重金属元素	$C_{b}^{i} / 10^{- 6}$	$T_{r}^{i}$
Cu	15.00	5
Pb	20.00	5
Zn	65.00	1
Cr	60.00	2
Ni	24.00	5
Cd	0.70	30
As	7.70	10
Hg	0.03	40

表2 沉积物重金属元素的背景值和毒性系数 Tab.2 Background value and toxicity index of heavy metal elements in sediment

表3 重金属元素潜在生态风险程度 Tab.3 Potential ecological risk levels of heavy metal elements

$E_{r}^{i}$ 范围	潜在生态风险程度	R_I范围	潜在生态风险程度
$E_{r}^{i}$ < 40	低	R_I< 150	低
40≤ $E_{r}^{i}$ < 80	中等	150≤ R_I< 300	中等
80≤ $E_{r}^{i}$ < 160	高	300≤ R_I< 600	高
160≤ $E_{r}^{i}$ < 320	较高	R_I≥ 600	较高
$E_{r}^{i}$ ≥ 320	很高

表3 重金属元素潜在生态风险程度 Tab.3 Potential ecological risk levels of heavy metal elements

3 结果与分析

3.1 沉积物重金属含量及分布特征

珍珠湾红树林湿地13个站位表层沉积物的重金属含量特征如表4所示, 8种重金属平均含量表现为Zn> Cr> Pb> Cu> Ni> As> Cd> Hg。变异系数越大说明沉积物中的重金属污染受人为活动干扰越强烈^[26], 研究区Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As的变异系数均低于40%, 离散程度较低, 说明元素分布较均匀, 推测这几种元素在沉积过程中受人类活动干扰较弱; Ni和Hg的变异系数分别为40%和47%, 属中等变异, 分布不均匀, 可能受到了一定程度的人为干扰。

表4 珍珠湾表层沉积物重金属元素含量特征 Tab.4 Content characteristics of heavy metal elements in surface sediments of Zhenzhu Bay

为判断珍珠湾表层沉积物重金属含量水平, 本文收集了中国海岸带背景值及国内其他地区红树林沉积物的重金属含量(表5)。珍珠湾红树林湿地表层沉积物中只有Cd和Hg平均值略高于中国海岸带背景值, Cu、Pb、Zn、Cd、As均低于中国红树林均值, 只有Cr略高于中国红树林均值; 珍珠湾表层沉积物重金属含量与湛江湾区域相近, 略低于茅尾海, 远低于九龙江口。综合对比显示, 珍珠湾红树林湿地表层沉积物中的重金属含量处于相对较低的水平。

表5 研究区与其他地区红树林沉积物重金属含量 Tab.5 Contents of heavy metals in mangrove sediments between the study area and other areas

3.2 重金属污染评价

应用地累积指数法评价珍珠湾表层沉积物中的8种重金属, 结果见图2。可以看出珍珠湾区域表层沉积物重金属的I_g值分布比较集中, 说明其在各站位的污染情况相似, I_g值表现为Hg> Cd> As> Pb> Cu> Zn> Cr> Ni。13个站位的样品中Cd元素有2个站位(ZZ06和ZZ13)、Hg元素有4个站位(ZZ02、ZZ03、ZZ04和ZZ06)的I_g为0~1, 处于轻微污染, 其他站位的重金属I_g值均< 1, 无污染。除ZZ13站位外其他受污染站位均位于江平江入海河口附近, 推测重金属来源可能与江平江输入有关。

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	图2 重金属元素地累积指数Fig.2 Geological accumulation index of heavy metal elements

3.3 重金属潜在生态风险分析

珍珠湾表层沉积物各重金属的潜在生态风险指数评价如图3所示, 其中Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As的 $E_{r}^{i}$ 均值分别为3.53、3.59、0.44、0.80、1.50、8.56, 均低于40, 处于低生态风险。Cd的 $E_{r}^{i}$ 值为18.46~50.77, 有2个站位处于中等生态风险, 占总站位的15.38%; Hg的 $E_{r}^{i}$ 值为19.22~81.67, 有5个站位处于中等生态风险, 占总站位的38.46%, 有1个站位处于高生态风险, 占总站位的7.69%。

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	图3 重金属元素潜在生态风险指数Fig.3 Potential ecological hazard index of heavy metal elements

珍珠湾表层沉积物各站位的重金属潜在生态风险指数分布如图4所示, 湾内13个站位的R_I变化范围为49.07~147.71, 平均值为95.90, 所有站位均处于低潜在生态风险, 说明珍珠湾区域重金属危害较弱, 生态风险整体较低。Cd和Hg在各站位R_I的贡献率之和为68.07%~81.99%, 且沉积物中Cd和Hg的 ${E^{i}}_{r}$ 与相应的R_I值在各采样点的分布具有明显的一致性, 可以看出主要由Cd和Hg增加了珍珠湾区域沉积物的重金属潜在生态风险。从湾内各站位潜在生态风险指数分布图可以看出, R_I峰值出现在ZZ02、ZZ06和ZZ13站位(图4), ZZ02和ZZ06站位分别位于江平江的南北入海河口处, 推测该区域重金属含量可能受江平江污染物输入的影响; ZZ13站位南部为海水养殖区, 该站位重金属可能受海水养殖废水排放的影响。

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	图4 珍珠湾表层沉积物重金属潜在生态风险指数Fig.4 Potential ecological hazard index of heavy metals in surface sediments of Zhenzhu Bay

3.4 重金属来源分析

3.4.1 重金属相关性分析

对珍珠湾表层沉积物中8种重金属的含量开展Pearson相关性分析, 采用单尾t检验(Sig.< 0.05)进行显著性检验, 分析结果见表6。可以看出除Cd外的其他7种重金属相关性均在0.79以上, 说明这7种重金属元素在沉积基础上具有较强的相似性和同源性。Cd元素与其他重金属元素相关系数相对较小, 说明Cd的来源与其他金属元素存在一定的差异, 这可能与人类经济活动以及其自身的沉积特性有关。

表6 重金属相关性分析 Tab.6 Correlation analysis of heavy metals

3.4.2 主成分分析

主成分分析可以较好地分析沉积物中的重金属来源。对重金属元素处理后进行主成分分析, 得到7个主成分, 提取其中特征值大于1的2个主成分, 累计方差贡献率为96.09%, 可以解释大部分的物源信息(图6)。其中第一主成分正载荷较高的元素有Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As和Hg, 均表现出较高的相关性, 通过分析各站位的含量发现其分布较均匀, 说明这7种元素主要为自然沉积, 受人类活动影响较小; 第二主成分仅有Cd有明显的正载荷, 结合Cd的分布发现峰值站位为ZZ06和ZZ13, 含量分别为0.10× 10^-6和0.11× 10^-6, 说明其含量受江平江污染物输入和珍珠湾东南部海水养殖的影响较显著。

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	图5 主成分分析图Fig.5 Principal component analysis diagram

为了进一步讨论各污染源的相对贡献率, 利用主成分-多元线性回归(PCA-MLR)模型计算金属来源贡献率, 以标准化后的8种重金属浓度之和为因变量, 以主成分因子得分为自变量, 得到标准化后的回归方程, 公式为

$C = 0.625 \times P_{C 1} + 0.476 \times P_{C 2}$ 。 (5)

式中: C为8种重金属浓度之和; P_C1和P_C2分别为第一和第二主成分得分。结果值与预测值之间的相关系数为0.992, 表明拟合效果较好。

通过计算, 江平江输入重金属贡献率为57%, 海水养殖重金属贡献率为43%。以江平江为代表的第一主成分自然背景来源的贡献率最高, 与研究区环境保护较好具有良好的对应关系。

4 结论

(1)珍珠湾红树林湿地表层沉积物中重金属含量表现为: Zn> Cr> Pb> Cu> Ni> As> Cd> Hg, 除Ni和Hg外其他元素变异系数较低, 分布较均匀, 未见明显污染; 与国内其他地区的红树林相比, 珍珠湾表层沉积物中重金属含量整体处于较低水平, 沉积环境较清洁。

(2)地累积指数法表明, 珍珠湾红树林沉积物主要为清洁级, 仅有部分站位的Cd和Hg表现为轻微污染; 潜在生态风险指数法结果表明, 大部分元素为低生态风险, Cd和Hg在部分站位处于中等生态风险; 湾内生态风险指数R_I范围为49.07~147.71, 所有站位均为低生态风险。

(3)主成分-多元线性回归模型显示研究区重金属主要受江平江输入和珍珠湾东南部海水养殖的影响, 二者的相对贡献率分别为57%和43%。

(4)珍珠湾红树林湿地整体生态环境良好, 但需持续关注来自江平江和海水养殖的Cd输入。

(责任编辑: 魏昊明)

参考文献

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[24]	吴丹, 赵志忠, 季一诺, 等. 海南岛八门湾红树林湿地表层沉积物重金属分布特征及污染评价[J]. 海南师范大学学报: 自然科学版, 2015, 28(4): 432-437. Wu D, Zhao Z Z, Ji Y N, et al. The spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in the surface sediments of Bamenwan mangrove wetland , Hainan Island [J]. J Hainan Normal Univ: Nat Sci, 2015, 28(4): 432-437. [本文引用:1]
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[26]	赵秀峰, 王强盛, 石宁宁, 等. 石化园区周边农田土壤重金属污染分析与评价[J]. 环境科学学报, 2010, 30(1): 133-141. Zhao X F, Wang Q S, Shi N N, et al. Analysis and assessment of soil heavy metals around a petrochemical industry park[J]. Acta Sci Circumst, 2010, 30(1): 133-141. [本文引用:1]

2011

0.0

... ,红树林湿地作为地球上生产力水平最高的海洋自然生态系统之一,具有丰富的生产力和生物多样性,在护岸消浪、抗灾减灾、净化水体、促淤保滩、优化海岸带环境等方面发挥着重要作用^[1,2] ...

1997

0.0

2016

0.0

... 红树林湿地中沉积的重金属通常具有来源范围广、存在时间长、污染后难以恢复等特点,对生态系统具有潜在的危害^[3,4],且一旦进入生态循环就很难被生物降解,往往会通过低等生物、水体等进入食物链,进而破环生物体的正常生理代谢活动,最终通过生物富集作用危害人体健康和生态环境^[5] ...

2003

0.0

2002

0.0

2021

0.0

... 此外,沉积物中的重金属还会抑制酶的活性,从而干扰生态环境中的生化反应,威胁湿地底栖生物的生理健康^[6] ...

2022

0.0