广东阳西程村镇红树林自然保护区沉积物重金属污染及其来源分析

2023-08-30魏小辉张昊晟

亚热带植物科学 2023年3期

魏小辉，张昊晟

(中交广州水运工程设计研究院有限公司，广东广州 510220)

红树林具有重要的生态、经济功能，在提供生物栖息地、预防减少风浪灾害、促淤保滩、净化大气与海洋环境、维护海岸景观等诸多方面发挥着重要的作用[1]。红树林沉积物受人类活动、入海河流等因素共同影响，具有较为复杂的重金属沉积环境。研究表明，红树植物对重金属有较强的富集能力[2]，红树林地内的有机物残留碎屑亦对重金属有较强的吸附作用[3]，又因红树林生长于海陆交界处，独特的生存环境使其更容易成为重金属污染汇集地[4]。此外，重金属在自然环境中性质稳定，通过食物链的转运及富集，最终危害人类身体健康[5]。因此，红树林重金属污染受到广泛关注。广东省阳江市阳西县程村镇是少数具有天然红树林地的地区，对其进行红树林沉积物重金属含量测定、污染情况分析等研究，可为当地红树林保护与修复提供依据。

1 研究区概况

研究区位于广东省阳江市阳西县程村镇红树林自然保护区内，属亚热带海洋性季风气候，年均太阳总辐射量111.56 kcal·cm-2，年均气温23 ℃。历年最高潮位3.99 m (黄海高程，下同)，最低0.16 m，平均高潮位2.90 m，平均低潮位1.33 m，平均潮差1.57 m，潮型属不规则半日潮，大潮每月二次，分别是农历初一和十五，浪高一般1～2 m，台风天气时可达6～8 m。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

于2022 年10 月在阳西县程村镇红树林自然保护区分层采集0～30 cm 处沉积物样品18 份。采样时先将土壤表层落叶及其他杂物清理干净，再使用洁净的聚丙烯铲子取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 处泥质沉积物，去除根、叶等杂质后保存于聚乙烯密封袋内待测。

样品由广东省科学院生态环境与土壤研究所检测。Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 和Ni 经HNO3-HF-HClO4全消解，采用电感耦合等离子发射光谱质谱法(ICP-MS)测定；Hg、As 用HCl-HNO3消解，采用原子荧光光谱法(AFS)测定。

2.2 重金属污染评价方法

2.2.1 地累积指数法

地累积指数法(Geo-accumulation Index，Ig)是评价重金属污染程度的方法，不仅考虑了自然过程造成的污染，而且能充分反映人类活动对重金属污染的影响，常用于评价沉积物的重金属污染水平[6]，其公式为：

式中，Ig表示地累积指数，可分为七个重金属污染程度量级(表1)。Cn为测量重金属元素n的质量分数(mg/kg)；Bn为重金属元素的区域背景值，本研究采用中国海岸带土壤背景值。

表1 地累积指数分级标准Table 1 Criteria for index of geo-accumulation

2.2.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法(Potential ecological risk index，RI)根据重金属性质与环境行为特点，对沉积物中重金属污染进行评价[7]。其公式为：

式中，RI表示潜在生态风险指数；Eri为重金属元素i 的潜在生态风险指数；Tri为重金属毒性响应系数；Cfi为重金属元素i的污染系数；Csi为测量重金属元素i的质量分数；Cni为重金属元素的区域背景值，本研究采用中国海岸带土壤背景值。其中当Eri值小于40 时则视为轻微的单因子污染物潜在生态风险，当Eri值处于40 与80 之间时视为中等的单因子污染物潜在生态风险，当Eri值处于80 与160 之间时视为强的单因子污染物潜在生态风险，当Eri值处于160 与320 之间时视为较强的单因子污染物潜在生态风险，当Eri值大于320 时视为极强的单因子污染物潜在生态风险。当RI值小于150 时视为轻微的总潜在生态风险，当RI值处于150 与300 之间时视为中等的总潜在生态风险，当RI值处于300 与600 之间时视为强的总潜在生态风险，当RI值大于600 时视为较强的总潜在生态风险。

3 结果与分析

3.1 重金属含量分析

程村镇红树林自然保护区采样点沉积物重金属含量特征如表2 所示，所测8 种重金属含量大小依次为Zn>Cr>Pb>Cu>Ni>As>Cd>Hg。通过变异系数可知，元素在不同深度处分布较为均匀，推测该地区沉积物中重金属沉积趋势较为一致。

表2 程村镇红树林自然保护区沉积物重金属含量特征Table 2 Content characteristics of heavy metal elements in sediments of Chengcun Town Mangrove Nature Reserve

将程村镇红树林表层沉积物重金属含量与国内其他地区红树林表层沉积物重金属含量进行横向对比，以判断其表层沉积物重金属含量水平(表3)。程村镇红树林表层沉积物各类重金属含量水平均在污染风险筛选值以内，Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As 略高于中国海岸带背景值；其重金属含量略高于霞山区、南三岛、珍珠湾，略低于南山镇、镇海湾。综合对比其他地区，程村镇红树林表层沉积物重金属含量处于中等水平。

表3 国内其他地区红树林沉积物重金属含量Table 3 Contents of heavy metal elements in mangrove sediments of other areas of China

3.2 重金属污染评价

应用地累积指数法评价程村镇红树林自然保护区内沉积物重金属污染水平(图1)。程村镇红树林沉积物重金属Ig值分布较均匀，说明各点位沉积物污染情况近似。其中Pb、Hg 在所有采样点测定的Ig值均在轻度污染范围内；Cu 在部分表层(0～10 cm)沉积物中表现出无污染特征，其余深度均表现出轻度污染特征；Zn 在所有采样点20～30 cm 深度表现出轻度污染特征；As 在20～30 cm 深度表现出轻度污染特征。综上所述，该地区受重金属污染程度较小，Pb、Hg 是造成轻度污染的主要来源。

图1 红树林沉积物重金属元素地累积指数Fig. 1 Geological accumulation index of heavy metal elements in mangrove sediments

3.3 重金属潜在生态风险评价

应用潜在生态风险指数法对程村镇红树林自然保护区内沉积物重金属进行分析，结果如图3。Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr、As 的Eri均值分别为8.2、1.5、4.5、9.3、5.0、1.9、13.1，均低于40，表现出轻微生态风险；Hg 在所有点位的Eri值大于80，表现出强生态风险。综上所述，该地区重金属Hg 造成了强生态风险。而总体的重金属潜在生态风险指数RI均值为128.5，处于轻微水平，说明污染程度较小。

图2 红树林沉积物重金属元素潜在生态风险指数Fig. 2 Potential ecological hazard index of heavy metal elements in mangrove sediments

3.4 重金属来源分析

3.4.1 重金属相关性分析

对程村镇红树林沉积物重金属含量进行Pearson相关性分析，通过单尾t 检验(sig.<0.05)进行显著性检验。结果表明，除Cu-As、Cr-As 外，其他各元素之间均呈现出正相关，说明Cu-As、Cr-As 来源相异(表4)；在统计的8 种元素中，Zn、Ni、Pb、Cd、Cr之间的相关系数在0.7 以上(Pb-Cr 除外)，呈现出较强的相关性，说明这5 种重金属元素具有相似的来源；Cu、Hg、As 与其他元素间相关性弱，推测其来源与其他金属不同，这与2014～2016 年间广东省沿海沉积物重金属相关数据分析的结果一致[14]。

表4 红树林沉积物重金属相关性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metals in mangrove sediments

表5 红树林沉积物重金属因子载荷Table 5 Factorial loading of heavy metals in mangrove sediments

3.4.2 重金属主成分分析

通过主成分分析得知，前两个因子累计贡献率达79.754%，可以反映数据信息。其中，因子1 的方差贡献率为59.310%，其中Zn、Ni、Pb、Cd、Cr具有较高的正载荷，与相关性分析结果相似。该地区居民生活污水大多直接排放入海[15]，且当地多养殖生蚝，大量船只停泊在入海口，而Pb 污染主要与船舶排污、零件损耗等相关[16]。由此推测因子1 主要反映人类活动对研究区域造成污染。因子2 的方差贡献率为20.443%，其中Hg、As 具有较高的正载荷。在红树林地内Hg 含量与pH、粒度、有机质等呈显著正相关，其分布是众多环境因素和人类活动共同作用的结果。当地少有工业区，具有较多的养殖塘，有机质、饵料、化肥等过度使用均可能引发重金属污染[17]。因此推测因子2 主要反映自然因子及有机质、饵料、化肥等输入造成的影响。