湛江观海长廊红树林表层沉积物重金属时空分布特征及污染评价*

唐道斌 罗松英 李雅婷 蔡妙莹 欧阳婉盈

(1.岭南师范学院地理科学学院,广东 湛江 524048;2.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070;3.岭南师范学院红树林研究院,广东 湛江 524048;4.云南师范大学地理学部,云南 昆明 650500)

生长于亚热带和热带潮间带的红树林在净化海水、防风消浪、维持生物多样性、固碳储碳等方面发挥着重要作用[1-2]。红树林具有植物根系发达、沉积物有机质含量高和缺氧等特点,而位于河口区的红树林容易受到来自潮水和河流污染的双重影响[3-4]。在我国人口密集的东南滨海地区,由于沿海城市的工业化和城市化进程快,红树林面临的重金属污染问题非常突出,尤其是城市河口区。自然资源部、国家林业和草原局于2020年印发了《红树林保护修复专项行动计划(2020—2025)》,明确指出要加强红树林监测与评估,及时掌握红树林生态环境质量的动态变化。

湛江红树林国家级自然保护区(简称湛江红树林)是中国最大的红树林保护区,面积约20 278 hm2,也是我国首个“蓝碳”碳汇交易项目示范地[5]。随着湛江城市化发展,水产养殖、港口和码头建设、房地产开发等人类活动强度增强,湛江红树林遭受的环境压力日益加剧。目前,学者们已对湛江红树林沉积物重金属含量与形态特征、空间分布及污染现状等开展了一些研究[6-8],[9]308;其中,湛江城市河口红树林沉积物中重金属污染具有较大的潜在生态风险[10]162,[11]405。然而,目前关于湛江红树林沉积物重金属污染的监测研究时长通常较短,缺少较长时间(全年)的监测研究。湛江城市河口红树林由于地处城区,受人类活动影响较大,其沉积物重金属污染更需要加强监测与评估。湛江观海长廊红树林面积约30 hm2[12],主要有人工种植的桐花树(Aegicerascorniculatum)和白骨壤(Avicenniamarina)等[11]399,具有典型的城市河口红树林特征,又适合采样,是理想的湛江城市河口红树林调查地点。

本研究在湛江观海长廊红树林进行了为期1年的观测,分季节采集红树林表层沉积物,测定沉积物重金属含量并分析其时空分布特征,结合内梅罗污染指数进行污染评价,以期为湛江城市河口区红树林生态修复、污染防治以及打造“红树林之城”提供参考。

1.1 样品采集与分析

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)在湛江观海长廊红树林采集表层(0～20 cm)沉积物样品,2019年7月(夏季)也进行了采样,旨在与2018年7月进行对比,验证季节周期的重复性。沿观海长廊布置了6个采样站点(GHCL01～GHCL06，见图1)。使用聚乙烯塑料管采集沉积物样品,每个采样站点在5 m×5 m范围内取3个采样点,每个采样点用四分法取样后混匀,取约1 kg沉积物作为样品,5次采样共采集了30份样品。

将沉积物样品中动植物残体、砾石、塑料等杂物挑出,60 ℃烘干,研磨过100目尼龙筛后,As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb和Zn使用HCI-HNO3-HF-HClO(体积比为10∶5∶5∶3)进行消解后蒸至近干,用稀盐酸(0.5 mol/L)溶解并定容至12.5 mL,其中Cr、Pb、Ni和Zn采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Varian Vista)测定,Cd、Cu和As采用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700x)测定;Hg使用王水进行消解后,用去离子水定容至10 mL,然后采用电感耦合等离子体质谱仪进行测定。用国际土壤标准物质(GLG908-4、MRGeo08、OREAS 45d、OGGeo08和OREAS 45e)进行质量控制,回收率高于90%。同时,设定了20%平行样,相对标准偏差小于10%。空白样低于检出限。

图1 研究区域和采样站点分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 评价方法

内梅罗污染指数既考虑单个污染指标对环境的影响程度,又兼顾多个污染指标平均水平和最大水平[13],单因子污染指数和综合污染指数的计算公式分别见式(1)和式(2)。

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi为重金属i的单因子污染指数;Ci为重金属i的实测质量浓度,mg/kg;Si为重金属i的参比质量浓度,mg/kg,本研究使用广东省雷州半岛砖红壤重金属环境背景值[14];P综为重金属的综合污染指数;Pi,Max为各重金属的单因子污染指数最大值;Pi,Ave为各重金属的单因子污染指数平均值。

考虑到不同重金属的污染影响不同,本研究采用加权法计算Pi,Ave,其计算公式如下：

(3)

式中：wi为重金属i的权重,本研究Hg、Pb、Cd、As取3,Cr、Cu、Ni、Zn取2[15]。

单因子污染指数的分级：Pi≤1为无污染,15为重度污染。综合污染指数的分级：P综≤0.7为安全,0.73.0为重度污染。

表1 红树林表层沉积物重金属质量浓度Table 1 Heavy metals mass concentrations in mangrove surface sediment

2.1 表层沉积物重金属含量特征

湛江观海长廊红树林表层沉积物中8种重金属质量浓度如表1所示。Hg、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Ni和As的平均值分别为0.19、17.4、70.47、0.27、23.37、13.9、8.7、19.7 mg/kg。8种重金属的变异系数为28.62%～90.93%,Pb和As可认为是中等变异程度(15%～36%),其他重金属达到高变异程度(>36%)[16],其中Cd、Hg的变异系数最大,这两种重金属很可能受人为干扰的影响。与GB 18668—2002第一类标准对比发现,有标准限值的重金属平均值均没有超标,但除Pb和Ni外,其余6种重金属平均值都超过了区域背景值。

2.2 表层沉积物重金属时空分布特征

由图2可知,GHCL01～GHCL03的8种重金属浓度呈下降趋势。这可能与河口排污的距离有关,加上这里的红树林分布密集,使得发达的植物根系对污染物有较强的拦截作用,造成GHCL01和GHCL02沉积物中重金属含量较高,GHCL01和GHCL02的重金属来源可以初步判断为城市污水及第三产业活动[17]。GHCL04由于又受到暗渠的影响,与GHCL03的重金属浓度差异不大,GHCL05、GHCL06在菉塘河北侧,在地形上受观景圆台阻隔,加上潮流在观海长廊沿岸以往南为主,而且这里的红树林植被比较稀疏,污染物截留能力较弱,因此GHCL05、GHCL06的重金属浓度也较低。

图2 红树林表层沉积重金属的空间差异Fig.2 Spatial variation of heavy metals in mangrove surface sediment

图3表明,8种重金属在夏季、秋季、冬季、春季大体呈现高、低、高、低的变化规律,呈现出明显的季节变化特征。冬季湛江降水明显偏少,与雨季相比,沉积物中重金属含量较高[18]。另外,分析2018年7月(夏季)与2019年7月(夏季)的重金属含量发现,具有较高的重复性,说明季节的周期性变化规律比较可靠。夏季的重金属含量高主要可能与排污有关。与莫莹等[10]160的2015年重金属平均含量进行对比发现,湛江观海长廊红树林表层沉积物中大部分重金属都有所下降。这可能与相关部门在2018—2019年加强了菉塘河黑臭水体大规模整治有关。

图3 红树林表层沉积物重金属的时间变化Fig.3 Time variation of heavy metals in mangrove surface sediment

2.3 内梅罗污染指数评价结果

单因子污染指数评价结果见表2。从各重金属的单因子污染指数平均值来看,Cr、Ni和Pb为无污染,As和Cu为轻度污染,Zn为中度污染,Cd和Hg为重度污染。湛江观海长廊位于市中心,紧靠交通主干线,车流量大,而且附近有码头,船只来往繁忙。相关研究表明,汽车、船舶等的尾气排放进入大气后通过沉降作用易造成土壤Cd和Hg污染[9]313,[19-20]。具体而言,As的Pi为1.69～4.74,全部都有轻微污染至中度污染;Cr、Ni和Pb的Pi分别为0.17～1.63、0.26～1.96、0.34～1.55,只有少量轻微污染,分别占10.0%、20.0%、30.0%;Cu的Pi为0.34～3.37,存在轻微污染至中度污染,占比达到86.7%;Zn的Pi为0.86～5.90,轻微污染至重度污染都有,占比达到93.3%;Cd和Hg的Pi分别为1.12～9.03、2.20～40.67,污染较为严重,仅重度污染占比分别达到了60.0%、66.7%。

表2 单因子污染指数评价结果Table 2 Evaluation results of single factor pollution index

综合污染指数评价结果见图4。综合污染指数的时间变化也表现出夏季、秋季、冬季、春季大体呈高、低、高、低的变化规律,表明夏季和冬季重金属污染更为严重;空间差异上GHCL01～GHCL03总体呈下降趋势,GHCL04～GHCL06基本持平,也与重金属含量的空间差异一致。其中,大部分采样站点在不同季节的综合污染指数都超过了3.0,达到了重度污染,GHCL01、GHCL02的综合污染指数最大值更是分别达到了29.46、20.88。由此可见,湛江观海长廊表层沉积物的重金属污染问题在夏季和冬季较为突出,尤其是菉塘河南侧离河口排污较近的GHCL01和GHCL02。

图4 综合污染指数评价结果Fig.4 Evaluation results of comprehensive pollution index

(1) 湛江观海长廊红树林表层沉积物中8种重金属(As、Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn和Hg)与GB 18668—2002第一类标准相比,有标准限值的重金属平均值均没有超标,但除Pb和Ni,其余6种重金属平均值都超过了广东省雷州半岛砖红壤重金属环境背景值。

(2) 湛江观海长廊红树林表层沉积中8种重金属的污染存在明显的时空分布规律。从时间变化看,8种重金属在夏季和冬季污染较为突出;从空间分布看,位于菉塘河河口排污南侧的GHCL01和GHCL02的重金属污染较为严重。Cd和Hg的变异系数大,内梅罗污染指数评价发现多为重度污染。