湛江市紅樹林濕地沉積物重金屬來源研究進展

唐道斌，李 千，李巧云

(1.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州 730070; 2.廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510075; 3.嶺南師范學院地理科學學院，廣東湛江 504048)

廣東湛江紅樹林國家級自然保護區擁有中國最大的紅樹林保護區。紅樹林濕地具有較大的生態價值，是防治浪潮、水土流失、洪水、風暴和海嘯的一個天然屏障[1]。隨著我國對“雙碳”工作的日益重視，紅樹林濕地生態系統在碳匯方面對應對氣候變化的重要作用也逐漸顯現。紅樹林濕地生態系統將CO2轉化為有機碳的速度高于地球上任何其他種類的生物棲息地，這種獨特的生態系統的碳匯作用比森林碳匯具有更高的潛力[2]。然而，隨著沿海地區經濟的快速發展，水路交通的增加、生活和工業污水的排放，大量的重金屬進入濱海濕地，導致紅樹林濕地重金屬污染日益加重，嚴重影響到了紅樹林濕地的保護和恢復[3]，對紅樹林濕地的生物多樣性及人類健康產生極大的危害[4]。加強紅樹林保護和修復是我國海洋生態文明建設和國土空間生態保護修復的重要內容。《紅樹林保護修復專項行動計劃(2020—2050年)》指出對現有紅樹林實施全面保護，提升紅樹林生態系統質量和功能，為我國紅樹林生態修復工作提供指導[5]。此前，已有學者針對湛江紅樹林濕地沉積物、濕地植物、濕地水體進行了重金屬含量及分布、重金屬形態分析等方面的研究，從總體上了解紅樹林濕地的重金屬污染狀況、探討紅樹林重金屬污染來源以及變化遷移規律[6-18]。在紅樹林濕地重金屬來源方面，學者運用相關性分析、因子分析、主成分分析等統計分析方法對紅樹林重金屬進行來源解析。結果表明，紅樹林濕地重金屬污染的來源主要有工業活動、農業活動、交通活動以及生活污染。重金屬污染來源復雜，不僅僅是人為因素的作用，自然因素的作用也不可忽視。而在自然因素方面，大部分學者只考慮到了自然風化產物的輸入作用，對其他自然因素的影響作用的分析有所缺乏[6-12]。系統地了解紅樹林濕地重金屬來源，有助于對紅樹林濕地的保護和修復，更有針對性地研究修復方式，從來源上減少甚至消除污染物排放這一威脅因素。因此，該研究嘗試將大氣沉降、水動力這2個自然因素與人為因素結合，對湛江紅樹林濕地的重金屬來源展開分析，以期為湛江紅樹林濕地重金屬污染治理提供借鑒。

1 湛江紅樹林分布特征

廣東湛江紅樹林國家級自然保護區位于中國大陸最南端，分為72個保護小區，總面積 20 278.8 hm2。保護區西北以高橋片(高橋紅樹林)為主，地理坐標為109°44′9″～109°56′10″ E，21°9′19″～21°34′15″N；東北以官渡片為主，最東以湖光片為主，東南以和安片為主，西南片以角尾片為主。 橫跨徐聞縣、雷州市、遂溪縣、廉江市、吳川市五縣(市)及麻章、坡頭、東海島、霞山四區[19]。作為我國紅樹林面積最大的自然保護區(圖1)，現有紅樹林 7 242.0 hm2，人工造林未成林 25.6 hm2，天然更新紅樹林509.4 hm2[20]。湛江紅樹林主要以紅海欖群(RhizophoraFormation)、林欖群落、秋茄群落(KandelliaFormation)、白骨壤(AvicenniaFormation)和桐花樹群(AegicerasFormation)為主[21]。

圖2 湛江市紅樹林濕地重金屬含量分布特征[7-8]Fig.2 Distribution characteristics of heavy metals in mangrove wetlands of Zhanjiang City[7-8]

2 湛江紅樹林濕地重金屬含量及分布

目前紅樹林濕地沉積物重金屬研究主要集中在砷(As)、鎘(Cd)、鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)、汞(Hg)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)元素。湛江紅樹林濕地沉積物重金屬含量統計如圖2所示，在8個紅樹林濕地分布區域11種重金屬元素里，As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Zn 9種元素重金屬含量平均值超過雷州半島土壤環境背景值[22]。但在東海島和南山鎮的As、高橋鎮的Pb超過了國家土壤環境質量一級標準(GB 15618—1995)。通過比較，除了Co、Cr、Cu、Ni、Pb、V外，As、Cd、Hg、Mn、Zn在8個紅樹林濕地分布區域中有明顯差異。其中，在東海島，除了重金屬Cd、Cu、Pb、Hg，重金屬As、Co、Cr、Ni、Mn、Zn、V的含量對比觀海長廊等其他紅樹林濕地分布區域都比較高。尤其是東海島和南山鎮重金屬As含量，分別為18.025 0和16.202 6 mg/kg，分別是背景值的3.34和3.00倍，明顯高于其他分布區域；東海島和高橋鎮重金屬Mn含量差異也明顯；觀海長廊重金屬Cd含量為0.151 mg/kg，是背景值的5.03倍，明顯高于其他研究區域；除了特呈島和企水鎮，其他研究區域重金屬Hg含量都較高，均超過背景值。總體來看，各研究區的11種重金屬平均含量：東海島>附城鎮>高橋鎮>南山鎮>觀海長廊>和安鎮>特呈島>企水鎮。雷州半島西岸紅樹林濕地分布區重金屬平均含量的總和低于東岸紅樹林濕地分布區。

3 湛江紅樹林濕地重金屬來源

3.1 大氣沉降大氣沉降是指大氣中的污染物通過一定的途徑被沉降至地面或水體的過程，分為干沉降和濕沉降[23]。通過大氣沉降，Pb、Cd、Zn等重金屬進入土壤，是土壤重金屬污染的重要來源之一，尤其是在靠近垃圾焚燒池、采礦、冶煉等活動地區。近年，隨著湛江東海島寶鋼、中科煉化、晨鳴紙業、冠豪高新特種紙業等項目落戶建成，排放的廢氣經大氣沉降后不斷地在紅樹林濕地沉降下來并累積，是紅樹林濕地重金屬污染的重要來源之一。鄭娜等[24]對鋅冶煉廠周圍土壤有毒元素研究表明，Cd、Pb、Zn、Hg等有毒元素濃度非常高，且主要來源于大氣沉降。而重金屬元素中Hg常溫下為液態，易揮發，是大氣沉降主要的重金屬元素。湛江紅樹林保護區陽光充足，年平均太陽總輻射強度達到4 500～5 600 MJ/m2。光照條件下，濕地沉積物中其他化學形態的Hg轉化為Hg0[25]，大量釋放到大氣中。進入大氣中的汞一部分通過植物吸收和大氣沉降重新回到紅樹林濕地，造成紅樹林濕地局部小循環，另一部分隨大氣循環遷移到其他地方，參與全球性大氣循環[26]。因此，對于靠近紅樹林濕地的居民區居民來說，會造成潛在的健康風險，如觀海長廊、金沙灣等地區。

3.2 水動力水動力條件對重金屬元素含量分布的作用主要是通過水流對污染物的運移和沉降來實現。目前普遍認為大量重金屬廢水排放入海后，由于各種物理、化學過程，迅速由水相轉化為固相，吸附在懸浮物中，而懸浮物在隨水流運動過程中，逐漸轉化為沉積物。尤其是在河口地區，大量的陸源污染物匯入海洋，隨著洋流擴散到其他地區，對沿海城市造成一定的海水污染等環境問題。由圖3可知，廣東存在著一股終年向西的沿岸流，即粵西沿岸流[27]。在粵西沿岸流的作用下，珠江口排放的重金屬污染物沿著海岸線向西擴散，同時譚江、漠陽江和鑒江流域的城區的“三廢”污染物等也在粵西沿岸流作用下向西擴散，到達雷州半島的東部海域，并在潮汐等水動力作用下，被雷州半島東岸紅樹林濕地截留。陳亮[28]對雷州半島東部海域常量元素分析表明，該海域沉積物主要來自珠江流域及粵西徑流的陸源物質。夏季，在雷州半島東部的氣旋式環流[29-30]和海南島東部的終年較強的東北向的南海暖流[31]的雙重作用下，雷州半島東部地區紅樹林濕地沉積物重金屬更難以向遠洋擴散，造成了雷州半島東岸紅樹林區不斷地累積粵西沿岸流帶來的重金屬污染物，這可能是雷州半島東岸紅樹林區(附城鎮)重金屬平均含量高于西岸紅樹林區(企水鎮)的原因之一。相似地，海口市南渡江排放的污染物在瓊州海峽終年向西的潮流作用下[28]，帶至南山鎮紅樹林濕地沉積物里。湛江港由東海島、南三島、特呈島、東頭山島四島圍繞形成，是一個典型的口小腹大的海灣，水流平穩，是天然的深水港，但不利于污染物擴散到灣外。由于湛江灣地形的影響，在東頭山島與特呈島之間存在著一股順時針運動渦流[32]，而南柳河入海口恰好位于兩島之間。南柳河排放的陸源污染物在渦旋的作用下，遷移到特呈島南側的紅樹林濕地并沉積下來，這可能是特呈島紅樹林濕地重金屬來源之一，而不僅僅是附近居民生活污水排放、化肥、漁船涂料[11]。

圖3 廣東沿岸海流示意Fig.3 Schematic Diagram of Guangdong Coastal Current

3.3 工業活動工業活動是紅樹林濕地重金屬污染的重要來源之一，如礦山開采、冶煉、電鍍和染料等活動過程中產生的廢水、廢渣、廢氣等。湛江灣是湛江市工業活動集中區域，包括寶鋼、中科煉化和港口等，同時也是觀海長廊、特呈島、東海島和南三島紅樹林濕地分布的區域。湛江港沿海區、調順島沿海區、麻斜沿海區，這些海區都是湛江居民密集區，工業和港口集中所在地，大量的陸源污染物和工業排放物排入灣內[33]，易造成灣內紅樹林濕地重金屬污染。郭笑宇等[34]研究表明，Cd、Cu和Pb的含量最高值恰好在特呈島的北岸海域，即霞山區沿海、麻斜地區的出水口。觀海長廊位于湛江沿海，工業較為集中，電鍍、染料廠排放的“三廢”[35]加上菉塘河的入海口位于觀海長廊紅樹林區，以及附近工地建筑活動對觀海長廊紅樹林重金屬污染造成一定影響。特呈島和南三島上雖然沒有發現工業和企業，其紅樹林濕地重金屬污染來源之一可能是大氣沉降和海灣渦旋的作用，將灣內工業活動產生的污染物帶至特呈島和南三島紅樹林區。通明海的紅樹林濕地所在的對岸有湛江晨鳴紙業有限公司，受其廢水排海的影響，該區 Zn 的含量普遍較高[16]。

3.4 農業活動雷州半島東海岸的南渡河、通明港、城月河，西海岸的流沙河、英利河、海康河等都是湛江紅樹林比較集中的地區[17]，也是農田和水產養殖比較集中的地區。在南渡河兩岸分布著大片的農田區。通明港、流沙港和安鋪等港口分布著大片的水產養殖基地，特別是安鋪港，建有東南亞最大的萬畝連片養蝦生產基地——龍營圍蝦塘，蝦塘數量達到537丘，養殖面積8.67 km2[36]。雷州、徐聞、廉江工業和企業很少，周邊紅樹林濕地接納農田徑流和畜禽養殖產生的污染物，這可能是雷州半島西岸紅樹林濕地重金屬含量相對偏高的原因。

湛江的網箱養殖區主要分布在特呈島，飼養過程中部分餌料的溶解和魚類糞便排泄物進入水中[10，17]。由于飼料添加劑廣泛使用，養殖排放的污水含有較高的Cu和Zn[37-39]，故該水域的 Cu污染現象可能與飼料添加劑的使用有關。南三島NHD站位附近水產養殖池塘較多，養殖污水通過暗管直接排入紅樹林，引起Cu和Zn污染[6]。東海島紅樹林As、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 這 6 種重金屬元素，推測其來源主要與水產養殖排污及農業面源污染有關[8]。陳碧珊等[11]調查發現，TCD1～TCD3 處于耕地附近，耕作過程常用到有機肥、堆肥、糞便和化肥農藥等，導致紅樹林沉積物中 As、Cd、Cu、Hg、Zn 等重金屬含量較高。

3.5 交通活動湛江紅樹林濕地大多分布在沿海灘涂上，往來船舶頻繁，尤其湛江灣，航運發達，擁有多個萬噸級港口。在船舶運輸過程中，排放的廢物、船舶涂料的脫落和零件損耗等產生的重金屬進入海里，經過絮凝、沉淀等方式在紅樹林濕地沉積物中累積。研究表明，海水比河水更能促進Cd和Cu的釋放[40]。目前船舶涂料中主要含Cu、Zn、Pb和Cd等重金屬元素。Ni、Cu和Pb因其耐海水腐蝕而被廣泛應用于船舶保護，且Ni也是汽油中的微量金屬元素，在船舶運輸過程中易對紅樹林濕地土壤造成重金屬污染[41]。這是東海島和觀海長廊紅樹林沉積物中的重金屬Cu、Zn、Pb和Cd含量較高的原因之一。除了船舶運輸對紅樹林重金屬污染有影響，交通活動也是濕地沉積物重金屬的來源之一。交通運輸主要是車輛尾氣、輪胎磨損顆粒、街道表面風化粒子及汽車制動摩擦的磨損粒子等在干濕沉降下造成濕地沉積物重金屬的積累[42]。汽車尾氣排放的Hg、輪胎磨損產生的Cu和Zn是道路周邊土壤重金屬的主要來源[43]。觀海長廊紅樹林區靠近觀海路和海景路等城市重要道路，其車流量大，加上附近有海上巴士和漁船停靠，汽車尾氣、輪胎磨損、漁船防護漆脫落及其燃油排放等產生的重金屬是觀海長廊紅樹林重金屬污染來源之一。南山鎮紅樹林靠近粵海鐵路港口，重金屬來源與列車軌道、列車輪軸和零件的磨損有一定的關系[44]。通明港、流沙港和湛江灣等港口內紅樹林重金屬來源主要與漁船涂料脫落和汽油排放等有關。

4 結語

經過多年的研究，廣東湛江紅樹林濕地沉積物重金屬污染已經積累了大量的有價值的數據和研究經驗，得到較多的成果。該研究通過對湛江紅樹林濕地重金屬來源可能途徑進行論述，認為大氣沉降和水動力這2種自然因素與工業、農業和交通活動是紅樹林濕地重金屬污染來源途徑，可為今后湛江紅樹林濕地重金屬污染研究以及其他地區相關研究中重金屬來源討論提供參考。同時，針對上述研究不足，在未來應加強以下幾方面的研究：①在研究紅樹林生態系統內的重金屬污染時，不僅要注意人為源的排放所導致的重金屬污染，也要注意自然源的影響。②大多數研究者均單獨研究沉積物、水、植物的重金屬含量狀況，而對“水—沉積物—植物”界面重金屬的遷移轉化機理缺乏研究，對植物根系微生物、抗重金屬蛋白等研究也比較少。紅樹林沉積物中元素的存在并非孤立的，它們是在各種復雜環境因素作用下形成特定的統一體。通過對沉積物中元素統一體進行研究，不僅能宏觀把握沉積物地球化學特性，而且對紅樹林生態系統內重金屬的遷移轉化具有重要意義。③目前對紅樹林重金屬遷移轉化的研究涉及紅樹林水生動物這一領域較少，例如魚類、貝類等水生動物體內的重金屬含量直接影響人類的健康。因此構建生物體與重金屬關系以及沉積物污染的生物評價指標是未來研究有關紅樹林重金屬研究的方向。