镇海湾红树林沉积物中重金属污染特征与风险评价

徐 阁，任茂兴，袁 超

（国家海洋局海口海洋环境监测中心站，海南 海口 570311）

随着人类活动的加快以及沿海经济的迅速发展，海域资源给人们带来经济收益的同时，海湾及沿岸海域的污染问题越来越严峻[1]。重金属因其难降解、可在生物体内富集等特性，使得沉积物重金属分布特征及生态危险评价越来越受到人们的关注。红树林主要分布于海陆交替区域，红树林区的沉积物具有强酸性、强还原性等特征，对重金属元素具有一定富集作用，在海洋环境污染治理方面具有净化水质的生态价值。

目前，有关红树林区域重金属的研究成果较多，主要包括红树林区沉积物重金属的污染形态和分布特征研究[2]、红树植物体内重金属的分布与累积特征研究[3]、红树林地区水生生物的重金属传递机制和污染现状研究[4]等方面。研究区域主要集中在黄茅海[5]、高桥[6]、雷州半岛以及包括特呈岛在内的湛江湾地区[7]。有关镇海湾红树林沉积物中重金属的研究未见报道。本文综合运用多种方法，研究镇海湾红树林沉积物中重金属的污染程度、生态危害和污染来源，对维护湿地生态系统的健康具有重要的理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

镇海湾原名北海湾，位于广东省江门市台山市西南部汶村镇与北陡镇之间海域，坐标范围：21°44'—21°56'30" N，112°24'—1l2°33' E。镇海湾形似喇叭状，两头大，中间小，走向为NNW-SSE，口门宽约16.3 km，纵深27 km，湾中最窄处1.6 km。受海洋气候的影响很大，区域气候属南亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，长年温和湿润。镇海湾内保存着集中连片且林相完整的天然红树林，其沿岸区域红树林分布面积约为117.61 hm2，是粤港澳大湾区连片面积较大、保护情况较好的红树林湿地之一，也是我国重要的原生红树林湿地之一，主要优势物种为桐花树和秋茄。

1.2 样品采集与分析

调查时间为2020年10月。根据研究区域红树林的分布特点，共布设15个调查站位，具体坐标见表1。沉积物样品主要是在低潮时潮滩区域采集，除去表面枯枝等覆盖物后取表层0～10 cm沉积物样品，混匀后装入聚乙烯密封袋中，低温保存带回实验室。重金属样品经80～100 °C烘干（其中Hg样品经40～60 °C烘干）后，研磨过160目尼龙筛；有机质样品经风干研磨后过80目金属筛，混匀后用四分法缩分分取所需试样。样品的采集、贮存、运输、分析和测定均严格参照《海洋监测规范》（GB17378—2007）和《海洋调查规范》（GB/T12763—2007）进行。

表1 采样点站位坐标

1.3 评价方法

采用单因子指数法和内梅罗指数法评价表层沉积物中重金属的污染水平，采用潜在生态危害指数法评价表层沉积物中重金属的生态风险。

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法计算公式如下。

式中，Ii为第i种重金属的单因子指数；Ci为第i种重金属的实测值（mg·kg-1）；Si为第i种重金属的评价标准值。当Ii＞1 时，沉积物含量超过评价标准。根据《广东省海洋功能区划》，研究区域所属海洋功能区划为川山群岛农渔业区，执行海洋沉积物质量一类标准。

1.3.2 内梅罗指数法

内梅罗指数法同时兼顾了单因子污染指数的平均值和最大值，避免由于平均作用削弱污染金属的权值，突出了污染指数最大的污染物对环境质量的影响，既可反映单因子重金属污染状况，又可反映多因子重金属污染的综合状况，其计算公式如下[8]。

式中，NI为内梅罗指数；Ci为污染物i的实测含量；Si为沉积物中污染物i的背景值。NI的分级标准[8]如表2所示。

表2 内梅罗指数分级标准

1.3.3 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数（ERI）是瑞典科学家Hakanson以应用沉积学原理来评价重金属的污染和潜在的生态危害的一种方法。它能综合反映重金属对生态环境的影响程度，综合评价沉积物中重金属潜在的生态危害，并用定量的方法划分出潜在生态风险程度，是沉积物现状质量评价应用最为公认的方法之一[9]，被我国学者广泛应用于重金属污染评价。

表3 沉积物中重金属的环境背景值（mg·kg-1）和毒性系数

沉积物中多种重金属综合潜在生态风险指数RI计算如下。

由于Hakanson（1980）提出的生态风险指数法所包括的监测项目包括 PCB（多氯联苯）、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn 和As 共8 种，而本研究未考虑 PCB，主要针对7 种重金属进行分析评价。因此，需要对Hakanson提出的综合潜在风险指数值RI范围进行调整[11]。单个重金属的潜在生态危害系数和多种重金属综合潜在生态风险指数RI所对应的污染评价等级划分见表4。

表4 潜在生态风险指数法的污染评价等级划分

1.3.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件作Pearson相关性分析和显著性检验，并利用Excel进行数据处理和统计分析。其中，相关系数P＜0.01为极显著相关，P＜0.05 为显著相关。

2 结果与分析

2.1 重金属的含量特征

镇海湾红树林表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg的含量变化范围分别为27.3～46.6 mg·kg-1、11.1～25.7 mg·kg-1、108～179 mg·kg-1、0.10～0.35 mg·kg-1、89.9 ～142 mg·kg-1、29.9～48.5 mg·kg-1、0.066～0.181 mg·kg-1。重金属含量由高到低依次是Zn＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg。对比镇海湾红树林表层沉积物中重金属含量与中国近海沉积物化学元素丰度可以发现，镇海湾的沉积物重金属中仅Pb含量稍低于背景值，Cu、Zn、Cd、Cr、As和Hg含量均高于背景值，其中Hg含量是背景值的6倍，As含量是背景值的5倍，说明重金属具有一定的累积效应，Hg和As的累积效应最为明显。

变异系数能反映重金属受人为影响的程度，系数越大，表明元素受人为干扰就越强。监测区域各监测站位重金属的空间变异系数总体较小（表7），介于0.13%～0.35%，说明研究区域重金属的空间分布较为均匀。7种重金属的变异系数均介于10%～100%，为中等变异程度，说明这些重金属元素受到了一定程度人类活动的影响。

2.2 重金属的污染特征

参照《海洋沉积物质量》（GB 18668—2002）中第一类标准进行单因子指数评价。结果显示（表5），在调查的15个站位中，Pb、Cd和Hg的单因子指数均小于1，表明研究区域暂未受到Pb、Cd和Hg污染；其余4种重金属均出现不同程度的污染，其中As和Cr污染最为严重，所有站位均超标。平均单因子指数从大到小依次是As＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg＞Cd＞Pb，As、Cr和Cu的平均单因子指数均大于1，表明这3种重金属的平均含量也超标，是影响研究区域沉积环境质量的重要因素。内梅罗指数分析（表6）结果表明，镇海湾红树林中各沉积物采样点均已受到严重污染（NI＞3），内梅罗指数变化范围为3.28～5.59。

表5 沉积物中重金属的单因子评价指数

表6 沉积物中重金属的内梅罗污染指数

2.3 潜在生态危害评价

镇海湾红树林表层沉积物中7种重金属的单元素平均潜在生态危害系数的大小顺序为：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其 中Hg的平均潜在生态风险系数为247.47，属于高生态风险水平；其次是Cd和As，分别属于较高生态风险水平和中生态风险水平；其余4种重金属元素的平均潜在生态风险系数均小于40，属于低生态风险水平，表明Hg、Cd和As可能是研究区域主要的潜在生态风险因子。与重金属多年平均含量大小排序相比，除As外，潜在生态风险系数的排序基本呈逆序排列；与污染程度排序相比，虽然As、Cr和Cu是主要污染类别，但由于其较低的生态毒性，潜在生态风险相对较低；而Hg和Cd的毒性响应系数比较大，其毒性水平以及生物对其敏感程度较高，虽然其污染程度较低，但其潜在生态风险明显大于其他重金属。

多元素的综合潜在风险指数值RI如表6所示，变化范围为278.65～480.55，平均值为409.86。评价结果显示，所有测站的沉积物均处于较高生态风险。其中，RI主要由Hg、Cd和As所贡献，它们对RI的贡献率分别为60.4%、21.3%、12.6%。Hg作为最主要的潜在生态风险因子，对海洋生态系统具有极高的潜在生态危害性。Hg的主要来源一般是陆源河流输入和农业污染、码头活动等[12]，建议加强对 Hg 的风险防控。

3 讨 论

3.1 不同海域沉积物重金属含量的比较

由于目前缺乏有关镇海湾沉积物重金属方面的研究报道，为衡量其重金属的含量水平，本文将其与周边其他红树林区域沉积物中重金属的含量进行比较（表7），镇海湾除Hg外，其他重金属含量与黄茅海相当。据彭鹏飞等[5]的研究，黄茅海表层沉积物整体处于重污染水平，受外源重金属影响显著。与徐闻南山镇比较，镇海湾除As外，其他重金属含量与徐闻南山镇的也较为接近。罗松英等[13]的研究表明，徐闻南山镇沉积物有受到轻微人为活动的影响，说明了研究区域的重金属可能受到明显的人类活动污染。与湛江特呈岛[14]和高桥[15]相比，镇海湾的重金属含量均显著高于这两个区域，这与湛江市经济相对发展落后，区域内污染工业和企业分布较少有关。与珠江口全域[16]相比，研究区域的Cr和As含量约为珠江口全域的3倍，说明该区域沉积物富集Cr和As能力较强。与广东省外的其他红树林区域相比，镇海湾的重金属含量高于海南东寨港[17]，其Cu、Zn、Cd和As含量与广西钦州港[18]相当，Pb含量低于广西钦州港，而Cr含量高于广西钦州港。因此，在发展经济的同时，该区域重金属的污染需引起相关部门的注意，对上游污染源予以重点关注和加强监管，采取更高效环保的方式开展农业生产，以免沉积物质量进一步下降。

表7 镇海湾与其他红树林沉积物中重金属含量的比较（平均值：mg·kg-1，变异系数：%）

3.2 相关性分析

本文中采用皮尔森相关系数进行相关性分析。对各重金属间进行相关性分析可以判别重金属是否有相似的来源，反映不同元素间沉积环境的相似性和受人为影响程度的强弱，将重金属与有机质和粒径等影响因素间进行相关性分析可以说明影响重金属含量的作用机理。表8列出了沉积物中重金属含量与有机质、黏土的相关系数。重金属元素之间除Cd和Zn呈显著正相关（P＜0.05）以外，其余各元素之间均无显著相关关系。表明Cd和Zn可能具有相同的来源及相似的迁移规律，其余各元素在地球化学行为方面的相似特征不明显，来源存在差异。

表8 沉积物中重金属含量与有机质、黏土的相关系数

有机质可以通过吸附、阳离子交换以及螯合反应与重金属在其特殊点位上结合[19]，一般而言，有机碳的含量越高，所能提供的结合位点越多，能结合的金属量越大。研究区域沉积物中重金属除Pb和Cd含量与有机质呈正相关外，其余重金属元素与有机质之间均呈负相关关系。其中，有机质与As含量呈极显著负相关（P＜0.01）关系，与其他重金属元素相关性不显著，说明研究区域有机碳的积累不利于沉积物对As的吸附，而对其他重金属沉积影响较小。除Pb和Cr外，大多重金属含量与黏土成分的比例呈正相关，尤其是Zn和Hg含量与黏土呈显著正相关（P＜0.05）。表明沉积物中Zn和Hg的积累主要是由于黏土颗粒的吸附作用，而黏土颗粒对Cu、Cd和As含量增加的影响不显著，可能是因为在污染达到一定程度后，大颗粒沉积物也将累积大量重金属，从而使不同粒径对于重金属吸附能力的差异表现得不明显。

3.3 重金属含量影响因素分析

重金属在沉积物中的含量分布是多种因素综合作用的结果，很难归因于单一因素。一般而言，影响沉积物重金属含量的因素主要有工业排污、农业生产、人类生活废水、沉积物理化性质、社会经济发展、自然环境因素、沉岩过程等。江门市目前的海洋资源利用和综合开发水平较低，用海类型以开放式、粗放型海洋渔业为主，海洋经济发展与陆域污染关系密切。那扶河及镇海湾出海航道作为镇海湾地区的重要航道，也是江门地区出海通道之一，连接珠三角东部地区、西部地区以及直达出海。那扶河途经江门市境内恩平市和台山市，其流域的电子产业、纺织化纤、矿石工业加工等排放的废水可能是该区域重金属Cr、Zn和Cd的主要来源。

在研究区域沿岸两侧分布着大面积连片虾塘和农田，以及渔栅、渔缯、蚝排等，据现场实地调研，研究区域水产养殖发达，存在有大面积的高位养殖池塘，且红树林区域外还有大量渔排养殖和网箱养殖，其中仅北陡镇的海水产品和淡水产品总产量就高达3 229.55 t/a，以传统农业和养殖业为主。农业生产中农药、化肥的大量使用，以及居民生活污水的直接排放，加上航道交通运输船舶的排污，是该区域重金属尤其是As的主要污染来源。在调查站位附近可见养殖排污口，在养殖过程中，残余饵料和鱼虾用药所含重金属，以及对虾养殖和鱼类粪便的直接排放造成了海域沉积物中重金属As、Zn和Cu等含量增高。

根据同步测定的沉积物粒度，研究区域沉积物类型为粉砂和粘土质粉砂，且以粘土质粉砂为主，水动力较弱，沉积物粒径较小，比表面积较大，易于吸附各类重金属元素。根据相关性分析，该区域沉积物粒度对沉积物吸附Zn和Hg作用明显，且随着黏土成分比例的增大而增大，成为影响重金属含量分布的因素之一。此外，红树林植物根系分泌和降解产生的有机酸可通过影响沉积环境进而影响沉积物对重金属的吸附解析作用[20]，如pH、还原性等。

4 结 论

依据镇海湾红树林生态系统沉积物中重金属含量监测结果，综合评价了沉积物质量现状，并分析了沉积物重金属污染的潜在生态危害及其可能的来源，评价和分析结果如下。

镇海湾红树林表层沉积物中重金属含量表现为Zn＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg，除Pb外均显著高于环境背景值，其中Hg和As的平均含量为背景值的5～6倍，具有一定的累积效应。

镇海湾红树林区域重金属的单因子指数法和内梅罗指数法评价发现，内梅罗指数变化范围为3.28～5.59，沉积物已受到严重污染，其中Cr和As污染最为严重，超标率为100%；Cu和Zn的超标率分别为66.7%和40.0%；Pb、Cd和Hg含量均符合一类沉积物质量标准。

镇海湾红树林沉积物中重金属为较高生态风险，RI变化范围为278.65～480.55。单一重金属 Hg、Cd和As 为主要潜在生态危害因子，潜在生态风险由高到低依次为Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。

根据相关性分析，表层沉积物中Cd和Zn具有同源性；有机碳的积累不利于沉积物对As的吸附，其余各重金属与有机质的相关性较低；Zn和Hg的积累主要是由于黏土颗粒的吸附作用。根据影响因素分析，研究区域表层沉积物中重金属主要来自周边河流陆源输入和人类活动，如工业生产、农业施肥和海水养殖，细粒级组分也是影响重金属含量分布的因素之一。