長(zhǎng)江口鹽沼濕地沉積物重金屬空間分布特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張諾，劉其根， 陳麗平，展源，胡忠軍*

(1.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,上海 201306；2.上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部魚類營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究中心，上海 201306)

潮間帶濕地是河流、海洋和陸地交互作用而形成的特殊生態(tài)系統(tǒng)，在保護(hù)生物多樣性及維持沿海水體水質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用[1]。而潮間帶作為連接陸地和海洋的紐帶，受人類影響嚴(yán)重，是陸源污染物進(jìn)入海洋的主要途徑和污染物富集的重要場(chǎng)所[2]。重金屬因難以降解使其產(chǎn)生的污染具有持久性，在環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，沉積物中的重金屬會(huì)釋放進(jìn)入水體，沿著食物鏈危害海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，造成“二次污染”[3-6]，因此，沉積物中的重金屬已成為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

潮間帶濕地沉積物為重金屬的沉積庫(kù)，對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要影響，因此，研究鹽沼濕地沉積物重金屬分布與累積具有重要意義[7]。目前，很多學(xué)者關(guān)注潮間帶濕地沉積物重金屬污染問(wèn)題，研究主要集中在人類活動(dòng)對(duì)潮間帶濕地沉積物重金屬污染的影響[8]，但對(duì)重金屬在不同鹽沼生境之間的分布及其影響因素的研究還相對(duì)較少。鹽沼濕地沉積物重金屬分布與累積受到很多生物、物理和化學(xué)因素的影響，如植物對(duì)重金屬的吸收與再釋放、植被蓋度、生物活動(dòng)、人類活動(dòng)、水動(dòng)力條件、沉積物粒徑及其有機(jī)質(zhì)含量和溫度[9-13]。

長(zhǎng)江口是世界最重要的河口之一，約90%的陸源物質(zhì)經(jīng)由長(zhǎng)江口進(jìn)入東海，其中大量污染物被轉(zhuǎn)移到了沉積物中，成為長(zhǎng)江三角洲地區(qū)生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期潛在影響因素[14]。海三棱藨草Scirpusmariquete和蘆葦Phragmitesaustralis是長(zhǎng)江口鹽沼濕地的土著植物物種，特別是前者為中國(guó)特有種，但互花米草Spartinaalterniflora所造成的生物入侵和過(guò)度圍墾導(dǎo)致海三棱藨草分布面積急劇減少，其生存受到了極大的威脅。因此，上海市啟動(dòng)實(shí)施了一些互花米草控制和海三棱藨草恢復(fù)的工程。一些學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江口潮間帶沉積物重金屬進(jìn)行了污染評(píng)價(jià)，在根際重金屬含量的季節(jié)變化，植物對(duì)重金屬的吸收，重金屬的沿岸、垂岸、垂向空間分布及其與沉積物有機(jī)質(zhì)和粒徑等因子的關(guān)系等方面進(jìn)行了研究報(bào)道[15-25]，但采樣時(shí)間較早且對(duì)不同鹽沼生境間重金屬變化的研究較少[26]。本研究中，通過(guò)測(cè)定長(zhǎng)江口存在藨草潮間帶濕地的不同生境7種沉積物重金屬，探討重金屬的空間分布及其生境間的差異性，并對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為長(zhǎng)江口潮間帶濕地的保護(hù)和污染防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘆潮港人工濕地位于長(zhǎng)江三角洲陸上部分的東南角(30°51′478″N, 121°55′36″E)，處在長(zhǎng)江口和杭州灣水動(dòng)力的交界帶，附近有蘆潮港碼頭、東海大橋和濱海濕地自然風(fēng)景，吸引了大量附近居民前來(lái)觀潮和拾貝等，因此，常常受到嚴(yán)重的踩踏等人為干擾。濕地植被主要包括海三棱藨草和互花米草。

南匯東灘濕地亦位于長(zhǎng)江口和杭州灣的交互地帶(30°58′26″N, 121°58′6″E)，灘涂動(dòng)力沉積和地貌演變過(guò)程主要受到長(zhǎng)江入海水沙、近岸水沙輸移、沉積動(dòng)力過(guò)程、地貌沖淤變化和圍墾工程的影響。該濕地有大量漁民活動(dòng)，在灘涂使用漁船或簡(jiǎn)易設(shè)備偷捕魚類或梭子蟹Portunus等經(jīng)濟(jì)水生動(dòng)物。濕地距老港排污口約13.4 km，沉積物重金屬含量可能受到排污的影響。濕地植被主要有海三棱藨草和蘆葦。

炮臺(tái)灣森林公園濕地位于上海市寶山區(qū)東部(31°23′49″N, 121°30′30″E)，該公園在長(zhǎng)江灘涂自然濕地基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成，東臨長(zhǎng)江、黃浦江，沿江岸線長(zhǎng)達(dá)1.97 km，其西南角是著名的吳淞口，日常貨運(yùn)船只繁忙。濕地距石洞口排污口約11.2 km，距竹園排污口約12.1 km，沉積物重金屬含量亦可能受到排污影響，濕地植被主要為藨草Scirpustriqueter和蘆葦。

崇明東灘團(tuán)結(jié)沙濕地(31°27′32″N, 121°55′53″E)和東旺沙濕地(31°34′53″N, 121°54′59″E)位于上海市崇明東灘鳥(niǎo)類自然保護(hù)區(qū)，是長(zhǎng)江口地區(qū)最大的自然濕地之一。東灘濕地作為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，受人為因素影響較小。崇明東灘團(tuán)結(jié)沙濕地的植被主要為藨草屬(包括藨草和海三棱藨草)和蘆葦。東旺沙濕地對(duì)互花米草進(jìn)行了治理，植被僅存海三棱藨草。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與預(yù)處理 2018年8—9月，于蘆潮港人工濕地、南匯東灘濕地、炮臺(tái)灣森林公園濕地、崇明東灘團(tuán)結(jié)沙濕地、崇明東灘東旺沙濕地[下文分別簡(jiǎn)稱為蘆潮港(LCG)、南匯東灘(NHDT)、炮臺(tái)灣(PTW)、團(tuán)結(jié)沙(TJS)、東旺沙(DWS)](圖1)進(jìn)行沉積物樣品的采集。根據(jù)高程從高到低排序，蘆潮港主要生境為互花米草、海三棱藨草和光灘，南匯東灘主要生境為蘆葦、海三棱藨草和光灘，炮臺(tái)灣主要生境為蘆葦、藨草和光灘，團(tuán)結(jié)沙主要生境為蘆葦、藨草屬植物(包括藨草和海三棱藨草)和光灘，東旺沙對(duì)互花米草進(jìn)行了治理，植被僅存海三棱藨草。

圖1 長(zhǎng)江口潮灘采樣點(diǎn)分布Fig.1 Locations of sampling sites in intertidal flat in Yangtze River estuary

采樣點(diǎn)的布設(shè)為每一種植被設(shè)6個(gè)點(diǎn)，垂直于海岸設(shè)置3個(gè)平行，每個(gè)平行采集2個(gè)樣品。光灘與植被采樣方法相同。用于測(cè)定粒徑的沉積物樣品采集于2018年11月及2019年1月、4月、7月，與沉積物采集方法相同。

樣品的采集、貯存和運(yùn)輸均按照 《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378—2007)的規(guī)定執(zhí)行，于退潮時(shí)用柱狀采泥器(底面直徑5 cm，高20 cm)，采集潮灘濕地植物及沉積物(0～20 cm)，剔除石塊、植物殘?bào)w、貝殼等雜物，置于聚乙烯袋密封，保存在陰涼處，24 h內(nèi)運(yùn)回水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室。沉積物經(jīng)自然風(fēng)干，按四分法收集，用研缽研磨，過(guò)0.15 mm網(wǎng)目的尼龍篩，置于聚乙烯樣品袋貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品分析

1)沉積物重金屬含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的測(cè)定。沉積物樣品重金屬含量檢測(cè)均在上海交通大學(xué)分析與測(cè)試中心進(jìn)行。取沉積物(0.500±0.001)g風(fēng)干樣品于PTFE管中，加入3 mL氫氟酸、3 mL王水，置于石墨消解儀中消解，溫度120 ℃，時(shí)長(zhǎng)4 h。結(jié)束后再加入3 mL王水和2 mL高氯酸，繼續(xù)加熱，溫度120 ℃，時(shí)長(zhǎng)4 h。之后開(kāi)蓋將溫度升至175 ℃進(jìn)行趕酸，趕至溶液近干。取出前(120 ℃)加2 mL硝酸，10 mL純水，加蓋回溶4 h轉(zhuǎn)入樣品瓶，定容至50 mL。利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES，型號(hào)為ICP7600)進(jìn)行沉積物重金屬Cu、Cr、Zn、Mn、As、Pb、Cd含量的測(cè)定。其儀器檢出限(dl)分別為0.002、0.004、0.005、0.000 5、0.03、0.03、0.003 mg/L。每批樣品取相同的兩份，其中一份加入定量的待測(cè)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，兩份均按照樣品處理步驟測(cè)定，加標(biāo)的一份所得結(jié)果減去未加標(biāo)的一份所得結(jié)果，其差值同分析物的加標(biāo)量之比即為樣品加標(biāo)回收率。計(jì)算得出加標(biāo)回收率為81.6%～108.4%。試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GSS-29(GBW07385，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究所)。分析過(guò)程中用沉積物標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，儀器分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值誤差均在允許范圍內(nèi)。

2)沉積物總氮(TN)和有機(jī)碳(TOC)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的測(cè)定。沉積物有機(jī)質(zhì)影響重金屬的吸附、絡(luò)合與螯合作用及其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而影響重金屬的累積，因此,重金屬分布與有機(jī)質(zhì)存在密切關(guān)系[23,27]。本研究中對(duì)沉積物TOC(可用來(lái)表征有機(jī)質(zhì)的大小)和TN進(jìn)行了測(cè)定。

TOC的測(cè)定：用1.0 mol/L的分析純鹽酸將樣品中的無(wú)機(jī)碳酸鹽去除，去除之后重新烘干研磨，稱取0.25 g標(biāo)準(zhǔn)品(L-Glutamic acid)和0.20 g的沉積物樣品放入專用樣品管中，置于元素分析儀(艾力蒙塔)中測(cè)定。

TN的測(cè)定：稱取0.25 g標(biāo)準(zhǔn)品(L-Glutamic acid)和0.20 g的沉積物樣品放入專用樣品管中，置于元素分析儀(艾力蒙塔)中測(cè)定。

3)沉積物粒徑(GS)的測(cè)定。稱取5.00 g沉積物干樣放入100 mL的燒杯中，加蒸餾水浸泡24 h，再在燒杯中加入10 mL 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2O2溶液去除有機(jī)質(zhì)，加入10 mL 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HCl溶液去除鈣質(zhì)，加入蒸餾水對(duì)樣品進(jìn)行中和后再加入10 mL 6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))六偏磷酸銨溶液，超聲波震蕩10 min后使用激光分析儀(MS2000)進(jìn)行粒徑測(cè)定，儀器測(cè)定粒徑范圍為0.02～2 000 μm，分析結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動(dòng)打印輸出，主要內(nèi)容包括體積平均粒徑、中值粒徑、峰態(tài)及粒度分布曲線等參數(shù)。每個(gè)樣品采用體積平均粒徑，每個(gè)濕地每種生境4個(gè)季節(jié)粒徑數(shù)據(jù)的平均值即為每個(gè)濕地每種生境的粒徑值。

1.2.3 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1) 沉積物重金屬地積累指數(shù)法。選擇地積累指數(shù)(Igeo)法評(píng)價(jià)重金屬污染程度[28]，計(jì)算公式如下：

Igeo=log2[wn/(K×Bn)]。

其中：wn為元素n在沉積物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)(實(shí)測(cè)值)；Bn是元素n的地球化學(xué)背景值(mg/kg)；K為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取得系數(shù)，一般取值為1.5[23]。

本研究中以上海市土壤重金屬的地球化學(xué)背景值作為參比值，Cu、Cr、Zn、Mn、As、Pb、Cd的背景值分別為26.7、74.4、78.2、560.2、8.8、17.0、0.18 mg/kg[29]。根據(jù)Igeo值將污染等級(jí)分為7級(jí)(0～6級(jí))：0級(jí)，Igeo≤0，清潔；1級(jí)，05，嚴(yán)重污染。

2) 沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。采用瑞典學(xué)者Hakanson[30]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)長(zhǎng)江口潮間帶沉積物重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估[31]。根據(jù)污染物的種類和數(shù)量對(duì)單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)(Er)、多種元素的污染沉積物程度參數(shù)(wd)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[32-35]，以便能更真實(shí)地反映長(zhǎng)江口潮間帶濕地的沉積物重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 污染程度評(píng)價(jià)。采用單一重金屬污染參數(shù)wf和多種重金屬污染參數(shù)wd評(píng)價(jià)污染程度，計(jì)算公式如下:

wf=wn/ws，

wd=∑wf。

其中：wn為重金屬的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)；ws為重金屬的評(píng)價(jià)參考值(mg/kg)；wf為單一元素污染參數(shù)；wd為多種元素污染參數(shù)。wf和wd的污染程度劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

(2) 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。采用Er和RI評(píng)價(jià)長(zhǎng)江口潮灘濕地的潛在重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下：

Er=Tr×wf，

RI=∑Er。

其中：Er為單一重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù);Tr為重金屬的毒性響應(yīng)參數(shù)，Cu、Cr、Zn、Mn、As、Pb、Cd的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為5、2、1、1、10、5和30[30,36];RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。Er和RI所對(duì)應(yīng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 重金屬污染參數(shù)、潛在生態(tài)危害程度與評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系[34]Tab.1 Levels of heavy metals pollution and potential ecological risk, and the relationship between assessment factors[34]

(3) 沉積物有機(jī)污染評(píng)價(jià)。

有機(jī)指數(shù)(OI)評(píng)價(jià)[37]：計(jì)算公式為

OI=w(TOC)×w(有機(jī)氮),

有機(jī)氮=w(TN)×0.95。

污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[37]：1級(jí)，OI<0.05，清潔；2級(jí)，0.05≤OI<0.20，較清潔；3級(jí)，0.2≤OI<0.5，尚清潔；4級(jí)，OI≥0.5，有機(jī)污染。

有機(jī)氮指數(shù)(ON)評(píng)價(jià)[37]：計(jì)算公式為

ON=w(TN)×0.95。

污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為[37]：1級(jí)，ON<0.033%，清潔；2級(jí)，0.033%≤ON<0.066%，較清潔；3級(jí)，0.066%≤ON<0.133%，尚清潔；4級(jí)，ON≥0.133%，有機(jī)氮污染。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±S.E.)表示。通過(guò)SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)和非參數(shù)檢驗(yàn)(K-W檢驗(yàn))分析5個(gè)濕地每個(gè)地點(diǎn)7種重金屬、TN、TOC含量和粒徑的差異性，以及分析蘆潮港、南匯東灘、炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙4個(gè)濕地不同生境沉積物7種重金屬含量和TN、TOC的差異性，每個(gè)地點(diǎn)生境間粒徑不做差異性檢驗(yàn)，多重比較采用Duncan檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)為0.05，數(shù)據(jù)均使用公式lg(x+1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，以去除變量之間量級(jí)不同帶來(lái)的影響。運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析對(duì)7種重金屬進(jìn)行來(lái)源分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物重金屬空間差異性分析

長(zhǎng)江口不同濕地沉積物中，Cu和TOC含量東旺沙最高，TN和其他6種重金屬含量均是南匯東灘最高；TN、As和Cd含量團(tuán)結(jié)沙最低，TOC、Pb、Mn、Zn、Cr、Cu含量均是蘆潮港最低。Cu(χ2=65.255，P<0.001)、Cr(χ2=53.754，P<0.001)、Zn(χ2=61.695，P<0.001)、Mn(χ2=58.635，P<0.001)、As(F=9.384，P<0.001)、Pb(χ2=54.535，P<0.001)、Cd(χ2=29.253，P<0.001)7種重金屬及TOC(χ2=69.775，P<0.001)、TN(χ2=53.860，P<0.001)含量和GS(χ2=37.494，P<0.001)在不同濕地間均存在極顯著性差異(表2)。

南匯東灘和東旺沙的Cu、Zn、Mn和As含量均顯著高于蘆潮港和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)，南匯東灘和東旺沙Mn、As含量均顯著高于炮臺(tái)灣(P<0.05)，炮臺(tái)灣的Zn含量顯著高于蘆潮港和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)；南匯東灘的Cr和Pb含量顯著高于蘆潮港、炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)；南匯東灘和東旺沙TOC含量顯著高于炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)，四者均顯著高于蘆潮港(P<0.05)；南匯東灘TN含量顯著高于蘆潮港、炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)；蘆潮港GS顯著大于炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙(P<0.05)，三者均顯著高于南匯東灘和東旺沙(P<0.05)(表2)。

表2 長(zhǎng)江口不同濕地沉積物重金屬、粒徑、總氮和有機(jī)碳含量

2.2 重金屬垂岸生境間變化格局

在蘆潮港，除Mn和Pb外的其他5種重金屬及TN含量從光灘、藨草到互花米草生境呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中Zn(F=5.110，P=0.020)和TN(χ2=9.768，P=0.008)含量在生境間存在顯著性差異；在南匯東灘，Zn、Mn、As、Cd、Cu、TN和TOC含量從光灘、藨草到蘆葦生境呈增加的趨勢(shì)，其中Cu(F=4.330，P=0.033)、TN(χ2=14.465，P=0.001)和TOC(χ2=13.928，P=0.001)含量在生境間存在顯著性差異(表3)。

在炮臺(tái)灣，除了光灘的Zn和As含量低于藨草類外，其他5種重金屬含量從光灘、藨草到蘆葦生境有逐漸下降的趨勢(shì)，其中Cr(F=8.675，P=0.003)、Mn(F=10.043，P=0.002)、As(χ2=9.312，P=0.010)和Cd(χ2=7.650，P=0.022)含量在生境間存在顯著性差異;團(tuán)結(jié)沙Cu、Cr和Cd含量有從光灘、藨草類到蘆葦生境呈逐漸下降的趨勢(shì)，Pb和TN含量有增加的趨勢(shì)，Zn、Mn和As含量藨草類生境較高、蘆葦生境較低，TOC含量藨草類生境較高，其中僅Zn(χ2=9.635，P=0.008)、Cd(χ2=10.659，P=0.005)、TN(χ2=12.613，P=0.002)和TOC(χ2=9.345，P=0.009)含量在生境間存在顯著性差異(表3)。

2.3 重金屬污染、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及有機(jī)污染評(píng)價(jià)

2.3.1 重金屬污染評(píng)價(jià) 5個(gè)潮間帶濕地沉積物Cu的Igeo均為0，處在清潔狀態(tài)； Cr、Zn、Mn和As的Igeo為0～1，污染等級(jí)為清潔—輕度污染；Pb和Cd的Igeo處在2～3之間，污染等級(jí)為偏中度污染—中度污染(表4)。5個(gè)濕地中，南匯東灘和東旺沙的污染程度相對(duì)較高，5個(gè)采樣點(diǎn)中Cu 污染級(jí)別均為清潔，Cd的污染等級(jí)比其他3個(gè)濕地高1個(gè)等級(jí)或等級(jí)相同，Cr、Zn、Mn、As、Pb污染均高1個(gè)等級(jí)。

2.3.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 單一元素污染(wf)現(xiàn)狀分析表明：不同濕地沉積物Cu、Zn、Mn和As分別處在低污染、中污染2個(gè)污染等級(jí)，Cr處于中度污染狀態(tài)，Pb和Cd存在較高污染、很高污染兩個(gè)等級(jí)；各重金屬的wf平均值依次為Cd>Pb>Mn>Cr>As>Zn>Cu，表明長(zhǎng)江口濕地Cd的污染程度最高，Pb其次，Cu最低(表5)。

多元素污染(wd)現(xiàn)狀分析顯示，長(zhǎng)江口5個(gè)濕地的wd值為12.96～23.20，其中，蘆潮港和團(tuán)結(jié)沙的wd較低，處于中等污染程度；南匯東灘和東旺沙的wd較高(>20)，這2個(gè)濕地和炮臺(tái)灣均處在較高污染程度(表5)。

單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(Er)評(píng)價(jià)表明：5個(gè)濕地沉積物Cd均存在高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Pb存在低和中等2個(gè)等級(jí)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其他5種重金屬均為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，且不同濕地間均無(wú)等級(jí)差別；長(zhǎng)江

表3 長(zhǎng)江口濕地沉積物生境間的差異分析Tab.3 Differential analysis of sediments habitats in wetlands of Yangtze River estuary

表4 長(zhǎng)江口濕地沉積物重金屬地積累指數(shù)(Igeo)、有機(jī)指數(shù)(OI)和有機(jī)氮指數(shù)(ON)及其污染級(jí)別

口濕地各重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Er平均值從大到小依次為Cd、Pb、As、Cu、Cr、Mn和Zn(表5)。

多元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(RI)評(píng)價(jià)表明，南匯東灘濕地的RI值最高，東旺沙和炮臺(tái)灣次之，3個(gè)濕地均具有很高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，蘆潮港和團(tuán)結(jié)沙RI值較低，均屬高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(表5)。

表5 長(zhǎng)江口濕地沉積物重金屬污染程度(wf，wd)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Er，RI)

2.3.3 有機(jī)污染評(píng)價(jià) 有機(jī)指數(shù)(OI)分析表明，蘆潮港沉積物較清潔，處在第2污染等級(jí)，其他4個(gè)濕地及長(zhǎng)江口整體為尚清潔，處在第3污染等級(jí)。有機(jī)氮指數(shù)(ON)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，5個(gè)濕地均存在有機(jī)氮污染，處在第4污染級(jí)別(表4)。

2.4 重金屬之間及與有機(jī)碳和粒徑之間的相關(guān)性分析

7種重金屬兩兩間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，它們與TOC也存在極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)；粒徑(GS)與Cu、Zn、Pb、TOC存在極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01)，與Cr和Mn亦存在顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，但與As和Cd無(wú)相關(guān)性(P>0.05)(表6)。

3 討論

3.1 長(zhǎng)江口潮間帶沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

諸多因素如流域母巖物質(zhì)成分、人類活動(dòng)、河口濕地本身沉積動(dòng)力作用和生化過(guò)程等均會(huì)影響河口濕地沉積物重金屬含量，同時(shí)采樣年份與方法、采樣點(diǎn)高程與離排污口距離、沉積物粒徑大小與有機(jī)質(zhì)含量等因素也會(huì)導(dǎo)致重金屬含量的波動(dòng)[15-16,23,38]。很多作者于1997—2005年期間采樣測(cè)定了長(zhǎng)江口潮間帶濕地沉積物重金屬含量，盡管采樣方法如采集的地點(diǎn)，是否包含高、中、低潮灘，采集的沉積物深度、沉積物類型不盡一致，但這些作者報(bào)道的沉積物Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量差別不是很大(表7)，可能與長(zhǎng)江口潮間帶濕地沉積物來(lái)源相同，具有相似的質(zhì)地、粒徑及礦物質(zhì)成分有關(guān)[22]。本文中增加了Zhang等[22]總結(jié)之后的一些報(bào)道數(shù)據(jù)，經(jīng)比較也得出了類似的結(jié)果，1997—2018年期間，除了Cd之外，其他6種重金屬元素(Cu、Cr、Zn、Mn、As和Pb)的含量變化也不是很大，但2010年以后監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)江口潮間帶沉積物Cd含量比20世紀(jì)90年代增長(zhǎng)了近40倍，與何中發(fā)等[14]的研究結(jié)果一致，其中指出Cd是近1 500年來(lái)長(zhǎng)江口沉積物中增加速度最快的重金屬元素，目前已是長(zhǎng)江流域特別需要加強(qiáng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的指標(biāo)之一，Cd也是膠州灣潮間帶沉積物中富集速度最快的元素[39]。本研究中采用的3種評(píng)價(jià)方法(Igeo、wf和Er)均表明，長(zhǎng)江口潮間帶濕地沉積物污染最為嚴(yán)重或潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的重金屬元素為Cd，其次為Pb。許多學(xué)者也指出，Cd是長(zhǎng)江口潮灘沉積物的主要污染重金屬元素或潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子[15,22-23,40]，20世紀(jì)90年末長(zhǎng)江口潮灘表層沉積物Pb污染程度已非常嚴(yán)重[17]，崇明東灘Pb含量在1997年雖然未超標(biāo)，但已具有明顯污染的趨勢(shì)[41]，2009年P(guān)b是崇明東灘污染程度處于第2位的元素[23]。長(zhǎng)江口潮灘沉積物主要污染重金屬元素與長(zhǎng)江口及其鄰近海域一致，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的元素均為Cd[42-43]。

表6 長(zhǎng)江口濕地沉積物重金屬含量相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.6 Pearson correlation matrices of heavy metals contents in wetlands sediments of Yangtze River estuary

表7 不同文獻(xiàn)報(bào)道的長(zhǎng)江口潮灘濕地沉積物重金屬含量比較

3.2 長(zhǎng)江口潮間帶沉積物重金屬分布地點(diǎn)間差異的影響因素

在較大空間尺度上的潮間帶沉積物重金屬分布主要與水動(dòng)力條件及污染排放有關(guān)。有學(xué)者報(bào)道，長(zhǎng)江口南支因存在較多的工業(yè)污水和生活污水排放口，其重金屬污染(含量)顯著大于北支和/或杭州灣，也大于江心如崇明東灘潮間帶[15,23,44,46]，本研究結(jié)果與此不盡一致，如崇明東灘東旺沙(江心采樣點(diǎn))的重金屬含量高于或顯著高于炮臺(tái)灣(南支采樣點(diǎn))，且與南匯東灘(南支采樣點(diǎn))重金屬含量無(wú)顯著性差異。一方面可能與本研究中采樣點(diǎn)較少不能代表總體有關(guān)，但另一方面也說(shuō)明其他因素如水動(dòng)力條件對(duì)潮間帶重金屬空間分布會(huì)產(chǎn)生重要影響。許世遠(yuǎn)等[16]指出，上海潮灘重金屬含量的空間分布格局并不受沿岸排污的直接影響，而主要與動(dòng)力沉積分異過(guò)程密切相關(guān)。

本研究中調(diào)查樣點(diǎn)崇明東灘東旺沙處于水動(dòng)力較弱的迅速淤漲岸段，團(tuán)結(jié)沙處于動(dòng)力學(xué)較強(qiáng)的沖刷蝕退岸段[47-48]，蘆潮港采樣點(diǎn)處于杭州灣北岸強(qiáng)中潮高能岸段，炮臺(tái)灣和南匯東灘處于長(zhǎng)江南支弱中潮岸段[16]，因此，推測(cè)蘆潮港的水動(dòng)力強(qiáng)于南支兩個(gè)采樣點(diǎn)；相對(duì)處于南支上游岸段的炮臺(tái)灣，處于下游的南匯東灘灘寬坡緩，且咸淡水頻繁交匯的水體物化條件有利于泥沙堆積及細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降[16]。水動(dòng)力條件較弱的岸段有利于細(xì)顆粒泥沙的沉積[16]，沉積物粒徑是影響重金屬空間分布的重要直接因素，很多研究表明，沉積物重金屬含量與粒徑成反比例關(guān)系[23,49-50]。本研究中也發(fā)現(xiàn)，沉積物重金屬含量與大致相同位置不同時(shí)間測(cè)定的粒徑均值成反比，除了As和Cd外，其他5種重金屬與粒徑均值均呈顯著負(fù)相關(guān)(表6)；細(xì)顆粒物質(zhì)總表面積大、孔隙率高，能增加對(duì)重金屬的吸附能力，是吸附與捕集重金屬元素的主要載體，因此，細(xì)顆粒泥沙的淤積能促使重金屬元素趨于富集[16]。另外，有機(jī)質(zhì)是粒徑控制重金屬分布的一個(gè)內(nèi)在因素[44]，也是影響重金屬空間分布的另外一個(gè)重要因子[23]；重金屬與有機(jī)碳可通過(guò)物理吸附和化學(xué)螯合反應(yīng)等形成金屬-有機(jī)絡(luò)合物，而被顆粒沉積物吸附而沉降[23,51]，因而潮灘沉積物重金屬通常與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)[23,50-51]，本研究中所測(cè)的7種重金屬也均與TOC呈顯著正相關(guān)。

綜上所述，本文采樣點(diǎn)的水動(dòng)力強(qiáng)弱差異，影響了沉積物顆粒組成及其他特征如有機(jī)碳含量，從而導(dǎo)致重金屬在不同采樣點(diǎn)之間的差異性。南匯東灘和東旺沙的沉積物粒徑顯著小于炮臺(tái)灣、團(tuán)結(jié)沙和蘆潮港，有機(jī)碳含量則相反，因此，前兩者的7種重金屬含量均高于或顯著高于后3者的，這在預(yù)料之中。對(duì)同處崇明東灘的東旺沙和團(tuán)結(jié)沙的比較結(jié)果與前人報(bào)道較為類似，崇明東灘南斷面(團(tuán)結(jié)沙接近此斷面)沉積物的粒徑大于北斷面(東旺沙接近此斷面)，有機(jī)碳則相反，因此，北斷面5種重金屬總量高于南斷面[23]，這進(jìn)一步說(shuō)明粒徑和有機(jī)碳對(duì)重金屬的水平空間分布產(chǎn)生重要影響。

3.3 長(zhǎng)江口潮間帶沉積物重金屬垂岸生境間變化及其原因

水動(dòng)力條件、沉積物組成及植被發(fā)育的差異影響重金屬元素在潮灘的垂岸分布和累積[17]。自低潮灘到高潮灘，波能消耗較大，高潮灘水動(dòng)力減弱，大量細(xì)顆粒泥沙在此處聚集和沉降，導(dǎo)致粒徑有隨高程增加而變小的趨勢(shì)[9,44,46]。如“3.2節(jié)”所述，重金屬含量與粒徑呈負(fù)相關(guān)，因此，重金屬含量有隨高程增加而逐漸增加的趨勢(shì)[7,9,44,46]。植被可能會(huì)強(qiáng)化這一趨勢(shì)，如互花米草能促進(jìn)細(xì)顆粒物質(zhì)沉降和有機(jī)物質(zhì)積累，間接導(dǎo)致鹽沼和紅樹(shù)林濕地的重金屬富集[12,52]。本研究中顯示，由海向陸，蘆潮港和南匯東灘沉積物中的大多數(shù)重金屬含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，蘆潮港的有機(jī)碳無(wú)顯著變化，光灘沉積物粒徑明顯大于其他兩種鹽沼生境，可能說(shuō)明該采樣點(diǎn)沉積物重金屬的垂岸分布主要與粒徑有關(guān)；南匯東灘的沉積物粒徑由海向陸明顯變小、有機(jī)碳顯著增加，推測(cè)水動(dòng)力的沉積分異和植物的富集作用共同導(dǎo)致了南匯東灘重金屬的垂岸分布。

錢嫦萍等[9]提出，一些潮灘沉積物中的重金屬含量垂岸變化呈帶狀分布，從高潮灘到低潮灘，重金屬含量明顯減少。但也有較多研究表明，潮灘沉積物的一些重金屬元素含量垂直于岸線呈復(fù)雜波動(dòng)，并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的垂岸分帶規(guī)律，高程大的鹽沼生境重金屬含量也不一定顯著高于高程小的，有的情況下高程大的潮灘有些重金屬種類的含量反而低于高程小的[7-8,17-18,23,44,46,51,53]，如上海濱岸沉積物重金屬中僅Cu、Zn和 Cr高潮灘含量明顯高于中、低潮灘，而Pb和Cd含量不隨高程變化而變化[17]。本研究表明，炮臺(tái)灣Cu、Cr、Mn、Pb和Cd含量隨著高程增加而下降，Zn和As含量先增加后下降，其中僅Cr、Mn、Cd和As含量在生境間具有顯著性差異；團(tuán)結(jié)沙Cu、Cr和Cd含量隨著高程增加而下降，Zn、Mn和As含量呈先增加后下降，而Pb含量隨著高程增加有增加的趨勢(shì)，其中僅 Zn和Cd含量在生境間存在顯著性差異。炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙不同高程潮灘沉積物在粒徑無(wú)明顯差異的情況下(表3)，Cu、Cr和Cd含量隨著高程增加而有下降的趨勢(shì)，可能主要與鹽沼植物對(duì)重金屬的吸收有關(guān)，如蘆葦對(duì)Cd、Cr[54]和Cu[55]具有較高的富集能力，其他隨高程增加而不呈下降趨勢(shì)的重金屬元素，可能與植物對(duì)重金屬的吸收、富集、重金屬垂向分布及其季節(jié)變化和岸帶發(fā)育程度等多種因素的綜合影響有關(guān)[24-25,54-57]。7種重金屬兩兩間具有顯著的相關(guān)性，這表明這幾種重金屬具有相似的來(lái)源，并表現(xiàn)出類似的遷移和累積特征，具有較為相似的地球化學(xué)行為，這與方圣瓊等[50]和趙健等[46]的研究一致。

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)江口鹽沼濕地7種沉積物重金屬與有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)，大多數(shù)重金屬與粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)。崇明東灘東旺沙和南匯東灘鹽沼濕地的重金屬、有機(jī)碳、總氮含量均高于或顯著高于崇明東灘團(tuán)結(jié)沙、炮臺(tái)灣和蘆潮港，粒徑則相反。這說(shuō)明在長(zhǎng)江口較大空間尺度上的沉積物重金屬分布格局主要與水動(dòng)力沉積分異作用有關(guān)。

2)蘆潮港和南匯東灘大多數(shù)沉積物重金屬含量由海向陸有逐漸增加的趨勢(shì)。蘆潮港光灘沉積物粒徑明顯大于其他兩種生境，有機(jī)碳生境間無(wú)顯著性差異，說(shuō)明該采樣點(diǎn)沉積物重金屬的垂岸分布主要與粒徑有關(guān)；南匯東灘的沉積物粒徑由海向陸明顯變小、有機(jī)碳含量顯著增加，表明水動(dòng)力的沉積分異和植物的富集作用共同導(dǎo)致了南匯東灘重金屬的垂岸分布。炮臺(tái)灣和團(tuán)結(jié)沙沉積物粒徑生境間無(wú)明顯差異、重金屬垂岸生境變化復(fù)雜，這種復(fù)雜性是沉積物重金屬的垂向分布，以及鹽沼植物對(duì)重金屬的吸收與富集和岸帶發(fā)育程度綜合作用的結(jié)果。

3)從較長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，Cd是長(zhǎng)江口鹽沼濕地沉積物中富集速度最快的元素。目前，長(zhǎng)江口濕地沉積物的Cd污染最為嚴(yán)重，Pb次之，其中Cd具高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Pb存在低和中等兩種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、其他5種重金屬均為低風(fēng)險(xiǎn)；南匯東灘、炮臺(tái)灣和東旺沙3個(gè)濕地具很高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，蘆潮港和團(tuán)結(jié)沙2個(gè)濕地存在高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，5個(gè)地點(diǎn)均存在較嚴(yán)重的有機(jī)污染和嚴(yán)重的有機(jī)氮污染。