東臺條子泥候鳥棲息地與毗鄰潮間帶表層沉積物重金屬含量及其生態風險評價

蔡楨杰,李 果,曠澤行,王壽兵

(復旦大學環境科學與工程系,上海 200433)

濱海濕地作為生態系統中最重要的組成部分之一,存在于陸地與海洋生態系統的過渡交錯區域,具有多種生態服務功能,諸如碳匯、凈化污染物、改善近岸海域水質、保護生物多樣性與遷徙候鳥、防范海洋災害和調節氣候等,為沿海地區發展帶來了顯著的環境和經濟效益[1-5]。然而,在陸地、海洋和人類的多重影響下,近岸海域往往成為了海洋區域中污染最嚴重的部分,濱海濕地也成為了重金屬等各類污染物的源和匯,其中,潮間帶在十分復雜的水文和物理化學條件下極易造成重金屬的二次生態污染[6-7]。重金屬存在于各種環境介質中,具有隱蔽性高,持續時間長,難以被生物降解且不易修復等特性[8-9]。重金屬元素通過各種物理、化學和生物過程進入潮間帶沉積物,有的在海浪潮汐作用下又被釋放到海洋中,從而影響海洋生物、海洋生態系統和水質安全[10-11],并在食物鏈的富集作用下,進一步影響到人體健康[12]。

東臺市位于江蘇省鹽城市南端,海岸線長85 km,近海與濱海濕地面積2 116.7 km2,并且每年以150 m的速度向海擴張成陸,每年新增的陸地造成了生態環境資源的改變[13-15]。位于東臺市的條子泥濱海濕地是中國第一塊,世界第二塊濱海濕地型世界自然遺產地的重要組成部分,也是東亞—澳大利亞遷飛區關鍵候鳥棲息地,被國際上稱為“太平洋西岸唯一未被污染的濱海濕地”。為更好地保護候鳥,2020年,東臺沿海經濟區管委會在條子泥觀潮區大堤內側租賃了一塊約720畝(約48 hm2)的養殖池塘,經過“退漁還濕 ”等方式的生態改造后作為高潮期的候鳥棲息地。目前,該棲息地保護區建設已取得重大成功。在聯合國《生物多樣性公約》締約方大會第十五次會議(CBD COP15)非政府組織論壇上發布的“生物多樣性100+案例”中,鹽城“以恢復鳥類棲息地為目標的自然解決方案”入選全球特別推薦案例,其中“條子泥‘720’候鳥棲息地”是該方案的重點。

目前,雖然國內已開展很多對中國近海、海灣和濱海濕地沉積物重金屬污染以及生態風險的評價研究[16-20],但對濱海濕地型世界自然遺產地,尤其是新建的專門供候鳥在潮水處于高潮位時臨時棲息的人工濕地沉積物中重金屬生態風險的定量評價研究還未見報道。與普通濱海濕地相比,高潮位棲息地在候鳥遷徙途中具有不可替代的重要作用。候鳥是濕地重金屬污染的重要生物指示物,其生命活動也是濕地重金屬的主要來源之一[21-22],對棲息地沉積物中重金屬含量及其生態污染評價刻不容緩。本研究對候鳥棲息地及其毗鄰的堤外潮間帶表層沉積物中重金屬含量特征進行了比較研究,旨在初步探明該候鳥棲息地的環境質量和生態風險,為未來制定和實施更為有效的生態保護和監測工作提供基礎資料和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

江蘇省東臺市的條子泥濱海灘涂濕地,東臨黃海,屬于北亞熱帶和暖溫帶過渡區,具有海洋季風型氣候特征,年均降水量900～1 068 mm,年平均氣溫13.5～14.6 ℃,土壤為堿性淤積中壤質濱海鹽土[23]。條子泥位于呈輻射狀的水下沙脊群和江蘇海岸中部交匯處,是江蘇海岸中部最大的近岸灘涂濕地。潮流和泥沙的輸運過程分別塑造了沙脊群地形地貌和灘涂濕地[24]。候鳥棲息地略呈長方形,長約600 m,寬約800 m,總面積約48 hm2。其采樣站位分別位于堤內候鳥棲息地和堤外潮間帶,具體位置如圖1所示。

圖1 研究區位置和采樣站位分布Fig. 1 Location of the research area and distribution of sampling sites

1.2 樣品采集

2021年7月,利用表層底泥取樣器,在候鳥棲息地和堤外區分別采集表層沉積物樣品。其中候鳥棲息地由于環境條件原因導致采樣困難,采用了梅花布點法設置了5個采樣站位(圖1),堤外區采樣站位設計成近直線斷面,共4個采樣站位,間距為110 m。樣品的采集、貯存和運輸參照《海洋監測規范》[25]的相關要求。按 “三點法”在每個采樣站位相互間隔1 m采集表層0～5 cm沉積物樣品,并將每站采集的3個樣品混合均勻后,取500 g樣品裝入聚乙烯密封袋室溫保存,用于實驗室重金屬含量測定。

1.3 樣品分析方法

沉積物樣品帶回實驗室后,經90 ℃烘干至恒重,按四分法收集,研磨后通過160目(孔徑0.098 mm)的尼龍篩,將過篩后的樣品裝入自封袋中保存備用。取0.1 g樣品放入石墨消解管中備用,加6 mL硝酸(ρ=1.42 g/mL)、2 mL氫氟酸(ρ=1.49 g/mL)和2 mL鹽酸(ρ=1.19 g/mL)于微波消解儀按照標準程序進行消解。消解冷卻后,放入趕酸儀,再加入1 mL高氯酸趕酸至黃豆粒大小,用超純水定容至10 mL。處理后的樣品用于重金屬元素含量的測定。其中Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量采用賽默飛iCAP PRO系列電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定[26];Hg含量采用北京海光儀器有限公司生產的原子熒光光度計進行測定[27]。為確保分析精度,各元素都采用了4次重復分析和1次土壤標樣(Li、Sc、Ge、Y、In、Tb和Bi)分析,實驗的分析相對誤差均低于20%,回收率均在85%～115%之間。

1.4 評價方法

1.4.1 地累積指數法

地累積指數(geoaccumulation index,Igeo)法是Müller 在1969年提出的一種評價沉積物重金屬污染的方法,常用于沉積物重金屬污染定量分析[28]。計算公式[28]如下:

(1)

表1 地質累積指數與重金屬污染分級Tab.1 Geoaccumulation indexes and levels of heavy metal pollution

1.4.2 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數(potential ecological risk index,RI)法是Hakanson于1980年提出的,從生物的毒性角度反映沉積物中重金屬元素對生態污染的影響[30]。在某特定環境條件下,該方法既可以反映單個重金屬元素的潛在生態風險程度,也可以反映數種重金屬元素對區域的綜合生態風險程度。相關的參數計算公式如下[30]:

(2)

(3)

(4)

表2 沉積物重金屬潛在生態風險程度等級Tab. 2 Potential risk levels of heavy metals in sediments

表3 各重金屬元素的毒性響應系數Tab. 3 Toxicity response coefficient of each heavy metal element

2 結果與分析

2.1 重金屬含量特征統計及變異系數

沉積物重金屬含量特征統計如表4所示, 候鳥棲息地所在區域沉積物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分別為0.02、0.08、58.54、9.63、8.76、8.69、17.45、44.44 mg/kg,堤外區沉積物中上述重金屬的平均含量分別為0.01、0.04、50.43、5.94、7.46、4.60、15.16、37.20 mg/kg,均未超過國家一類海洋沉積物質量標準[32]。其中候鳥棲息地沉積物中As平均含量略高于背景值,其他元素平均含量均低于背景值,基本保持了自然狀態。與堤外區相比,候鳥棲息地沉積物重金屬平均含量均高于堤外區,相較于堤外區Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量分別高出了100.0%、100.0%、16.1%、62.1%、17.4%、88.9%、15.1%和19.5%,堤內外重金屬含量具有顯著的差異性(P<0.05)。

表4 兩個研究區表層沉積物中重金屬含量特征統計Tab. 4 Characteristics of heavy metal contents in surface sediments of two areas investigated

變異系數(coefficient of variation,CV)表示變量的變異程度或離散趨勢,反映數據的波動狀況[32],并且較高的變異系數可以反映人類活動的影響。根據變異系數的大小可以將變異程度分為三類,0.00%≤CV<15.00%屬于小變異,15.00%≤CV<35.00%屬于中等變異,CV≥35.00%屬于高度變異。候鳥棲息地所研究區域沉積物中,Hg的變異系數為25.19%,屬于中等變異;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的變異系數相對較小,分別為1.93%、7.36%、11.93%、7.77%、13.23%、5.91%和5.89%,屬于小變異。堤外區所研究區域沉積物中,Hg的變異系數為28.62%,屬于中等變異;Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的變異系數相對較小,分別為0.25%、1.31%、10.31%、2.38%、13.36%、2.19%和3.06%,屬于小變異。

2.2 重金屬環境質量評價

2.2.1 地累積指數評價

兩個區域各采樣站位地累積指數均值計算結果如表5所示。整體來看,兩個區域各采樣站位8種重金屬的Igeo值均小于0,說明各站位表層沉積物均處于清潔水平,無明顯重金屬累積風險。所研究區域中各重金屬Igeo平均值由大到小的排序,候鳥棲息地為:As>Cd>Hg>Cr>Zn>Ni>Pb>Cu,堤外區域為:Cr>As>Zn>Ni>Cd>Pb>Hg>Cu,可見兩個區域的重金屬累積情況有顯著差異。

表5 兩個區域表層沉積物重金屬地累積指數均值Tab. 5 Mean geoaccumulation indexes of heavy metals in surface sediments of the two areas investigated

2.2.2 潛在生態風險指數評價

表6 兩個區域表層沉積物重金屬的單項潛在生態風險指數均值和綜合潛在生態風險指數均值Tab. 6 Mean values of single potential ecological risk indexes and comprehensive potential ecological risk indexes of heavy metals in surface sediments of two areas investigated

圖2 各站位表層沉積物重金屬潛在生態風險指數分布Fig. 2 Potential ecological risk indexes of heavy metals in surface sediments from each sampling site

3 討論

3.1 重金屬含量特征和環境質量評價分析

候鳥棲息地和堤外區所研究區域表層沉積物中Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn的平均含量均未超過國家海洋沉積物質量第一類標準值。其中候鳥棲息地所在區域沉積物中As平均含量略高于背景值,其他元素平均含量均低于背景值 ,基本保持了自然狀態,說明研究區域Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn可能主要受到地質背景的影響,巖體在表生作用下風化,在海域水體中發生沉積,而受人為因素的影響較小。

各采樣點的潛在生態風險分布規律為,候鳥棲息地:S1>S4>S5>S2>S3,堤外區域:Y1>Y2>Y3>Y4。候鳥棲息地采樣點S2和S3距離入水管道較近(圖1),經過入水的沖刷作用容易導致重金屬含量的稀釋,而采樣站位S1和S4距離入水管道較遠,水動力條件差,重金屬不易遷移擴散,容易造成重金屬的富集。毗鄰的堤外潮間帶在漲落潮的作用下,泥沙經過輸移和沉降等過程,增強懸浮泥沙中重金屬向水體的釋放,從而減小表層沉積物中重金屬的富集,這也可能是導致堤外區研究區域相較于候鳥棲息地研究區域表層沉積物重金屬生態風險更低的因素之一[39]。此外,由于距離陸地越遠越容易受到潮水沖刷的影響,可增強潮間帶沉積物中重金屬的稀釋,而受水流量影響相對較低的區域重金屬顆粒的稀釋作用相對減弱[40],這也可能是造成堤外區潛在生態風險由陸向海呈逐漸減小趨勢的因素之一。

3.2 研究區潛在生態風險評價結果比較及與我國其他濱海濕地對比

比較本研究的兩個區域的沉積物重金屬潛在生態風險大小: 候鳥棲息地>堤外區,兩個區域潛在生態風險指數顯著差異,其差異可能與候鳥棲息地建設前的水產養殖活動、候鳥棲息活動、周邊農業活動和水動力條件有關。候鳥棲息地是水產養殖池塘經過“退漁還濕”生態改造后的人工濕地,改造前的水產養殖活動可能會帶來一定的污染。在水產養殖活動中,飼料殘留物質、多余的營養物質以及魚體的代謝廢物等會在沉積物中積累,沉積物中大量有機物和微生物能夠使重金屬離子發生穩定化作用并富集[42]。同時,沉積物中還含有一些硫化物和其他可以與重金屬形成穩定性較高的配合物,也有助于重金屬離子的穩定化[43]。候鳥在候鳥棲息地中生命活動較為活躍也可能使重金屬的生態風險變大,候鳥產生的排泄物以及體表沾染等可能會使重金屬進入濕地沉積物,并產生一定的生態隱患[44-45]。堤內候鳥棲息地周邊的農業活動也可能是影響該區域重金屬潛在生態風險的因素之一,農業活動中使用的化肥和農藥等化學物質含有一定重金屬,其通過徑流進入棲息地中從而增加沉積物重金屬的含量[46]。此外,候鳥棲息地處于堤內的半封閉狀態,雖然會定期通過排放水進行濕地生態保護,但因水動力條件較差,沉積物中的重金屬易被重新懸浮和輸運,導致了重金屬釋放到表層沉積物中造成富集[47]。

為進一步分析東臺條子泥濕地重金屬污染水平,本研究收集整理了部分我國其他天然濱海濕地的重金屬含量,包括黃河三角洲濱海灘涂濕地、遼東灣北部濱海濕地、鹽城濱海濕地、天津臨港濱海濕地和長江口鹽沼濕地,比較了不同地區濕地表層沉積物中重金屬主要生態風險指數及污染風險(表7)[48-52]。遼東灣、天津臨港和長江口沿岸地區作為發展已久的重工業和化工業基地,工業水平較高,所屬區域濕地受到了相對較高的重金屬污染。與之相比,東臺條子泥濕地沉積物中各重金屬的含量更低,潛在生態風險指數相對較低。這應該與東臺條子泥地區工業化和城鎮化水平較低,尤其是與當地產業結構中無產生重金屬排放的產業有關。

表7 研究區與其他濱海天然濕地中重金屬特征對比Tab. 7 Comparison of heavy metals between the areas investigated and other coastal natural wetlands

候鳥棲息地作為人工濕地,和堤外天然濕地所研究區域沉積物的重金屬含量均處于較低水平,比部分我國其他天然濕地的重金屬生態風險更低,其為鳥類提供了低生態風險的重要生境。此外,候鳥棲息地由水產養殖池塘改造而成,水產養殖池塘也是人工濕地的主要類型之一。雖然人工濕地并不能完全取代天然濕地作為水鳥棲息地,但是通過針對性管理將海堤內鄰近的水產養殖池塘等人工濕地改造為適合水鳥棲息的臨時生境,這對未來制定合理可行的鳥類保護方案和加強科學管理工作具有重要參考價值。

4 結論

本研究對東臺條子泥“720”高潮位候鳥棲息地和毗鄰的堤外潮間帶表層沉積物中重金屬含量特征和生態風險進行了比較研究,主要結論如下:

(1)兩個區域表層沉積物中重金屬Hg、Cd、Cr、As、Pb、Cu、Ni和Zn含量均符合國家海洋沉積物質量一類標準。各采樣點的各重金屬含量均處于清潔水平,無明顯重金屬累積風險現象,單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數均處于低生態風險等級。

(2) 利用養殖池塘改造而成的候鳥棲息地表層沉積物重金屬含量和潛在生態風險顯著高于堤外潮間帶表層沉積物的。兩個區域差異可能與候鳥棲息地建設前的水產養殖活動、候鳥棲息活動、周邊農業活動和水動力條件有關,指示人類活動是兩個區域重金屬含量差異的主要原因。

(3)通過研究區與其他濱海自然濕地中重金屬特征對比研究發現,本研究區域中的主要生態風險因子是Hg和Cd,其生態風險較高的主要因素是候鳥棲息活動、地球化學過程和人類活動。