鹽城海岸帶表層土壤重金屬的空間分布及其影響因素研究

方淑波, 賈曉波, 王 玉, 張新生, 安樹青, 鄭 正, 楊曉英

(1. 復旦大學 環境科學與工程系, 上海 200433; 2. 上海海洋大學 水產與生命學院, 上海 201306; 3. 南京大學生命科學學院 濕地生態研究所, 江蘇 南京 210093)

鹽城海岸帶表層土壤重金屬的空間分布及其影響因素研究

方淑波1,2, 賈曉波3, 王 玉3, 張新生3, 安樹青3, 鄭 正1, 楊曉英1

(1. 復旦大學 環境科學與工程系, 上海 200433; 2. 上海海洋大學 水產與生命學院, 上海 201306; 3. 南京大學生命科學學院 濕地生態研究所, 江蘇 南京 210093)

以鹽城海岸帶為研究對象, 分析了Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, V, Zn, Co, Cd 9種重金屬元素在二維空間分布的異質性, 以及沿著經緯度方向的梯度變化, 并通過主成分分析和元素區域背景值的分析, 探討重金屬元素的可能來源。結果表明： 自陸向海存在著逐漸減少的格局梯度, 而在區域的北部分布著重金屬元素的峰值; 二維分析的結果表明, 重金屬元素在空間分布的異質性較強, 北部、人類活動較強的區域、靠近內陸的海岸帶區域和河口區域的重金屬元素值較高; 主成分分析表明, 9種元素可以分成兩個主成分, 第一個主成分包括Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V 6種元素, 其旋轉荷載貢獻率為63.31%, 第二主成分為Cd, 其旋轉荷載貢獻率為22.81%。對比元素的背景值, 認為第一主成分主要反映了由外源輸入的重金屬元素, 第二主成分主要反映了背景值, 而Cu, Zn則處于外源輸入和背景值交互作用的狀態。目前該區域的重金屬生態風險屬于較輕的水平, 但是由于日益加強的人為活動, 人為引入的重金屬元素研究值得重視。

重金屬; 海岸帶濕地; 空間分異; 影響因素; 表層土壤

重金屬污染日益成為海岸帶及河口區域一個潛在的生態風險[1]。目前, 我國海岸帶的重金屬污染呈現出來源廣、局部惡化、區域潛在生態風險加劇的態勢[2-6]。重金屬污染的潛在生態風險評價、地球化學循環、人為干擾評價以及其生物累積毒理學研究成為我國海岸帶重金屬研究的重點[3,7-10]。

研究重金屬的地球化學循環過程對重金屬污染的有效控制具有重要意義[8-9], 而有效的重金屬元素空間分布形態的研究有助于厘清重金屬元素的地球化學循環過程[7]。本研究以鹽城海岸帶為對象, 采用空間插值方法和地統計分析方法, 研究重金屬元素分布的空間異質性和梯度性, 以期為重金屬污染的生態風險評價、控制提供依據。

鹽城海岸帶是全球最大的海岸帶灘涂濕地, 地處江蘇中部沿海, 分布著鹽城國家級珍禽自然保護區(圖 1), 是生物多樣性保護的熱點區域。1992年10月被聯合國教科文組織納入“世界生物圈保護網絡”, 1996年被納入“東北亞鶴類保護區網絡”, 2002年被納入國家重要濕地名錄。其范圍包括鹽城市屬響水、濱海、 射陽、大豐及東臺市5個縣市的東部沿岸, 總面積45.33×104ha, 其中核心區1.74×104ha,因其生物多樣性保護的重要性和濕地資源的多樣性[12], 被譽為“東方濕地之都”。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域的地貌類型主要屬于江蘇中部海積平原類型, 是近千年來海岸不斷淤長形成的濱海平原。該區以斗龍港為界, 南高北低, 斗北地面高程在2 m左右, 斗南在3 m以上, 地表組成物質南粗北細, 南部梁垛河閘附近多粉砂, 向北泥質成分增加。氣候類型以季風氣候為主, 處于暖濕帶向北亞熱帶過渡的過渡地帶, 是一個受海洋性、大陸性氣候雙重影響的狹長地帶。水文區系可分為陸地水文、近海和潮間帶水文兩類, 陸地水文主要屬于淮河流域, 近海和潮間帶水文以潮汐作用為主。鹽城海岸濕地多為粉砂淤泥質灘涂。灘涂由陸向海, 植被帶可分為葦草帶、鹽蒿帶、無植被帶(光灘)、米草帶。

1.2 樣品采集

2007年9到10月期間, 自射陽蘇北灌溉總渠到東臺條子泥的位置, 以20世紀50年代的老海堤為界,自海向陸, 采集了 83個土壤樣方, 樣方點以均勻分布于海岸帶人類活動集中的區域為原則。每個土壤樣點5個重復, 每個重復之間50 m左右, 以W形狀采樣, 主要采取表層10 cm的土壤樣品。

圖1 鹽城海濱濕地研究區域圖(朱洪光[11], 2003, 有修改)Fig. 1 Study site at the Yancheng coast, Jiangsu (Modified from Zhu, 2003)

1.3 樣品處理與測試

將取得的土壤樣品風干后, 混合, 研磨, 過0.15 mm篩。樣品消煮過程為： 稱取 0.125 g樣品, 加入2 mL鹽酸及1 mL硝酸分別60℃加熱30 min, 然后加氫氟酸 6 mL 以及 0.5 mL 高氯酸以120℃加熱3 h,余熱蒸干后用7%硝酸定溶至25 mL。在南京大學分析測試中心采用等離子光譜儀(J-A1100)測試Cr, Cu,Fe, Mn, Ni, V, Zn, Co, Cd 共9種重金屬元素, 測量的精密度RSD% ＜2.0, 回收率95%～104%。

1.4 數據處理

采用 GS+3.2軟件, 自陸向海, 自南向北, 分別沿著經度和緯度, 計算重金屬的海陸梯度分異和南北梯度分異。經度計算以區域最內陸的經度為起點,計算方法是“土壤采樣點經度-120°18′”, 緯度計算以區域最南部的緯度為起點, 計算方法是“土壤采樣點緯度 - 32°43′”。

然后, 對各重金屬元素采用ARCGIS 9.2軟件的地統計分析軟件包, 進行了反距離加權插值(Inverse Distance Weighting Interpolation), 插出整個計算范圍內各個重金屬的二維分布圖,IDW插值方法是一種確定性的插值方法, 是依靠所測的值在取樣范圍內的一種精確插值, 對數據不做特殊要求。通過對IDW插值, 分析重金屬元素在鹽城海岸帶分布的異質性。

最后, 采用主成分分析的方法, 對9種元素進行主成分分析。對比9種元素的背景值, 以及其他的案例研究, 討論重金屬元素空間分布的影響因素。

2 結果與討論

9種元素的統計信息如表1所示。

9種元素除了Cd, Zn, 其余的都呈偏正態分布。變異系數較大, 元素分布的空間異質性較強。

2.1 自陸向海的空間梯度分異

9種元素中, Fe, Cd ,Zn, Cr, Cu表現出比較明顯的自陸向海遞減的格局(圖 2)。Ni, Mn, V, Co總體上自陸向海下降, 但是其波動性比較明顯。這種分布格局與陳振樓等[7], 畢春娟等[9]在上海潮灘的研究相似。陸源污染排放、水動力作用、成巖母質以及潮汐作用等均影響重金屬在海岸帶潮灘的空間分布[13]。

表1 9種重金屬元素的統計信息Tab. 1 The statistical information of nine heavy metals

圖2 重金屬元素自陸向海的變化趨勢(圖中橫軸表示自陸向海的距離, 見文中說明)Fig. 2 One-dimensional variation patterns from inland to coast of the nine metals

2.2 自南向北的空間梯度分異

9種元素中, 除了Mn、V之外, 其他的均在區域的北部出現峰值(圖 3)。Mn、V 自南向北呈現出波動強烈的態勢。

這種分布格局與整個研究區域南高北低的地形條件導致的水動力作用有較強的關系。此外, 研究區域的海岸帶淤長情況有較大的差異, 射陽河以南的區域整體上屬于淤長性的海岸[14], 射陽河以北則屬于侵蝕性的海岸。就人為開發的歷史來看, 北部的開發歷史較為悠久, 分布著射陽港、射陽電場、射陽鹽場、雙燈紙業公司等大型的企業。而南部的開發歷史相對短暫。人為條件的南北差異也是導致重金屬南北分異的一個重要原因[14-15]。

2.3 重金屬元素的空間插值分析

IDW 插值分析的結果表明(圖 4), 鹽城海岸帶的重金屬元素的分布有較強的異質性。北部、人類活動較強的區域、靠近內陸的海岸帶區域和河口區域是重金屬元素分布的峰值區。這與自陸向海和自南向北的梯度分析的結果一致。需要強調的是, 射陽丹頂鶴保護區范圍內也有較高的重金屬元素分布, 對保護區的生物多樣性保護是個潛在的生態風險。

圖3 重金屬自南向北的變化趨勢(圖中橫軸表示自南向北的距離, 見文中說明)Fig. 3 One-dimensional variation patterns from south to north of the nine metals

圖4 土壤重金屬元素的IDW插值分析Fig. 4 Metals spatial distribution patterns with inverse distance weighted interpolation

2.4 重金屬元素的主成分分析

9種元素可以分成2個主成分(表 2)。第一個主成分包括Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6種元素, 其荷載貢獻率為63.31%; 第二個主成分為Cd, 其荷載貢獻率為22.81%; 兩個主成分的荷載貢獻率累積為86.13%。

對比重金屬元素的分布背景值(Cd元素的背景值在該區域沒有找到合適的參考)(表 3), 除了 Mn明顯高于其背景值之外, 其他的元素均與其背景值接近。表明該區域的重金屬污染總體上目前處于較輕的狀態。根據主成分分析的結果, 第一主成分的各個元素, 即Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6種元素, 有著相似的來源。我們認為, 這些元素主要反映了外界輸入的重金屬元素。Cr, Co, Fe, Ni, V5種元素總體上接近背景值, 但是其在研究區域內的空間分布不均勻(圖2～圖4)。在局部區域, 表現為外源輸入的明顯增加。Cd主要表現為以背景值為主要來源的狀態。而Cu, Zn處于外源輸入和背景值交替起主要作用的狀態。

第一主成分的 6種元素, 在該區域到底有哪些元素是由何種的人類活動引入, 這是一個需要繼續加強的研究課題。根據我們現場的調查來看, Mn元素的大量增加與該區域大量使用KMnO4進行水體消毒該有重要的關系。

2.5 人為活動對海岸帶重金屬的影響

人文活動對海岸帶地區重金屬分布影響的研究已經有較多的報道[2-6,16-18], 主要的人類活動包括工業污水排放、圍墾、肥料使用、生活廢水排放、水產養殖等。本研究表明, 人文因素的空間分異對重金屬的空間分布有重要影響。研究區域的北部, 開發的歷史較為悠久, 大型項目如射陽鹽場建設于1958年,射陽港建于1994年, 射陽電廠建設于1990年, 而南部的大豐港于2004年開始一期工程的建設, 南部其他區域的開發活動于近年剛剛開始。總體而言, 人類活動較強的區域, 開發歷史較為悠久的區域, 重金屬元素分布的值也較高(圖 4)。在鹽城海岸帶, 典型的人類活動包括農業種植、曬鹽、水產養殖以及近年逐漸開始的濕地旅游、港口開發、風電場建設等活動。

表2 重金屬元素含量的主成分分析Tab. 2 Total variance and component matrixes for total heavy metal contents (three-components extracted)

表3 各重金屬元素平均值與背景值的對比(%)Tab.3 Comparison between the average and the background values of soil metals (%)

因此, 控制人為引入的重金屬污染成為海岸帶區域重金屬污染控制的重要研究內容。如何采取措施, 通過海岸帶功能區的合理劃分, 實現海岸帶區域典型人文活動的有效控制和引導, 是值得深入研究的課題[15]。

3 結論

3.1 重金屬元素的海陸梯度分異和南北分異

重金屬元素在鹽城海岸帶表現為明顯的海陸梯度分異和南北梯度分異, 自海向陸, 重金屬元素表現為逐漸減少的趨勢, 自南向北, 表現為在北部富集的趨勢。

3.2 重金屬元素來源的分析

主成分分析的結果表明, Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6種元素, 有著相似的來源。這些主要反映了外界輸入的重金屬元素。Cr, Co, Fe, Ni, V5種元素總體上接近背景值, 但是在研究區域內的空間分布不均勻, 在局部區域, 表現為外源輸入的明顯增加。

人為活動成為海岸帶區域重金屬元素的一個主要來源, 厘清重金屬的富集與何種人類活動相關,繼而加強對人類活動的規范引導, 是需要繼續深入研究的課題。

[1]Ramesh R, Purvaja R, Lakshmi A, et al. South Asia Basins： LOICZ Global Change Assessment and Synthesis of River Catchment - Coastal Sea Interaction and Human Dimensions [M]. LOICZ Research & Studies No. 32. GKSS Research Center, Geesthacht, 2009： 121.

[2]王曉輝, 鄒欣慶, 于文金. 江蘇王港海岸帶沉積物重金屬污染研究[J]. 農業環境科學學報, 2007, 26(2)：784-789.

[3]于文金, 鄒欣慶. 王港潮灘重金屬Pb、Zn和Cu積累規律及污染評價[J].地理研究, 2007, 26(4)： 809-820.

[4]喬磊, 袁旭音, 李阿梅. 江蘇海岸帶的重金屬特征及生態風險分析[J].農業環境科學學報(增刊), 2005, 24：178-182.

[5]康勤書, 周菊珍, 吳瑩, 等.長江口灘涂濕地重金屬的分布格局和研究現狀[J].海洋環境科學, 2003, 22(3)：44-47.

[6]李取生, 楚蓓, 石雷, 等.珠江口灘涂濕地土壤重金屬分布及其對圍墾的影響[J].農業環境科學學報,2007, 26(4)： 1422-1426.

[7]陳振樓, 許世遠, 柳林, 等. 上海濱岸潮灘沉積物重金屬元素的空間分布與累積[J]. 地理學報, 2000,55(6)： 641-651.

[8]趙健, 畢春娟, 陳振樓. 長江口潮灘沉積物中活性重金屬的空間分異及其控制機制[J]. 長江流域資源與環境, 2009, 18(11)： 1020-1025.

[9]畢春娟, 陳振樓, 許世遠. 上海白龍港排污口附近潮灘沉積物中重金屬總量及其化學形態分析[J]. 海洋環境科學, 2002, 21(4)：1- 5.

[10]趙衛紅, 陳獻稿, 費正皓, 等. 鹽城灘涂貝類及其不同組織器官對重金屬富集能力的初步研究[J]. 上海交通大學學報(農業科學版), 2009, 27(1)： 76-79.

[11]朱洪光. 鹽城自然保護區能值模型的研究[D]. 南京：南京大學, 2003.

[12]左平. 江蘇鹽城海濱濕地生態系統景觀格局與景觀要素變異研究[D]. 南京： 南京大學, 2005.

[13]王計平. 鹽城市海岸帶環境評價及預警研究[D]. 南京： 南京大學. 2008.

[14]江蘇省海岸帶和海涂資源綜合考察隊. 江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調查報告[R]. 1985： 141-163.

[15]江蘇省海洋與漁業局. 江蘇省大比例尺海洋功能區劃報告[M ]. 北京： 海洋出版社, 2002： 1 - 5.

[16]Owen R B, Sandhu N. Heavy metal accululation and anthropogenic impacts on Tolo Harbour, Hong Kong[J].Marine Pollution Bulletin, 2000, 40, 174-180.

[17]Li J L, He M, Han W, et al. Analysis and assessment on heavy metal sources in the coastal soils developed from alluvial deposits using multivariate statistical methods[J].Journal of Hazardous Materials, 2009, 164： 976-981.

[18]Deng B, Zhang J, Zhang G R, et al. Enhanced anthropogenic heavy metal dispersal from tidaldisturbance in the Jiaozhou Bay, North China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2009, 161： 349-358.

Analysis of the spatial distribution and the influence factors of the heavy metals in the top soil layer of the Yancheng coast

FANG Shu-bo1,2, JIA Xiao-bo3, WANG Yu3, ZHANG Xin-sheng3, AN Shu-qing3,ZHENG Zheng1, YANG Xiao-ying1
(1. Environmental Science and Engineering Department, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3. The Institute of Wetland Ecology, School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Apr., 5, 2010

heavy metals; coastal wetlands; spatial heterogeneity; influential factors; surface soil layer

We analyzed the heterogeneity in the spatial distribution of nine heavy metals (HM; Cr, Cu, Fe, Mn, Ni,Cd, V, Zn, and Co) in the coastal region of Yancheng. Inverse distance weighted interpolation was performed to study the gradient patterns of these metals from inland to coast and from south to north. Principle component analysis (PCA) and the background value analysis were then used to explore the possible sources of the heavy metals. It is found that the metal content decreased from inland to coast, while peaking in the northern region. The interpolation analysis indicated a high degree of heterogeneity in metal distributions. The heavy metal content was high in the northern region, regions with high human disturbance, inland of the coast, and the estuaries. The PCA results showed that the 9 HM could be divided into two groups. The PC1 included Cr, Co, Fe, Mn, Ni, and V, and the rotation sum of squared loadings was 63.31%. The PC2 was Cd, and the rotation sum of squared loadings was 22.81%. Compared with the background value, the PC1 was interpreted as HM from exogenous input, while the PC2 was composed of the heavy metal from background source. Cu and Zn were the metals with both exogenous inputs and background sources. At present, the ecological risks caused by heavy metals were not serious in this region. However, human induced HM deserves attention with increasingly intensified human activities in the region.

P94118; X131; X15

A

1000-3096(2011)05-0082-07

2010-04-05;

2010-07-15

國家水專項資金項目(2009ZX07106-04); 上海市優秀青年教師基金項目(B-8101-09-0022); 上海海洋大學校內科研基金項目(B-8201-08-0280); 上海市重點學科建設基金項目(S30701)

方淑波(1976-), 博士, 講師, 主要從事海岸帶濕地生態學研究, E-mail： bsfang@shou.edu.cn

康亦兼)