珠江口红树林湿地海水重金属污染评价及分析

徐颂军， 许观嫦， 廖宝文

(1. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631； 2. 中国林业科学研究院热带林业研究所， 广州 510520)



珠江口红树林湿地海水重金属污染评价及分析

徐颂军1*， 许观嫦1， 廖宝文2

(1. 华南师范大学地理科学学院， 广州 510631； 2. 中国林业科学研究院热带林业研究所， 广州 510520)

海水重金属是海洋环境质量评价体系中的重要因子，目前珠江口重金属污染问题突出，红树林湿地面积减少，为保护红树林海域环境、改善海水质量，探讨红树林湿地海水重金属的影响因子，对珠江口南沙红树林湿地、淇澳红树林保护区和深圳红树林保护区进行海水采集. 通过电感耦气等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定样品中Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn含量，并基于综合指数法评价海水质量. 重金属含量分析与评价结果表明：珠江口红树林湿地海水重金属含量居前的元素是Pb、As、Cd、Hg，含量较少的是Cr、Cu、Zn；综合3个研究区域单项重金属元素的污染程度，由高到低排序为：Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn；南沙红树林湿地、淇澳红树林保护区、深圳红树林保护区综合指数分别是2.132、13.074、6.398，南沙红树林湿地海水重金属污染为中度污染水平，淇澳、深圳红树林保护区海水重金属污染为严重污染水平；地理位置、潮位流速、红树林湿地生态系统、产业活动影响红树林湿地海水重金属污染程度，而水质要素对红树林海水重金属影响机理较为复杂，需进一步探讨. 文中评价珠江口红树林湿地海水重金属污染程度，探讨其影响因子，对保护珠江口红树林湿地有参考价值.

珠江口； 红树林； 海水； 重金属； 评价； 影响

海水是人为影响施加在海洋环境中的第一层受体，海水重金属生态危害性强：海水中溶解性重金属的富集效应可通过食物链直接或间接地影响土壤-水-生物-人类的健康系统[1-4]. 根据《2013年中国海洋环境状况公报》，2013年珠江重金属污染排放达到2 888t，河流重金属排放量为全国第二. 目前珠江口海水重金属的研究表明珠江口海水受到不同程度的重金属污染[5-7]，但对珠江口红树林湿地海水中重金属的研究缺乏. 红树林湿地是热带、亚热带地区陆地生态系统向海洋生态系统过渡的重要生态系统，具有重要的生态环境服务功能[8-10]，珠江河口曾是华南红树林分布的重要区域，由于受到自然和人类的干扰，珠江口地区红树林总面积由1988年的4.572 km2降低到2002年的4.170 km2，整体呈现面积减少的趋势[11]. 因此，本文研究珠江口面积最大、典型的红树林湿地南沙红树林湿地(简称“南沙”)、淇澳红树林保护区(简称“淇澳”)、深圳红树林保护区(简称“深圳”)的海水重金属污染情况，进行重金属污染评价并分析其海水重金属污染的影响因子，为保护红树林湿地提供一定的参考意义.

1 材料与方法

1.1 样品采集

2013年9月下旬，分别在南沙红树林湿地、淇澳红树林保护区、深圳红树林保护区选取了9、9、12个样点进行了表层(0～20 cm)海水重金属取样分析，样点位置均匀设置在红树林保护区，样点N2、N6、Q1、Q2、Q5、Q6、S9、S10、S11和S12设置在红树相对稀疏的位置，以作对比，具体样点位置布设见图1. 所有样品采集选用聚乙烯材质采水器，并选用清洗干净的350 mL塑料瓶装取水样，水样现场滴加1 mL体积分数为1%的HNO3溶液，以保持样品中金属元素的稳定性.

1.2 水质分析方法

水样采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn含量，其他水质指标(pH、DO(溶解氧)、Sal(盐度))采用YSI-ProPlus水质分析仪现场测定，TSS(总悬浮颗粒物)按照国家标准HY 003.4-91重量法当天测定.

图1 珠江口红树林湿地样点分布图

Figure 1 The distribution of sampling points in the Pearl River Estuary’s mangrove wetland

1.3 评价标准

分析研究区域中海水Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn的含量，参照《海水水质标准》(GB 3097-1997)[12]中重金属含量的标准值，以国家二类海水水质标准值作为评价指标. 各重金属元素含量评价标准值见表1.

表1 海水水质标准值

1.4 评价方法

海洋环境质量评价的可靠程度取决于监测数据的准确性与时效性，同时也取决于采用的评价方法是否科学、合理. 目前国内对水质评价的方法通常有指数法、分级评分法、概率统计法和模糊数学法等，其中综合指数法计算简单、应用广泛、有效可行[13-16]. 综合指数法计算公式如下：

(1)

(2)

其中，Pi、Ci和Si分别为某因子i单项指数、实测数据和评价标准(二类海水水质标准)，m为因子i参与评价样品总数，WQIi为水质综合指数.

海水重金属的污染水平等级划分[17]见表2.

表2 海水重金属综合污染指数与污染程度的关系

2 结果与分析

2.1 含量分析

分别测定南沙红树林湿地9个水样(样点号Ni，i=1，…，9)、淇澳红树林保护区9个水样(样点号Qi，i=1，…，9)、深圳红树林保护区12个水样(样点号Si，i=1，…，12)中Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn的含量. 通过均值比较(表3)，珠江口3个红树林湿地海水重金属含量居前的元素是Pb、As、Cd、Hg，含量较少的是Cr、Cu、Zn，表明3个研究区域重金属污染种类相似. 各重金属元素含量与二类海水标准值比较(图2)，南沙红树林湿地、淇澳红树林保护区、深圳红树林保护区中分别有2、6、6个样点超出Hg二类海水标准，1、8、3个样点超出Cd二类海水标准，2、7、3个样点超出Pb二类海水标准，深圳红树林自然保护区有2个样点超出As二类海水标准，3个研究区域的Cr、Cu、Zn均符合二类海水标准. 综合超标样点数量分析，淇澳红树林保护区超出二类海水标准值的样点数最多，3个研究区域的二类海水达标率为南沙(92.1%)、深圳(83.3%)、淇澳(66.7%). 3个研究区域中Hg的平均达标率最低(53.7%)，其次为Cd和Pb，平均达标率为55.3%，As达标率为94.4%，Cr、Cu、Zn达标率最高.

表3 珠江口红树林湿地海水重金属含量均值比较

2.2 污染水平评价

根据式(1)、(2)对南沙红树林湿地、淇澳红树林保护区、深圳红树林保护区海水的重金属元素进行单项污染指数Pi和综合污染指数WQI的计算. 从表4可见，南沙红树林湿地的重金属元素污染程度由高到低的排序是Hg、Cd、Pb、Cu、As、Cr、Zn；淇澳、深圳红树林保护区的重金属元素污染程度由高到低的排序是Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn. 综合3个研究区的Pi均值， 可得其单项重金属元素的污染程度由高到低排序为Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn. 基于WQI判断，3个研究区由高到低排序为淇澳、深圳、南沙，即淇澳红树林保护区重金属污染最严重，深圳次之，南沙污染程度最低. 根据表2，判断南沙红树林湿地海水重金属污染为中度污染水平，淇澳、深圳红树林保护区海水重金属污染为严重污染水平.

根据式(1)计算各样点污染值，比较3个研究区域各样点的污染程度(图3)，N2、N6、Q1、Q2、Q5、Q6、Q7、S9、S10、S11、S12在各区域中重金属污染较为严重，淇澳红树林保护区和深圳红树林保护区样点的重金属污染程度高于南沙红树林湿地.

2.3 相关性分析

据研究[18-20]报道，海水重金属含量与pH、 Sal、TSS等相关. 针对红树林湿地，本文选取常见水质指标pH、DO、Sal、TSS，通过相关性分析探讨其对红树林湿地海水重金属的影响以及重金属之间的关系，相关系数r见表5. 南沙红树林湿地各重金属元素与DO大体成正相关，r变化范围是0.34～0.75;与Sal和TSS大体呈负相关，r分别为-0.02～-0.86、-0.33～-0.73. As-Zn相关系数为0.75，为显著相关(P<0.05)，Hg-Pb、Cd-Cu、Pb-Cu、Pb-Zn、Cr-As、Cu-Zn有一定相关性，相关系数分别为0.57、0.47、0.60、0.60、0.54、0.49，其余重金属之间相关性弱. 淇澳红树林保护区各重金属元素整体上与水质要素相关性弱，但Hg与pH、DO、Sal、TSS有一定相关性，重金属之间As-Cd、Pb-As、Cr-Zn有一定相关性，相关系数分别为0.89、-0.42和1.00，其余重金属之间相关性弱. 深圳红树林湿地各重金属与pH大体呈负相关，r变化范围是-0.04～-0.74;Hg与pH、DO成显著负相关，As与pH、DO、Sal、TSS成显著负相关，Hg-As、Cd-Cu、Cd-Pb、Pb-Cr、Pb-As、Pb-Cu有一定相关性，相关系数分别为0.61、0.42、0.51、0.42、-0.50和0.51，其余重金属之间相关性弱.

图2 珠江口红树林湿地各样点海水重金属含量柱状图

注：括号内的数字为Pi均值．

图3 珠江口红树林湿地各样点海水重金属污染程度图

表5 珠江口红树林湿地海水重金属与水质要素相关系数

注：*表示在置信度为 0.05 时，相关性是显著的；**表示在置信度为 0.01 时，相关性是极显著的；”—”为无数据.

3 讨论

海水重金属含量的影响因素复杂[21-24]，本文根据珠江口红树林湿地重金属污染程度差异，探讨红树林湿地海水重金属的影响因子.

(1)地理位置. 南沙红树林湿地位于珠江口上游，淇澳红树林保护区和深圳红树林保护区处于珠江口下游，淇澳红树林保护区位于珠江口西边的淇澳岛上，由于上下游和地转偏向力因素，海水流动方向偏于下游西边，所以淇澳红树林保护区是珠江口海水集中流经的地方. 深圳红树林保护区位于珠江口东边的深圳湾，深圳湾海水交换处于半封闭状态，海水交换率低，自净能力弱. 因此，从地理位置差异角度分析，南沙红树林湿地海水污染程度较低，深圳红树林保护区次之，淇澳红树林保护区污染程度较严重.

(2)潮位、流速. 风浪扰动易引起近岸水体地质泥沙的再悬浮，进而引起吸附在颗粒物表面的重金属溶出释放，或者溶解态重金属直接由间隙水向上覆水释放[25]. 海水的潮汐作用和流速增强加大风浪扰动作用，促使溶解态重金属的释放，增加海水重金属含量. 南沙红树林湿地水位通过抽排方式控制于2 m左右，没有明显潮差变化，海水流速为0.12 m/s；淇澳红树林保护区海水潮位变化较快，平均潮位差是1.61 m，海水流速为0.44 m/s；深圳红树林保护区平均潮位差1.36 m[26]，海水流速为0.12 m/s. 海水流速快、潮位变化明显的区域，其悬浮物、地质泥沙容易析出溶解态重金属，海水重金属含量增加，因此淇澳红树林保护区重金属污染程度较深圳红树林保护区和南沙红树林湿地严重.

(3)红树湿地生态系统. 红树林湿地系统具有重金属污染净化功能[27]，且红树植物本身具有吸收重金属并在其体内分布的功能[28-29]，红树种植相对稀疏的样点N2、N6、Q1、Q2、Q5、Q6、S9、S10、S11、S12重金属污染相对严重(图3)，红树种植相对茂密的样点Q7重金属污染程度明显小于同一河道的样点Q6，可见红树植物有净化重金属污染的作用. 章金鸿等[30]发现红树林土壤对4种元素的吸收量从高到低排序为Zn、Cu、Pb、Cd，李柳强[26]研究多种红树对重金属的富集系数，得出红树植物重金属含量从高到低排序为:Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd，湿地土壤、红树植物对重金属的富集系数高，则海水重金属含量相对低，符合本文红树林湿地中海水Pb、As、Cd、Hg含量较多，Cr、Cu、Zn含量较少的研究结果.

(4)产业活动. 据实地调查，南沙红树林湿地是经营性湿地旅游区，旅游区内环境受到严格控制，湿地1 km以内以农家乐、生态旅游产业为主，无工业产业分布；淇澳红树林湿地是开放性旅游区，周边有餐饮、粗放式的基围养殖业[31]，基围养殖业以养殖生蚝、鱼虾等为主，所产生的养殖废水影响海水质量[32-33]；深圳红树林保护区受到封闭性保护，无产业直接分布于保护区内，但周边是密集生活区，各种污水经明、暗渠直接排放到湿地内，影响海水重金属含量[34]. 南沙红树林湿地受到的外源污染少，淇澳红树林保护区和深圳红树林保护区受到外源污染较多. 样点N2、N6、Q1、Q2、Q5、Q6、Q7、S9、S10、S11、S12均位于产业活动强烈或海水汇流处，海水重金属污染相对严重(图3)，N2是湿地外围出海口；N6是连接外海的河涌，有各种污水、厨余垃圾等排入；Q1、Q2、Q5、Q6、Q7是连通基围养殖水域和围外的通海水道，Q1、Q2的5 m范围内有餐馆和管理区码头；S9、S10、S11、S12为明渠排污口或污水汇流处，污水不经处理直接排放于湿地海水内. 因此，推断产业活动是海水重金属的主要来源，从而造成红树林湿地海水重金属污染.

(5)水质要素. 周静等[18]认为西沙海域海水盐度是影响海水重金属含量分布因子；黄清辉等[19]认为长江河口海水中溶解态Cu、Cd随盐度增加而增加，Pb则相反；贺志鹏等[1]认为南黄海海水重金属受海域环境影响，如Pb受大气沉降影响较大，Cd与海水盐度和pH密切相关，Hg受海水中有机碳浓度影响较大，沉积物再悬浮影响着As的浓度与分布，Cu、Zn则典型地受到了径流和排污的影响；林彩等[20]认为厦门湾海水重金属与盐度、悬浮物、总有机碳正相关，与pH负相关. 作为红树林湿地海水，本文通过研究区域海水重金属与pH、DO、Sal、TSS相关性分析可得，红树林湿地受到水质要素影响的类别和程度不同，南沙红树林湿地海水重金属与DO大体成正相关，与Sal、TSS成负相关，深圳红树林保护区海水重金属与pH大体成负相关，淇澳红树林保护区海水重金属则与水质要素相关性不大. 3个研究区域重金属之间相关性各异，无明显关系. 可见影响珠江口红树林湿地海水重金属的水质要素较为复杂，需进一步探讨.

4 结论

本文对珠江口红树林湿地海水进行重金属含量分析与污染评价，海水重金属含量居前的是Pb、As、Cd、Hg，含量较少的是Cr、Cu、Zn；综合3个研究区域单项重金属元素的污染程度，Hg污染程度最严重，其次是Cd和Pb；基于WQI判断，3个研究区由高到低排序为淇澳、深圳、南沙，评价南沙红树林湿地海水重金属污染为中度污染水平，淇澳、深圳红树林保护区海水重金属污染为严重污染水平；地理位置、潮位流速、红树林湿地生态系统、产业活动影响红树林湿地海水重金属的污染程度，水质要素对红树林海水重金属影响机理较为复杂，需进一步探讨.

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Evaluationand Analysis on Heavy Metals’ Pollution in Mangrove Wetland’s Seawater of the Pearl River Estuary

XU Songjun1*, XU Guanchang1, LIAO Baowen2

(1. School of Geographical Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 2. Research Institute of Tropical Forestry, CAF, Guangzhou 510520,China)

Heavy metals of seawater are important factors in marine environmental quality evaluation system. Currently, not only Pearl River has a serious heavy metal contamination problem, but also the area of mangrove wetland reduces fast. In order to protect the seawater’s environment of mangrove wetland and improve seawater quality, the factors that impacted heavy metals in the mangrove wetland’s seawater are explored. By sampling seawater of Nansha mangrove wetland, Qi’ao mangrove nature reserve and Shenzhen mangrove nature reserve, the content of Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) is tested and the seawater quality based on Comprehensive Index method is evaluated. Based on the analysis and evaluation of heavy metal contents, the result shows that the most contents of heavy metal in seawater of the Pearl River’s mangrove wetland are Pb,As,Cd,Hg,and the less is Cr,Cu,Zn. Integration of the three areas shows the pollution degree of heavy metal from the highest to the lowest is Hg,Cd,Pb,As,Cu,Cr,Zn. Nansha mangrove wetland, Qi’ao mangrove nature reserve and Shenzhen mangrove nature reserve’s composite index are 2.132,13.074,6.398 respectively. The heavy metal pollution of seawater in Nansha mangrove wetlands is moderate pollution by evaluation. Qi’ao mangrove nature reserve and Shenzhen mangrove nature reserve are seriously polluted.Geography, tidal, velocity, the mangrove wetland ecosystems and industrial activities affect heavy metal pollution of the marine mangrove wetlands, but the seawater quality factors that impacted heavy metals in mangrove seawater is complex, and it is required further research. The pollution of heavy metals in mangrove seawater of the Pearl River Estuary is evaluated in this paper, and it has certain reference value to protect the Pearl River Estuary mangrove wetlands.

the Pearl River Estuary; mangroves; seawater; heavy metal; evaluation; influence

2016-03-24 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(41271060，41176084)；广州市林业和园林局项目(2014-7)

X824

A

1000-5463(2016)05-0044-08

*通讯作者:徐颂军，教授，Email:xusj@scnu.edu.cn.