山口红树林湿地沉积物重金属含量及生态风险评价

韦江玲，王增军，潘良浩，李武峥

(1.广西壮族自治区山口红树林生态自然保护区管理处，广西 北海536000；2.国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西 北海536000；3.广西科学院红树林研究中心，广西 北海 536000)

0 引言

红树林是生长于热带、南亚热带潮间带的木本植物群落，其在降低海洋灾难、净化环境、维持生物多样性等方面发挥了重大作用[1]。红树林湿地生态系统具有独特生境特征，随着广西北部湾经济的开发，加之船舶运输业、农业和渔业等人为活动影响，不少点源、面源污染物汇集于红树林湿地，使其成为重金属污染物重要的源和汇[2-3]。重金属具有来源广、不易分解，残留时间长、毒性大等特点，可以通过食物链或其他迁移方式给生物及人类健康带来极大的潜在危害，是国内外学者研究的热点[4]。近年来，国内外对红树林湿地沉积物重金属污染做了一些研究，如对重金属含量和分布特征分析[5-6]，也有从沉积、迁移、累积机制[7-8]，以及从重金属的富集特征和污染状况评价等[9]。广西山口红树林作为国际重要湿地，目前还未见相关报道。本研究通过对广西山口红树林国际重要湿地沉积物中重金属污染进行测定、分析并评价，以期为红树林湿地重金属的监测、红树林生态系的保护和恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

广西山口国家级红树林生态自然保护区位于广西合浦县沙田半岛东西两侧(中心位置地理坐标21°28′N，109°43′E)，保护区2002年被列为国际重要湿地名录。所覆盖的区域辖于山口、沙田和白沙三镇，共19个村委会，9万余人。该湿地海岸线长41 km，湿地面积4 000 hm2，红树林有林面积818.8 hm2。区内有真红树植物种类共9科10属10种，半红树植物5科6属6种。真红树植物中，白骨壤(Avicenniamarina)、桐花树(Aegicerascorniculatum)、秋茄(Kandeliacandel)、红海榄(Rhizophorastylosa)、木榄(Bruguieragymnorrhiza)和海漆(Excoecariaagallocha)是保护区红树植物群落中的主要建群种。该湿地地属广西东海岸，属南亚热带海洋性季风气候。多年平均日照时数1 796～1 800 h，多年平均气温23.4 ℃，≥10 ℃年积温7 708～8 261 ℃，1月平均气温14.2～14.5 ℃，极端低温2.0 ℃。气温年变化振幅不大，仅13.8 ℃。多年平均降水量1 500～1 700 mm，平均相对湿度为80%。海区潮汐类型属非正规全日潮。在1年中约有60%的时间为1天1次潮，其余时间为1天2次潮。该区多年平均潮差在2.31～2.59 m之间，潮差的季节变化是夏季大，春季小。多年平均潮差2.52 m，最大潮差6.25 m。该区东面的英罗港有武留江、洗米河和湛江的大坝河3条小河流入，西面的丹兜海有那郊河注入。湿地周围有大量水产养殖塘及居民点，西侧丹兜海有港口区。

1.2 样品采集

综合考虑山口红树林湿地分布面积、潮位变化及人类活动影响等因素，于2018 年9月沿着海岸线，在湿地的英罗港和丹兜海共布设15个采样站位(图1)，每个站位采集土壤样品2～3个，表层沉积物采用抓斗式采泥器采集，样品取自表层0～5 cm，放入聚乙烯袋中扎紧袋口冷藏密封保存备用。

1.3 重金属的测定

野外采集的土壤样品经过自然风干，剔除砾石和颗粒较大的动植物残骸后研磨。过180目尼龙筛，保存于棕色玻璃瓶中备用。样品的测定依据《海洋监测规范》第5 部分(GB17378.5-2007)[10]的要求进行，样品消解采用MARS 5进行微波消解(120 ℃/5min-150 ℃/5min-185 ℃/30min)。经消解后，Cu、Pb、Zn、Cr重金属元素采用ICP-AES(PE-Optima 7000DV)，Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法(原子吸收光谱仪PE-AA700)，Hg采用原子荧光形态分析仪(SA-20)进行测定，同时用平行样和国家水系沉积物标准物质GBW07318分别控制样品分析的精确性和准确性。数据统计分析用SPSS 19.0 软件完成。

图 1 采样站位示意Figure 1 Sampling stations

1.4 生态风险评价方法

采用污染指数法和Håkanson的潜在生态危害指数法来进行重金属潜在风险评价[11]。公式如下：

Cfi=Csi/Cni

(1)

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

(4)

表 1 沉积物中污染物评价参比值(Cni)及毒性响应系数(Tri )Table 1 Cni and Tri of the sediments

污染物HgCrCuZnPbCd Tri 40251530 Cni0.1173.3027.1059.7020.100.06

式(1～4)中：Cfi是第i种重金属污染参数；Csi是第i种重金属浓度实测值； 是污染物i的评价参比值；Cd为表层沉积物多种重金属的综合污染指数；Eri是单种污染物的潜在生态风险参数；Tri是第i种污染物的毒性响应系数。不同污染物的毒性响应系数取值见表1。RI是沉积物多种污染物的潜在生态风险指数。Cni值采用1986—1990年全国土壤环境背景值调查研究中的广西土壤重金属元素并选择底土层的几何平均值作为背景值[12]。生态风险的分级标准是 Håkanson根据8种污染成分(Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和PCBs) 的风险评级综合提出的，但本研究的仅选择了6种重金属污染物，依据邱耀文等[13]的研究，对RI值进行了调整，不同Cfi、Eri和RI值对应的污染程度和潜在生态风险分级见表2。

表 2 Cfi、 Eri和RI值对应的污染程度和潜在生态风险程度Table 2 Pollution degree and potential ecological risk degree corresponding to Cfi,Eri and RI

3 结果与讨论

3.1 重金属含量及分布

表 3 表面沉积物重金属质量分数/(mg·kg-1)Table 3 Contents of heavy metal in the surface sediments

站位HgCrCuZnPbCd 1#0.01536.134.7923.9414.690.08 2#0.089132.7228.5466.407.880.19 3#0.06022.294.8113.495.760.05 4#0.01037.606.8626.3616.900.19 5#0.06448.367.8742.0425.570.06 6#0.07138.315.9625.3816.470.06 7#0.04820.161.0010.015.010.05 8#0.05038.132.6017.029.990.07 9#0.05142.015.2631.9418.610.12 10#0.099201.1119.8372.9112.200.19 11#0.01546.005.4631.1812.350.11 12#0.03643.217.0138.0223.740.16 13#0.01061.888.2436.0422.110.16 14#0.01120.971.0010.265.03 0.10 15#0.03062.147.2533.9616.780.08 平均0.04456.737.7631.9314.210.11 海南东寨港红树林[14]0.03015.2613.3420.613.930.20 深圳福田红树林[15]0.270—78.70269.3073.100.40 湛江东海岛红树林[16]0.07443.4712.5060.8027.000.04 福建九龙江口红树林[17] ——38.54353.2156.152.73 海洋沉积物质量一类标准0.20080.0035.00150.0060.000.50

表 4 表层沉积物重金属污染指数和污染程度分级Table 4 Heavy metal pollution index and pollution degree classification of sediments

站位CfiHgCrCuZnPbCdCd总体污染程度1#0.140.490.180.400.731.363.30低污染2#0.801.811.051.110.393.118.27中污染3#0.540.300.180.230.290.882.42低污染4#0.090.510.250.440.843.135.26中污染5#0.580.660.290.701.271.044.54低污染6#0.640.520.220.430.820.933.56低污染7#0.430.280.040.170.250.832.00低污染8#0.450.520.100.290.501.173.03低污染9#0.460.570.190.530.932.074.75低污染10#0.892.740.731.220.613.179.36中污染11#0.140.630.200.520.611.904.00低污染12#0.320.590.260.641.182.645.63中污染13#0.090.840.300.601.102.705.63中污染14#0.100.290.040.170.251.662.51低污染15#0.270.850.270.570.831.284.07低污染平均0.400.770.290.530.711.864.56低污染

从表3可看出，山口红树林湿地表层重金属Hg、Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的质量分数范围分别为0.010～0.099 mg·kg-1、20.16～201.11 mg·kg-1、1.00～28.54 mg·kg-1、10.01～72.91 mg·kg-1、5.01～25.57 mg·kg-1和0.05～0.19 mg·kg-1，均值分别为0.044 mg·kg-1、56.73 mg·kg-1、7.76 mg·kg-1、31.93 mg·kg-1、14.21 mg·kg-1和0.11 mg·kg-1。Hg、Cr、Zn、Cd的最高值出现在10#，而Cr、Cu、Zn、Pb、Cd的最低值出现在7#。

从表3还可看出，7#和14#与其他站位相比，各重金属质量分数较低，原因在于：7#和14#处在保护区核心区且在高潮带，此处有生长茂密原生红树林，且分布着保护区大面积分布和完整保存着中国大陆海岸唯一的一片红海榄纯林和木榄纯林，由于红树林发达根系的阻滞，潮水中颗粒物大部分在中潮带即被截留而沉降，尤其是天文小潮周期内到达高潮带的沉积物更少，高潮带沉积物中的重金属得到补给较少；高潮带生长有茂密的原生红树林，其对重金属的吸收作用也强于中低潮带的次生林、人工林或光滩。

从各重金属的平均含量与区域背景值的对比可看出，各重金属平均含量都低于区域背景值。根据海洋沉积物质量(GB18668-2002)第一类标准，得出各重金属的平均含量均低于国家海洋沉积物质量一类标准。经查阅有关文献，与国内其他红树林湿地对比，得出山口红树林湿地土壤沉积物的重金属平均含量总体处于较低水平。

3.2 重金属的污染分析

单因子污染指数计算结果见表4。对照表2标准，Hg、Cr、Cu、Zn、Pb、Cd重金属单因子的平均污染指数分别为0.40、0.77、0.29、0.53、0.71、1.86，Cd属中度污染水平，其他重金属均为低污染。从空间分布看，其中Pb在5#、12#、13#属中度污染；Cr、Zn在2#、10#属中度污染；Cu在2#属于中度污染。各重金属单因子污染程度大小为Cd>Cr>Pb>Zn>Hg>Cu。从总体污染指数(Cd)可看出，2#、4#、10#、12#、13# 为中污染，整个湿地总体污染指数平均为4.56，属低污染水平。

3.3 重金属潜在生态风险评价

各重金属元素的潜在生态危害系数及各站位综合风险指数RI的计算结果见表5。对照表2标准，从单个重金属元素潜在生态风险指数看，Cd的潜在生态危害系数平均达到了55.72，属中等潜在生态风险，其余各重金属元素的潜在生态风险指数平均值均小于40，为低潜在生态风险。各重金属元素的潜在生态风险程度由高到低依次为 Cd>Hg>Pb>Cr>Cu>Zn，其中 Cd的潜在生态风险指数明显高于其他元素，贡献率达70.90%，表明 Cd为山口红树林湿地的主要潜在生态风险因子。从 6种重金属的综合潜在生态风险指数值来看，2#、10#的潜在生态风险指数为144.10和137.22，均大于105，为中等潜在生态风险。其余各站位的潜在生态风险指数均小于105，为低潜在生态风险。整个山口红树林湿地综合潜在生态风险指数平均值为78.60，潜在生态风险程度低。

表 5 表层沉积物重金属潜在生态风险系数(Eri)和风险指数(RI)Table 5 Eri and RI of heavy metals in surface sediments

站位EriHgCrCuZnPbCdRI总的潜在风险程度1#5.410.990.880.403.6540.9052.23低2#32.073.625.261.111.9693.20137.22中3#21.620.610.890.231.4326.3651.14低4#3.601.031.270.444.2093.77104.31低5#23.061.321.450.706.3631.2264.12低6#25.591.051.100.434.1027.8660.12低7#17.300.550.180.171.2525.0044.45低8#18.021.040.480.292.4935.0257.33低9#18.381.150.970.534.6362.1687.82低10#35.685.493.661.223.0495.02144.10中11#5.411.261.010.523.0756.9168.17低12#12.971.181.290.645.9079.09101.08低13#3.601.691.520.605.5081.0193.92低14#3.960.570.180.171.2549.8856.02低15#10.811.701.340.574.1738.3856.97低平均15.831.551.430.533.5355.7278.60—

3.4 重金属来源分析

3.4.1 相关分析

已有研究表明，具高度显著相关关系的多种重金属之间，一定程度上存在相似的含量分布规律，具有同源性[18]。利用SPSS 19.0对表层沉积物6种重金属含量进行相关性分析(表6)。经分析显示，Cu与Cr呈极正显著相关(r=0.860)；Zn与Cr呈极正显著相关(r=0.915)，与Cu呈极正显著相关(r=0.907)；Cd与Cu呈极正显著相关(r=0.660)，与Zn呈极正显著相关(r=0.683)。可见，Cr与Cu、Zn具有极正显著相关性。

3.4.2因子分析

湿地重金属主要来源于岩石矿物的自然风化、大气的输入、海洋底部沉积物向上的迁移活动以及人类活动产生的工农业废水和生活污水，而后者是引起湿地重金属污染的重要来源[3]。本研究采用因子分析方法进一步对重金属来源进行解析。因子分析方法已被证实能在分析沉积物中元素的来源方面提供明确的信息，且较于主成分分析其因子更具有明确的意义[19]。通过因子分析适宜性检验，结果显示KMO值为0.511，大于阈值0.5，说明变量之间是存在相关性的；Bartlett 的球形度检验相伴概率小于显著水平0.05，表明变量数据是适合进行因子分析的。公因子方差提取的值均大于0.7，所以变量可以较好地被表达。分析过程采用主成分提取方法，共提取出初始特征值大于1的2个公因子，就可以解释变量中82.75%的方差信息。为了使因子载荷两极分化，使用最大方差法进行正交变换，旋转后的因子分析结果如表7所示。

结果显示，因子1贡献率为61.50%，因子变量包括Cu、Zn、Cr。结合野外调查发现，2#、10# 重金属污染程度较严重的站位其共同特征是污水未经处理直接排放到湿地中。2#和10#附近居民点分布较多，且陆地水产养殖塘广布，约300 hm2，调查发现养殖污水通过管道直接排入红树林，水产养殖中饲料、鱼药的施用和居民生活污水等可能会引起Zn、Cu、Cr等重金属污染[20]。故推测因子1主要是人类活动影响，养殖排污和生活污水为主要来源。

因子2的贡献率为21.26%，因子变量为Pb，通过表4可知，5#、11#、12#所在区域分别都有淡水河注入，且Pb在5#、11#、12#质量分数最高，可知5#、11#、12#重金属Pb主要来源于陆源输入。

4 结论

广西山口红树林湿地表层沉积物6种重金属的平均质量分数均比深圳福田、湛江东海岛和福建九龙江口红树林湿地低，且6种重金属的平均质量分数均低于国家海洋沉积物一类标准，呈现出较为健康状态。从单因子污染指数看，山口红树林湿地重金属污染程度依次为：Cd>Cr>Pb>Zn>Hg>Cu。Cd是该区域主要的生态风险因子。从综合污染指数看，山口红树林湿地重金属为低污染水平。从潜在生态风险指数看，2#、10#的潜在生态风险指数为 144.10和137.22，均大于105，为中等潜在生态风险。整个山口红树林湿地综合潜在生态风险指数平均值为78.60，潜在生态风险程度低，各重金属元素的潜在生态风险程度依次为Cd>Hg>Pb>Cr>Cu>Zn，区域重金属潜在生态风险程度RI值为78.60，生态风险程度低。山口红树林湿地表层土壤中Cr、Cu和Zn之间具有强相关性。通过因子分析和结合湿地调查发现，山口红树林湿地Zn、Cu、Cr主要来源于人类活动影响，其中养殖排污和生活污水为主要来源，应值得关注。在今后的湿地管理中，应特别加强对湿地周边养殖排污和生活污水的监测和治理。

表 6 6种表层沉积物重金属相关性分析Table 6 Correlation analysis of six heavy metal contentsin surface sediments

因子HgCrCuZnPbCdHg1Cr0.630∗1Cu0.623∗0.860∗∗1Zn0.577∗0.915∗∗0.907∗∗1Pb-0.148-0.012-0.0040.2901Cd0.0500.629∗0.660∗∗0.683∗∗0.2021

注：*在 0.05 水平(双侧)上显著相关，**在0.01 水平(双侧)上显著相关。

表 7 山口红树林湿地表层沉积物重金属来源因子分析Table 7 Factor analysis of heavy metals in the surface sediments of mangrove wetland in Shankou

类别因子1因子2贡献率/%61.5021.26累积贡献率%61.8182.75主成分Cu、Zn、CrPb