鎮海灣紅樹林沉積物中重金屬污染特征與風險評價

徐 閣，任茂興，袁 超

（國家海洋局海口海洋環境監測中心站，海南 海口 570311）

隨著人類活動的加快以及沿海經濟的迅速發展，海域資源給人們帶來經濟收益的同時，海灣及沿岸海域的污染問題越來越嚴峻[1]。重金屬因其難降解、可在生物體內富集等特性，使得沉積物重金屬分布特征及生態危險評價越來越受到人們的關注。紅樹林主要分布于海陸交替區域，紅樹林區的沉積物具有強酸性、強還原性等特征，對重金屬元素具有一定富集作用，在海洋環境污染治理方面具有凈化水質的生態價值。

目前，有關紅樹林區域重金屬的研究成果較多，主要包括紅樹林區沉積物重金屬的污染形態和分布特征研究[2]、紅樹植物體內重金屬的分布與累積特征研究[3]、紅樹林地區水生生物的重金屬傳遞機制和污染現狀研究[4]等方面。研究區域主要集中在黃茅海[5]、高橋[6]、雷州半島以及包括特呈島在內的湛江灣地區[7]。有關鎮海灣紅樹林沉積物中重金屬的研究未見報道。本文綜合運用多種方法，研究鎮海灣紅樹林沉積物中重金屬的污染程度、生態危害和污染來源，對維護濕地生態系統的健康具有重要的理論和現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

鎮海灣原名北海灣，位于廣東省江門市臺山市西南部汶村鎮與北陡鎮之間海域，坐標范圍：21°44'—21°56'30" N，112°24'—1l2°33' E。鎮海灣形似喇叭狀，兩頭大，中間小，走向為NNW-SSE，口門寬約16.3 km，縱深27 km，灣中最窄處1.6 km。受海洋氣候的影響很大，區域氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，長年溫和濕潤。鎮海灣內保存著集中連片且林相完整的天然紅樹林，其沿岸區域紅樹林分布面積約為117.61 hm2，是粵港澳大灣區連片面積較大、保護情況較好的紅樹林濕地之一，也是我國重要的原生紅樹林濕地之一，主要優勢物種為桐花樹和秋茄。

1.2 樣品采集與分析

調查時間為2020年10月。根據研究區域紅樹林的分布特點，共布設15個調查站位，具體坐標見表1。沉積物樣品主要是在低潮時潮灘區域采集，除去表面枯枝等覆蓋物后取表層0～10 cm沉積物樣品，混勻后裝入聚乙烯密封袋中，低溫保存帶回實驗室。重金屬樣品經80～100 °C烘干（其中Hg樣品經40～60 °C烘干）后，研磨過160目尼龍篩；有機質樣品經風干研磨后過80目金屬篩，混勻后用四分法縮分分取所需試樣。樣品的采集、貯存、運輸、分析和測定均嚴格參照《海洋監測規范》（GB17378—2007）和《海洋調查規范》（GB/T12763—2007）進行。

表1 采樣點站位坐標

1.3 評價方法

采用單因子指數法和內梅羅指數法評價表層沉積物中重金屬的污染水平，采用潛在生態危害指數法評價表層沉積物中重金屬的生態風險。

1.3.1 單因子指數法

單因子指數法計算公式如下。

式中，Ii為第i種重金屬的單因子指數；Ci為第i種重金屬的實測值（mg·kg-1）；Si為第i種重金屬的評價標準值。當Ii＞1 時，沉積物含量超過評價標準。根據《廣東省海洋功能區劃》，研究區域所屬海洋功能區劃為川山群島農漁業區，執行海洋沉積物質量一類標準。

1.3.2 內梅羅指數法

內梅羅指數法同時兼顧了單因子污染指數的平均值和最大值，避免由于平均作用削弱污染金屬的權值，突出了污染指數最大的污染物對環境質量的影響，既可反映單因子重金屬污染狀況，又可反映多因子重金屬污染的綜合狀況，其計算公式如下[8]。

式中，NI為內梅羅指數；Ci為污染物i的實測含量；Si為沉積物中污染物i的背景值。NI的分級標準[8]如表2所示。

表2 內梅羅指數分級標準

1.3.3 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數（ERI）是瑞典科學家Hakanson以應用沉積學原理來評價重金屬的污染和潛在的生態危害的一種方法。它能綜合反映重金屬對生態環境的影響程度，綜合評價沉積物中重金屬潛在的生態危害，并用定量的方法劃分出潛在生態風險程度，是沉積物現狀質量評價應用最為公認的方法之一[9]，被我國學者廣泛應用于重金屬污染評價。

表3 沉積物中重金屬的環境背景值（mg·kg-1）和毒性系數

沉積物中多種重金屬綜合潛在生態風險指數RI計算如下。

由于Hakanson（1980）提出的生態風險指數法所包括的監測項目包括 PCB（多氯聯苯）、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、Zn 和As 共8 種，而本研究未考慮 PCB，主要針對7 種重金屬進行分析評價。因此，需要對Hakanson提出的綜合潛在風險指數值RI范圍進行調整[11]。單個重金屬的潛在生態危害系數和多種重金屬綜合潛在生態風險指數RI所對應的污染評價等級劃分見表4。

表4 潛在生態風險指數法的污染評價等級劃分

1.3.4 數據處理

采用SPSS 17.0軟件作Pearson相關性分析和顯著性檢驗，并利用Excel進行數據處理和統計分析。其中，相關系數P＜0.01為極顯著相關，P＜0.05 為顯著相關。

2 結果與分析

2.1 重金屬的含量特征

鎮海灣紅樹林表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As和Hg的含量變化范圍分別為27.3～46.6 mg·kg-1、11.1～25.7 mg·kg-1、108～179 mg·kg-1、0.10～0.35 mg·kg-1、89.9 ～142 mg·kg-1、29.9～48.5 mg·kg-1、0.066～0.181 mg·kg-1。重金屬含量由高到低依次是Zn＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg。對比鎮海灣紅樹林表層沉積物中重金屬含量與中國近海沉積物化學元素豐度可以發現，鎮海灣的沉積物重金屬中僅Pb含量稍低于背景值，Cu、Zn、Cd、Cr、As和Hg含量均高于背景值，其中Hg含量是背景值的6倍，As含量是背景值的5倍，說明重金屬具有一定的累積效應，Hg和As的累積效應最為明顯。

變異系數能反映重金屬受人為影響的程度，系數越大，表明元素受人為干擾就越強。監測區域各監測站位重金屬的空間變異系數總體較小（表7），介于0.13%～0.35%，說明研究區域重金屬的空間分布較為均勻。7種重金屬的變異系數均介于10%～100%，為中等變異程度，說明這些重金屬元素受到了一定程度人類活動的影響。

2.2 重金屬的污染特征

參照《海洋沉積物質量》（GB 18668—2002）中第一類標準進行單因子指數評價。結果顯示（表5），在調查的15個站位中，Pb、Cd和Hg的單因子指數均小于1，表明研究區域暫未受到Pb、Cd和Hg污染；其余4種重金屬均出現不同程度的污染，其中As和Cr污染最為嚴重，所有站位均超標。平均單因子指數從大到小依次是As＞Cr＞Cu＞Zn＞Hg＞Cd＞Pb，As、Cr和Cu的平均單因子指數均大于1，表明這3種重金屬的平均含量也超標，是影響研究區域沉積環境質量的重要因素。內梅羅指數分析（表6）結果表明，鎮海灣紅樹林中各沉積物采樣點均已受到嚴重污染（NI＞3），內梅羅指數變化范圍為3.28～5.59。

表5 沉積物中重金屬的單因子評價指數

表6 沉積物中重金屬的內梅羅污染指數

2.3 潛在生態危害評價

鎮海灣紅樹林表層沉積物中7種重金屬的單元素平均潛在生態危害系數的大小順序為：Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，其 中Hg的平均潛在生態風險系數為247.47，屬于高生態風險水平；其次是Cd和As，分別屬于較高生態風險水平和中生態風險水平；其余4種重金屬元素的平均潛在生態風險系數均小于40，屬于低生態風險水平，表明Hg、Cd和As可能是研究區域主要的潛在生態風險因子。與重金屬多年平均含量大小排序相比，除As外，潛在生態風險系數的排序基本呈逆序排列；與污染程度排序相比，雖然As、Cr和Cu是主要污染類別，但由于其較低的生態毒性，潛在生態風險相對較低；而Hg和Cd的毒性響應系數比較大，其毒性水平以及生物對其敏感程度較高，雖然其污染程度較低，但其潛在生態風險明顯大于其他重金屬。

多元素的綜合潛在風險指數值RI如表6所示，變化范圍為278.65～480.55，平均值為409.86。評價結果顯示，所有測站的沉積物均處于較高生態風險。其中，RI主要由Hg、Cd和As所貢獻，它們對RI的貢獻率分別為60.4%、21.3%、12.6%。Hg作為最主要的潛在生態風險因子，對海洋生態系統具有極高的潛在生態危害性。Hg的主要來源一般是陸源河流輸入和農業污染、碼頭活動等[12]，建議加強對 Hg 的風險防控。

3 討 論

3.1 不同海域沉積物重金屬含量的比較

由于目前缺乏有關鎮海灣沉積物重金屬方面的研究報道，為衡量其重金屬的含量水平，本文將其與周邊其他紅樹林區域沉積物中重金屬的含量進行比較（表7），鎮海灣除Hg外，其他重金屬含量與黃茅海相當。據彭鵬飛等[5]的研究，黃茅海表層沉積物整體處于重污染水平，受外源重金屬影響顯著。與徐聞南山鎮比較，鎮海灣除As外，其他重金屬含量與徐聞南山鎮的也較為接近。羅松英等[13]的研究表明，徐聞南山鎮沉積物有受到輕微人為活動的影響，說明了研究區域的重金屬可能受到明顯的人類活動污染。與湛江特呈島[14]和高橋[15]相比，鎮海灣的重金屬含量均顯著高于這兩個區域，這與湛江市經濟相對發展落后，區域內污染工業和企業分布較少有關。與珠江口全域[16]相比，研究區域的Cr和As含量約為珠江口全域的3倍，說明該區域沉積物富集Cr和As能力較強。與廣東省外的其他紅樹林區域相比，鎮海灣的重金屬含量高于海南東寨港[17]，其Cu、Zn、Cd和As含量與廣西欽州港[18]相當，Pb含量低于廣西欽州港，而Cr含量高于廣西欽州港。因此，在發展經濟的同時，該區域重金屬的污染需引起相關部門的注意，對上游污染源予以重點關注和加強監管，采取更高效環保的方式開展農業生產，以免沉積物質量進一步下降。

表7 鎮海灣與其他紅樹林沉積物中重金屬含量的比較（平均值：mg·kg-1，變異系數：%）

3.2 相關性分析

本文中采用皮爾森相關系數進行相關性分析。對各重金屬間進行相關性分析可以判別重金屬是否有相似的來源，反映不同元素間沉積環境的相似性和受人為影響程度的強弱，將重金屬與有機質和粒徑等影響因素間進行相關性分析可以說明影響重金屬含量的作用機理。表8列出了沉積物中重金屬含量與有機質、黏土的相關系數。重金屬元素之間除Cd和Zn呈顯著正相關（P＜0.05）以外，其余各元素之間均無顯著相關關系。表明Cd和Zn可能具有相同的來源及相似的遷移規律，其余各元素在地球化學行為方面的相似特征不明顯，來源存在差異。

表8 沉積物中重金屬含量與有機質、黏土的相關系數

有機質可以通過吸附、陽離子交換以及螯合反應與重金屬在其特殊點位上結合[19]，一般而言，有機碳的含量越高，所能提供的結合位點越多，能結合的金屬量越大。研究區域沉積物中重金屬除Pb和Cd含量與有機質呈正相關外，其余重金屬元素與有機質之間均呈負相關關系。其中，有機質與As含量呈極顯著負相關（P＜0.01）關系，與其他重金屬元素相關性不顯著，說明研究區域有機碳的積累不利于沉積物對As的吸附，而對其他重金屬沉積影響較小。除Pb和Cr外，大多重金屬含量與黏土成分的比例呈正相關，尤其是Zn和Hg含量與黏土呈顯著正相關（P＜0.05）。表明沉積物中Zn和Hg的積累主要是由于黏土顆粒的吸附作用，而黏土顆粒對Cu、Cd和As含量增加的影響不顯著，可能是因為在污染達到一定程度后，大顆粒沉積物也將累積大量重金屬，從而使不同粒徑對于重金屬吸附能力的差異表現得不明顯。

3.3 重金屬含量影響因素分析

重金屬在沉積物中的含量分布是多種因素綜合作用的結果，很難歸因于單一因素。一般而言，影響沉積物重金屬含量的因素主要有工業排污、農業生產、人類生活廢水、沉積物理化性質、社會經濟發展、自然環境因素、沉巖過程等。江門市目前的海洋資源利用和綜合開發水平較低，用海類型以開放式、粗放型海洋漁業為主，海洋經濟發展與陸域污染關系密切。那扶河及鎮海灣出海航道作為鎮海灣地區的重要航道，也是江門地區出海通道之一，連接珠三角東部地區、西部地區以及直達出海。那扶河途經江門市境內恩平市和臺山市，其流域的電子產業、紡織化纖、礦石工業加工等排放的廢水可能是該區域重金屬Cr、Zn和Cd的主要來源。

在研究區域沿岸兩側分布著大面積連片蝦塘和農田，以及漁柵、漁繒、蠔排等，據現場實地調研，研究區域水產養殖發達，存在有大面積的高位養殖池塘，且紅樹林區域外還有大量漁排養殖和網箱養殖，其中僅北陡鎮的海水產品和淡水產品總產量就高達3 229.55 t/a，以傳統農業和養殖業為主。農業生產中農藥、化肥的大量使用，以及居民生活污水的直接排放，加上航道交通運輸船舶的排污，是該區域重金屬尤其是As的主要污染來源。在調查站位附近可見養殖排污口，在養殖過程中，殘余餌料和魚蝦用藥所含重金屬，以及對蝦養殖和魚類糞便的直接排放造成了海域沉積物中重金屬As、Zn和Cu等含量增高。

根據同步測定的沉積物粒度，研究區域沉積物類型為粉砂和粘土質粉砂，且以粘土質粉砂為主，水動力較弱，沉積物粒徑較小，比表面積較大，易于吸附各類重金屬元素。根據相關性分析，該區域沉積物粒度對沉積物吸附Zn和Hg作用明顯，且隨著黏土成分比例的增大而增大，成為影響重金屬含量分布的因素之一。此外，紅樹林植物根系分泌和降解產生的有機酸可通過影響沉積環境進而影響沉積物對重金屬的吸附解析作用[20]，如pH、還原性等。

4 結 論

依據鎮海灣紅樹林生態系統沉積物中重金屬含量監測結果，綜合評價了沉積物質量現狀，并分析了沉積物重金屬污染的潛在生態危害及其可能的來源，評價和分析結果如下。

鎮海灣紅樹林表層沉積物中重金屬含量表現為Zn＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg，除Pb外均顯著高于環境背景值，其中Hg和As的平均含量為背景值的5～6倍，具有一定的累積效應。

鎮海灣紅樹林區域重金屬的單因子指數法和內梅羅指數法評價發現，內梅羅指數變化范圍為3.28～5.59，沉積物已受到嚴重污染，其中Cr和As污染最為嚴重，超標率為100%；Cu和Zn的超標率分別為66.7%和40.0%；Pb、Cd和Hg含量均符合一類沉積物質量標準。

鎮海灣紅樹林沉積物中重金屬為較高生態風險，RI變化范圍為278.65～480.55。單一重金屬 Hg、Cd和As 為主要潛在生態危害因子，潛在生態風險由高到低依次為Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn。

根據相關性分析，表層沉積物中Cd和Zn具有同源性；有機碳的積累不利于沉積物對As的吸附，其余各重金屬與有機質的相關性較低；Zn和Hg的積累主要是由于黏土顆粒的吸附作用。根據影響因素分析，研究區域表層沉積物中重金屬主要來自周邊河流陸源輸入和人類活動，如工業生產、農業施肥和海水養殖，細粒級組分也是影響重金屬含量分布的因素之一。