东台条子泥候鸟栖息地与毗邻潮间带表层沉积物重金属含量及其生态风险评价

蔡桢杰,李 果,旷泽行,王寿兵

(复旦大学环境科学与工程系,上海 200433)

滨海湿地作为生态系统中最重要的组成部分之一,存在于陆地与海洋生态系统的过渡交错区域,具有多种生态服务功能,诸如碳汇、净化污染物、改善近岸海域水质、保护生物多样性与迁徙候鸟、防范海洋灾害和调节气候等,为沿海地区发展带来了显著的环境和经济效益[1-5]。然而,在陆地、海洋和人类的多重影响下,近岸海域往往成为了海洋区域中污染最严重的部分,滨海湿地也成为了重金属等各类污染物的源和汇,其中,潮间带在十分复杂的水文和物理化学条件下极易造成重金属的二次生态污染[6-7]。重金属存在于各种环境介质中,具有隐蔽性高,持续时间长,难以被生物降解且不易修复等特性[8-9]。重金属元素通过各种物理、化学和生物过程进入潮间带沉积物,有的在海浪潮汐作用下又被释放到海洋中,从而影响海洋生物、海洋生态系统和水质安全[10-11],并在食物链的富集作用下,进一步影响到人体健康[12]。

东台市位于江苏省盐城市南端,海岸线长85 km,近海与滨海湿地面积2 116.7 km2,并且每年以150 m的速度向海扩张成陆,每年新增的陆地造成了生态环境资源的改变[13-15]。位于东台市的条子泥滨海湿地是中国第一块,世界第二块滨海湿地型世界自然遗产地的重要组成部分,也是东亚—澳大利亚迁飞区关键候鸟栖息地,被国际上称为“太平洋西岸唯一未被污染的滨海湿地”。为更好地保护候鸟,2020年,东台沿海经济区管委会在条子泥观潮区大堤内侧租赁了一块约720亩(约48 hm2)的养殖池塘,经过“退渔还湿 ”等方式的生态改造后作为高潮期的候鸟栖息地。目前,该栖息地保护区建设已取得重大成功。在联合国《生物多样性公约》缔约方大会第十五次会议(CBD COP15)非政府组织论坛上发布的“生物多样性100+案例”中,盐城“以恢复鸟类栖息地为目标的自然解决方案”入选全球特别推荐案例,其中“条子泥‘720’候鸟栖息地”是该方案的重点。

目前,虽然国内已开展很多对中国近海、海湾和滨海湿地沉积物重金属污染以及生态风险的评价研究[16-20],但对滨海湿地型世界自然遗产地,尤其是新建的专门供候鸟在潮水处于高潮位时临时栖息的人工湿地沉积物中重金属生态风险的定量评价研究还未见报道。与普通滨海湿地相比,高潮位栖息地在候鸟迁徙途中具有不可替代的重要作用。候鸟是湿地重金属污染的重要生物指示物,其生命活动也是湿地重金属的主要来源之一[21-22],对栖息地沉积物中重金属含量及其生态污染评价刻不容缓。本研究对候鸟栖息地及其毗邻的堤外潮间带表层沉积物中重金属含量特征进行了比较研究,旨在初步探明该候鸟栖息地的环境质量和生态风险,为未来制定和实施更为有效的生态保护和监测工作提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江苏省东台市的条子泥滨海滩涂湿地,东临黄海,属于北亚热带和暖温带过渡区,具有海洋季风型气候特征,年均降水量900～1 068 mm,年平均气温13.5～14.6 ℃,土壤为碱性淤积中壤质滨海盐土[23]。条子泥位于呈辐射状的水下沙脊群和江苏海岸中部交汇处,是江苏海岸中部最大的近岸滩涂湿地。潮流和泥沙的输运过程分别塑造了沙脊群地形地貌和滩涂湿地[24]。候鸟栖息地略呈长方形,长约600 m,宽约800 m,总面积约48 hm2。其采样站位分别位于堤内候鸟栖息地和堤外潮间带,具体位置如图1所示。

图1 研究区位置和采样站位分布Fig. 1 Location of the research area and distribution of sampling sites

1.2 样品采集

2021年7月,利用表层底泥取样器,在候鸟栖息地和堤外区分别采集表层沉积物样品。其中候鸟栖息地由于环境条件原因导致采样困难,采用了梅花布点法设置了5个采样站位(图1),堤外区采样站位设计成近直线断面,共4个采样站位,间距为110 m。样品的采集、贮存和运输参照《海洋监测规范》[25]的相关要求。按 “三点法”在每个采样站位相互间隔1 m采集表层0～5 cm沉积物样品,并将每站采集的3个样品混合均匀后,取500 g样品装入聚乙烯密封袋室温保存,用于实验室重金属含量测定。

1.3 样品分析方法

沉积物样品带回实验室后,经90 ℃烘干至恒重,按四分法收集,研磨后通过160目(孔径0.098 mm)的尼龙筛,将过筛后的样品装入自封袋中保存备用。取0.1 g样品放入石墨消解管中备用,加6 mL硝酸(ρ=1.42 g/mL)、2 mL氢氟酸(ρ=1.49 g/mL)和2 mL盐酸(ρ=1.19 g/mL)于微波消解仪按照标准程序进行消解。消解冷却后,放入赶酸仪,再加入1 mL高氯酸赶酸至黄豆粒大小,用超纯水定容至10 mL。处理后的样品用于重金属元素含量的测定。其中Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量采用赛默飞iCAP PRO系列电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定[26];Hg含量采用北京海光仪器有限公司生产的原子荧光光度计进行测定[27]。为确保分析精度,各元素都采用了4次重复分析和1次土壤标样(Li、Sc、Ge、Y、In、Tb和Bi)分析,实验的分析相对误差均低于20%,回收率均在85%～115%之间。

1.4 评价方法

1.4.1 地累积指数法

地累积指数(geoaccumulation index,Igeo)法是Müller 在1969年提出的一种评价沉积物重金属污染的方法,常用于沉积物重金属污染定量分析[28]。计算公式[28]如下:

(1)

表1 地质累积指数与重金属污染分级Tab.1 Geoaccumulation indexes and levels of heavy metal pollution

1.4.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数(potential ecological risk index,RI)法是Hakanson于1980年提出的,从生物的毒性角度反映沉积物中重金属元素对生态污染的影响[30]。在某特定环境条件下,该方法既可以反映单个重金属元素的潜在生态风险程度,也可以反映数种重金属元素对区域的综合生态风险程度。相关的参数计算公式如下[30]:

(2)

(3)

(4)

表2 沉积物重金属潜在生态风险程度等级Tab. 2 Potential risk levels of heavy metals in sediments

表3 各重金属元素的毒性响应系数Tab. 3 Toxicity response coefficient of each heavy metal element

2 结果与分析

2.1 重金属含量特征统计及变异系数

沉积物重金属含量特征统计如表4所示, 候鸟栖息地所在区域沉积物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分别为0.02、0.08、58.54、9.63、8.76、8.69、17.45、44.44 mg/kg,堤外区沉积物中上述重金属的平均含量分别为0.01、0.04、50.43、5.94、7.46、4.60、15.16、37.20 mg/kg,均未超过国家一类海洋沉积物质量标准[32]。其中候鸟栖息地沉积物中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,基本保持了自然状态。与堤外区相比,候鸟栖息地沉积物重金属平均含量均高于堤外区,相较于堤外区Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分别高出了100.0%、100.0%、16.1%、62.1%、17.4%、88.9%、15.1%和19.5%,堤内外重金属含量具有显著的差异性(P<0.05)。

表4 两个研究区表层沉积物中重金属含量特征统计Tab. 4 Characteristics of heavy metal contents in surface sediments of two areas investigated

变异系数(coefficient of variation,CV)表示变量的变异程度或离散趋势,反映数据的波动状况[32],并且较高的变异系数可以反映人类活动的影响。根据变异系数的大小可以将变异程度分为三类,0.00%≤CV<15.00%属于小变异,15.00%≤CV<35.00%属于中等变异,CV≥35.00%属于高度变异。候鸟栖息地所研究区域沉积物中,Hg的变异系数为25.19%,属于中等变异;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的变异系数相对较小,分别为1.93%、7.36%、11.93%、7.77%、13.23%、5.91%和5.89%,属于小变异。堤外区所研究区域沉积物中,Hg的变异系数为28.62%,属于中等变异;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的变异系数相对较小,分别为0.25%、1.31%、10.31%、2.38%、13.36%、2.19%和3.06%,属于小变异。

2.2 重金属环境质量评价

2.2.1 地累积指数评价

两个区域各采样站位地累积指数均值计算结果如表5所示。整体来看,两个区域各采样站位8种重金属的Igeo值均小于0,说明各站位表层沉积物均处于清洁水平,无明显重金属累积风险。所研究区域中各重金属Igeo平均值由大到小的排序,候鸟栖息地为:As>Cd>Hg>Cr>Zn>Ni>Pb>Cu,堤外区域为:Cr>As>Zn>Ni>Cd>Pb>Hg>Cu,可见两个区域的重金属累积情况有显著差异。

表5 两个区域表层沉积物重金属地累积指数均值Tab. 5 Mean geoaccumulation indexes of heavy metals in surface sediments of the two areas investigated

2.2.2 潜在生态风险指数评价

表6 两个区域表层沉积物重金属的单项潜在生态风险指数均值和综合潜在生态风险指数均值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

图2 各站位表层沉积物重金属潜在生态风险指数分布Fig. 2 Potential ecological risk indexes of heavy metals in surface sediments from each sampling site

3 讨论

3.1 重金属含量特征和环境质量评价分析

候鸟栖息地和堤外区所研究区域表层沉积物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量均未超过国家海洋沉积物质量第一类标准值。其中候鸟栖息地所在区域沉积物中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 ,基本保持了自然状态,说明研究区域Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn可能主要受到地质背景的影响,岩体在表生作用下风化,在海域水体中发生沉积,而受人为因素的影响较小。

各采样点的潜在生态风险分布规律为,候鸟栖息地:S1>S4>S5>S2>S3,堤外区域:Y1>Y2>Y3>Y4。候鸟栖息地采样点S2和S3距离入水管道较近(图1),经过入水的冲刷作用容易导致重金属含量的稀释,而采样站位S1和S4距离入水管道较远,水动力条件差,重金属不易迁移扩散,容易造成重金属的富集。毗邻的堤外潮间带在涨落潮的作用下,泥沙经过输移和沉降等过程,增强悬浮泥沙中重金属向水体的释放,从而减小表层沉积物中重金属的富集,这也可能是导致堤外区研究区域相较于候鸟栖息地研究区域表层沉积物重金属生态风险更低的因素之一[39]。此外,由于距离陆地越远越容易受到潮水冲刷的影响,可增强潮间带沉积物中重金属的稀释,而受水流量影响相对较低的区域重金属颗粒的稀释作用相对减弱[40],这也可能是造成堤外区潜在生态风险由陆向海呈逐渐减小趋势的因素之一。

3.2 研究区潜在生态风险评价结果比较及与我国其他滨海湿地对比

比较本研究的两个区域的沉积物重金属潜在生态风险大小: 候鸟栖息地>堤外区,两个区域潜在生态风险指数显著差异,其差异可能与候鸟栖息地建设前的水产养殖活动、候鸟栖息活动、周边农业活动和水动力条件有关。候鸟栖息地是水产养殖池塘经过“退渔还湿”生态改造后的人工湿地,改造前的水产养殖活动可能会带来一定的污染。在水产养殖活动中,饲料残留物质、多余的营养物质以及鱼体的代谢废物等会在沉积物中积累,沉积物中大量有机物和微生物能够使重金属离子发生稳定化作用并富集[42]。同时,沉积物中还含有一些硫化物和其他可以与重金属形成稳定性较高的配合物,也有助于重金属离子的稳定化[43]。候鸟在候鸟栖息地中生命活动较为活跃也可能使重金属的生态风险变大,候鸟产生的排泄物以及体表沾染等可能会使重金属进入湿地沉积物,并产生一定的生态隐患[44-45]。堤内候鸟栖息地周边的农业活动也可能是影响该区域重金属潜在生态风险的因素之一,农业活动中使用的化肥和农药等化学物质含有一定重金属,其通过径流进入栖息地中从而增加沉积物重金属的含量[46]。此外,候鸟栖息地处于堤内的半封闭状态,虽然会定期通过排放水进行湿地生态保护,但因水动力条件较差,沉积物中的重金属易被重新悬浮和输运,导致了重金属释放到表层沉积物中造成富集[47]。

为进一步分析东台条子泥湿地重金属污染水平,本研究收集整理了部分我国其他天然滨海湿地的重金属含量,包括黄河三角洲滨海滩涂湿地、辽东湾北部滨海湿地、盐城滨海湿地、天津临港滨海湿地和长江口盐沼湿地,比较了不同地区湿地表层沉积物中重金属主要生态风险指数及污染风险(表7)[48-52]。辽东湾、天津临港和长江口沿岸地区作为发展已久的重工业和化工业基地,工业水平较高,所属区域湿地受到了相对较高的重金属污染。与之相比,东台条子泥湿地沉积物中各重金属的含量更低,潜在生态风险指数相对较低。这应该与东台条子泥地区工业化和城镇化水平较低,尤其是与当地产业结构中无产生重金属排放的产业有关。

表7 研究区与其他滨海天然湿地中重金属特征对比Tab. 7 Comparison of heavy metals between the areas investigated and other coastal natural wetlands

候鸟栖息地作为人工湿地,和堤外天然湿地所研究区域沉积物的重金属含量均处于较低水平,比部分我国其他天然湿地的重金属生态风险更低,其为鸟类提供了低生态风险的重要生境。此外,候鸟栖息地由水产养殖池塘改造而成,水产养殖池塘也是人工湿地的主要类型之一。虽然人工湿地并不能完全取代天然湿地作为水鸟栖息地,但是通过针对性管理将海堤内邻近的水产养殖池塘等人工湿地改造为适合水鸟栖息的临时生境,这对未来制定合理可行的鸟类保护方案和加强科学管理工作具有重要参考价值。

4 结论

本研究对东台条子泥“720”高潮位候鸟栖息地和毗邻的堤外潮间带表层沉积物中重金属含量特征和生态风险进行了比较研究,主要结论如下:

(1)两个区域表层沉积物中重金属Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量均符合国家海洋沉积物质量一类标准。各采样点的各重金属含量均处于清洁水平,无明显重金属累积风险现象,单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数均处于低生态风险等级。

(2) 利用养殖池塘改造而成的候鸟栖息地表层沉积物重金属含量和潜在生态风险显著高于堤外潮间带表层沉积物的。两个区域差异可能与候鸟栖息地建设前的水产养殖活动、候鸟栖息活动、周边农业活动和水动力条件有关,指示人类活动是两个区域重金属含量差异的主要原因。

(3)通过研究区与其他滨海自然湿地中重金属特征对比研究发现,本研究区域中的主要生态风险因子是Hg和Cd,其生态风险较高的主要因素是候鸟栖息活动、地球化学过程和人类活动。