红树林湿地沉积物中重金属元素含量及其存在形态研究进展

王军广，赵志忠，赵广孺，张忠伟，王 鹏

（海南师范大学 地理与旅游学院，海南 海口 571158）

红树林湿地沉积物中重金属元素含量及其存在形态研究进展

王军广，赵志忠*，赵广孺，张忠伟，王 鹏

（海南师范大学 地理与旅游学院，海南 海口 571158）

红树林湿地，由于其固有的特性和处于特殊的地理环境，成为重金属污染的源和汇，红树林湿地沉积物重金属污染问题引起了国内外学者的极大关注，并对其地球化学特征进行了大量研究.在通过对红树林湿地沉积物重金属元素含量、分布特征、赋存形态及污染评价方面研究进展和存在问题进行综述的基础上，认为对红树林湿地沉积物中重金属元素地球化学的研究应加强多学科的综合研究，重视对红树林沉积物重金属元素在柱状样中的垂直分布的研究，加强对红树林湿地沉积物中重金属元素生物有效性分析等，以便为探讨红树林湿地的可持续发展以及污染红树林的生态恢复提供依据.

红树林沉积物；重金属元素；赋存形态

红树林湿地是世界上四大高生产力海洋生态系统之一，在全球生态平衡中起着不可替代的重要作用［1］.作为分布于热带、亚热带海陆交错带的一个特殊重要界面，由于其固有的一些特性，能够大量接受来自潮汐、河水以及暴雨产生的径流等所携带的重金属污染物，使其较一般潮滩更宜于重金属元素的富集，红树林沉积物常常成为重金属污染物的源和汇［2-3］.近年来，随着城市化和工业化的急速发展，农业和渔业等人为活动影响的日益剧烈，大量的点源、面源污染物被排放到江河湖海中［4-5］，使得红树林湿地面积缩减，湿地资源状况和其生态功能恶化，其中重金属污染物，因不能被生物降解、残留时间长和通过食物链富集等特性，红树林湿地沉积物中重金属元素的地球化学特征已引起国内外学者的极大关注，并对此进行了大量研究.本文就近年来国内外对红树林湿地沉积物重金属元素的相关研究进行综述，并对今后的研究趋势提出了一些看法.

1 红树林湿地沉积物中重金属元素含量及其分布特征

近20年来，随着环境污染的加剧和各国对红树林湿地保护的重视，有关红树林湿地沉积物中重金属污染物的富集及其与沉积物理化性状关系的研究得到了较多的开展.从近年来国内外一些红树林湿地沉积物中几种主要重金属含量的测定结果，可以看出，红树林沉积物重金属含量大体上表现为：Mn＞ Zn＞ Cu、Pb＞ Ni＞ Cd［6］.

由于环境条件及人为影响的差异，不同河口红树林沉积物重金属含量的变化范围极大［7］.一般认为，红树林湿地沉积物中重金属含量与其有机质含量及沉积物机械组成有关.如Harbison（1986）［2］在对澳大利亚南部Barker港红树林、海草场及潮间带光滩沉积物中重金属含量的比较研究中发现，红树林沉积物富集重金属的能力超过了潮间带的光滩、海草场及河口底质.他们把这种重金属在红树林沉积物中的高水平富集归因于红树林湿地沉积物中较高的有机质含量和粘粒含量，并指出重金属元素含量与有机质含量、粘粒（＜63 μm）含量呈显著正相关.

同一红树林湿地不同位置重金属含量也存在较大差异［8］.Soto-Jiménez和Páez-Osuna（2001）在墨西哥红树林湿地重金属累积分布的研究中同样发现，沉积物中重金属含量与沉积物粘粒、粉粒含量间存在正相关关系，与砂粒含量则呈负相关关系.Tam和Yao（1998）在对香港红树林沉积物重金属污染物的归一化研究中则发现，沉积物中只有Cr、Cu的含量与沉积物中有机质含量呈显著正相关关系，其他几种重金属（Zn、Ni、Mn）含量与沉积物有机质含量间则没有发现显著相关关系.陈小勇等（2003）［9］研究发现，同一红树林湿地不同红树林下沉积物中重金属含量也存在明显差异.重金属在红树林底泥中的垂直分布也存在显著差异，重金属主要富集在红树林底泥的表层，只有在表层土壤饱和后，重金属才会向土壤下层迁移［10］.

2 红树林湿地沉积物重金属元素赋存形态研究

沉积物中重金属元素是以各种形态存在于颗粒物中，确定沉积物中重金属的存在形态对于揭示重金属的来源、变化迁移规律、生物毒性等方面具有非常重要的意义.因此，对沉积物中重金属的存在形式及它们之间相对比例的研究就显得极为重要，有关重金属化学形态及其转化方面的研究工作得到国内外学者的广泛重视.

2.1 重金属元素在沉积物中存在形态

土壤和沉积物中的重金属不是简单地以某一离子或基团存在，而是以各种不同的结合形态存在.由于沉积物中重金属元素存在形态比较复杂，对于沉积物中重金属形态的划分，不同的学者有不同的看法，我国学者陈静生认为［11］，重金属在沉积物中的存在方式主要有4种，即吸附、与铁锰的水合氧化物共沉淀、被有机分子络合、结合于矿物晶格中，据此可以将沉积物重金属的形态划分为：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态.

由于沉积物中的重金属含量很低，很难对其形态进行直接分析，因此常常采用化学方法对其中重金属的形态进行化学表征，主要方法有3种：1）直接准确测定.所采用的分析测试方法包括电化学法、色谱法和光谱法.2）模拟计算.以化学平衡为基础建立相应的模型进行计算是形态分析中很重要的一种方法.3）逐级提取.逐级提取由于其操作简便、适用范围广、能提供丰富的信息等优点，得到了广泛的应用［12］.

Clark等采用连续提取方法研究了澳大利亚红树林湿地不同样点中重金属的形态分布，研究结果表明：Zn、Ni、Cr三种重金属元素主要以硫化物和有机结合态的形式存在；Pb、Cd、Hg则在结合形态中都有一定的分布；Cu的分布介于两种类型中间［13］.李柳强研究表明：东寨港红树林沉积物中Cr以硫化物及有机结合态和残渣态存在；Cu以硫化物及有机结合态为主；Zn主要以硫化物及有机结合态和可交换离子态存在；Cd以残渣态为主；Pb基本上以残渣态和硫化物及有机结合态存在［14］.李柳强通过对中国主要红树林地区沉积物研究得出：Cr、Cu、As、Pb形态中有机质 -硫化物结合态含量相对较高，这可能是由于红树林沉积物中高有机质含量和高硫含量所致.

一些研究表明，大多数重金属在红树林沉积物中以有机质-硫化物结合态存在.而红树林沉积物中大多数重金属碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态比例相对较低.原因可能是由于海潮的周期性淹没，红树林沉积物基本上处于还原状态，整个土体被水分饱和，通气性差，使得沉积物的氧化还原电位低［13］.虽然沉积物中碳酸盐可与大量重金属结合，使碳酸盐结合态成为重金属的重要结合形态，但只有在有机质和铁锰氧化物相对不足的水体系统中，才会出现这一现象，因为碳酸盐结合态是一种相对松散的结合形态，随着环境条件的改变易于释放出来.重金属形态存在明显的水平空间变化，主要表现在红树林不同位置（林外、林缘、林内）及低潮带、高潮带沉积物中重金属形态分布存在一定差异.分析表明：沉积物中重金属铁锰氧化物结合态间存在显著相关关系，表明铁锰氧化物是控制重金属行为的重要因素.有机质-硫化物结合态则受沉积物有机质含量与过酸可挥发硫化物含量（AVS）共同制约［15］.

2.2 影响沉积物重金属形态分布的因素

沉积物中重金属元素总是在不断地发生时空的迁移和价态、形态的转化，这一地球物理化学过程极其复杂多样；归纳为四个主要物理化学作用，即：溶解-沉淀作用、离子交换与吸附作用、络合-离解作用、氧化还原作用.这些作用过程受到沉积物的酸碱度（pH）、氧化还原电位、温度、盐度、有机质含量、植物根系及微生物生活能力等多种环境、生物因素的综合制约，进而影响着重金属在沉积物中存在的形态和分布［15］.通过对我国主要红树林地区沉积物中重金属元素形态与其沉积环境的相关性分析表明：Zn、As和Cd可交换离子态含量与有机质和pH呈极显著或显著正相关；Cu、Zn和Pb碳酸盐结合态含量与pH呈显著正相关；Cr、Zn和Pb的有机质-硫化物结合态含量与有机质呈显著或极显著正相关［15］.刘景春通过对福建红树林沉积物重金属研究：红树林湿地表层沉积物AVS含量与其水分含量呈显著正相关［15］，虽然沉积物水分含量的高低不能完全表达出沉积物氧化还原电位的高低，但Mackey and Mackay等发现，水分含量的高低在一定程度上可以反映沉积物表层的氧化还原电位变化［13］.

3 重金属元素的污染评价

国内外评价沉积物中重金属元素污染的方法有很多，目前普遍采用的方法主要有地质累积指数法、潜在生态危害指数法、脸谱图法、综合指数法、尼梅罗综合指数法、污染负荷指数法、沉积物富集系数法和次生相富集系数法［16］.Silva等研究表明可以用牡蛎（Crassostrea rhizophorae）中重金属的含量来指示红树林沉积物中重金属污染物的生物有效性.Tam和Yao开展了以Fe对香港红树林湿地中重金属的归一化研究［10］.

李柳强采用地质积累指数法、综合指数法和潜在生态危害指数法对我国主要红树林分布区表层沉积物重金属进行评价，综合这几种方法的评价结果：本文认为我国主要红树林分布区沉积物污染程度大小顺序为深圳福田＞东寨港＞浮宫＞北仑河口＞台山＞鹅湾＞洛阳桥＞姚家屿＞英罗湾＞大冠沙＞三亚＞钦州湾.受陆域环境的影响较大的红树林湿地的环境压力日益增加［14］.

4 重金属元素含量及其存在形态研究展望

红树林湿地沉积物重金属元素的含量及其存在形态研究经过多年的发展，已经积累了大量有价值的基础资料和研究经验，许多已经取得突破性的研究成果.本文通过对红树林湿地沉积物重金属元素含量及其存在形态研究资料的大量调研，认为应加强以下几个方面的研究：

1）目前，对红树林湿地沉积物中重金属元素的研究，主要侧重于沉积物中几种重金属元素，并未对重金属元素与其他元素的相关性进行分析，沉积物中元素的分布并非杂乱无章，而是在各种因素综合作用下形成特定的共生组合，通过对沉积物中元素的共生组合进行研究，更有利于对沉积物中地球化学特征进行研究.

2）运用多学科的综合分析手段对红树林沉积物中重金属地球化学研究.当前，土壤地球化学、自然地理学、景观生态学等学科相关研究理论已比较成熟，具有一套合理可行的研究方法，运用多学科的综合分析手段，可以更有效地用于红树林沉积物中重金属元素含量及其存在形态研究.

3）红树林湿地的固有特性和处于的特殊的地理环境，使其沉积物成为众多污染物的积蓄地，记录了沉积物中重金属污染历史，在今后的研究中，应该重视对红树林沉积物重金属元素在柱状样中的垂直分布，这样可以了解研究区域重金属的污染历史，也可以反映出不同阶段人类活动对研究区域重金属的输送量的变化情况.对于了解区域社会经济发展在不同时期对红树林生态系统造成的影响，评价最近污染物排放控制措施是否成功具有重要的参考价值.

4）应该加强对红树林湿地沉积物中重金属元素生物有效性分析.沉积物中重金属污染物的毒性与其生物可获得性是相关的，只有被生物吸收才有可能对生物产生危害，不同形态的重金属被释放的难易程度不同，生物可利用性也不同，毒性大小也不一样，对红树林湿地沉积物中重金属元素生物有效性分析，以及如何确定红树林沉积物中重金属元素的生物有效性已经成为环境科学领域里的热点问题.

5）应该注重研究红树林沉积物中重金属元素对红树植物的影响.红树林沉积物是重金属元素富集区，一些学者已对红树植物对沉积物中重金属污染物的抗性及耐性进行了相关研究，但很少从景观生态学的角度对红树植物与沉积物中重金属元素的相互影响进行系统的研究，加强红树植物与沉积物之间的相互影响，可以从侧面反映红树林湿地沉积物中重金属元素的地球化学特征，为污染红树林的生态恢复提供依据.

［1］黄初龙,郑伟民.我国红树林湿地研究进展[J].湿地科学,2004,2（4）:303-308.

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［15］李柳强.中国红树林湿地重金属污染研究[D].厦门:厦门大学,2008.

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责任编辑：黄 澜

Research Progress of Content and Speciation of Heavy Metals Element in Sediment of Mangrove Wetlands

WANG Junguang,ZHAO Zhizhong*,ZHAO Guangru,ZHANG Zhongwei，WANG Peng
（College of Geography and Tourism，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

Mangrove wetlands,due to their attributes and special geographical environment,has become the sources of heavy metal pollution.In recent years,heavy metal pollution in sediment of mangrove wetlands has aroused great concern and a great number of researches on element geochemistry feature have been conducted.This paper here reviews the progress and some issues relating to content,distribution,speciation and pollution assessment of heavy metals in mangrove wetlands sediment.It is concluded as follows:First,the multidisciplinary comprehensive research on element geochemistry of heavy metals in sediment of mangrove wetlands should be strengthened and much more concern for their vertical distribution of cores should be paid;Second,the analysis of bioavailability of heavy metals in sediment of mangrove wetlands should be strengthened,which will provide a basis for the sustainable development and restoration of the mangrove wetlands.

mangrove wetland sediment；heavy metals element；speciation

X 142

A

1674-4942（2010）03-0343-04

2010-06-20

海南省自然科学基金项目(40879)；海南省教育厅项目（HJKJ2010-28）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目；海南师范大学“地图学与地理信息系统及自然地理学”重点学科联合资助

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