鹽城濱海灘涂表層沉積物重金屬生態風險評價

王俊杰，黃陽，黃雪，3，左平，趙善道，鄒欣慶

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

江蘇鹽城國家級珍禽自然保護區又稱鹽城生物圈保護區（簡稱鹽城保護區），是中國最大的濱海濕地自然保護區，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）。其核心區是我國目前保留最完好的原生鹽沼濕地之一，自陸向海規律地分布有蘆葦灘、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）。但海岸帶生態系統作為開放的生態系統，由于各類經濟活動強度的增大，導致其產生的各種工農業污染物隨廢水排海、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（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，從而影響整個生態系統的健康（王俊杰等，2013；左平等，2010）。因此，本文基于鹽城自然保護區核心區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，旨在為濱海保護區的開發利用和生態環境保護提供科學依據。

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核心區外圍光灘采集表層沉積物樣品，研究區域及采樣點位置見圖1。

圖1 研究區域及采樣點位置分布圖

從新洋港入海口的光灘地區，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域分成5 個區段，前4 個區段均在折線范圍內：GT01-GT04 位于由西南到東北，即由陸向海采樣區的第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。現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，重復測量的相對誤差<3%。使用矩法計算沉積物粒度參數（McManus，1988）。所有的樣品分析均在南京大學海岸與海島開發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。采用國標濕消化法消解泥樣，用國家標準物質進行質量控制以確保數據可靠性。用ICP-MS 元素分析儀測定樣品Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni 共6 個指標（相對誤差＜5%，回收率在95%～125%之間）。樣品分析在中國科學院南京地理與湖泊研究所國家重點實驗室完成。

1.3 數據分析

克里格差值分析：又稱空間局部插值法，是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法，是地統計學的主要內容之一（王艷妮等，2009）。克里格法適用的條件：變異函數和相關分析的結果表明區域化的變量存在空間相關性。克里格方法與反距離權插值方法類似的是，兩者都通過對已知樣本點賦權重來求得未知樣點的值，可統一表示為：

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重。n 為已知樣本點的個數。

環境風險指數法：對污染環境進行環境風險表征的方法，其規定了相應的環境風險的劃分標準，可以定量地度量重金屬污染的土壤或沉積物中樣品的環境風險程度大小（Rapant et al，2003）。計算公式如下：

式（2） 中，IERi為超過臨界限量的第i 種元素的環境風險指數；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為待測樣品的環境風險。需要說明的是，如果ACi

環境風險指數法能定量反映重金屬污染風險程度的大小，能用數值來反映污染物對環境現狀的危害程度，Rapant 等應用環境風險指數法對斯洛伐克共和國的環境進行了風險分級，分析了各種重金屬對環境污染的貢獻程度和對環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 潛在生態危害指數法：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化規律和評價區域對重金屬污染的敏感性，以及重金屬區域背景值的差異，消除了區域差異影響，體現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環境影響潛力的指標，適合于大區域范圍沉積物和土壤進行評價比較。該方法是目前國內外沉積物和土壤質量評價中應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 重金屬毒性系數表

2 結果與討論

2.1 粒度數據分析

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

研究區域內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，體現出鹽城保護區的淤泥質海灘特征；而砂的含量則很少，大部分樣點均小于1%，僅在第2 段出現砂含量大于1%的樣點，但也在10%以內。由粉砂含量的趨勢線可見，第1 段至第5 段呈現粉砂含量減小，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的樣點GT25 離新洋港入海口較近，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 附近的區域，由于水動力環境穩定，并且接收了大量來自河流的營養物質，成為當地條件較好的泥螺養殖區。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 分別對應自東南向西北的光灘地區表層沉積物中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域所對應的背景值（江蘇省沿海海域及港河口污染調查監測總結報告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；由東南至西北呈現中部低、兩端高的趨勢；最大值出現在第2 段的GT07 點，最小值出現在第五段的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 段呈現增加趨勢。其中Ni 含量的分布地區差異最大，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 在東南部區域分布均勻，呈現由南到北、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，附近發現有大量生活生產垃圾，多為漁民從事漁業活動后遺棄的勞作輔助工具等，這些垃圾經過海水的腐蝕、分解產生大量的重金屬元素，導致該地區重金屬含量異常增高；北部的GT18-GT25點靠近新洋港入海口，獲得了較多河流輸送的重金屬元素，并且作為泥螺養殖的主要作業區，由于漁民長時間的勞作過程中帶入和產生了較多污染，導致該區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 重金屬風險評價

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

采用環境風險指數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險評價見圖15，其中Zn 和Cd 的環境風險指數全部為0，故未在圖中畫出。

圖15 鹽城濱海灘涂環境風險指數（IER）

由圖可見，對整個環境風險貢獻最大的元素是Cr，是鹽城保護區光灘區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 的環境風險指數均在正常范圍內。6 種重金屬元素的環境風險指數排序是Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn=Cd=0。總風險指數以第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 潛在生態危害指數法對江蘇鹽城保護區光灘表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 共6 種重金屬的綜合潛在生態危害評價結果見圖16。

圖16 鹽城濱海灘涂潛在生態危害指數（RI）

表2 潛在生態危害系數和危害指數與污染程度的關系

由表1 可知，毒性系數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的潛在生態風險指數平均值的排序為10＞Cd＞Cr＞Ni＞Pb＞Cu＞Zn，參考表2 潛在生態危害系數與污染程度的關系可知，遠小于最低標準40，表明該區域的六種重金屬全部屬于非常輕微的生態危害；6 種重金屬的綜合潛在生態危害指數RI 值均在40 以下，遠小于150，總體也屬非常輕微程度的生態危害。由圖16 可知，由東南到西北方向，RI 值整體呈現先增大、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，與環境風險指數的變化規律大致相同，可能是由于東南部的第1、2 段靠近漁業活動通道，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海口，獲得較多來自陸地的重金屬元素，且受到該區泥螺養殖的經濟活動也有所影響。由此看出，人類生產活動對重金屬分布產生了直接的影響，人類活動較多的區域重金屬含量要高于人類活動少的。

3 結論

（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 類標準，低于Ⅱ類標準，屬Ⅱ類沉積物；Cu、Zn、Cd、Pb 4 種重金屬含量均低于國家I 類標準，屬國家I 類沉積物。

（2） 從空間插值結果來看，Cr、Cd、Zn、Pb高值集中于東南部，表明東南部的漁業活動及其產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活動外，還有北部的陸源輸入。綜合表明，研究區重金屬的來源和富集主要受人類活動控制。

（3） 采用環境風險指數法進行分析發現，Cr對整個區域的環境風險的影響最大，總風險指數以東南部第1、2 段最大，中部第3、4 段和第五段前半段最小；采用Hakanson 潛在生態風險指數法對數據進行分析評價，結果表明Cd 的潛在生態風險最大，RI 值由東南到西北方向整體呈現先增大、后減小、再增大的趨勢，與綜合環境風險指數的變化規律大致一致，以新洋港入海口和漁業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、生物化學作用等對鹽城保護區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移均具有不同程度的影響，直接關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隨地表徑流進入江蘇鹽城國家級自然保護區的核心區，海上輸運產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域。近些年來蘇北沿海經濟開發的范圍和強度逐年增大，耕地開墾、工業園區、城市化建設進度不斷加快，三廢的產生量不斷增加，而處理能力相對滯后（左平，2012）。只有更嚴格地規范各類污染物的排放和治理，才能保障核心區生態系統的健康。由于生態系統物質循環具有區域廣泛性的特點，在嚴禁核心區內進行各種人類活動的基礎上，還要對核心區外圍區域的各類經濟活動，尤其是工業生產活動，進一步加強管理，控制污染源，如限制化肥農藥用量、限制灘涂工業污染項目，生產過程中增設監督機制，實施達標排放，避免直接排海。

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