苍南沿浦湾秋茄生长与沉积物若干因子关系研究

张丽源，胡成业，俞松立，韩晓凤，章翊涵，来洪运，李雪丽，水柏年

（浙江海洋大学水产学院，浙江舟山 316022）

红树林是生长于热带及亚热带沿海潮间带滩涂的木本植物群落，具有消减风浪、净化水质、储碳固碳、维持海岸生态平衡及生物多样性的生态作用。其中，秋茄Kandelia candel 属于红树科秋茄属常绿灌木或小乔木，是我国境内已知天然分布最广、纬度分布最高、最耐寒的红树植物，其天然分布的最北缘位于福建省福鼎市。秋茄林可有效保护堤岸，加速海岸的自然沉积，吸收污染物，为海洋生物群落提供了理想的栖息环境[1]。

温州市苍南县沿浦湾是我国国家海洋局“十三五”规划生态修复的50 个小海湾之一，该地区从2015年开始试种秋茄，进行海岸带生态环境修复。至今，沿浦湾秋茄种植面积已达到0.67 km2，最大株高2 m，长势良好。多年来对沿浦湾秋茄林的跟踪监测与研究结果表明，秋茄林的建设使得林区大型底栖动物物种密度、生物量及物种多样性等显著提高，秋茄林具有较高的生态及景观价值。然而，与沿浦湾毗邻的沙埕港工业区的工业排污及周围农业生产和居民生活产生的污染物直接或间接地排放至沿浦湾，造成生态扰动，部分重金属、氮、磷元素逐渐沉降并进入滩涂沉积物中，被秋茄以不同的特征富集和吸收，对其成活、生长、发育及繁衍产生一定程度的影响。

相关研究[2-4]表明，红树植物的凋落物在滩涂中降解后会释放出富含氮官能团的有机物质，从而增加颗粒物表面的电荷，提高沉积物对重金属离子的吸附作用。安志装等[5]认为氮具有缓冲重金属引发植物毒害的能力。氮会减轻铬（Cr）、铜（Cu）、镉（Cd）等重金属离子产生的毒性抑制作用，随氮元素含量的提高，毒性抑制作用会降低[6]。营养元素（主要是氮、磷）在红树系统内富集，不仅对红树植物本身无害，甚至还能促进其生长。郑逢中等[7]发现低浓度重金属能促进红树植物幼苗生长。因此，不同红树植物对不同的低浓度重金属都具有一定的抗性，但承受的浓度限值却不一样[8-9]。TAM，et al[10]在对香港红树林沉积物重金属污染物开展归一化研究中则发现，沉积物中只有铬、铜的含量与沉积物中有机质含量呈显著正相关关系，锌（Zn）、锰（Mn）等重金属元素含量与沉积物有机质含量间则未发现显著相关关系。另外，不同自然环境、人类活动、沉积物重金属元素含量存在显著差异，这种差异主要是由其生态环境特殊的理化性质、土壤重金属背景值以及附近城市重金属排放情况所引起的[11]。

综上，关于沉积物中重金属对秋茄的生长、发育影响，以及秋茄对不同重金属元素的富集吸收能力及耦合影响作用等特征研究较少，尤其是位于秋茄分布的北缘—浙南地区的人工栽培秋茄林环境质量相关研究及其报道较为罕见。鉴于此，本研究基于沿浦湾秋茄生长指标、沉积物重金属含量等监测数据，研究沉积物环境若干因子变化及其与秋茄生长之间的关系特征，以期揭示秋茄对生态修复、治理的功能，也为今后进一步开展北缘秋茄林宜林地选划、环境效益、保护管理等方面的应用研究提供科技依据。

1 材料与方法

1.1 材料

依据《红树林生态监测技术规程》（HY/T 081-2005）[12]、《海洋调查规范》（GB/T 12763-2007）[13]和《海洋监测规范》（GB/T 17378-2007）[14]，并基于数理统计要求在沿浦湾秋茄种植区5 种生境建立5 个3 m×3 m 的样地，采用标志桩法[15]在样地的4 个角垂直插入4 根长约2.0 m 的毛竹桩，并测量毛竹桩的高度（H0）。于2016 年秋季、2018 年春季定期定点测量各标志桩暴露在滩面的高度（Hx），H0-Hx的平均值即为该时段的冲淤变化值，正值为淤积，负值为冲刷[16]，以监测冲淤动态修正株高和地径的生长量。同时，现场使用皮尺测定秋茄的株高和地径，统计叶片数量。

采样区以毛竹桩为界，依次将采样区划分为A 区、B 区、C 区、D 区和E 区（图1）。A 区离堤岸约50 m，作为向陆林区样地；B 区离堤岸约150 m 处，作为中间林区样地；C 区离堤岸约150 m 处，作为毗邻潮沟的中间林区样地；D 区离秋茄林区外缘约50 m 处，作为向海林区的样地；E 区离岸约50 m 处，作为原互花米草被清除后种植秋茄的样地。

图1 沿浦湾秋茄样地设置示意图Fig.1 Schematic diagram of quadrat setup for K.candel in Yanpu Bay

2014 年秋季、2016 年秋季、2018 年春季分别对上述5 个样地进行沉积物样品采集。将沉积物样品装入聚乙烯样品袋，冷冻保存并送往浙江省海洋生态环境监测中心（CMA 资质单位）进行铜（Cu）、汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、铬（Cr）、砷（As）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）及总磷（TP）等元素的检测。

1.2 方法

1.2.1 沉积物重金属评价

按照地积累指数法、潜在生态危害指数法进行沉积物质量现状及变化特征研究，通过比较2 种评价方法的结果，综合分析沉积物的质量和动态变化特征。

（1）地积累指数法（Muller 指数）地积累指数法[17]计算公式：

式中：Ci为某重金属元素i 在沉积物样品中的含量，mg·kg-1；Bi为该海域沉积物中i 元素的背景值，由于选定背景值没有统一的标准可以参考，为增强本次研究结果的准确性和可比性，故参照丁喜桂[18]研究得出的浙江近岸海域重金属背景值（表1）。Igeo参照地积累指数分级标准（表2）评价沉积物中重金属的污染程度。

表1 浙江近岸海域沉积物中重金属背景值和毒性响应系数TirTab.1 Background value of heavy metals and toxic response coefficient Tir in sediments from Zhejiang offshore

表2 地积累指数分级标准Tab.2 Cumulative index classification criteria

（2）潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法[19]计算公式如下：

单个金属i 污染系数的计算公式为：

RI 为潜在生态危害指数，主要反映沉积物中多种重金属潜在生态危害系数的总和，计算公式：

表3 污染和生态风险分级标准Tab.3 Pollution and ecological risk classification criteria

1.2.2 秋茄生物量计算

沿浦湾秋茄叶片生物量（WL）、树干生物量（WS）及总生物量（WT）的计算参照邻近研究区域—鳌江秋茄生长研究中建立的秋茄叶片生物量（WL）、树干生物量（WS）及总生物量（WT）异速生长方程[16]：

式中：D 为已测定的秋茄基径，cm。

1.3 秋茄生长与沉积物因子两两之间的关系

采用SPSS 20.0 软件计算相关系数（r，P＜0.05），从而开展相关关系判断，r 介于区间[-1，1]。当相关系数为-1，表示完全负相关；当相关系数为+1 时，表示完全正相关；当相关系数为0 时，表示不相关。r 值的绝对值介于0～1 之间，通常r 越接近1，表示2 个变量之间的相关程度就越强，反之，r 越接近于0，2 个变量之间的相关程度就越弱。利用R 4.0.4 绘制相关关系可视化图。

2 结果

2.1 沉积物质量评价

如表4 所示，2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季重金属Cu 的含量均超过国家沉积物一类质量标准，2016 年秋季重金属Cr 的含量超过国家沉积物一类质量标准。

表4 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各区沉积物中环境因子含量Tab.4 Mean of several environmental factors in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

沿浦湾秋茄种植后较种植前，各区重金属Cu 及Pb 元素的含量总体呈现下降趋势，重金属Zn、Cd、Cr、Hg、As 元素与TOC 的含量总体呈现上升趋势。

2.2 沉积物地积累指数法分析

如图2 所示，2014 年秋季，重金属Cu 的地积累指数Igeo变化范围为0.29～0.38，为轻度-中等污染程度，其余重金属元素总体均处于无污染状态。2016 年秋季，重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Hg 及As 的Igeo变化范围总体均处于0～1 之间，均为轻度-中等污染程度，Pb 为无污染状态。2018 年春季，各区重金属Cu 及As 的Igeo均大于0，为轻度-中等污染程度，重金属Zn、Pb、Cd、Cr、Hg 为无污染状态。

图2 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各区沉积物中重金属地累积指数Fig.2 Geo-accumulation index of heavy metals in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

总体而言，2016 年秋季较2014 年秋季重金属Zn、Cd、Cr、Hg 及As 的污染程度增大，但2018 年春季，Zn、Cd、Cr 及Hg 的污染程度均大幅降低，由轻度-重度污染转变为无污染状态；重金属Cu 虽三季均为轻度-中度污染状态，但污染程度持呈现持续降低趋势；重金属As 的污染状态呈现持续严重的态势。

2.3 沉积物潜在生态危害指数法分析

如图3 所示，2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季的调查中，沿浦湾沉积物中对潜在生态危害指数RI 值贡献最为突出的均为重金属Hg，且这三季中Hg 均为中度危害。其次为重金属Cd，特别是2016 年秋季，Cd 的生态危害程度达到中度危害。其余重金属元素均为无污染或轻微污染状态，对环境的生态干扰程度较小。总体而言，各区潜在生态危害指数RI 值均在2016 年秋季呈现明显上升，于2018 年春季明显下降，大部分采样区甚至小于秋茄种植前的2014 年秋季。

图3 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各区沉积物中重金属潜在生态危害指数Fig.3 Potential ecological risk index of heavy metals in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

2.4 秋茄生长与沉积物10 个理化因子的相关关系

2.4.1 秋茄生长特征

2016 年秋季，5 个样地共监测秋茄293 株，株高范围为12～53 cm，平均株高为31.14±8.09 cm；分支数范围为1～7 条，平均分支数为3.09±1.34 条；叶片数量范围为3～47 片，平均叶片数量为16.87±7.46 片；植株直径范围为0.3～1.7 cm，平均直径为0.80±0.24 cm。秋茄总生物量大小排序为：B 区&C 区＞E 区＞A 区＞D区。

2018 年春季，5 个样地共监测秋茄169 株，株高值范围为11.2～89 cm，平均株高为43.36±5.18 cm；分支数范围为1～4 条，平均分支数为1.38±0.75 条；叶片数量范围为0～190 片，平均叶片数量为55.85±6.94片；植株基径范围为0.4～4 cm，平均基径为1.56±0.43 cm。秋茄总生物量大小排序为：B 区&C 区＞D 区＞E区＞A 区。

2018 年春季较2016 年秋季，各区总生物量的增长量排序为：B 区&C 区＞D 区＞E 区＞A 区。

2.4.2 沉积物中10 个因子之间的相互关系

由图4 分析可知，2014 年秋季，Cd 与Pb，Cu 与Zn、Pb、Cr，Zn 与Pb、Cr，Pb 与Cr 均呈现显著正相关关系。2016 年秋季，Cr 与Zn，As 与Cu、Zn，Cu 与Zn，TN 与TOC 均呈现显著正相关关系。2018 年春季，TOC与Zn、Cd、Hg 呈现显著负相关关系；TN 与Cd 均呈现显著负相关关系；Hg 与Zn，Pb 与Cu，Cu 与TP、Zn、Cr；TP 与Zn、Cr，Zn 与Cr 均呈现显著正相关关系。

图4 2014 年秋季（a）、2016 年秋季（b）及2018 年春季（c）沿浦湾沉积物若干因子相关性可视化分析Fig.4 Visualized correlation analysis of several factors in the sediments of Yanpu Bay in autumn of 2014（a）,autumn of 2016（b）and spring of 2018（c）

2.4.3 沉积物中10 个理化因子与秋茄生长的相关关系关系

如表5 所示，秋茄的叶片生物量、树干生物量及总生物量与Cu、Zn、Pb 3 种元素均呈现显著负相关关系；叶片生物量、总生物量与Cr、As 均呈现负相关关系，树干生物量与Cr、As 均呈现显著负相关关系；叶片生物量、树干生物量及总生物量与Hg 均呈现负相关关系；叶片生物量、树干生物量及总生物量与TP 呈现正相关关系；叶片生物量、树干生物量及总生物量与Cd 和TN 均呈现正相关关系；叶片生物量、树干生物量及总生物量与TOC 均呈现显著相关关系。

表5 秋茄生长与沉积物关系Pearson 相关系数（r,P＜0.05）（t·hm-2）Tab.5 Pearson correlation coefficient of the relationship between K.candel growth and sediments（r,P＜0.05）

3 讨论

3.1 沿浦湾沉积物中污染物来源分析

郑娜等[20]研究表明，相关性显著的元素之间地理化学特征或影响因子相似，一定程度上存在着相似性的分布规律，来源可能相同或相近，这些元素通过同种或相似的途径沉淀、吸附和积累在沉积物中。重金属的来源主要有人为源和自然源两种，其中人为源是湿地重金属污染的主要来源，包括工农业活动、交通、生活垃圾等[21]。3 个季度相关性分析结果显示，随着秋茄种植年限的增长，具有显著相关关系的重金属元素逐渐增加，这一方面可能是沿浦湾沉积物深层的重金属离子仍然存在并不断释放，秋茄根系对重金属离子具有一定程度的富集吸收能力[22]，另外秋茄叶片中含有特殊的化学物质，对重金属具有较强的吸附作用[23]，致使秋茄附近的重金属含量升高。另一方面可能是与沿浦湾毗邻的沙埕港工业区皮革厂、电镀厂等企业排放的工业废水随潮流进入沿浦湾[24]，成为该地区重金属污染的主要来源。

3.2 秋茄对沉积物各因子的影响关系

秋茄对沉积物中重金属具有不同程度的富集吸附能力。唐以杰等[25]研究表明，秋茄能将大量重金属污染物富集于土壤中，致使沉积物中部分重金属含量增高，但随着秋茄逐渐生长，根系逐渐发达，其自身对重金属的吸收能力便可将土壤中的重金属净化。本研究发现，秋茄生长初期，沉积物中重金属Zn、Cd、Cr、Hg及As 的含量呈上升态势，但随着秋茄的生长，这些重金属的含量均出现不同程度下降，可能是秋茄对重金属具有先较强富集，而后随着秋茄生长对重金属的吸收能力增大所致。另外，秋茄种植后较种植前，重金属Cu 及Pb 含量呈现下降态势，这可能是秋茄对这两种重金属具有较强吸附能力所致。这与彭辉武等[26]的研究结果相类似。总之，秋茄对各种重金属存在不同程度的富集和吸收能力且存在特征差异。

此外，地累积指数法研究结果与潜在生态危害指数法的评价结果存在差异，可能是2 种方法的侧重点不同所致。邵坚等[27]认为，地累积指数法主要侧重反映外源重金属的富集程度，但潜在生态危害指数则侧重于反映不同重金属的生物毒性影响。本研究采用这2 种不同的评价方法进行比较分析发现，地累积指数法的结果显示2014 年秋季、2016 年秋季和2018 年春季沉积物中重金属Cu 均处于轻度-中度污染状态，而Hg 仅在2016 年秋季处于轻度-中度污染状态，其余季度均为无污染；潜在生态危害指数法的评价结果显示，这三季重金属Hg 均为中度污染，重金属Cu 均为无污染状态。比较这2 种方法研究结果得出：2016年秋季沉积物中重金属Cd 的污染程度加重，但随着秋茄生长其污染程度明显降低，这也再一次印证了秋茄对重金属具有较强的先富集后吸收的能力特征。由此可见，虽然地累积指数法与潜在生态危害指数法的部分结果存在差异，但其仍能总体反映秋茄治理重金属污染的共性特征。

3.3 沉积物中10 个环境因子对秋茄生长的影响

沉积物中10 个因子对秋茄生长的影响存在差异。CHIU,et al[28]在重金属对秋茄胁迫作用的研究发现，秋茄的根、叶生长状况明显受沉积物中Cu 及Zn 含量的影响。本研究发现，A 区重金属Cu 及Zn 的含量较高，但该区域的秋茄生物量相对偏低，RDA 分析结果显示重金属Cu 及Zn 与秋茄的叶片生物量、树干生物量及总生物量均呈现显著负相关关系，这可能是两种重金属对秋茄的生长产生了一定程度的抑制。此外，随着秋茄的不断生长，各区TOC 的含量呈现明显上升，尤其是E 区去除互花米草种植秋茄后，其TOC 含量的上升幅度明显高于其他地区，且RDA 分析结果显示，TOC 与秋茄生物量呈现显著正相关关系，这表明秋茄生长具有较强碳汇功能。这与胡杰龙等[29]对海南东岗寨红树林的研究得出的红树林具有极强固碳功能的结论相一致。总之，沉积物中不同的重金属含量对秋茄的生长有着显著且各异的影响作用，TOC 含量与秋茄生长呈现密切的正相关关系，表明秋茄在沉积物中具有较强的碳汇功能。

4 结论

沿浦湾秋茄种植以来，滩涂沉积物中TOC 含量呈现上升趋势，TN、TP、Cu、Pd 含量总体呈现下降趋势，而Zn、Cb、Cr、As 及Hg 等5 种重金属含量呈现波动状态。研究表明：秋茄对沉积物中前述10 种因子具有不同的吸附功能，对重金属吸附呈现先富集后吸收机制，而且呈现不同的吸附特征。同时，不同重金属元素对秋茄生长的影响存在差异，复杂的环境因子耦合作用下，秋茄的叶片生物量、树干生物量及总生物量与Cu、Zn、Pb 总体呈现显著负相关关系，而与TP、Cd、TN 及TOC 均呈现正相关关系。随着秋茄地不断生长，沿浦湾滩涂秋茄林生态系统已经呈现改善的态势，在滩涂建设秋茄林对沿岸海域生态环境的治理具有积极而重要的意义。