海南岛北部潮间带红树林对重金属的累积特征

王鹏，赵志忠，马荣林，李香，王军广

1. 海南省地质调查院，海南 海口570206；2. 海南师范大学地理与旅游学院，海南 海口571158；3. 海南省海洋地质调查研究院，海南 海口570206

海南岛北部潮间带红树林对重金属的累积特征

王鹏1，赵志忠2*，马荣林1，李香3，王军广2

1. 海南省地质调查院，海南 海口570206；2. 海南师范大学地理与旅游学院，海南 海口571158；3. 海南省海洋地质调查研究院，海南 海口570206

对海南岛北部潮间带红树林湿地7种红树植物（根、茎、叶）及其根系沉积物中重金属元素含量进行了分析，结果表明：研究区湿地沉积物中Ni、Cu、Zn、As和Cd的变异系数大于0.50，沉积物中重金属分布很不稳定。其中Cr、Cu、Zn、As和Cd的含量均高于海南水系沉积物背景值，可能存在外源的输入。仅有Pb的含量略低于海南水系沉积物背景值。总体来看，大部分植物显示了对Cd元素的较强的富集能力（BAC＞1），瓶花木对重金属元素的吸收能力总体上要比其他红树植物强一些，木果楝对重金属元素的吸收能力总体上最弱。其中，瓶花木（Scyphiphora hydrophyllacea）对Cr、Zn、As和Cd的吸收能力较强，莲叶桐（Hernandia sonora）对Cr和Ni的吸收能力较强，角果木（Ceriops tagal）对Pb的富集能力较强。角果木（Ceriops tagal）和桐花树（Aegiceras corniculatum）对Cd和Pb的运输能力较强，瓶花木（Scyphiphora hydrophyllacea）对Cu、Zn和Cd的运输能力较强，尖瓣海莲（Bruguiera sexangula）对Cr、Ni、Cd和Pb的运输能力较强，木榄（Bruguiera gymnorrhiza）对Ni、Cu、Cd和Pb的运输能力较强，木果楝（Xylocarpus granatum）对Cr、Zn和Cd的运输能力较强，莲叶桐（Hernandia sonora）对Cr也有较强的运输能力。但此次所研究的红树植物对As元素的运输能力均很弱，建议适量引入适宜在研究区生长并且对As元素富集能力较强的植物。

重金属元素；富集；红树林；海南岛

生长于海洋潮间带的红树林能产生大量的有机碎屑，而且其沉积物处于缺氧的还原状态，使红树林湿地成为人类产生的很多污染物（尤其是重金属元素）理想的吸收和储存场所（林鹏, 1997；丘耀文和余克服, 2011）。有研究表明，红树植物能吸收环境中一定量的重金属元素并积累于自身体内，不同的植物对重金属的吸收能力不同，而且同种植物的不同的器官组织对各重金属吸收量也有差异，其耐受力也相对较高（李柳强, 2008；Macfarlane和Burchett, 2002）。因此，关于潮间带红树林湿地重金属污染与生态效应研究已广泛开展(刘瑀等, 2008; 杨鸣等, 2005)。这些研究主要包括李柳强（2008）等研究发现Cu和Zn是植物体生长所必须的微量营养元素，所以其在红树植物体中的的含量最高，且在根、茎、叶中含量相差不大；而Cr、As和Pb元素由于其无生物活性，被植物吸收后主要分布在植物的根部和茎部。章金鸿等（2004）、郑文教和林鹏（1996）分别对粤东海丰县小漠港和深圳福田红树林湿地的白骨壤植物各器官对不同重金属元素吸收情况进行了分析。朱颖等（2009）研究指出：红树植物组织对Cu、Zn、Cd、Pb 4种重金属元素的富集能力与林龄正相关。章金鸿等（2004）研究发现，红树植物各器官中的重金属元素含量随水体污染程度的增加而升高，且植物各器官的重金属含量和富集系数不同，其中红树植物根部的富集能力最强。相关研究提高了我们对潮间带红树林吸收累积重金属元素的理解。然而对于海南岛红树林重金属污染及不同红树植物对重金属的累积特征的相关研究还比较少。

海南岛北部属热带海洋性季风气候，年平均气温17.1 ℃。区内沉积物表层呈酸性，pH值5～6；湿地沉积物中有机质含量丰富(王鹏等, 2011)。研究区包括东寨港红树林自然保护区、清澜港红树林自然保护区和临高新盈红树林自然保护区的部分地

区。其中东寨港红树林保护区面积3337.6 hm2，其中红树林面积2065 hm2，是我国红树林种类最多、分布面积最大，而且最集中连片的区域（王佳燕, 2007；刘美龄，2008）。清澜港红树林保护面积达2948 hm2，总面积约350 hm2，新盈红树林生长区域约268 hm2（王佳燕，2007；刘美龄，2008），这里的红树林种类繁多，有角果木、瓶花木、尖瓣海莲、桐花树、木榄、木果楝、莲叶桐、红海榄和秋茄等，是世界珍惜濒危鸟类的越冬地和迁徙停歇地；各科树种盘根错节相互依存，依岸生长，既是科学研究的天然宝库和珍贵的旅游资源，也是海上抵御台风和风暴潮的坚强卫士（谢瑞红，2007）。

随着城市化与工业化的加剧，工业和生活污水的排放，生活垃圾及农业生产中农药化肥的大量使用，使其重金属污染越来越重（Defew等，2005；Agoramoorthy等，2008；Wang等，2005）。大量的污染物聚集在河口海湾区，使红树林生湿地态系统受到了污染的威胁。因此，开展海南岛北部红树林重金属污染及红树植物对重金属的累积特征研究，有助于掌握海南省红树林污染现状以及红树林湿地生态恢复和环境保护。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

2011年5—8月，在研究区合理选择采样点，进行了野外考察和沉积物、红树植物（根、茎、叶）样品采集。沉积物样品采集采用梅花采样法，采样深度0～20 cm，保证上下均匀采集，在每个采样点周围100 m范围内，采集3～5处多点采集沉积物组合为1件样品，采样时应去除动、植物残体、砾石、砖块等杂物，共采集沉积物样品42件，在采集过程中尽量避免使用金属器具，主要使用塑料小铲采样，采样器具在采样前后均经过严格清洗。沉积物样品在实验室进行自然风干后，剔除样品中的植物根系、有机残渣以及可见侵入体，用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨，过150目尼龙筛，供重金属元素含量测定使用。

为保证数据的代表性，红树植物样品的采集选在对应沉积物采样点附近，并且基本选择采样点的优势种植物进行采样，植物的根、茎、叶各1.0 kg左右。植物样品分别采集根、茎、叶共42件（其中角果木、瓶花木、尖瓣海莲、桐花树、木榄、木果楝、莲叶桐各2套）。样品放置于密封的乙烯封口袋中带回实验室。所采集的植物根、茎、叶样品，在实验室清洗干净后进行自然风干，供重金属元素含量测定使用。

1.2 样品分析与数据处理

表1 重金属检测方法Table 1 The analysis of heavy metals

沉积物和红树植物样品重金属元素分析项目与测试方法，见表1。数据的分析处理采用统计软件SPSS16.0与Excel等软件。

1.3 植物重金属富集能力计算方法

本文采用植物对重金属的富集系数（Biological accumulating coefficient，BAC）和转移系数（Biological transfer coefficient，BTC）来分析植物对重金属的富集能力。富集系数（BAC）可以反应植物对某种重金属元素的富集能力（张永战和王颖，2000）。富集系数越大，反应其对重金属的富集能力越强。其计算公式：富集系数（BAC）=植物地上部分重金属含量/沉积物重金属含量（Baker和Brooks, 1989）。植物的地上部分富集系数大于1是超富集植物的特征。此外，超富集植物还应具有植物地上部分重金属应达到一定的量且地上部分重金属含量应高于地下部分的特征（尹仁湛等，2008）。转移系数（BTC）可以表现出植物由根部向地上部位运输重金属元素的能力。其计算公式：转移系数（BTC）=植物地上部分重金属含量/植物根部重金属含量（Baker和Brooks, 1989）。

2 结果与分析

2.1 湿地重金属含量特征

研究区沉积物中重金属的统计结果，见表2。沉积物中重金属的平均质量分数大小顺序为Cr＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞As＞Cd，变异系数大小顺序为Cd＞As＞Ni＞Cu＞Zn＞Cr＞Pb，除Cr和Pb的变异系数小于0.05外，其余重金属的变异系数均大于0.50，尤其是Cd元素（变异系数达到1.15），沉积物中重金属分布很不稳定。其中Cr、Zn、As和Cd的含量均高于海南水系沉积物背景值，说明这几种元素可能存在外源的输入，尤其是As元素，其平均含量达到海南水系沉积物背景值的5倍之多，可能存在多种外源输入。仅有Pb的含量略低于海南水系沉积物背景值。

由于研究区工矿企业较少，但近年来渔业发展加快，鱼虾饲料业相应增加，农业生产中农药与化肥的大量使用，加上海洋港口船舶含油污水和居民

生活废弃物的排放，使得部分重金属元素含量急剧增加。因此，笔者认为研究区湿地沉积物中重金属元素的含量主要是由外源输入决定的，且部分重金属元素存在多种外源输入。在湿地沉积环境和外源输入的共同作用下，使得本区重金属元素的含量异于其他地区。

表2 研究区重金属元素的统计Table 2 Statistic results of heavy metals in the study area mg·kg-1

表3 红树植物体内重金属平均含量Table 3 Heavy metal concentrations of the mangrove plants mg·kg-1

2.2 红树植物重金属含量

研究区红树植物体内重金属元素平均含量（表3）显示，各重金属元素在同一植物中的含量差异较大。总体来看，Cr和Zn的含量较高，Cd和Hg的含量较低。同一种重金属元素在不同的红树植物体中的含量也有所不同。Cr和Ni元素在桐花树体内积累最多，Cd和Pb元素在角果木体内积累最多，Cu元素在瓶花木体内积累最多，这5种元素均是在木果楝中积累最少；Zn和As元素在莲叶桐体内积累最多，分别在桐花树和木榄中积累最少。由此可见，生活在相同生境下的不同种红树植物，由于其自身的结构和功能的差异，各种红树植物对不同种重金属元素的吸收能力均存在着较大的差异。

2.3 红树植物对重金属的富集、转移特征

为了进一步了解研究区红树植物对重金属元素的富集情况，计算了植物对重金属的富集和转移系数。可以发现（表4和图1），除了木果楝外，其余6种植物对Cd元素的富集系数均大于1，显示了对Cd元素较强的富集能力，但没有达到1000 mg·kg-1超富集植物的特征。7种植物对其余重金属元素均没有富集现象。

相比之下，瓶花木对重金属元素的吸收能力总体上要比其它红树植物强一些，而木果楝对重金属元素的吸收能力总体上最弱。反映木果楝可能属于避性植物，其自身通过限制某些重金属离子跨膜吸收或分泌一些物质与重金属离子发生络合反应，使其不吸收环境中高含量的重金属从而保护自身（Baker, 1987；杨居荣和黄翌，1994）。其中，瓶花木对Cr、Zn、As和Cd这4种重金属元素的吸收能力较强，莲叶桐对Cr和Ni的吸收能力较强，角果木对Pb的富集能力较强。因此，鉴于瓶花木、莲叶桐和角果木对重金属元素的吸收能力相对较强，可利用其富集作用对湿地环境做一定的生物修复。

图1 红树植物对重金属的富集能力Fig.1 Accumulating ability of the mangrove plants

从植物对重金属元素的转移系数上来看（表5），角果木和桐花树对Cd和Pb的运输能力较强，瓶花木对Cu、Zn和Cd的运输能力较强，尖瓣海莲对Cr、Ni、Cd和Pb的运输能力较强，木榄对Ni、Cu、Cd和Pb的运输能力较强，木果楝对Cr、

Zn和Cd的运输能力较强，莲叶桐对Cr也有较强的运输能力。这些植物（转移系数均大于1）均显示了对不同重金属元素较好的转移能力。反映这些植物对某些重金属元素具有重金属积累特征，其吸收大量重金属并通过某些特定的生理机制达到解毒效果（Baker, 1987；杨居荣和黄翌，1994）。但研究区红树植物对As元素的运输能力均很弱，可能是因为这些植物对As元素具有金属排斥，其在根部积累大量重金属离子，而限制向地上部分运输，从而使地上部分免遭伤害，在一定程度上也提高了自身对重金属的耐性（Baker, 1987; Baker, 1981）。因此建议严格控制破坏红树林，并适量引入适宜在研究区生长并且对As元素富集能力较强的植物。

总体来讲，在此次研究的红树植物中没有筛选到对某种重金属元素具有超富集特征的植物，但是作为海洋潮间带主要植物种类，这些植物显示了对重金属元素的较强的耐性。如瓶花木、角果木、尖瓣海莲和木榄，可作为研究区红树林湿地生态恢复的先锋植物培植，不但能迅速提高潮间带红树林湿地的植被覆盖率，也能富集一定量的重金属元素。

表4 红树植物对重金属的富集系数Table 4 The bio-accumulating coefficient(BAC) of the mangrove plants

表5 红树植物对重金属的转运系数Table 5 The biological transfer coefficient(BTC) of the mangrove plants

3 结论

1）研究区沉积物中Ni、Cu、Zn、As和Cd的变异系数大于0.50，沉积物中重金属分布很不稳定。其中Cr、Cu、Zn、As和Cd的含量均高于海南水系沉积物背景值，可能存在外源的输入。仅有Pb的含量略低于海南水系沉积物背景值。

2）各重金属元素在同一植物中的含量差异较大。总体来看，Cr和Zn的含量较高，而Cd和Hg的含量较低。

3）除木果楝外，其余6种植物均显示了对Cd元素较强的富集能力。瓶花木对重金属元素的吸收能力总体上要比其他红树植物强一些，木果楝对重金属元素的吸收能力总体上最弱。多数红树植物显示了对不同重金属元素较好的转移能力，而究区红树植物对As元素的运输能力均很弱，建议适量引入适宜在研究区生长并且对As元素富集能力较强的植物。

Agoramoorthy G, Chen F A, Hsu M J. 2008. Threat of heavy metal pollution in halophytic and mangrove plants of Tamil Nadu[J]. India Environmental Pollution, 15: 320-326.

BAKER A J M, BROOKS R R. 1989. Terrestrial higher plants which hyperaccumulated metallic elements-a review of their distribution, ecology and phytcchemistry[J]. Biorecovery, 1:81-126.

Baker A J M. 1981. Aeeumulators and excluders strategies in the response of plants to heavy metals[J]. Joumal of pant nutrition, 8(12):643-654.

Baker A J M. 1987. Metaltolerance[J]. NewPhytologist, 106(supl): 93-111.

Defew L H, Mair J M, Guzman H M. 2005. An assessment of metal contamination in angrove sediments and leaves from Punta Mala Bay[J]. Pacific Panama Marine Pollution Bulletin, 50: 547-552.

Macfarlane G R, Burchett M D. 2002. Toxicity, growth accumulation relationships of copper, lead and zinc in grey mangrove Avicennia Marina(Forsk)Vierh[J]. Marine Environmental Research, 54(1):65-84.

Wang H B, Shu W S, Lan C Y. 2005. Ecology for heavy pollution recent advances and futureprospects[J]. Acta Ecologica Sinica,

25(3):596-605.

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

廖香俊,丁式江,吴丹,等. 2004. 琼东北地区土壤微量元素地球化学特征[C]. 2004年全国学术年会农业分会场论文专集: 64-67.

林鹏. 1997. 中国红树林生态系[M]. 北京: 科学出版社.

刘美龄. 2008. 海南东寨港和清澜港红树植物分布与土壤性质关系[D].厦门：厦门大学.

刘瑀,马龙,李硕,等. 2008. 海岸带生态系统及其主要研究内容[J]. 海洋环境科学, 27(5): 520-522.

丘耀文, 余克服. 2011. 海南红树林湿地沉积物中重金属的累积[J]. 热带海洋学报, 30(2):102-108.

王佳燕. 2007. 海南东寨港几种红树植物主要生长特征因子间的关系研究[D]. 海口: 华南热带农业大学.

王鹏, 赵志忠, 王军广, 等. 2011. 海南岛东北部红树林地区沉积物常量元素的含量分布特征[J]. 海南师范大学学报: 自然科学版, 24(1): 96-100.

谢瑞红. 2007. 海南岛红树林资源与生态适宜性区划研究[D]. 海口: 华南热带农业大学.

杨居荣, 黄翌. 1994. 植物对重金属的耐性机理[J]. 生态学杂志, 13(6):20-23.

杨鸣，夏东兴，谷东起，等. 2005. 全球变化影响下青岛海岸带地理环境的演变[J]. 海洋科学进展，23（3）：289-296.

尹仁湛, 罗亚平, 李金城, 等. 2008. 泗顶铅锌矿周边土壤重金属污染潜在生态风险评价及优势植物对重金属累积特征[J]. 农业环境科学学报, 27(6):2158-2165.

张永战, 王颖. 2000. 面向21世纪的海岸海洋科学[J]. 南京大学学报:自然科学, 36（6）：702-710.

章金鸿, 李玫, 陈桂珠. 2004. 港湾污水排放对红树林湿地的影响[J]. 上海环境科学, 23（4）：147-151.

郑文教, 林鹏. 1996. 深圳福田白骨壤红树林Cu, Pb, Zn, Cd的累积及分布[J]. 海洋与湖沼, 27（4）：386-393.

朱颖,吴纯德,叶健,等. 2009. 淇澳岛红树林生态系统中重金属含量相关性[J]. 环境科学, 32（11）：95-98.

Bioaccumulation characteristics of heavy metal in intertidal zone sediments from northern Hainan Island

WANG Peng1, ZHAO Zhizhong2*, MA Ronglin1, LI Xiang3, WANG Junguang2
1. Hainan Geological Survey, Haikou 570206, China; 2. School of Geography and Tourism, Hainan Normal University, Haikou 571158, China; 3. Hainan Marine geology investigation institute, Haikou 570206, China

To investigate the heavy metals pollution in seven types of mangrove plants as well as its sediment on northern Hainan Island, samples collected from mangrove plants and sediment were determined for the concentrations. By use of the Biological accumulating coefficient(BAC) and Biological transfer coefficient(BTC) methods, the main research results are as follows: Mean concentrations of Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd and Pb were 71.44, 33.63, 20.29, 63.87, 12.38, 0.09, 22.63 mg·kg-1in this region, respectively, the the average contents of Cr, Ni and As are higher and has outside source. Overall, the contents of Cr and Zn are higher and Cd and Hg are lower in mangrove plants. Most mangrove plants a higher capability of accumulating Cd (BAC＞1), Scyphiphora hydrophyllacea had a higher capability of accumulating Cr, Zn, As and Cd, Hernandia Sonora had a higher capability of accumulating Cr and NiCeriops tagal had a higher capability of accumulating Pb. Ceriops tagal and Aegiceras corniculatum had a higher capability of shifting Cd and Pb, Scyphiphora hydrophyllacea had a higher capability of shifting Cu, Zn and Cd,Bruguiera sexangula had a higher capability of shifting Cr, Ni, Cd and Pb, Bruguiera gymnorrhiza had a higher capability of shifting Ni, Cu, Cd and Pb, Xylocarpus granatum had a higher capability of shifting Cr, Zn and Cd, Hernandia Sonora had a higher capability of shifting Cr. But the mangrove plants in region had a lower capability of shifting As, so we shoud introducing the plants which has had a higher capability of shifting As.

Heavy metal elements; enrichment; mangrove; Hainan Island

X173

A

1674-5906（2014）05-0842-05

国家自然科学基金项目(41261062)；海南省重点科技计划项目（ZDXM20130021）

王鹏（1985年生）助理工程师，硕士研究生，从事环境地球化学研究。E-mail: wangpeng767@163.com

*通信作者：赵志忠，研究员，博士，主要从事地球化学、自然地理学研究。

2014-01-14

王鹏，赵志忠，马荣林，李香，王军广. 海南岛北部潮间带红树林对重金属的累积特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(5): 842-846.

WANG Peng, ZHAO Zhizhong, MA Ronglin, LI Xiang, WANG Junguang. Bioaccumulation characteristics of heavy metal in intertidal zone sediments from northern Hainan Island [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 842-846.