湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物重金屬時空分布特征及污染評價*

唐道斌 羅松英 李雅婷 蔡妙瑩 歐陽婉盈

(1.嶺南師范學院地理科學學院,廣東 湛江 524048;2.西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070;3.嶺南師范學院紅樹林研究院,廣東 湛江 524048;4.云南師范大學地理學部,云南 昆明 650500)

生長于亞熱帶和熱帶潮間帶的紅樹林在凈化海水、防風消浪、維持生物多樣性、固碳儲碳等方面發揮著重要作用[1-2]。紅樹林具有植物根系發達、沉積物有機質含量高和缺氧等特點,而位于河口區的紅樹林容易受到來自潮水和河流污染的雙重影響[3-4]。在我國人口密集的東南濱海地區,由于沿海城市的工業化和城市化進程快,紅樹林面臨的重金屬污染問題非常突出,尤其是城市河口區。自然資源部、國家林業和草原局于2020年印發了《紅樹林保護修復專項行動計劃(2020—2025)》,明確指出要加強紅樹林監測與評估,及時掌握紅樹林生態環境質量的動態變化。

湛江紅樹林國家級自然保護區(簡稱湛江紅樹林)是中國最大的紅樹林保護區,面積約20 278 hm2,也是我國首個“藍碳”碳匯交易項目示范地[5]。隨著湛江城市化發展,水產養殖、港口和碼頭建設、房地產開發等人類活動強度增強,湛江紅樹林遭受的環境壓力日益加劇。目前,學者們已對湛江紅樹林沉積物重金屬含量與形態特征、空間分布及污染現狀等開展了一些研究[6-8],[9]308;其中,湛江城市河口紅樹林沉積物中重金屬污染具有較大的潛在生態風險[10]162,[11]405。然而,目前關于湛江紅樹林沉積物重金屬污染的監測研究時長通常較短,缺少較長時間(全年)的監測研究。湛江城市河口紅樹林由于地處城區,受人類活動影響較大,其沉積物重金屬污染更需要加強監測與評估。湛江觀海長廊紅樹林面積約30 hm2[12],主要有人工種植的桐花樹(Aegicerascorniculatum)和白骨壤(Avicenniamarina)等[11]399,具有典型的城市河口紅樹林特征,又適合采樣,是理想的湛江城市河口紅樹林調查地點。

本研究在湛江觀海長廊紅樹林進行了為期1年的觀測,分季節采集紅樹林表層沉積物,測定沉積物重金屬含量并分析其時空分布特征,結合內梅羅污染指數進行污染評價,以期為湛江城市河口區紅樹林生態修復、污染防治以及打造“紅樹林之城”提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2018年7月(夏季)、2018年10月(秋季)、2019年1月(冬季)和2019年4月(春季)在湛江觀海長廊紅樹林采集表層(0～20 cm)沉積物樣品,2019年7月(夏季)也進行了采樣,旨在與2018年7月進行對比,驗證季節周期的重復性。沿觀海長廊布置了6個采樣站點(GHCL01～GHCL06，見圖1)。使用聚乙烯塑料管采集沉積物樣品,每個采樣站點在5 m×5 m范圍內取3個采樣點,每個采樣點用四分法取樣后混勻,取約1 kg沉積物作為樣品,5次采樣共采集了30份樣品。

將沉積物樣品中動植物殘體、礫石、塑料等雜物挑出,60 ℃烘干,研磨過100目尼龍篩后,As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn使用HCI-HNO3-HF-HClO(體積比為10∶5∶5∶3)進行消解后蒸至近干,用稀鹽酸(0.5 mol/L)溶解并定容至12.5 mL,其中Cr、Pb、Ni和Zn采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀(Varian Vista)測定,Cd、Cu和As采用電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 7700x)測定;Hg使用王水進行消解后,用去離子水定容至10 mL,然后采用電感耦合等離子體質譜儀進行測定。用國際土壤標準物質(GLG908-4、MRGeo08、OREAS 45d、OGGeo08和OREAS 45e)進行質量控制,回收率高于90%。同時,設定了20%平行樣,相對標準偏差小于10%。空白樣低于檢出限。

圖1 研究區域和采樣站點分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 評價方法

內梅羅污染指數既考慮單個污染指標對環境的影響程度,又兼顧多個污染指標平均水平和最大水平[13],單因子污染指數和綜合污染指數的計算公式分別見式(1)和式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數;Ci為重金屬i的實測質量濃度,mg/kg;Si為重金屬i的參比質量濃度,mg/kg,本研究使用廣東省雷州半島磚紅壤重金屬環境背景值[14];P綜為重金屬的綜合污染指數;Pi,Max為各重金屬的單因子污染指數最大值;Pi,Ave為各重金屬的單因子污染指數平均值。

考慮到不同重金屬的污染影響不同,本研究采用加權法計算Pi,Ave,其計算公式如下：

(3)

式中：wi為重金屬i的權重,本研究Hg、Pb、Cd、As取3,Cr、Cu、Ni、Zn取2[15]。

單因子污染指數的分級：Pi≤1為無污染,15為重度污染。綜合污染指數的分級：P綜≤0.7為安全,0.73.0為重度污染。

表1 紅樹林表層沉積物重金屬質量濃度Table 1 Heavy metals mass concentrations in mangrove surface sediment

2 結果與討論

2.1 表層沉積物重金屬含量特征

湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中8種重金屬質量濃度如表1所示。Hg、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni和As的平均值分別為0.19、17.4、70.47、0.27、23.37、13.9、8.7、19.7 mg/kg。8種重金屬的變異系數為28.62%～90.93%,Pb和As可認為是中等變異程度(15%～36%),其他重金屬達到高變異程度(>36%)[16],其中Cd、Hg的變異系數最大,這兩種重金屬很可能受人為干擾的影響。與GB 18668—2002第一類標準對比發現,有標準限值的重金屬平均值均沒有超標,但除Pb和Ni外,其余6種重金屬平均值都超過了區域背景值。

2.2 表層沉積物重金屬時空分布特征

由圖2可知,GHCL01～GHCL03的8種重金屬濃度呈下降趨勢。這可能與河口排污的距離有關,加上這里的紅樹林分布密集,使得發達的植物根系對污染物有較強的攔截作用,造成GHCL01和GHCL02沉積物中重金屬含量較高,GHCL01和GHCL02的重金屬來源可以初步判斷為城市污水及第三產業活動[17]。GHCL04由于又受到暗渠的影響,與GHCL03的重金屬濃度差異不大,GHCL05、GHCL06在菉塘河北側,在地形上受觀景圓臺阻隔,加上潮流在觀海長廊沿岸以往南為主,而且這里的紅樹林植被比較稀疏,污染物截留能力較弱,因此GHCL05、GHCL06的重金屬濃度也較低。

圖2 紅樹林表層沉積重金屬的空間差異Fig.2 Spatial variation of heavy metals in mangrove surface sediment

圖3表明,8種重金屬在夏季、秋季、冬季、春季大體呈現高、低、高、低的變化規律,呈現出明顯的季節變化特征。冬季湛江降水明顯偏少,與雨季相比,沉積物中重金屬含量較高[18]。另外,分析2018年7月(夏季)與2019年7月(夏季)的重金屬含量發現,具有較高的重復性,說明季節的周期性變化規律比較可靠。夏季的重金屬含量高主要可能與排污有關。與莫瑩等[10]160的2015年重金屬平均含量進行對比發現,湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中大部分重金屬都有所下降。這可能與相關部門在2018—2019年加強了菉塘河黑臭水體大規模整治有關。

圖3 紅樹林表層沉積物重金屬的時間變化Fig.3 Time variation of heavy metals in mangrove surface sediment

2.3 內梅羅污染指數評價結果

單因子污染指數評價結果見表2。從各重金屬的單因子污染指數平均值來看,Cr、Ni和Pb為無污染,As和Cu為輕度污染,Zn為中度污染,Cd和Hg為重度污染。湛江觀海長廊位于市中心,緊靠交通主干線,車流量大,而且附近有碼頭,船只來往繁忙。相關研究表明,汽車、船舶等的尾氣排放進入大氣后通過沉降作用易造成土壤Cd和Hg污染[9]313,[19-20]。具體而言,As的Pi為1.69～4.74,全部都有輕微污染至中度污染;Cr、Ni和Pb的Pi分別為0.17～1.63、0.26～1.96、0.34～1.55,只有少量輕微污染,分別占10.0%、20.0%、30.0%;Cu的Pi為0.34～3.37,存在輕微污染至中度污染,占比達到86.7%;Zn的Pi為0.86～5.90,輕微污染至重度污染都有,占比達到93.3%;Cd和Hg的Pi分別為1.12～9.03、2.20～40.67,污染較為嚴重,僅重度污染占比分別達到了60.0%、66.7%。

表2 單因子污染指數評價結果Table 2 Evaluation results of single factor pollution index

綜合污染指數評價結果見圖4。綜合污染指數的時間變化也表現出夏季、秋季、冬季、春季大體呈高、低、高、低的變化規律,表明夏季和冬季重金屬污染更為嚴重;空間差異上GHCL01～GHCL03總體呈下降趨勢,GHCL04～GHCL06基本持平,也與重金屬含量的空間差異一致。其中,大部分采樣站點在不同季節的綜合污染指數都超過了3.0,達到了重度污染,GHCL01、GHCL02的綜合污染指數最大值更是分別達到了29.46、20.88。由此可見,湛江觀海長廊表層沉積物的重金屬污染問題在夏季和冬季較為突出,尤其是菉塘河南側離河口排污較近的GHCL01和GHCL02。

圖4 綜合污染指數評價結果Fig.4 Evaluation results of comprehensive pollution index

3 結 論

(1) 湛江觀海長廊紅樹林表層沉積物中8種重金屬(As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn和Hg)與GB 18668—2002第一類標準相比,有標準限值的重金屬平均值均沒有超標,但除Pb和Ni,其余6種重金屬平均值都超過了廣東省雷州半島磚紅壤重金屬環境背景值。

(2) 湛江觀海長廊紅樹林表層沉積中8種重金屬的污染存在明顯的時空分布規律。從時間變化看,8種重金屬在夏季和冬季污染較為突出;從空間分布看,位于菉塘河河口排污南側的GHCL01和GHCL02的重金屬污染較為嚴重。Cd和Hg的變異系數大,內梅羅污染指數評價發現多為重度污染。