海南岛北部红树林湿地表层沉积物重金属元素分布相关特征及其污染源分析

韩卓汝，赵志忠，袁建平，李鹏飞，王军广

（海南师范大学地理与旅游学院，海南海口571158）

红树林是发育在热带和亚热带泥滩上的耐盐性植物群落，其生境为热带、亚热带海岸潮间带环境，红树林作为生物海岸的绿色屏障，具有防风防浪和保护海岸的作用.与此同时，红树林湿地往往地处河口与海岸带，是陆地与海洋之间的过渡带，因此通常又是陆源污染物质的汇集地[1].还有研究红树林湿地由于植物凋落物残留使得湿地沉积物具有较高的有机含量，同时潮流缓慢、粘土和厌氧环境以及有机碎屑均有利于重金属元素在沉积物中积累[2].

海南岛北部红树林的分布面积在整个热带地区面积最大，近些年来这些红树植被受到工业污染和生活废水污染严重，红树林面积大量减少，因此开展沉积物中重金属元素之间的相互关系研究对了解区内沉积物环境地球化学特征和恢复红树林湿地生态环境具有重要意义.

1 研究区概况

本次采样地点位于海南岛北部，包括文昌清澜港，海口东寨港和临高新盈港三处红树林湿地的部分地区沉积物.采样点分布见图1.

研究区选择的三块红树林面积占整个海南岛红树林面积的80%以上，其中东寨港红树林湿地面积约3337.6hm2，位于演州河、三江河、演丰东河和东河四条河流的交汇处，其红树植物主要以角木果，尖叶卤蕨和海桑等为主.清澜港红树林湿地位于文昌八门湾的清澜港后港湾，其面积约2948 hm2，除了有同东寨港基本相同的红树植物种类外，还有独特的成片正红树林子.新盈港红树林湿地面积约350 hm2，红树植物以海莲、角木果、红海榄和海漆为主.

2 样品的采集与处理

本次研究沉积物样品采集时间为2011年7月—8月，采样地点涵盖海南岛北部的主要红树林地区.利用沉积物采集器分别取样5—10 cm表层沉积物沉积物，样品采集后，放入洁净的自封袋封存.所有样品在实验室内经自然风干，剔除其中的砾石、植物根系等侵入体，用工具碾碎并用玛瑙研钵研磨，然后过150目尼龙筛，装入洁净自封袋以备分析使用.本次研究使用ME—MS61电感耦合等离子体质谱测定重金属元素含量，全部项目在澳实分析检测（广州）中心—澳实矿物实验室完成.

3 结果与分析

3.1 表层沉积物重金属的分布规律

各采样点表层沉积物重金属含量见表1.由表1可以发现东寨港沉积物中的Cr，Ni，Cu，Zn，Cd的含量均高于清澜港和新盈港，而清澜港As元素和Pb元素含量高于东寨港和新盈港，Cd元素含量低于东寨港和新盈港.

表1 海南岛北部红树林湿地表层沉积物重金属含量统计Tab.1 Content statistics of heavy metal elements in Mangrove wetland surface sediments of Northern Hainan Island

三块湿地沉积物中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb元素的平均含量分别为72.0、33.8、21.3、66.1、11.8、0.11、23.3 mg/kg，重金属元素含量由高到低依次是Cr＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞＞As＞Cd.进一步对海南岛北部红树林湿地沉积物含量进行研究发现东寨港，清澜港，新盈港Cu，As，Zn，Ni，Cr元素含量均高于海南土壤背景值[3]，其中清澜港As元素含量是背景值的12倍.东寨港的Pb、Cd元素和新盈港的Pb元素高于背景值，清澜港的Cd元素和新盈港Cd、Pb元素的含量低于背景值.由于环境差异和人为因素影响，不同河口地区红树林沉积物重金属变化极大，同一地区红树林不同位置的重金属也存在较大差异[4-5].

由表1还可以发现全区重金属变异系数在0.33～1.37之间，其中Pb元素的变异系数为0.33，离散程度相对较低；Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd的变异系数均大于0.5，离散程度较高，其中Cd元素变异系数最高，高达1.37，离散程度很高.总体而言，研究区附近大型工矿企业很少，重金属含量绝大多数高于海南土壤背景值，属于富集的状态.海南岛北部沿海地区居住人口众多，工业发达，工农业废水和生活污水排放量大，加上海运繁忙，来往船只多，漏油溢油事故时有发生，有研究报道，船体防护漆中的Cu和Zn的含量分别高达300 mg/kg和100 mg/kg[6].这些可能是导致海南岛北部红树林湿地生态系统重金属污染的主要原因.

3.2 表层沉积物重金属元素间的相关性分析

一般认为，沉积物中重金属元素含量之间及其之间的比率具有相对的稳定性，当沉积物的来源相似或相同时，其各元素之间具有显著的相关性，因此通过重金属元素之间的相关分析，可以确定重金属在沉积物中的含量变化的控制因素，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[7].本文采用统计软件SPSS18.0对研究区红树林湿地沉积物各金属元素间的含量进行相关性分析，其相关系数和双尾检验结果见表2.

Ni-Cr、Cu-Cr、Zn-Cr、Zn-Ni、Zn-Cu相关性极为显著，相关系数分别达0.949、0.935、0.892、0.851、0.871、0.951.说明这些重金属元素可能具有相同的污染源，通过共同吸附作用或沉淀积累在沉积物中，其地球化学特性相近[8].As元素和Cd元素与其他重金属元素没有明显的相关性，可能是因为As元素和Cd元素在地球化学行为方面与其他重金属元素的相似特征不明显，与其他重金属元素的来源不同.事实上，在研究区内周围虾塘遍布，农业生产中农药与化肥的大量使用，以及往来的船舶排污，这些都可能使得As和Cd元素的来源区别于其他重金属元素，因此与其他重金属元素的相似特征不明显.

表2 海南岛北部红树林湿地表层沉积物重金属之间的相关关系Tab.2 Correlation coefficients of metal elements in Mangrove wetlands surface sedimens of Northern Hainan Island

3.3 重金属元素的聚类分析

运用SPSS软件中的分层聚类，以相关系数为距离测度方法，采用组间连接方法，对海南岛北部红树林湿地表层沉积物中Ni、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As元素进行R-型聚类分析，结果见图2.

根据R型聚类结果，把研究区红树林湿地表层沉积物中7种重金属元素分成3类.Cr、Ni、Cu、Zn、Pb联系较为紧密，毒性较小，聚成一类.As为潜在毒性较强的重金属元素，与人类活动关系紧密，自成一类.Cd被认为是毒性最强的重金属元素，自成一类.

3.4 因子分析

一般认为，组成沉积物颗粒物质，从源地到沉降地，其颗粒自身的物理化学性质会发生一系列的变化，在这个过程中还会受到水动力和人为因素的影响，因此沉积物中的重金属元素含量分布特征是多种因素共同制约的结果[9].因子分析可以把庞杂的原始数据按照成因上的联系进行归纳得出比较客观的结论.为此本次研究采用主成分分析法中的因子分析法来分析，通过设置公因子最小方差贡献值（即最小特征值），经方差极大正交旋转后，公因子负载大于1的变量被选中，得到Fl、F2、F3共三个因子（见表3），这三个因子的累计方差贡献率为97.525，说明这三个因子反映沉积物中绝大多数重金属元素的分布特征.表4反映出的是因子载荷矩阵，它表示第i个变量与第j个公共因子的相关系数即表示X（i）依赖F（j）的份量（比重）.

表3 沉积物中元素的因子方差贡献Tab.3 Contribution of factor variance of the elements in sediments

表4 重金属元素因子分析结果Tab.4 Factor analysis results of metal element

第一因子累计方差贡献率为51.460，该因子包含以下变量Cr、Ni、Cu、Zn和Pb.其特点是因子变量在Cr、Ni、Cu、Zn和Pb元素浓度上有较高的正载荷，说明这些重金属元素有相同的物质来源，通过共同沉淀或吸附累积在沉积物中.

第二因子累计方差贡献率为23.109，该因子包含变量只有Cd.研究区靠近港口的地方船舶排污，润滑油泄漏机械部件磨损都会导致Cd元素含量的升高[10].

第三因子累计方差贡献率为22.956，该因子包含变量只有As.虾塘养殖排污水中含有大量的As元素，主要与研究区内水产养殖过程中使用的农药化肥有关.

综合以上分析可以发现第一因子累计方差贡献率最高，包含的变量重金属元素数量最多，说明这些元素有相同的物质来源；第二和第三因子累计方差贡献率较少，包含的变量只有个别元素，说明这些个别元素的来源区别于其他元素.

4 结论

由以上研究可以得到如下几点结论：

1）重金属元素含量按多到少依次是Cr＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞＞As＞Cd.研究区内表层沉积物中Cu，As，Zn，Ni，Cr元素含量均超过海南土壤背景值，尤其是清澜港As元素含量是海南土壤背景值的12倍.说明随着地区工业化和城市化的进程，表层土壤中的金属含量有加剧升高的趋势.

2）通过对重金属元素之间的相关性分析发现Ni、Cr、Cu、Zn元素两两之间的相关系数极其显著相关，说明这些重金属元素之间具有相同的污染来源.

3）根据R型聚类分析结果将海南岛北部红树林湿地表层沉积物中的九种重金属元素分成3类，Cr、Ni、Cu、Zn和Pb联系较为紧密，毒性较小，聚成一类.As为潜在毒性较强的重金属元素，自成一类.Cd被认为是毒性最强的重金属，自成一类.

4）采用主成分分析法对湿地重金属元素进行因子分析，得到3个因子.第一因子包含变量有Cr、Ni、Cu、Zn和Pb，说明这些重金属元素有相同的物质来源，通过共同沉淀或吸附累积在沉积物中.第二因子包含变量有Cd，研究区靠近港口的地方船舶排污，润滑油泄漏机械部件磨损都会导致Cd元素含量的升高.第三因子包含变量有As，与虾塘养殖过程和农业生产过程使用的化肥农药有关.

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