湛江市紅樹(shù)林濕地沉積物重金屬來(lái)源研究進(jìn)展

唐道斌，李 千，李巧云

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510075; 3.嶺南師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，廣東湛江 504048)

廣東湛江紅樹(shù)林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)擁有中國(guó)最大的紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)。紅樹(shù)林濕地具有較大的生態(tài)價(jià)值，是防治浪潮、水土流失、洪水、風(fēng)暴和海嘯的一個(gè)天然屏障[1]。隨著我國(guó)對(duì)“雙碳”工作的日益重視，紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)在碳匯方面對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化的重要作用也逐漸顯現(xiàn)。紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的速度高于地球上任何其他種類的生物棲息地，這種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)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(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水路交通的增加、生活和工業(yè)污水的排放，大量的重金屬進(jìn)入濱海濕地，導(dǎo)致紅樹(shù)林濕地重金屬污染日益加重，嚴(yán)重影響到了紅樹(shù)林濕地的保護(hù)和恢復(fù)[3]，對(duì)紅樹(shù)林濕地的生物多樣性及人類健康產(chǎn)生極大的危害[4]。加強(qiáng)紅樹(shù)林保護(hù)和修復(fù)是我國(guó)海洋生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重要內(nèi)容。《紅樹(shù)林保護(hù)修復(fù)專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃(2020—2050年)》指出對(duì)現(xiàn)有紅樹(shù)林實(shí)施全面保護(hù)，提升紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和功能，為我國(guó)紅樹(shù)林生態(tài)修復(fù)工作提供指導(dǎo)[5]。此前，已有學(xué)者針對(duì)湛江紅樹(shù)林濕地沉積物、濕地植物、濕地水體進(jìn)行了重金屬含量及分布、重金屬形態(tài)分析等方面的研究，從總體上了解紅樹(shù)林濕地的重金屬污染狀況、探討紅樹(shù)林重金屬污染來(lái)源以及變化遷移規(guī)律[6-18]。在紅樹(shù)林濕地重金屬來(lái)源方面，學(xué)者運(yùn)用相關(guān)性分析、因子分析、主成分分析等統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)紅樹(shù)林重金屬進(jìn)行來(lái)源解析。結(jié)果表明，紅樹(shù)林濕地重金屬污染的來(lái)源主要有工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、交通活動(dòng)以及生活污染。重金屬污染來(lái)源復(fù)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(xué)者只考慮到了自然風(fēng)化產(chǎn)物的輸入作用，對(duì)其他自然因素的影響作用的分析有所缺乏[6-12]。系統(tǒng)地了解紅樹(shù)林濕地重金屬來(lái)源，有助于對(duì)紅樹(shù)林濕地的保護(hù)和修復(fù)，更有針對(duì)性地研究修復(fù)方式，從來(lái)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(dòng)力這2個(gè)自然因素與人為因素結(jié)合，對(duì)湛江紅樹(shù)林濕地的重金屬來(lái)源展開(kāi)分析，以期為湛江紅樹(shù)林濕地重金屬污染治理提供借鑒。

1 湛江紅樹(shù)林分布特征

廣東湛江紅樹(shù)林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于中國(guó)大陸最南端，分為72個(gè)保護(hù)小區(qū)，總面積 20 278.8 hm2。保護(hù)區(qū)西北以高橋片(高橋紅樹(shù)林)為主，地理坐標(biāo)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(qū)[19]。作為我國(guó)紅樹(shù)林面積最大的自然保護(hù)區(qū)(圖1)，現(xiàn)有紅樹(shù)林 7 242.0 hm2，人工造林未成林 25.6 hm2，天然更新紅樹(shù)林509.4 hm2[20]。湛江紅樹(shù)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(shù)群(AegicerasFormation)為主[21]。

圖2 湛江市紅樹(shù)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(shù)林濕地重金屬含量及分布

目前紅樹(shù)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(shù)林濕地沉積物重金屬含量統(tǒng)計(jì)如圖2所示，在8個(gè)紅樹(shù)林濕地分布區(qū)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(guò)雷州半島土壤環(huán)境背景值[22]。但在東海島和南山鎮(zhèn)的As、高橋鎮(zhèn)的Pb超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)。通過(guò)比較，除了Co、Cr、Cu、Ni、Pb、V外，As、Cd、Hg、Mn、Zn在8個(gè)紅樹(shù)林濕地分布區(qū)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(duì)比觀海長(zhǎng)廊等其他紅樹(shù)林濕地分布區(qū)域都比較高。尤其是東海島和南山鎮(zhèn)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(qū)域；東海島和高橋鎮(zhèn)重金屬M(fèi)n含量差異也明顯；觀海長(zhǎng)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(qū)域；除了特呈島和企水鎮(zhèn)，其他研究區(qū)域重金屬Hg含量都較高，均超過(guò)背景值?？傮w來(lái)看，各研究區(qū)的11種重金屬平均含量：東海島>附城鎮(zhèn)>高橋鎮(zhèn)>南山鎮(zhèn)>觀海長(zhǎng)廊>和安鎮(zhèn)>特呈島>企水鎮(zhèn)。雷州半島西岸紅樹(shù)林濕地分布區(qū)重金屬平均含量的總和低于東岸紅樹(shù)林濕地分布區(qū)。

3 湛江紅樹(shù)林濕地重金屬來(lái)源

3.1 大氣沉降大氣沉降是指大氣中的污染物通過(guò)一定的途徑被沉降至地面或水體的過(guò)程，分為干沉降和濕沉降[23]。通過(guò)大氣沉降，Pb、Cd、Zn等重金屬進(jìn)入土壤，是土壤重金屬污染的重要來(lái)源之一，尤其是在靠近垃圾焚燒池、采礦、冶煉等活動(dòng)地區(qū)。近年，隨著湛江東海島寶鋼、中科煉化、晨鳴紙業(yè)、冠豪高新特種紙業(yè)等項(xiàng)目落戶建成，排放的廢氣經(jīng)大氣沉降后不斷地在紅樹(shù)林濕地沉降下來(lái)并累積，是紅樹(shù)林濕地重金屬污染的重要來(lái)源之一。鄭娜等[24]對(duì)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(lái)源于大氣沉降。而重金屬元素中Hg常溫下為液態(tài)，易揮發(fā)，是大氣沉降主要的重金屬元素。湛江紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)陽(yáng)光充足，年平均太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度達(dá)到4 500～5 600 MJ/m2。光照條件下，濕地沉積物中其他化學(xué)形態(tài)的Hg轉(zhuǎn)化為Hg0[25]，大量釋放到大氣中。進(jìn)入大氣中的汞一部分通過(guò)植物吸收和大氣沉降重新回到紅樹(shù)林濕地，造成紅樹(shù)林濕地局部小循環(huán)，另一部分隨大氣循環(huán)遷移到其他地方，參與全球性大氣循環(huán)[26]。因此，對(duì)于靠近紅樹(shù)林濕地的居民區(qū)居民來(lái)說(shuō)，會(huì)造成潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，如觀海長(zhǎng)廊、金沙灣等地區(qū)。

3.2 水動(dòng)力水動(dòng)力條件對(duì)重金屬元素含量分布的作用主要是通過(guò)水流對(duì)污染物的運(yùn)移和沉降來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前普遍認(rèn)為大量重金屬?gòu)U水排放入海后，由于各種物理、化學(xué)過(guò)程，迅速由水相轉(zhuǎn)化為固相，吸附在懸浮物中，而懸浮物在隨水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，逐漸轉(zhuǎn)化為沉積物。尤其是在河口地區(qū)，大量的陸源污染物匯入海洋，隨著洋流擴(kuò)散到其他地區(qū)，對(duì)沿海城市造成一定的海水污染等環(huán)境問(wèn)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(kuò)散，同時(shí)譚江、漠陽(yáng)江和鑒江流域的城區(qū)的“三廢”污染物等也在粵西沿岸流作用下向西擴(kuò)散，到達(dá)雷州半島的東部海域，并在潮汐等水動(dòng)力作用下，被雷州半島東岸紅樹(shù)林濕地截留。陳亮[28]對(duì)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(lái)自珠江流域及粵西徑流的陸源物質(zhì)。夏季，在雷州半島東部的氣旋式環(huán)流[29-30]和海南島東部的終年較強(qiáng)的東北向的南海暖流[31]的雙重作用下，雷州半島東部地區(qū)紅樹(shù)林濕地沉積物重金屬更難以向遠(yuǎn)洋擴(kuò)散，造成了雷州半島東岸紅樹(shù)林區(qū)不斷地累積粵西沿岸流帶來(lái)的重金屬污染物，這可能是雷州半島東岸紅樹(shù)林區(qū)(附城鎮(zhèn))重金屬平均含量高于西岸紅樹(shù)林區(qū)(企水鎮(zhèn))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(zhèn)紅樹(shù)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(gè)典型的口小腹大的海灣，水流平穩(wěn)，是天然的深水港，但不利于污染物擴(kuò)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(shí)針運(yùn)動(dòng)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(cè)的紅樹(shù)林濕地并沉積下來(lái)，這可能是特呈島紅樹(shù)林濕地重金屬來(lái)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(yè)活動(dòng)工業(yè)活動(dòng)是紅樹(shù)林濕地重金屬污染的重要來(lái)源之一，如礦山開(kāi)采、冶煉、電鍍和染料等活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢渣、廢氣等。湛江灣是湛江市工業(yè)活動(dòng)集中區(qū)域，包括寶鋼、中科煉化和港口等，同時(shí)也是觀海長(zhǎng)廊、特呈島、東海島和南三島紅樹(shù)林濕地分布的區(qū)域。湛江港沿海區(qū)、調(diào)順島沿海區(qū)、麻斜沿海區(qū)，這些海區(qū)都是湛江居民密集區(qū)，工業(yè)和港口集中所在地，大量的陸源污染物和工業(yè)排放物排入灣內(nèi)[33]，易造成灣內(nèi)紅樹(shù)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(qū)沿海、麻斜地區(qū)的出水口。觀海長(zhǎng)廊位于湛江沿海，工業(yè)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(zhǎng)廊紅樹(shù)林區(qū)，以及附近工地建筑活動(dòng)對(duì)觀海長(zhǎng)廊紅樹(shù)林重金屬污染造成一定影響。特呈島和南三島上雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工業(yè)和企業(yè)，其紅樹(shù)林濕地重金屬污染來(lái)源之一可能是大氣沉降和海灣渦旋的作用，將灣內(nèi)工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物帶至特呈島和南三島紅樹(shù)林區(qū)。通明海的紅樹(shù)林濕地所在的對(duì)岸有湛江晨鳴紙業(yè)有限公司，受其廢水排海的影響，該區(qū) Zn 的含量普遍較高[16]。

3.4 農(nóng)業(yè)活動(dòng)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、?？岛拥榷际钦拷t樹(shù)林比較集中的地區(qū)[17]，也是農(nóng)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖比較集中的地區(qū)。在南渡河兩岸分布著大片的農(nóng)田區(qū)。通明港、流沙港和安鋪等港口分布著大片的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，特別是安鋪港，建有東南亞最大的萬(wàn)畝連片養(yǎng)蝦生產(chǎn)基地——龍營(yíng)圍蝦塘，蝦塘數(shù)量達(dá)到537丘，養(yǎng)殖面積8.67 km2[36]。雷州、徐聞、廉江工業(yè)和企業(yè)很少，周邊紅樹(shù)林濕地接納農(nóng)田徑流和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物，這可能是雷州半島西岸紅樹(shù)林濕地重金屬含量相對(duì)偏高的原因。

湛江的網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)主要分布在特呈島，飼養(yǎng)過(guò)程中部分餌料的溶解和魚(yú)類糞便排泄物進(jìn)入水中[10，17]。由于飼料添加劑廣泛使用，養(yǎng)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(xiàn)象可能與飼料添加劑的使用有關(guān)。南三島NHD站位附近水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘較多，養(yǎng)殖污水通過(guò)暗管直接排入紅樹(shù)林，引起Cu和Zn污染[6]。東海島紅樹(shù)林As、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 這 6 種重金屬元素，推測(cè)其來(lái)源主要與水產(chǎn)養(yǎng)殖排污及農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)[8]。陳碧珊等[11]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，TCD1～TCD3 處于耕地附近，耕作過(guò)程常用到有機(jī)肥、堆肥、糞便和化肥農(nóng)藥等，導(dǎo)致紅樹(shù)林沉積物中 As、Cd、Cu、Hg、Zn 等重金屬含量較高。

3.5 交通活動(dòng)湛江紅樹(shù)林濕地大多分布在沿海灘涂上，往來(lái)船舶頻繁，尤其湛江灣，航運(yùn)發(fā)達(dá)，擁有多個(gè)萬(wàn)噸級(jí)港口。在船舶運(yùn)輸過(guò)程中，排放的廢物、船舶涂料的脫落和零件損耗等產(chǎn)生的重金屬進(jìn)入海里，經(jīng)過(guò)絮凝、沉淀等方式在紅樹(shù)林濕地沉積物中累積。研究表明，海水比河水更能促進(jìn)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(yīng)用于船舶保護(hù)，且Ni也是汽油中的微量金屬元素，在船舶運(yùn)輸過(guò)程中易對(duì)紅樹(shù)林濕地土壤造成重金屬污染[41]。這是東海島和觀海長(zhǎng)廊紅樹(shù)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(yùn)輸對(duì)紅樹(shù)林重金屬污染有影響，交通活動(dòng)也是濕地沉積物重金屬的來(lái)源之一。交通運(yùn)輸主要是車輛尾氣、輪胎磨損顆粒、街道表面風(fēng)化粒子及汽車制動(dòng)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(chǎn)生的Cu和Zn是道路周邊土壤重金屬的主要來(lái)源[43]。觀海長(zhǎng)廊紅樹(shù)林區(qū)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?？?，汽車尾氣、輪胎磨損、漁船防護(hù)漆脫落及其燃油排放等產(chǎn)生的重金屬是觀海長(zhǎng)廊紅樹(shù)林重金屬污染來(lái)源之一。南山鎮(zhèn)紅樹(shù)林靠近粵海鐵路港口，重金屬來(lái)源與列車軌道、列車輪軸和零件的磨損有一定的關(guān)系[44]。通明港、流沙港和湛江灣等港口內(nèi)紅樹(shù)林重金屬來(lái)源主要與漁船涂料脫落和汽油排放等有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的研究，廣東湛江紅樹(shù)林濕地沉積物重金屬污染已經(jīng)積累了大量的有價(jià)值的數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)，得到較多的成果。該研究通過(guò)對(duì)湛江紅樹(shù)林濕地重金屬來(lái)源可能途徑進(jìn)行論述，認(rèn)為大氣沉降和水動(dòng)力這2種自然因素與工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通活動(dòng)是紅樹(shù)林濕地重金屬污染來(lái)源途徑，可為今后湛江紅樹(shù)林濕地重金屬污染研究以及其他地區(qū)相關(guān)研究中重金屬來(lái)源討論提供參考。同時(shí)，針對(duì)上述研究不足，在未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：①在研究紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的重金屬污染時(shí)，不僅要注意人為源的排放所導(dǎo)致的重金屬污染，也要注意自然源的影響。②大多數(shù)研究者均單獨(dú)研究沉積物、水、植物的重金屬含量狀況，而對(duì)“水—沉積物—植物”界面重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理缺乏研究，對(duì)植物根系微生物、抗重金屬蛋白等研究也比較少。紅樹(shù)林沉積物中元素的存在并非孤立的，它們是在各種復(fù)雜環(huán)境因素作用下形成特定的統(tǒng)一體。通過(guò)對(duì)沉積物中元素統(tǒng)一體進(jìn)行研究，不僅能宏觀把握沉積物地球化學(xué)特性，而且對(duì)紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)重金屬的遷移轉(zhuǎn)化具有重要意義。③目前對(duì)紅樹(shù)林重金屬遷移轉(zhuǎn)化的研究涉及紅樹(shù)林水生動(dòng)物這一領(lǐng)域較少，例如魚(yú)類、貝類等水生動(dòng)物體內(nèi)的重金屬含量直接影響人類的健康。因此構(gòu)建生物體與重金屬關(guān)系以及沉積物污染的生物評(píng)價(jià)指標(biāo)是未來(lái)研究有關(guān)紅樹(shù)林重金屬研究的方向。