盐城滨海滩涂表层沉积物重金属生态风险评价

王俊杰，黄阳，黄雪，3，左平，赵善道，邹欣庆

（1.南京大学 地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210093；2.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏 南京 210093；3.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京 100875）

江苏盐城国家级珍禽自然保护区又称盐城生物圈保护区（简称盐城保护区），是中国最大的滨海湿地自然保护区，位于江苏中部沿海，自北向南依次地跨响水、滨海、射阳、大丰、东台五县市的沿海滩涂，其地理范围是32°20′N-34°37′N，119°29′E-121°16′E（李杨帆 等，2004）。其核心区是我国目前保留最完好的原生盐沼湿地之一，自陆向海规律地分布有芦苇滩、盐蒿滩、互花米草滩、光滩（欧维新 等，2006；赵雪琴等，2010a；赵雪琴等，2010b）。但海岸带生态系统作为开放的生态系统，由于各类经济活动强度的增大，导致其产生的各种工农业污染物随废水排海、大气颗粒沉降、地表径流和降雨进入近岸水体，并不可避免地随近岸河流流入核心区（Frey et al，1978；王俊杰 等，2013；左平等，2010；黄向青等，2006；邱虎等，2010）。而重金属污染在土壤中移动性差，滞留时间长，不能被微生物降解（高园园等，2013），具有一定的毒性，通过食物链积累富集进入鱼类、鸟类体内，从而影响整个生态系统的健康（王俊杰等，2013；左平等，2010）。因此，本文基于盐城自然保护区核心区外光滩的表层沉积物中的重金属含量及其分布特征进行分析，旨在为滨海保护区的开发利用和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样布置

本研究于2011年9月23-25日自江苏盐城自然保护区核心区外围光滩采集表层沉积物样品，研究区域及采样点位置见图1。

图1 研究区域及采样点位置分布图

从新洋港入海口的光滩地区，自东南向西北整体沿平行于海岸线方向近似等间距取表层沉积物样品25 个。其中样品GT01-GT13 呈折线分布，折向为东北—西南，走向为由东南到西北；GT14-GT25依次按东南至西北的方向呈直线分布。由此将采样的光滩区域分成5 个区段，前4 个区段均在折线范围内：GT01-GT04 位于由西南到东北，即由陆向海采样区的第1 段；第2 段是东北到西南方向的，即由海向陆的包括GT05-GT07 3 个样点；第3 段包含GT08-GT10，方向由西南到东北，即由陆向海的；GT11-GT13 位于第4 段，方向与第3 段相反。第5 段是平行于岸线的直线部分的GT14-GT25。现场用塑料自封袋密封，冷藏，带回实验室。样品分3 份，1 份用于粒度分析，1 份用于Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6 种重金属分析，剩余一份用作实验室备份。

1.2 样品处理

粒度测定：将25 个粒度实验样品称重，过16目筛，将筛出的≥1 mm 的颗粒称重，计算所占样品含量比例。过筛后的样品预处理后使用Malvern Master Size 2000 型激光粒度仪进行粒度分析。该仪器的测量范围为0.02 ～ 2 000 μm，粒级分辨率为0.01Φ，重复测量的相对误差<3%。使用矩法计算沉积物粒度参数（McManus，1988）。所有的样品分析均在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室完成。

重金属测定：样品放入冰箱中冷冻，然后利用ALPHA-1-4 型冻干机低温冻干，用玛瑙研钵研磨后过孔径100 μm 的尼龙筛。采用国标湿消化法消解泥样，用国家标准物质进行质量控制以确保数据可靠性。用ICP-MS 元素分析仪测定样品Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni 共6 个指标（相对误差＜5%，回收率在95%～125%之间）。样品分析在中国科学院南京地理与湖泊研究所国家重点实验室完成。

1.3 数据分析

克里格差值分析：又称空间局部插值法，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是地统计学的主要内容之一（王艳妮等，2009）。克里格法适用的条件：变异函数和相关分析的结果表明区域化的变量存在空间相关性。克里格方法与反距离权插值方法类似的是，两者都通过对已知样本点赋权重来求得未知样点的值，可统一表示为：

式（1） 中，Z（x0）为未知样点的值，Z（xi）为未知样点周围的已知样本点的值，ωi为第i 个样本点对未知样点的权重。n 为已知样本点的个数。

环境风险指数法：对污染环境进行环境风险表征的方法，其规定了相应的环境风险的划分标准，可以定量地度量重金属污染的土壤或沉积物中样品的环境风险程度大小（Rapant et al，2003）。计算公式如下：

式（2） 中，IERi为超过临界限量的第i 种元素的环境风险指数；ACi为第i 种元素的分析含量；RCi为第i 种元素的临界限量；IER为待测样品的环境风险。需要说明的是，如果ACi

环境风险指数法能定量反映重金属污染风险程度的大小，能用数值来反映污染物对环境现状的危害程度，Rapant 等应用环境风险指数法对斯洛伐克共和国的环境进行了风险分级，分析了各种重金属对环境污染的贡献程度和对环境污染贡献最大的重金属元素，但这种方法不能反映出重金属污染在这个时间和空间的变化特征（徐燕等，2008；范拴喜等，2010）。

Hakanson 潜在生态危害指数法：综合考虑了重金属的毒性、在土壤和沉积物中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，体现了生物有效性和相对贡献及地理空间差异等特点，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于大区域范围沉积物和土壤进行评价比较。该方法是目前国内外沉积物和土壤质量评价中应用最为广泛的方法之一（Hakanson，1980；徐争启等，2008；徐燕等，2008；方淑波等，2012；李桂海等，2007；张丽旭等，2005；张少峰 等，2010；张淑娜等，2008）。其计算公式如下（Hakanson，1980）：

式（4）、式（5） 中：Ei

表1 Hakanson 重金属毒性系数表

2 结果与讨论

2.1 粒度数据分析

自东南至西北平行于岸线的GT01-GT25 样点表层沉积物的粒度特征如图2 所示，其中实线（折线） 表示样点的实际粒度的分布特征，虚线表示相应折线的趋势线。

图2 平行海岸线由南向北表层沉积物粒度变化

研究区域内沉积物种类是由粘土、粉砂和砂组成的；整体分布以粉砂为主，粘土次之，体现出盐城保护区的淤泥质海滩特征；而砂的含量则很少，大部分样点均小于1%，仅在第2 段出现砂含量大于1%的样点，但也在10%以内。由粉砂含量的趋势线可见，第1 段至第5 段呈现粉砂含量减小，粘土含量增加，平均粒径减小的趋势。造成这种趋势可能是因为北侧的样点GT25 离新洋港入海口较近，河流流速较缓，加上沿河植物的过滤作用，使得河流输送的细粒物质多沉积于此。同时此处离海距离较远，水动力条件较为单一，沉积物粒度受潮汐波浪作用较弱。西北GT25 附近的区域，由于水动力环境稳定，并且接收了大量来自河流的营养物质，成为当地条件较好的泥螺养殖区。而随着东南部的样点离河流的距离增大，受到潮汐动力的影响逐渐增大所致，因此平均粒径呈现增大趋势。而在GT07 处，砂和粉砂含量异常增高，表明此处水动力较强，能量较高，可能是波浪破碎的位置。

2.2 重金属含量分布特征

图3-8 分别对应自东南向西北的光滩地区表层沉积物中Cr、Cu、Ni、Zn、Cd 和Pb 6 种重金属的分布情况，其中实线（折线） 代表各采样点的实际重金属含量，短虚线（曲线） 代表其趋势线，长虚线（直线） 代表该种重金属在该采样区域所对应的背景值（江苏省沿海海域及港河口污染调查监测总结报告1978-1979）。由图3 可见，所有样点的Cr 含量均远远高于背景值（28.50 mg/kg），甚至达到其2～4 倍之多；由东南至西北呈现中部低、两端高的趋势；最大值出现在第2 段的GT07 点，最小值出现在第五段的GT21 点。其原因可能是Cr以海上运输为主要来源，通过潮汐波浪的作用向岸输送物质的过程中，一开始流速较大，粗粒很快沉积；随着流速下降，离海距离增大，较细颗粒逐渐沉降下来。假设粗粒与细粒密度相同，且单位体积Cr 含量相同，则离海距离越远，表层样中Cr 含量越小，因此由第一段至第4 段呈现减小的趋势。Ni、Zn、Cd、Pb 含量分布可分别见图5、图6、图7 和图8，其含量的整体分布趋势较为一致，第1段至第2 段呈减小趋势，第2 段至第3 段呈增大趋势，第3 段至第4 段呈减小趋势，在第4 段达到最低值，第4 段至第5 段呈现增加趋势。其中Ni 含量的分布地区差异最大，且所有点的含量均超过其背景值（20.00 mg/kg），最大值出现在第2 段的GT07 点；Pb 最高值与最低值之间差异相对较小，且除了第4 段和第5 段的前半段以外，其他采样点的Pb 含量均超过其背景值（17.63 mg/kg），最高点在第3 段GT08 点，最低在第4 段GT12 点；Zn 和Cd 的地区差异为最小，且所有采样点的Zn、Cd含量均低于其各自背景值（Zn：78.10 mg/kg，Cd：0.72 mg/kg）；Zn 最高值出现在第3 段的GT10 和第2 段的GT07 点，Cd 最高值也在第2 段的GT07点。这4 种重金属最高点出现在粒度分布中粘土含量最高处附近，是因为平均粒径越小，颗粒对重金属的吸附作用越强。由图4 可见，除了含量最高的第1 段GT04 点以外，其他点的Cu 含量均低于其背景值（15.99 mg/kg）；以第4 段含量为最低，向南北含量呈增加趋势，第3 段和第4 段Cu 含量的变化较缓，第1 段和第5 段变化较为剧烈。

图3 盐城滨海滩涂东南至西北一线Cr 含量

图4 盐城滨海滩涂东南至西北一线Cu 含量分布

图5 盐城滨海滩涂东南至西北一线Ni 含量分布

图6 盐城滨海滩涂东南至西北一线Zn 含量分布

图7 盐城滨海滩涂东南至西北一线Cd 含量分布

图8 盐城滨海滩涂东南至西北一线Pb 含量分布

2.3 重金属含量克里格插值分析

由插值结果可见（图9-14），除了Cu（图10）和Ni（图11） 以外的其他4 种重金属元素含量的最高值均集中在东南部的GT01-GT08 处（第1 段至第3 段），其中Cr、Cd 和Pb 在东南部区域分布均匀，呈现由南到北、由岸向海减小的趋势；而Zn 的含量分布较为不均，第3 段明显高于南部的前两段。Cu、Ni 则在西北和东南两端含量均为较高，其中西北岸（第5 段后半段） 范围更大且含量更高；Cu 的高值多以点状分散分布，Ni 则以片状分布。6 种重金属元素空间分布的共同特点是低值都分布在第4 段和第5 段前半段。从实际地理位置分析可知，南部的GT01-GT08 点靠近渔民下海的通道，附近发现有大量生活生产垃圾，多为渔民从事渔业活动后遗弃的劳作辅助工具等，这些垃圾经过海水的腐蚀、分解产生大量的重金属元素，导致该地区重金属含量异常增高；北部的GT18-GT25点靠近新洋港入海口，获得了较多河流输送的重金属元素，并且作为泥螺养殖的主要作业区，由于渔民长时间的劳作过程中带入和产生了较多污染，导致该区域的重金属含量普遍较高。

图9 盐城滨海滩涂Cr 含量空间分布(mg/kg)

图10 盐城滨海滩涂Cu 含量空间分布(mg/kg)

图11 盐城滨海滩涂Ni 含量空间分布(mg/kg)

图12 盐城滨海滩涂Zn 含量空间分布(mg/kg)

图13 盐城滨海滩涂Cd 含量空间分布(mg/kg)

图14 盐城滨海滩涂Pb 含量空间分布(mg/kg)

2.4 重金属风险评价

参照《中华人民共和国海洋沉积物质量》(GB18668-2002)，对盐城滨海光滩6 种重金属进行比较发现，Cu、Zn、Cd、Pb 4 种重金属含量均低于国家I 类标准；Cr 含量的均值高于国家I 类标准，但低于Ⅱ类标准，因此该沉积物属国家Ⅱ类沉积物。Ni 含量近于其背景值，因没有相关分类标准，此处不做讨论。

采用环境风险指数法对江苏盐城滨海滩涂表层沉积物中Cr、Ni、Cu、Pb 和综合重金属污染风险评价见图15，其中Zn 和Cd 的环境风险指数全部为0，故未在图中画出。

图15 盐城滨海滩涂环境风险指数（IER）

由图可见，对整个环境风险贡献最大的元素是Cr，是盐城保护区光滩区最主要的重金属污染因素；Pb 和Ni 有不同程度的轻度污染；Zn、Cd 和Cu 的环境风险指数均在正常范围内。6 种重金属元素的环境风险指数排序是Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn=Cd=0。总风险指数以第1 段和第2 段最大，第3 段、第4 段和第5 段前半段较小。

采用Hakanson 潜在生态危害指数法对江苏盐城保护区光滩表层沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 共6 种重金属的综合潜在生态危害评价结果见图16。

图16 盐城滨海滩涂潜在生态危害指数（RI）

表2 潜在生态危害系数和危害指数与污染程度的关系

由表1 可知，毒性系数最大的重金属元素为Cd，最小的是Zn。6 种重金属在整个采样区的潜在生态风险指数平均值的排序为10＞Cd＞Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn，参考表2 潜在生态危害系数与污染程度的关系可知，远小于最低标准40，表明该区域的六种重金属全部属于非常轻微的生态危害；6 种重金属的综合潜在生态危害指数RI 值均在40 以下，远小于150，总体也属非常轻微程度的生态危害。由图16 可知，由东南到西北方向，RI 值整体呈现先增大、后减小、再增大的趋势，以第1 段和第2 段最大，第3 段、第4 段和第5 段前半段较小，与环境风险指数的变化规律大致相同，可能是由于东南部的第1、2 段靠近渔业活动通道，受人类活动干扰较大；北部的第5 段后半段由于近新洋港入海口，获得较多来自陆地的重金属元素，且受到该区泥螺养殖的经济活动也有所影响。由此看出，人类生产活动对重金属分布产生了直接的影响，人类活动较多的区域重金属含量要高于人类活动少的。

3 结论

（1） 盐城滨海湿地滩涂东南至西北表层沉积物中，Cr、Ni、Pb 的含量均高于背景值；所有样品的Cr 含量都超过了背景值达1-4 倍，且高于国家I 类标准，低于Ⅱ类标准，属Ⅱ类沉积物；Cu、Zn、Cd、Pb 4 种重金属含量均低于国家I 类标准，属国家I 类沉积物。

（2） 从空间插值结果来看，Cr、Cd、Zn、Pb高值集中于东南部，表明东南部的渔业活动及其产生的垃圾为其主要重金属来源；Cu、Ni 高值在西北和东南两处，表明其来源除南部的渔业活动外，还有北部的陆源输入。综合表明，研究区重金属的来源和富集主要受人类活动控制。

（3） 采用环境风险指数法进行分析发现，Cr对整个区域的环境风险的影响最大，总风险指数以东南部第1、2 段最大，中部第3、4 段和第五段前半段最小；采用Hakanson 潜在生态风险指数法对数据进行分析评价，结果表明Cd 的潜在生态风险最大，RI 值由东南到西北方向整体呈现先增大、后减小、再增大的趋势，与综合环境风险指数的变化规律大致一致，以新洋港入海口和渔业活动最密集处为最高。

沉积物粒度特征、重金属的元素特性、陆源输入或海水输运、潮汐波浪动力作用、生物化学作用等对盐城保护区潮间带光滩表层沉积物中所研究的6 种重金属的分布和转移均具有不同程度的影响，直接关系到重金属在沉积物中的污染程度。通过新洋港河输运的各类陆上污染物已经随地表径流进入江苏盐城国家级自然保护区的核心区，海上输运产生的污染物也随着潮汐波浪作用广泛影响盐城滨海潮间带光滩区域。近些年来苏北沿海经济开发的范围和强度逐年增大，耕地开垦、工业园区、城市化建设进度不断加快，三废的产生量不断增加，而处理能力相对滞后（左平，2012）。只有更严格地规范各类污染物的排放和治理，才能保障核心区生态系统的健康。由于生态系统物质循环具有区域广泛性的特点，在严禁核心区内进行各种人类活动的基础上，还要对核心区外围区域的各类经济活动，尤其是工业生产活动，进一步加强管理，控制污染源，如限制化肥农药用量、限制滩涂工业污染项目，生产过程中增设监督机制，实施达标排放，避免直接排海。

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