全 文 :第 34卷 第 1期 生 态 科 学 34(1): 38−43
2015 年 1 月 Ecological Science Jan. 2015
收稿日期: 2013-11-26; 修订日期: 2014-06-17
基金项目: 国家自然科学基金(No.41066002); 广西教育厅科技项目(201012MS096); 广西第十三批新世纪十百千人才工程专项资金和广西重点实验室
研究基金项目(桂科能 1201Z027); 博士启动项目
作者简介: 耿俊杰(1988—), 女, 硕士研究生, 从事环境生态研究
*通信作者: 黄亮亮, 男, 江西九江人, 研究员, 环境生态, Email: llhuang@glut.edu.cn
耿俊杰, 黄亮亮, 吴志强, 等. 茅尾海红树林表层沉积物重金属含量分布特征及评价[J]. 生态科学, 2015, 34(1): 38−43.
GENG Junjie, HUANG Liangliang, WU Zhiqiang, et al. The distribution of heavy metals in surface sediments of the mangrove of
Maowei Gulf[J]. Ecological Science, 2015, 34(1): 38−43.
茅尾海红树林表层沉积物重金属含量分布特征及评价
耿俊杰, 黄亮亮*, 吴志强, 朱召军, 常涛, 武文丽, 熊力
桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心, 环境科学与工程学院, 广西 桂林 541006
【摘要】 对 2012 年 11 月采集到的茅尾海红树林自然保护区沉积物的 20 个样点进行了重金属含量及分布特征分析, 并
利用地累积指数法和 Hakanson 潜在生态危害指数法对该区域重金属污染进行评价。研究结果显示: 红树林表层沉积
物重金属含量为: Zn>Cr>Cu>Pb>As>Ni>Cd>Hg, 各重金属含量分别为 59.85±14.40 mg⋅kg–1(Zn)、30.02±5.79 mg⋅kg–1(Cr)、
24.81±19.19 mg⋅kg–1(Cu)、18.31±3.85 mg⋅kg–1(Pb)、11.56±4.28 mg⋅kg–1(As)、9.24±3.77 mg⋅kg–1(Ni)、0.34±0.26 mg⋅kg–1(Cd)、
99.85±37.25 μg⋅kg–1(Hg)。Hakanson 潜在生态风险评价表明茅尾海红树林表层沉积物中重金属的潜在生态危害程度为
中等, 而且, 地累积指数法评价结果表明截止目前该红树林未受到 Zn、Cr、Ni、Pb 金属元素的污染。
关键词:红树林; 重金属; 沉积物; 评价
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2015.01.006 中图分类号:X508 文献标识码:A 文章编号:1008-8873(2015)01-038-06
The distribution of heavy metals in surface sediments of the mangrove of Maowei
Gulf
GENG Junjie, HUANG Liangliang*, WU Zhiqiang, ZHU Zhaojun, CHANG Tao, WU Wenli, XIONG Li
Guangxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment; College of Environmental Science and Engineering,
Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
Abstract: Distribution and content of heavy metals in twenty sediment samples from the mangrove in the Nature Reserve of
Maowei Gulf sampled in November, 2012 were studied, and the methods of geoaccumulation assessment and potential ecological
risk index of Hakanson were applied to evaluate heavy metal pollution in this area. The results showed that the contents of heavy
metals in the surface sediments of mangrove were in the order of Zn>Cr>Cu>Pb>As>Ni>Cd>Hg, which were (59.85±14.40)
mg⋅kg–1, (30.02±5.79) mg⋅kg–1, (24.81±19.19) mg⋅kg–1, (18.31±3.85) mg⋅kg–1, (11.56±4.28) mg⋅kg–1, (9.24±3.77) mg⋅kg–1,
(0.34±0.26) mg⋅kg–1, (99.85±37.25) μg⋅kg–1, respectively. The evaluation showed that the potential ecological risk of heavy metals
in surface sediments of the mangrove in Maowei Gulf was medium. Moreover, the result of geoaccumulation assessment showed
that the sediment was not polluted by Zn, Cr, Ni or Pb in this area.
Key words: mangrove; heavy metals; sediment; evaluation
1 前言
随着海岸城市经济发展和各国日益重视红树林
湿地的保护, 目前重金属污染物在红树林湿地沉积
物中的富集及其与沉积物理化性状关系方面开展了
较多的研究[1–4]。研究表明红树林湿地沉积物重金属
1 期 耿俊杰, 等. 茅尾海红树林表层沉积物重金属含量分布特征及评价 39
含量大体上表现为: Fe>Mn>Zn>Cu、Pb>Ni>Cd[5],
但是不同红树林湿地沉积物重金属含量差异很大[6],
并且同一红树林湿地的重金属含量也存在较大差
异。红树林重金属含量的差异不仅与其生境理化
特性紧密相关, 也与该河口流域土壤重金属背景
值和临海工业发展密切相关, 是众多因素综合作
用的结果[7–9]。
广西茅尾海红树林自治区级自然保护区地处北
部湾北部的钦州湾, 是全国天然牡蛎的主要繁殖场
所之一, 是沿海鱼类的育幼场和栖息地, 也是全国
研究最典型的岛群红树林、特有岩滩红树林的最佳
选择[10–12]。随着北部湾经济的迅猛发展, 沿岸海域
海岸工程的持续进行, 致使红树林区域生物种群数
量发生变化[13], 但是对该区域重金属的污染现状缺
乏研究。因此, 本文对茅尾海红树林保护区沉积物
中的Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As 8种重金属
元素总量进行测定, 运用地累积指数法和Hakanson
潜在生态风险指数法对茅尾海沉积物重金属污染状
况进行综合分析评价, 为科学有效地保护好该红树
林提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区域概况
广西茅尾海红树林自治区级自然保护区东经
108°28′33″—108°55′53″、北纬 21°33′15″—21°54′40″,
面积为 2784 hm2。在茅岭江、钦江和大风江 3 条主
要入海河流与海水的共同作用下构成典型的海叉
地形, 在入海口处形成泥沙质平滩和潮沟岛屿景
观。该区域地属热带, 具有南热带向热带过渡的季
风特点, 主要受海洋气候影响, 沿海岸线地带是固
定滨海沙土和半固定滨海沙土, 潮汐带是红树林沼
泽土[10]。
2.2 样品采集与处理
2012年11月份采集茅尾海红树林湿地20个监测
样点的表层沉积物, 采样区域主要分为东边Ⅰ号红
树林区域和西边Ⅱ号红树林区域(图1), 在每个采样
点采取红树林外、林缘和林内三点的表层沉积物。
其中S8、S9、S17只采集林外, S10、S14只采集红树
林林内部分, S16采集到林外和林缘。
本次采样共采得茅尾海红树林63个表层沉积物
样本, 每个采样点均采取多点采样混合法, 用清洁
的塑料勺取浮泥以下0 cm—10 cm泥样, 具体采样和
分析方法参照《海洋监测规范》 (GB17378 .5 -
2007)[14]。用电位法测定表层沉积物的pH[15]、用灼烧
法测定表层沉积物的有机质含量[16], 样品消解采用
MARS 5进行微波消解(120℃/5 min—150℃/5 min—
185℃/30 min)。经消解之后的样品对Cu、Pb、Zn、Cr、
Ni重金属元素采用ICP-AES(PE-Optima 7000DV),
图 1 采样点分布图
Fig. 1 The map of sampling sites
40 生 态 科 学 34 卷
Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法(原子吸收光谱
仪PE-AA700), As、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。Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As的回
收率分别为90.06%—93.75%、93.41%—105.92%、
85.94%—106.02%、79.34%—80.79%、76.35%—78.14%、
99.10%—113.41%、80.35%—106.53%、79.32%—
82.65%。在进行数据统计分析之前, 对所有数据均
进行正态分布检验, 正态分布检验和相关性分析采
用SPSS 18.0 软件完成。
2.3 重金属污染评价方法
用地质累积指数法[17]和Hakanson潜在生态危害
指数法[18, 19]对重金属对生态环境进行评价。近年来,
我国关于海洋沉积物中污染物背景值的调查研究的
资料不多[20, 21], 研究的详尽程度也不一样。为了评
估茅尾海红树林表层沉积物中重金属对生态环境的
影响, 本文Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、Hg、As 选用南海
表层沉积物中的环境背景值为地球化学背景值[21], Ni
选取中国环境土壤背景值作为地球化学背景值[22], 计
算各重金属的地质累积指数。故Cu 7.430±6.00 mg⋅kg–1、
Zn 54.400±28.0 mg⋅kg–1、Cr 39.300±25.3 mg⋅kg–1、Pb
15.600±6.5 mg⋅kg–1、Cd 0.180±0.08 mg⋅kg–1、Hg 0.020±
0.023 mg⋅kg–1、As 9.710±4.55 mg⋅kg–1、Ni 26.9±14.36 mg⋅kg–1。
3 结果与讨论
3.1 理化性状
广西茅尾海红树林表层沉积物pH在 4.96—7.5
之间, 平均pH为 6.55±0.49, 为中性偏酸的土壤, 平
均有机质含量为 6.58%±2.04%。林外的pH为 6.88±
0.37, 有机质为 4.56%±1.99%; 林缘的pH为 6.42±0.60,
有机质为 6.81%±1.62%; 林内的pH为 6.40±0.31,
有机质为 7.64%±0.90%。
从林外到林内的沿程变化来看, 越是靠近红树
林的内部, pH值越低, 有机质含量越高。这是由于
红树林不仅具有消弱潮汐和波浪能量的能力, 还有
促淤的功效, 使得沉积物中的细粒物质在林内沉降,
由于沉积物中的细粒物质具有较强的保水能力, 同
时大量的凋落物常年累积到呈还原状态、有机质分
解缓慢的沉积物中, 使得其林内有机质含量远远高
于生物累积作用小、有机质含量相对较低的林外光
滩[23]。
3.2 重金属的分布特征
茅尾海红树林表层沉积物中重金属含量表现为:
Zn>Cr>Cu>Pb>As>Ni>Cd>Hg。Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、
Cd、Hg、As 的平均含量分别为: 24.81±19.19 mg⋅kg–1、
59.85±14.40 mg⋅kg–1、30.02±5.79 mg⋅kg–1、9.24±3.77 mg⋅kg–1、
18.31±3.85 mg⋅kg–1、0.34±0.26 mg⋅kg–1、99.85±37.25 μg⋅kg–1、
11.56±4.28 mg⋅kg–1, 其中Cu的变异系数最大, Cd次
之, Cr 最小。
3.2.1 茅尾海红树林表层沉积物中重金属的横向
分布
Cr的Ⅰ号和Zn、Hg的Ⅱ号和红树林区域的重金
属含量呈现林缘>林内>林外, Cd的Ⅱ号区域呈现林
林外>林缘, 其余元素的重金属含量均呈现林内>林
缘>林外(表1)。
表 1 茅尾海红树林表层沉积物中重金属浓度
Tab. 1 Concentrations of heavy metals in surface sediments of the mangrove of Maowei Gulf
Cu(mg⋅kg–1) Zn(mg⋅kg–1) Cr(mg⋅kg–1) Ni(mg⋅kg–1)
Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ
林外 24.02±27.52 15.52±9.11 48.10±11.50 51.94±17.47 24.11±4.44 26.22±5.75 6.89±4.22 7.22±4.96
林缘 30.39±21.00 20.98±5.68 68.00±13.44 59.48±13.99 30.79±4.59 33.43±5.74 11.19±3.59 8.60±3.23
林内 33.16±27.09 21.02±2.24 69.72±12.83 59.38±7.54 30.09±3.65 33.93±4.29 11.64±2.85 9.02±2.34
Pb(mg⋅kg–1) Cd(mg⋅kg–1) Hg(mg⋅kg–1) As(mg⋅kg–1)
Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ
林外 14.40±4.10 17.65±3.92 0.32±0.27 0.31±0.30 72.80±19.06 74.40±39.98 12.20±6.56 9.46±2.01
林缘 19.09±4.21 19.27±2.91 0.33±0.22 0.24±0.22 115.81±37.45 104.87±36.70 12.04±4.79 11.02±2.11
林内 19.38±2.90 19.96±2.43 0.48±0.30 0.34±0.25 121.68±27.66 100.38±40.59 12.16±5.33 11.47±2.02
1 期 耿俊杰, 等. 茅尾海红树林表层沉积物重金属含量分布特征及评价 41
3.2.2 茅尾海红树林表层沉积物中重金属的纵向
分布
茅尾海红树林表层沉积物重金属Cu、Zn、Cr、
Pb、Cd、Hg、As含量与国家海洋沉积物质量标准
(GB18668-2002)[24], Ni与土壤环境质量一级标准
(GB 15618-1995)[25]比较发现, 10%样点中的Cu、20%
样点中的Cd已超过一类标准, 但均低于二类标准,
Zn、Cr、Pb、Hg、As、Ni均低于一类标准(图 2)。
从20个样点表层沉积物中的重金属含量看, 八
种重金属在20个样点中的含量变化不尽相同。其中
Zn、Cr、Ni、Pb、Hg的变化趋势大致相同, 林内样
点S10沉积物中的重金属元素高于S8、S9、S17三个
林外样点。
从整体上看, Cu、Zn、Cr、Pb、Hg 在Ⅰ区重金
属含量呈现先降低后增大, 在样点 S10(除 S1、S2 样
点的Cu)有最大值; Ni在 S10处也有最大值; Cd沿着
垂直于海岸的方向逐渐增大, 在 S8 林外处有最高值,
在 S1、S9 和 S14 处含量最低; As 垂直于岸的方向逐
渐降低, 在林外 S8 处达到最低点。对同一纬度的 S3
和 S4、S5 和 S6、S7 和 S8、S11 和 S12 对比发现,
在垂直于岸的方向, S4>S3、S6>S5、S7>S8(除 Cd)、
S12>S11。
红树林湿地重金属含量分布特征主要受河流流
量、潮汐涨落和暴风浪等水动力效应[26]的影响。由
于重金属元素往往于富集细颗粒物质表面, 所以,
在水动力作用较弱的红树林林内, 重金属元素伴随
细颗粒泥沙的淤积而趋于富集, 所以在S10处会有
最大金属含量。在海岸线方向, 重金属从高潮滩到
低潮滩含量逐渐降低[26], 在垂直海岸线方向, 在钦
江入海口附近, S14—S11方向, Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、
Hg逐渐降低, 而在S1—S9两岸, Cu、Zn、Cr、Ni、
Pb、As沿着河流如海的方向逐渐增大, 反应了水动
力以及粒径对潮滩重金属的分布的控制。重金属含
量的变化原因除人为因素(如滩涂养殖、养殖池的污
水排放)外, 主要与沉积动力作用相关[27]。
3.3 茅尾海沿岸重金属含量与其它地方比较
与我国其它地区的红树林中重金属含量相比,
茅尾海红树林中 Cu、Cd、Cr 元素的含量略高于广
西其它地方[28], Cu、Pb、Zn、Cd 重金属元素含量远
远低于深圳福田红树林自然保护区的重金属元素含
量[36], Cr 元素略低于深圳福田自然保护区中 Cr 重金
属元素含量。
图 2 茅尾海红树林表层沉积物中重金属元素分布图
Fig. 2 Heavy metal elements distribution of surface sediment in the mangrove of Maowei Gulf
42 生 态 科 学 34 卷
与李柳强等[28]对广西其它红树林的研究对比
发现发现, 沿海岸线自西向东方向, Pb、Zn 呈递增
趋势, Cr、Cu、As 自西向东浓度逐渐增大, 但在茅
尾海红树林处浓度偏高, Cd 元素浓度则自东向西
逐渐增大, 茅尾海红树林处略高于其它地方。出现
这种原因一方面与茅尾海是一个半封闭的内海地
理位置有关, 另一方面与钦州市钦江入海口临近茅
尾海红树林有关[29]。
3.4 重金属含量与理化性状的关系
重金属含量与pH呈负相关关系, 除As与Cr、As
与Hg相关性不显著外, 茅尾海红树林表层沉积物重
金属元素之间总体上相关性非常明显, 表明这几种
重金属存在相伴沉积。但Cd仅与Ni呈显著正相关,
与其它重金属元素相关性均不显著, 说明Cd的来源
可能与其它金属不同, 有机质与除Cd之外的七种重
金属元素均呈显著正相关(表2)。
3.5 风险评价
3.5.1 地累积指数法
除 Hg 和 Cu 外, 茅尾海红树林各重金属污染程
度均较轻 , 污染程度为 Hg>Cu>Cd>Cr>Pb>As>
Zn>Ni。Hg 的污染程度基本“偏中度”污染, 有的
地方已经达到“中度”污染; 在靠近堤坝和道路的
附近的采样点, Cu 达到“中度”污染; Cd 和 As 在采
样点 S6、S8 附近都有不同程度的轻度污染, Cd 的
污染强度甚至达到了 “偏中度”污染; 截止目前,
茅尾海红树林并未受到 Zn、Cr、Ni、Pb 金属元素
的污染。
3.5.2 潜在生态指数法
从单个污染要素看, 茅尾海红树林几乎全部样
点的Hg潜在生态风险系数已经达到很强的危害系
数, Cu和Cd在靠近堤坝和道路附为中等的危害系数,
Cd在S8附近的样点达到中等, 甚至强的危害系数。
其它重金属的污染程度均<40, 风险“轻微”。从茅
尾海红树林整个区域的生态风险指数上看, 茅尾海
红树林表层沉积物中重金属的危害程度为中等, 甚
至达到“强”的生态危害。
通过对茅尾海红树林沉积物污染程度、地累
积指数法、潜在生态风险分析来看, 同一区域的重
金属高低值基本吻合, 但是由于各重金属元素的
毒性效应系数不同, 所以两种评价对金属污染的
程度较大。
由于环境的复杂性, 环境中各种污染物的污染
或危害程度多相生相伴, 容易形成复合污染, 更接
近环境污染的现状[30]。因此, 潜在生态风险指数评
价结果更具有参考价值。
4 结论
(1) 茅尾海红树林表层沉积物中重金属含量表
现为: Zn>Cr>Cu>Pb>As>Ni>Cd>Hg。只有10%样点
中的Cu、20%样点中的Cd超过一类标准, 但均低于
二类标准, Zn、Cr、Pb、Hg、As、Ni低于国家海洋
质量一类标准。Ⅰ号红树林表层沉积物重金属元素
的变化幅度比Ⅱ号红树林明显许多, 说明Ⅰ号红树
林区域受陆源污染多一点。
表 2 茅尾海红树林表层沉积物重金属含量 Spearman 相关性
Tab. 2 Spearman correlation coefficients of heavy metal elements of the surface sediments in the mangrove of Maowei Gulf
Cu Zn Cr Ni Pb Cd Hg As pH 有机质
Cu 1.000
Zn 0.750** 1.000
Cr 0.551** 0.637** 1.000
Ni 0.654** 0.868** 0.514** 1.000
Pb 0.471** 0.633** 0.522** 0.664** 1.000
Cd 0.014 0.222 0.131 0.350** 0.180 1.000
Hg 0.548** 0.730** 0.416** 0.557** 0.461** 0.159 1.000
As 0.413** 0.309* 0.154 0.491** 0.559** 0.035 0.099 1.000
pH –0.127 –0.001 –0.249 –0.028 –0.277* –0.011 –0.104 –0.334* 1.000
有机质 0.673** 0.701** 0.810** 0.669** 0.640** 0.248 0.504** 0.451** –0.429** 1.000
**. 在置信度(双测)为 0.01 时, 相关性是显著的。
*. 在置信度(双测)为 0.05 时, 相关性是显著的。
1 期 耿俊杰, 等. 茅尾海红树林表层沉积物重金属含量分布特征及评价 43
(2) 茅尾海红树林表层沉积物大部分重金属元
素之间呈显著正相关, 并与有机质呈显著正相关,
但Cd仅与Ni呈显著正相关, 与其它重金属元素相关
性均不显著, 说明Cd的来源可能与其它金属不同。
(3) 茅尾海红树林区域的地累积指数法和潜在
生态指数法评价发现: Hg 的地累积污染程度基本
“偏中度”污染, 有的地方已经达到“中度”污染; 在
靠近堤坝和道路的附近 Cu 达到“中度”污染; 从茅
尾海红树林整个区域的生态风险指数上看, 茅尾海
红树林表层沉积物中重金属的潜在生态危害程度为
中等, Hg 的地累积指数最高, 而且几乎所有样点 Hg
潜在生态风险系数达到很强的危害系数; Cu 和 Cd
在靠近堤坝和道路附近都有不同程度的污染, 截止
目前, 茅尾海红树林并未受到 Zn、Cr、Ni、Pb 金属
元素的污染。
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