海南清澜港红树林湿地沉积物中重金属形态及生物有效性

王军广，王 鹏，伏箫诺，赵志忠*，邱彭华，吴 丹

(1.海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158；2.海南省地质综合勘察院，海南 海口 570206)

【研究意义】重金属在环境中具有毒性大、难降解和生物积累性等特性，并能通过食物链进入人体，直接威胁人体健康，因此对重金属污染的研究也备受关注[1-3]；进入水环境的重金属绝大部分能够通过各种物理化学作用，快速结合到水体悬浮物和沉积物中，完成由水相到固相的转变[4-6]。水体中沉积物不仅能够接纳污染物质，并且在一定条件下能够再次相水体释放影响水质，导致水体生态环境恶化。沉积物中的重金属通过生物富集和放大作用对人体健康和生态系统构成直接或间接的威胁[7-8]。清澜港红树林湿地位于海南文昌市境内，是迄今为止我国红树林保护区中面积最大、红树林种类最多、红树植物群落保持最为完整的地区，具有典型的热带红树林湿地特征[9]，近年来，随着当地经济的快速发展和人口的不断增长，工农业生产、海水养殖、旅游开发等人类活动的影响，不仅造成红树植物的破坏，同时大量的污染物质也汇聚到红树林湿地，红树林湿地面临着严重的重金属污染[10-13]。【前人研究进展】关于清澜港红树林沉积物重金属污染问题也引起了广大学者的关注，并开展了一些研究工作，前人的有关研究多限研究区沉积物重金属的含量、空间分布、影响因素及污染评估方面，而对红树林湿地沉积物中重金属形态特征和生物有效性等方面未有详尽研究。【本研究切入点】 本研究在前期清澜港红树林湿地沉积物调查的基础上，选择Cu、Zn、Cd、Pb 4种主要重金属污染物，采用改进的BCR 4步连续提取法提取了沉积物重金属形态；【拟解决的关键问题】对沉积物中各各重金属赋存形态及生物有效性进行分析，探讨其生物有效性影响因素，探究研究区沉积物重金属污染特征，以期为研究区生态环境质量综合评价和污染防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

采样工作于2016年7-8月潮水退至较低时进行，在海南清澜港红树林湿地进行沉积物样品采集，采样点尽量选择无人为干扰的林区空隙地，在点位选择时主要依据点位尽量分布均匀，使用塑料铲，按梅花采样法采集表层沉积物样品(0～20 cm)。沿着入海口人为干扰比较小的区域逆时针选择6个样点(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)进行采样(图1)，其中每个采样点均在红树林高潮位边缘、红树林内(距林缘10～15 m)以及红树林低潮位光滩，在样品采集过程中由于受时间和地形等方面因素，部分光滩沉积物未能采集到，采集沉积物样品16个；样品采集后，装入聚乙烯密封袋内，同时去除沉积物样品中杂物，带回实验室，自然风干，然后进行研磨、过筛，密封保存备用。

1.2 样品分析

沉积物中重金属赋存形态分析采用Rauret改进的BCR连续提取法，该提取法将沉积物重金属各形态分为：弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态。其中弱酸提取态包括可交换态、水溶态和碳酸盐结合态；可还原态即铁锰氧化物结合态；可氧化态也称有机物及硫化物结合态[6]。根据形态特征，将前3种称为生物有效态，残渣态称为不可利用态[7,14]。

(1)重金属赋存形态提取过程中所使用试剂均为优级纯，各形态提取液中重金属元素含量利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(Agilent 7700x型)进行测定,实验过程中，每批实验样品均同步做全程空白和随机抽取平行样，并以近海沉积物成分分析标准物质(GBW07314)做全程质量监控. 各提取形态的回收率为83.0 %～116 %，平行样分析的相对标准偏差(RSD)均小于5 %。

(2)沉积物理化性质：粒度分布采用激光粒度仪(Mastersizer 2000)进行测定，pH值采用奥立龙pH计(HQ30d)进行测定。在中国科学院植物研究所采用重铬酸钾氧化-外加热法对有机碳含量进行测定。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 Location of research area and distributing of sampling sites

表1 研究区沉积物部分理化性质统计

(3)重金属含量测定:使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(Agilent 7700x型)绘制标准曲线，标准曲线的线性相关系数均在0.9995以上。然后再测标准物质，标准物质中各元素含量的测定值与标准值吻合。然后测定沉积物样品中的重金属元素总量[10,15]。

2 结果与分析

2.1 研究区沉积物基本理化性质描述统计分析

通过以往学者对土壤或沉积物中元素研究表明[16-20]，土壤或沉积物中重金属形态含量与沉积环境理化性质密切相关，沉积物理化性质中有机碳(TOC)、pH值、机械组成等对沉积物重金属元素赋存形态含量有不同程度的影响。研究区沉积物部分理化性质统计见表1，研究区沉积物有机碳(TOC)、砂粒的变异系数分别为0.07、0.10，变化较小，从均值来看，研究区沉积物机械组成中砂粒含量水平比较高，粉粒次之，主要与沉积环境和基岩砂质海岸有关。黏粒和PH值的变异系数较大，说明研究区内沉积物pH值、黏粒空间分异较为明显。

总体上看，清澜港红树林湿地沉积物呈酸性，沉积物pH值范围在2.82～7.71之间，pH平均值为4.12，大多数采样点pH值在5.0以下；其中pH值最大的是Q4-1样点，在红树林内侧光滩附近，pH值为7.71；pH值最小的是Q2-2样点，位于红树林林间，pH值为2.82；主要是由于研究区沉积物中有机质和腐殖质含量较高，有些样点沉积物由于受到腐植酸的影响，而呈现出黑褐色。TOC(总有机碳)含量均值为36.18 g/kg，其中最小值是Q4-1样点(光滩位置附近)，最大值是Q3-3样点(林间位置)，总体上TOC含量在垂岸方向呈现出明显差异，TOC(总有机碳)含量呈现出从林间→林缘→光滩递减趋势，这主要由于红树植物的凋落物是沉积物有机质的主要来源，光滩位置位于低潮位，红树植物凋落物偏少，再加上潮水的冲刷作用，不利于有机质的积累，所以含量较低。林间相对于林缘(高潮位附近)而言，凋落物较多，水动力作用较弱，有利于凋落物在沉积物中分解、累积，所以含量较高。

2.2 红树林湿沉积物中重金属含量与沉积物性质相关性

沉积物中重金属的累积受多种因素的共同影响，一般认为，沉积物中重金属含量与沉积环境密切相关；为了了解研究区沉积物中Cu、Zn、Cd、Pb等4种重金属的污染特征，使用SPSS16软件，对研究区沉积物中重金属含量、总有机碳(TOC)、pH、沉积物粒径(黏粒、粉粒、砂粒)进行相关性分析。

由表2可知，各种金属之间具有不同程度的相关性，Cd和Pb之间相关系数为0.571，呈现显著相关关系，表明Cd和Pb之间存在一定的伴生关系，具有同源污染物质的可能。Cd与Cu、Cd与Zn之间无显著相关关系，说明Cd与Cu、Zn不属于同源污染物，可能与人类活动有关。

沉积物中重金属含量与沉积物粒径(黏粒、粉粒、砂粒)均无显著相关关系，这可能是由于重金属元素主要累积在粒径较小的颗粒物中，但受到外界影响，污染加重时，粒径较大的沉积物中也会累积较多的重金属污染物，从而使得沉积物中不同粒径间重金属含量差异不显著。此外，沉积物中Cd含量与pH值存在显著正相关，其它重金属含量与pH值间均无显著相关关系，这可能与Cd元素的理化性状有关。4种重金属含量与沉积物的总有机碳(TOC)相关性不显著。

表2 研究区沉积物理化性质与重金属含量之间的相关性

注：*表示显著性相关(显著性水平P<0.05)。

表3 研究区沉积物理化性质与重金属赋存形态之间的相关性

注：*表示显著相关，显著性水平P<0.05；**表示极显著相关，显著性水平P<0.01，n=16，同表5～6。

2.3 红树林湿沉积物重金属化学形态分析

2.3.1 红树林湿地沉积物重金属形态 由图2可知，从整体而言，不同重金属元素的形态分布呈现不同的规律。

Cu形态分布规律为弱酸可提取态(35.78 %)>残渣态(33.3 %)>可还原态(21.35 %)>可氧化态(9.57 %)，其主要以可还原态和酸可提取态存在(约占60 %)，这种形态分布意味着一旦环境中的氧化还原条件发生改变，可还原态的Cu极易被释放出来，并且酸可提取态的迁移性强，可以被生物利用，对环境直接产生影响。

Zn各形态分布为残渣态(37.25 %)>弱酸可提取态(32.56 %)>可还原态(22.37 %)>可氧化态(7.82 %)，其中可还原态属于较强的离子键结合的化学形态，但转为还原环境后，在不稳定状态易释放出重金属。

Cd形态分布为弱酸可提取态(48.1 %)>残渣态(43.83 %)>可还原态(6.01 %)>可氧化态(2.06 %)，其形态分布与其他元素差别明显(与Cu相似)，优势形态为酸可提取态，其弱酸可提取态相对比值较高。

Pb形态分布为可还原态(64.33 %)>残渣态(23.57 %)>弱酸可提取态(6.35 %)>可氧化态(5.75 %)，其优势形态为可还原态，说明Pb主要成为氢氧化物沉淀或者与铁锰氧化物结合，其离子键结合能力较强，故不易释放。

Cu、 Pb、Cd、Zn 在前三态的比例很高，其中Pb在可还原态中含量较高，在缺氧条件下能够释放，Cu、Cd 、Zn在弱酸可提取态的含量都相对较高，在酸性环境下，极易造成环境的二次污染，具有潜在生态危害。

2.3.2 红树林湿地沉积物重金属各形态之间相关性 由表3可知，Cd、Cu、Zn的弱酸提取态、可还原态、可氧化态、残渣态两两之间呈极显著正相关关系；Pb的弱酸提取态、可还原态、可氧化态两两之间存在极显著正相关关系，残渣态与弱酸提取态、可还原态、可氧化态间呈显著正相关关系。总而言之，研究区湿地沉积物重金属Cd、Cu、Zn、Pb的各形态之间具有很大的相关性，这也表明当外界环境发生变化时，重金属各形态之间可以进行相互转化[21-23]。

图2 研究区沉积物中重金属形态分布Fig.2 Chemical speciation of heavy metals in sediments of study area

2.3.3 红树林湿地沉积物重金属各形态与沉积物理化性质之间相关性 据有关学者研究可知，与沉积物重金属含量相比，重金属各形态与沉积物的理化性质间具有密切而复杂的关系。沉积物重金属各形态量大小的影响因素也很复杂，如沉积物机械组成、pH值、有机质含量、植物根系分泌物等。当外界沉积环境发生变化时，将可能会引起沉积物与重金属离子间发生化学反应，也将导致重金属各形态随之发生改变[18]。

由表3可知：沉积物黏粒与Cu的弱酸提取态呈显著负相关；沉积物砂粒与Cu的弱酸提取态呈显著正相关；沉积物pH值与Cd弱酸提取态、Cd可还原态、Cu弱酸提取态、Cu可还原态之间呈显著正相关关系，与Cd、Cu的其它形态均无显著相关关系；总有机碳(TOC)和黏粒与Cd、Cu、Zn、Pb各形态间均无显著相关关系。表明沉积物粒径(粉粒、砂粒)决定沉积物有效态Cu的含量；研究区沉积物的pH值决定着沉积物有效态Cd、Cu的含量。

2.4 沉积物重金属生物有效性分析

通常在判定沉积环境重金属污染程度时，多采用沉积物重金属元素总量进行分析，虽然此方法也能够进行污染评估，但不能准确对沉积物重金属污染污染状况进行评价[21-26]。土壤或沉积物中重金属具有不同形态，不同形态具有不同的生物活性和化学性质，因此在进行沉积物重金属污染研究时，对沉积物中生物有效态含量的研究也是非常重要的方面，尤其是重金属有效性系数，更能够准确指示出环境污染对沉积物的冲击[27-31]。

由表4可知，研究区沉积物中各重金属Cd、Cu、Zn、Pb生物有效系数平均值分别为：73.88 %、70.70 %、67.17 %、63.08 %，均大约60 %，表明研究区沉积物中这4种重金属生物有效态含量较高，具有较强的生物活性，易于被植物吸收和利用，同时也表明研究区沉积物中Cd、Cu、Zn、Pb具有较高的释放风险，应该引起足够重视。各重金属元素的变异系数都比较小，说明研究区沉积物重金属有效态含量受外界影响较小，空间分布差异小。

由研究区沉积物重金属总量与有效态含量的相关性分析表明(表5)，重金属Cd、Cu、Zn、Pb的有效态含量与总量之间呈显著正相关关系。说明研究区沉积物重金属Cd、Cu、Zn、Pb有效态含量与总量在空间分布上具有一定相似性，其总量的变化也会影响有效态含量的变化，也表明研究区沉积物中重金属Cd、Cu、Zn、Pb总量也能够在一定程度上反映出其生物有效性。

研究区沉积物重金属有效态间相关关系见表6，可知，有效态Cd与有效态Pb、有效态Cu含量之间有显著正相关关系，其他重金属有效态含量两两间也存在一定程度的相关性，但相关性较弱。说明研究区红树林湿地沉积物中有效态Cd与有效态Pb、有效态Cu含量之间具有较强的相互影响、相互作用。

沉积物pH值是影响沉积物中重金属元素生物有效性的重要因素，主要是由于pH值决定沉积环境的酸碱度，进而影响沉积物中固相对各种离子的吸附程度，也会影响重金属各化学形态含量。由表6可知，研究区内沉积物pH值与有效态Cd之间存在显著正相关关系，相关系数为0.606；杨忠芳等通过土壤 pH 对镉存在形态影响的模拟实验研究表明，随土壤pH增大，水稻土铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态 Cd 含量基本呈同步增加趋势[21]；同时相关学者也研究发现，在酸性土壤中碳酸盐结合态 Cd 极易向可交换态转化等[22]；因此，研究区沉积环境本身处于酸性，随着时间的推移和凋落物的增加，研究区沉积物pH可能趋于降低的趋势，将会使得沉积物中Cd元素的生物有效性增加，将会影响研究区红树植物的生长和其它生物的健康，进而增加了研究区重金属Cd的生态风险。

表4 研究区沉积物中生物有效性系数统计

表5 研究区沉积物重金属总量有效态含量与总量间相关性

注：*表示显著相关，显著性水平P<0.05；**表示极显著相关，显著性水平P<0.01，n=16。

表6 研究区沉积物重金属有效态含量与沉积物理化性质间相关性

沉积物中砂粒与有效态Cu含量呈显著正相关关系，相关系数为0.502；从污染治理的角度看，要减少沉积物中有效态Cu含量，需要综合考虑多种因素，结合表5～6可知，影响沉积物中有效态Cu含量的主要因素为Cu总量和沉积物的粒径，有效措施是减少Cu总量和增加沉积物黏度。沉积物总有机碳(TOC)和机械组成(黏粒、粉粒)与这四种重金属有效态含量间相关性不显著。主要是因为沉积物重金属形态的影响因素有很多，并且不同形态的影响因素亦不同。

3 结 论

(1)各种金属之间具有不同程度的相关性，Cd和Pb之间相关系数为0.571，呈现显著相关关系，二者存在一定的伴生关系，具有同源污染物质的可能。Cd与Cu、Cd与Zn之间无显著相关关系，说明Cd与Cu、Zn不属于同源污染物，可能与人类活动有关。

(2)红树林湿地沉积物重金属各形态分析发现：Cu和Cd赋存形态中含量最高的是弱酸提取态；Pb在可还原态中含量较高；Zn的残渣态含量较高；说明研究区沉积物中Cu和Cd的潜在危害大。

(3)研究区沉积物重金属各形态相关性分析可知，沉积物重金属Cd、Cu、Zn、Pb的各形态之间具有很大的相关性，这也表明当外界环境发生变化时，重金属各形态之间可以进行相互转化。

(4)沉积物黏粒与Cu的弱酸提取态呈显著负相关；沉积物砂粒与Cu的弱酸提取态呈显著正相关；沉积物pH值与Cd弱酸提取态、Cd可还原态、Cu弱酸提取态、Cu可还原态之间呈显著正相关关系，与Cd、Cu的其它形态均无显著相关关系；总有机碳(TOC)和黏粒与Cd、Cu、Zn、Pb各形态间均无显著相关关系。表明沉积物粒径(粉粒、砂粒)决定沉积物有效态Cu的含量；研究区沉积物的pH值决定着沉积物有效态Cd、Cu的含量。

(5)研究区沉积物重金属Cd、Cu、Zn、Pb生物有效系数，表明研究区沉积物中这4种重金属生物有效态含量较高，具有较强的生物活性，易于被植物吸收和利用，同时也表明研究区沉积物中Cd、Cu、Zn、Pb具有较高的释放风险，应该引起足够重视。

(6)研究区沉积物有效态Cd与有效态Pb、有效态Cu含量之间有显著正相关关系，其他重金属有效态含量两两间也存在一定程度的相关性，但相关性较弱。说明研究区红树林湿地沉积物中有效态Cd与有效态Pb、有效态Cu含量之间具有较强的相互影响、相互作用。研究区沉积物重金属Cd、Cu、Zn、Pb的生物有效性受其全量影响，另外重金属Cd也受pH值的影响。