鹽城濱海灘涂表層沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險評價

王俊杰，黃陽，黃雪，3，左平，趙善道，鄒欣慶

（1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210093；2.南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京 210093；3.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875）

江蘇鹽城國家級珍禽自然保護區(qū)又稱鹽城生物圈保護區(qū)（簡稱鹽城保護區(qū)），是中國最大的濱海濕地自然保護區(qū)，位于江蘇中部沿海，自北向南依次地跨響水、濱海、射陽、大豐、東臺五縣市的沿海灘涂，其地理范圍是32°20′N-34°37′N，119°29′E-121°16′E（李楊帆 等，2004）。其核心區(qū)是我國目前保留最完好的原生鹽沼濕地之一，自陸向海規(guī)律地分布有蘆葦灘、鹽蒿灘、互花米草灘、光灘（歐維新 等，2006；趙雪琴等，2010a；趙雪琴等，2010b）。但海岸帶生態(tài)系統(tǒng)作為開放的生態(tài)系統(tǒng)，由于各類經(jīng)濟活動強度的增大，導(dǎo)致其產(chǎn)生的各種工農(nóng)業(yè)污染物隨廢水排海、大氣顆粒沉降、地表徑流和降雨進入近岸水體，并不可避免地隨近岸河流流入核心區(qū)（Frey et al，1978；王俊杰 等，2013；左平等，2010；黃向青等，2006；邱虎等，2010）。而重金屬污染在土壤中移動性差，滯留時間長，不能被微生物降解（高園園等，2013），具有一定的毒性，通過食物鏈積累富集進入魚類、鳥類體內(nèi)，從而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的健康（王俊杰等，2013；左平等，2010）。因此，本文基于鹽城自然保護區(qū)核心區(qū)外光灘的表層沉積物中的重金屬含量及其分布特征進行分析，旨在為濱海保護區(qū)的開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣布置

本研究于2011年9月23-25日自江蘇鹽城自然保護區(qū)核心區(qū)外圍光灘采集表層沉積物樣品，研究區(qū)域及采樣點位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域及采樣點位置分布圖

從新洋港入海口的光灘地區(qū)，自東南向西北整體沿平行于海岸線方向近似等間距取表層沉積物樣品25 個。其中樣品GT01-GT13 呈折線分布，折向為東北—西南，走向為由東南到西北；GT14-GT25依次按東南至西北的方向呈直線分布。由此將采樣的光灘區(qū)域分成5 個區(qū)段，前4 個區(qū)段均在折線范圍內(nèi)：GT01-GT04 位于由西南到東北，即由陸向海采樣區(qū)的第1 段；第2 段是東北到西南方向的，即由海向陸的包括GT05-GT07 3 個樣點；第3 段包含GT08-GT10，方向由西南到東北，即由陸向海的；GT11-GT13 位于第4 段，方向與第3 段相反。第5 段是平行于岸線的直線部分的GT14-GT25?，F(xiàn)場用塑料自封袋密封，冷藏，帶回實驗室。樣品分3 份，1 份用于粒度分析，1 份用于Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6 種重金屬分析，剩余一份用作實驗室備份。

1.2 樣品處理

粒度測定：將25 個粒度實驗樣品稱重，過16目篩，將篩出的≥1 mm 的顆粒稱重，計算所占樣品含量比例。過篩后的樣品預(yù)處理后使用Malvern Master Size 2000 型激光粒度儀進行粒度分析。該儀器的測量范圍為0.02 ～ 2 000 μm，粒級分辨率為0.01Φ，重復(fù)測量的相對誤差<3%。使用矩法計算沉積物粒度參數(shù)（McManus，1988）。所有的樣品分析均在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室完成。

重金屬測定：樣品放入冰箱中冷凍，然后利用ALPHA-1-4 型凍干機低溫凍干，用瑪瑙研缽研磨后過孔徑100 μm 的尼龍篩。采用國標(biāo)濕消化法消解泥樣，用國家標(biāo)準物質(zhì)進行質(zhì)量控制以確保數(shù)據(jù)可靠性。用ICP-MS 元素分析儀測定樣品Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni 共6 個指標(biāo)（相對誤差＜5%，回收率在95%～125%之間）。樣品分析在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所國家重點實驗室完成。

1.3 數(shù)據(jù)分析

克里格差值分析：又稱空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法，是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一（王艷妮等，2009）?？死锔穹ㄟm用的條件：變異函數(shù)和相關(guān)分析的結(jié)果表明區(qū)域化的變量存在空間相關(guān)性?？死锔穹椒ㄅc反距離權(quán)插值方法類似的是，兩者都通過對已知樣本點賦權(quán)重來求得未知樣點的值，可統(tǒng)一表示為：

式（1） 中，Z（x0）為未知樣點的值，Z（xi）為未知樣點周圍的已知樣本點的值，ωi為第i 個樣本點對未知樣點的權(quán)重。n 為已知樣本點的個數(shù)。

環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法：對污染環(huán)境進行環(huán)境風(fēng)險表征的方法，其規(guī)定了相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險的劃分標(biāo)準，可以定量地度量重金屬污染的土壤或沉積物中樣品的環(huán)境風(fēng)險程度大?。≧apant et al，2003）。計算公式如下：

式（2） 中，IERi為超過臨界限量的第i 種元素的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)；ACi為第i 種元素的分析含量；RCi為第i 種元素的臨界限量；IER為待測樣品的環(huán)境風(fēng)險。需要說明的是，如果ACi

環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法能定量反映重金屬污染風(fēng)險程度的大小，能用數(shù)值來反映污染物對環(huán)境現(xiàn)狀的危害程度，Rapant 等應(yīng)用環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法對斯洛伐克共和國的環(huán)境進行了風(fēng)險分級，分析了各種重金屬對環(huán)境污染的貢獻程度和對環(huán)境污染貢獻最大的重金屬元素，但這種方法不能反映出重金屬污染在這個時間和空間的變化特征（徐燕等，2008；范拴喜等，2010）。

Hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法：綜合考慮了重金屬的毒性、在土壤和沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異影響，體現(xiàn)了生物有效性和相對貢獻及地理空間差異等特點，是綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)，適合于大區(qū)域范圍沉積物和土壤進行評價比較。該方法是目前國內(nèi)外沉積物和土壤質(zhì)量評價中應(yīng)用最為廣泛的方法之一（Hakanson，1980；徐爭啟等，2008；徐燕等，2008；方淑波等，2012；李桂海等，2007；張麗旭等，2005；張少峰 等，2010；張淑娜等，2008）。其計算公式如下（Hakanson，1980）：

式（4）、式（5） 中：Ei

表1 Hakanson 重金屬毒性系數(shù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 粒度數(shù)據(jù)分析

自東南至西北平行于岸線的GT01-GT25 樣點表層沉積物的粒度特征如圖2 所示，其中實線（折線） 表示樣點的實際粒度的分布特征，虛線表示相應(yīng)折線的趨勢線。

圖2 平行海岸線由南向北表層沉積物粒度變化

研究區(qū)域內(nèi)沉積物種類是由粘土、粉砂和砂組成的；整體分布以粉砂為主，粘土次之，體現(xiàn)出鹽城保護區(qū)的淤泥質(zhì)海灘特征；而砂的含量則很少，大部分樣點均小于1%，僅在第2 段出現(xiàn)砂含量大于1%的樣點，但也在10%以內(nèi)。由粉砂含量的趨勢線可見，第1 段至第5 段呈現(xiàn)粉砂含量減小，粘土含量增加，平均粒徑減小的趨勢。造成這種趨勢可能是因為北側(cè)的樣點GT25 離新洋港入?？谳^近，河流流速較緩，加上沿河植物的過濾作用，使得河流輸送的細粒物質(zhì)多沉積于此。同時此處離海距離較遠，水動力條件較為單一，沉積物粒度受潮汐波浪作用較弱。西北GT25 附近的區(qū)域，由于水動力環(huán)境穩(wěn)定，并且接收了大量來自河流的營養(yǎng)物質(zhì)，成為當(dāng)?shù)貤l件較好的泥螺養(yǎng)殖區(qū)。而隨著東南部的樣點離河流的距離增大，受到潮汐動力的影響逐漸增大所致，因此平均粒徑呈現(xiàn)增大趨勢。而在GT07 處，砂和粉砂含量異常增高，表明此處水動力較強，能量較高，可能是波浪破碎的位置。

2.2 重金屬含量分布特征

圖3-8 分別對應(yīng)自東南向西北的光灘地區(qū)表層沉積物中Cr、Cu、Ni、Zn、Cd 和Pb 6 種重金屬的分布情況，其中實線（折線） 代表各采樣點的實際重金屬含量，短虛線（曲線） 代表其趨勢線，長虛線（直線） 代表該種重金屬在該采樣區(qū)域所對應(yīng)的背景值（江蘇省沿海海域及港河口污染調(diào)查監(jiān)測總結(jié)報告1978-1979）。由圖3 可見，所有樣點的Cr 含量均遠遠高于背景值（28.50 mg/kg），甚至達到其2～4 倍之多；由東南至西北呈現(xiàn)中部低、兩端高的趨勢；最大值出現(xiàn)在第2 段的GT07 點，最小值出現(xiàn)在第五段的GT21 點。其原因可能是Cr以海上運輸為主要來源，通過潮汐波浪的作用向岸輸送物質(zhì)的過程中，一開始流速較大，粗粒很快沉積；隨著流速下降，離海距離增大，較細顆粒逐漸沉降下來。假設(shè)粗粒與細粒密度相同，且單位體積Cr 含量相同，則離海距離越遠，表層樣中Cr 含量越小，因此由第一段至第4 段呈現(xiàn)減小的趨勢。Ni、Zn、Cd、Pb 含量分布可分別見圖5、圖6、圖7 和圖8，其含量的整體分布趨勢較為一致，第1段至第2 段呈減小趨勢，第2 段至第3 段呈增大趨勢，第3 段至第4 段呈減小趨勢，在第4 段達到最低值，第4 段至第5 段呈現(xiàn)增加趨勢。其中Ni 含量的分布地區(qū)差異最大，且所有點的含量均超過其背景值（20.00 mg/kg），最大值出現(xiàn)在第2 段的GT07 點；Pb 最高值與最低值之間差異相對較小，且除了第4 段和第5 段的前半段以外，其他采樣點的Pb 含量均超過其背景值（17.63 mg/kg），最高點在第3 段GT08 點，最低在第4 段GT12 點；Zn 和Cd 的地區(qū)差異為最小，且所有采樣點的Zn、Cd含量均低于其各自背景值（Zn：78.10 mg/kg，Cd：0.72 mg/kg）；Zn 最高值出現(xiàn)在第3 段的GT10 和第2 段的GT07 點，Cd 最高值也在第2 段的GT07點。這4 種重金屬最高點出現(xiàn)在粒度分布中粘土含量最高處附近，是因為平均粒徑越小，顆粒對重金屬的吸附作用越強。由圖4 可見，除了含量最高的第1 段GT04 點以外，其他點的Cu 含量均低于其背景值（15.99 mg/kg）；以第4 段含量為最低，向南北含量呈增加趨勢，第3 段和第4 段Cu 含量的變化較緩，第1 段和第5 段變化較為劇烈。

圖3 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Cr 含量

圖4 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Cu 含量分布

圖5 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Ni 含量分布

圖6 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Zn 含量分布

圖7 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Cd 含量分布

圖8 鹽城濱海灘涂東南至西北一線Pb 含量分布

2.3 重金屬含量克里格插值分析

由插值結(jié)果可見（圖9-14），除了Cu（圖10）和Ni（圖11） 以外的其他4 種重金屬元素含量的最高值均集中在東南部的GT01-GT08 處（第1 段至第3 段），其中Cr、Cd 和Pb 在東南部區(qū)域分布均勻，呈現(xiàn)由南到北、由岸向海減小的趨勢；而Zn 的含量分布較為不均，第3 段明顯高于南部的前兩段。Cu、Ni 則在西北和東南兩端含量均為較高，其中西北岸（第5 段后半段） 范圍更大且含量更高；Cu 的高值多以點狀分散分布，Ni 則以片狀分布。6 種重金屬元素空間分布的共同特點是低值都分布在第4 段和第5 段前半段。從實際地理位置分析可知，南部的GT01-GT08 點靠近漁民下海的通道，附近發(fā)現(xiàn)有大量生活生產(chǎn)垃圾，多為漁民從事漁業(yè)活動后遺棄的勞作輔助工具等，這些垃圾經(jīng)過海水的腐蝕、分解產(chǎn)生大量的重金屬元素，導(dǎo)致該地區(qū)重金屬含量異常增高；北部的GT18-GT25點靠近新洋港入?？冢@得了較多河流輸送的重金屬元素，并且作為泥螺養(yǎng)殖的主要作業(yè)區(qū)，由于漁民長時間的勞作過程中帶入和產(chǎn)生了較多污染，導(dǎo)致該區(qū)域的重金屬含量普遍較高。

圖9 鹽城濱海灘涂Cr 含量空間分布(mg/kg)

圖10 鹽城濱海灘涂Cu 含量空間分布(mg/kg)

圖11 鹽城濱海灘涂Ni 含量空間分布(mg/kg)

圖12 鹽城濱海灘涂Zn 含量空間分布(mg/kg)

圖13 鹽城濱海灘涂Cd 含量空間分布(mg/kg)

圖14 鹽城濱海灘涂Pb 含量空間分布(mg/kg)

2.4 重金屬風(fēng)險評價

參照《中華人民共和國海洋沉積物質(zhì)量》(GB18668-2002)，對鹽城濱海光灘6 種重金屬進行比較發(fā)現(xiàn)，Cu、Zn、Cd、Pb 4 種重金屬含量均低于國家I 類標(biāo)準；Cr 含量的均值高于國家I 類標(biāo)準，但低于Ⅱ類標(biāo)準，因此該沉積物屬國家Ⅱ類沉積物。Ni 含量近于其背景值，因沒有相關(guān)分類標(biāo)準，此處不做討論。

采用環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法對江蘇鹽城濱海灘涂表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Pb 和綜合重金屬污染風(fēng)險評價見圖15，其中Zn 和Cd 的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)全部為0，故未在圖中畫出。

圖15 鹽城濱海灘涂環(huán)境風(fēng)險指數(shù)（IER）

由圖可見，對整個環(huán)境風(fēng)險貢獻最大的元素是Cr，是鹽城保護區(qū)光灘區(qū)最主要的重金屬污染因素；Pb 和Ni 有不同程度的輕度污染；Zn、Cd 和Cu 的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)均在正常范圍內(nèi)。6 種重金屬元素的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)排序是Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn=Cd=0?？傦L(fēng)險指數(shù)以第1 段和第2 段最大，第3 段、第4 段和第5 段前半段較小。

采用Hakanson 潛在生態(tài)危害指數(shù)法對江蘇鹽城保護區(qū)光灘表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 共6 種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害評價結(jié)果見圖16。

圖16 鹽城濱海灘涂潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）

表2 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系

由表1 可知，毒性系數(shù)最大的重金屬元素為Cd，最小的是Zn。6 種重金屬在整個采樣區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值的排序為10＞Cd＞Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn，參考表2 潛在生態(tài)危害系數(shù)與污染程度的關(guān)系可知，遠小于最低標(biāo)準40，表明該區(qū)域的六種重金屬全部屬于非常輕微的生態(tài)危害；6 種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI 值均在40 以下，遠小于150，總體也屬非常輕微程度的生態(tài)危害。由圖16 可知，由東南到西北方向，RI 值整體呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的趨勢，以第1 段和第2 段最大，第3 段、第4 段和第5 段前半段較小，與環(huán)境風(fēng)險指數(shù)的變化規(guī)律大致相同，可能是由于東南部的第1、2 段靠近漁業(yè)活動通道，受人類活動干擾較大；北部的第5 段后半段由于近新洋港入?？冢@得較多來自陸地的重金屬元素，且受到該區(qū)泥螺養(yǎng)殖的經(jīng)濟活動也有所影響。由此看出，人類生產(chǎn)活動對重金屬分布產(chǎn)生了直接的影響，人類活動較多的區(qū)域重金屬含量要高于人類活動少的。

3 結(jié)論

（1） 鹽城濱海濕地灘涂東南至西北表層沉積物中，Cr、Ni、Pb 的含量均高于背景值；所有樣品的Cr 含量都超過了背景值達1-4 倍，且高于國家I 類標(biāo)準，低于Ⅱ類標(biāo)準，屬Ⅱ類沉積物；Cu、Zn、Cd、Pb 4 種重金屬含量均低于國家I 類標(biāo)準，屬國家I 類沉積物。

（2） 從空間插值結(jié)果來看，Cr、Cd、Zn、Pb高值集中于東南部，表明東南部的漁業(yè)活動及其產(chǎn)生的垃圾為其主要重金屬來源；Cu、Ni 高值在西北和東南兩處，表明其來源除南部的漁業(yè)活動外，還有北部的陸源輸入。綜合表明，研究區(qū)重金屬的來源和富集主要受人類活動控制。

（3） 采用環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法進行分析發(fā)現(xiàn)，Cr對整個區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險的影響最大，總風(fēng)險指數(shù)以東南部第1、2 段最大，中部第3、4 段和第五段前半段最?。徊捎肏akanson 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對數(shù)據(jù)進行分析評價，結(jié)果表明Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險最大，RI 值由東南到西北方向整體呈現(xiàn)先增大、后減小、再增大的趨勢，與綜合環(huán)境風(fēng)險指數(shù)的變化規(guī)律大致一致，以新洋港入海口和漁業(yè)活動最密集處為最高。

沉積物粒度特征、重金屬的元素特性、陸源輸入或海水輸運、潮汐波浪動力作用、生物化學(xué)作用等對鹽城保護區(qū)潮間帶光灘表層沉積物中所研究的6 種重金屬的分布和轉(zhuǎn)移均具有不同程度的影響，直接關(guān)系到重金屬在沉積物中的污染程度。通過新洋港河輸運的各類陸上污染物已經(jīng)隨地表徑流進入江蘇鹽城國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)，海上輸運產(chǎn)生的污染物也隨著潮汐波浪作用廣泛影響鹽城濱海潮間帶光灘區(qū)域。近些年來蘇北沿海經(jīng)濟開發(fā)的范圍和強度逐年增大，耕地開墾、工業(yè)園區(qū)、城市化建設(shè)進度不斷加快，三廢的產(chǎn)生量不斷增加，而處理能力相對滯后（左平，2012）。只有更嚴格地規(guī)范各類污染物的排放和治理，才能保障核心區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康。由于生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)具有區(qū)域廣泛性的特點，在嚴禁核心區(qū)內(nèi)進行各種人類活動的基礎(chǔ)上，還要對核心區(qū)外圍區(qū)域的各類經(jīng)濟活動，尤其是工業(yè)生產(chǎn)活動，進一步加強管理，控制污染源，如限制化肥農(nóng)藥用量、限制灘涂工業(yè)污染項目，生產(chǎn)過程中增設(shè)監(jiān)督機制，實施達標(biāo)排放，避免直接排海。

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