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江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价

袁红明 赵广明 李雪 叶思源

袁红明, 赵广明, 李雪, 叶思源. 江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价[J]. 海洋地质前沿, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
引用本文: 袁红明, 赵广明, 李雪, 叶思源. 江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价[J]. 海洋地质前沿, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
YUAN Hongming, ZHAO Guangming, LI Xue, YE Siyuan. REGIONAL DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS OF DAFENG COASTAL WETLANDS IN YANCHENG, JIANGSU AND ITS ECOLOGICAL IMPLICATIONS[J]. Marine Geology Frontiers, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
Citation: YUAN Hongming, ZHAO Guangming, LI Xue, YE Siyuan. REGIONAL DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS OF DAFENG COASTAL WETLANDS IN YANCHENG, JIANGSU AND ITS ECOLOGICAL IMPLICATIONS[J]. Marine Geology Frontiers, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007

江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价

doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
基金项目: 

国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项“滨海湿地固碳效率精确评价与加强碳汇对策” 2016YFE0109600

国家海岸带综合地质调查工程项目的二级项目“江苏滨海湿地多圈层交互带综合地质调查” DD20189503

国家海洋地质保障工程的工作项目“辽河三角洲海岸带综合地质调查与监测” GZH201200503

“十二五”国家科技支撑计划子课题“沿海滩涂资源综合调查关键技术” 2012BAC07B01-1

详细信息
    作者简介:

    袁红明(1973—),男,博士,高级工程师,主要从事海洋地质和地球化学方面的研究工作.E-mail:yhongming@mail.cgs.gov.cn

    通讯作者:

    叶思源(1963—),女,博士,研究员,主要从事海洋地质与湿地环境的研究工作.E-mail:ye_siyuan@sina.com

  • 中图分类号: P736.4+1

REGIONAL DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS OF DAFENG COASTAL WETLANDS IN YANCHENG, JIANGSU AND ITS ECOLOGICAL IMPLICATIONS

  • 摘要: 对江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属含量变化区域分布特征进行了分析,结果表明,江苏盐城大丰表层沉积物Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn的均值分别为0.05、0.25、7.21、25.5、20.3、67.79和68.09 mg/kg,滩涂湿地均值高于人工湿地,滩涂湿地大丰港一期码头附近的JST-02的各项重金属含量最高,呈明显的点源污染的特征。重金属区域分布与粒度正相关,黏土含量对重金属的富集和分布起到一定控制作用。单因子污染指数结果表明,研究区表层沉积物7种重金属元素的单因子污染指数均值由大到小依次为Cd>Cr>Cu>Zn>Pb>As>Hg,其中Cd的均值最大为1.57,为研究区主要污染元素;综合潜在生态风险指数变化范围为15.7~184.91,均值为27.41,滩涂湿地潜在生态风险高于人工湿地;潜在生态风险参数由大到小顺序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn。Hg和Cd为主要潜在生态风险因子。整个区域具有较低的潜在生态风险,尚未达到环境污染程度,但局部区域单个污染物浓度较高。
  • 图  1  江苏盐城大丰沉积物调查站位

    Figure  1.  Sampling sites of sediments in Dafeng coastal beaches

    表  1  取样站位信息表

    Table  1.   Sampling sites information

    序号 野外编号 北纬/(°) 东经/(°) 湿地类型
    1 JST-01 33.29189 120.76190
    2 JST-02 33.27354 120.77611
    3 JST-03 33.22953 120.82110
    4 JST-04 33.19659 120.83347
    5 JST-05 33.18157 120.83714
    6 JST-06 33.29093 120.75042 湿
    7 JST-07 33.25231 120.76028
    8 JST-08 33.21234 120.76582
    9 JST-11 33.27703 120.71458
    10 JST-16 33.30362 120.67602
    11 JST-09 33.18024 120.78755
    12 JST-10 33.16609 120.79466
    13 JST-12 33.24034 120.72569
    14 JST-13 33.20202 120.73511
    15 JST-14 33.17589 120.75484
    16 JST-15 33.13940 120.78361
    17 JST-17 33.26008 120.66507
    18 JST-18 33.22687 120.69301 湿
    19 JST-19 33.19103 120.69495
    20 JST-20 33.15532 120.70438
    21 JST-21 33.12077 120.72002
    22 JST-22 33.28369 120.61951
    23 JST-23 33.24715 120.62502
    24 JST-24 33.21298 120.64062
    25 JST-25 33.21695 120.59750
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    表  2  国家土壤环境质量标准

    Table  2.   The standard values in soil heavy metals defined by National Environmental Quality Standard

    重金属元素 污染积累起始值 中度污染起始值 重度污染起始值
    Xa/(mg/kg) Xc/(mg/kg) Xp/(mg/kg)
    Hg 0.15 0.3 1.5
    Cd 0.2 0.3 1
    As 15 30 60
    Cu 35 50 400
    Pb 35 250 500
    Cr 90 250 400
    Zn 100 200 500
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    表  3  重金属元素含量描述统计表

    Table  3.   Heavy metal element contents of the region

    元素 最大值/(mg/kg) 最小值/(mg/kg) 平均值/(mg/kg) 变异系数/%
    研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
    Hg 0.96 0.96 0.03 0.01 0.01 0.01 0.05 0.11 0.02 352.4 272.5 35.3
    Cd 0.48 0.48 0.35 0.16 0.17 0.16 0.25 0.28 0.24 26.4 31.9 18.1
    As 9.39 9.39 7.86 2.97 5.81 2.97 7.12 8.02 6.53 21.2 16.9 20.5
    Cu 40.32 40.32 26.10 16.99 16.99 18.71 25.50 27.96 23.86 20.9 27.5 7.6
    Pb 31.74 31.74 20.92 15.54 16.08 15.54 20.30 22.10 19.11 18.0 23.6 6.8
    Cr 91.93 91.93 72.89 53.04 53.04 57.39 67.79 72.89 64.38 13.1 15.4 7.4
    Zn 102.97 102.97 72.06 49.04 49.04 52.91 68.09 73.20 64.68 18.4 25.1 7.2
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    表  4  黏土含量统计表

    Table  4.   Clay contents in sediments

    站位编号 黏土含量/% 湿地类型
    JST-01 17.15
    JST-02 23.50
    JST-03 18.33
    JST-04 0.00
    JST-05 14.95
    JST-06 8.70 湿
    JST-07 14.33
    JST-08 7.34
    JST-11 12.62
    JST-16 3.85
    JST-09 7.84
    JST-10 17.76
    JST-12 11.98
    JST-13 5.52
    JST-14 8.44
    JST-15 6.87 湿
    JST-17 10.40
    JST-18 9.07
    JST-19 10.89
    JST-20 7.69
    JST-21 11.70
    JST-22 11.47
    JST-23 11.00
    JST-24 12.33
    JST-25 12.80
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    表  5  重金属元素与黏土含量相关分析(n=25)

    Table  5.   Correlation analysis between clay contents and heavy metals

    黏土 Hg Cd As Cu Pb Cr Zn
    黏土 1
    Hg 0.531** 1
    Cd 0.651** 0.728** 1
    As 0.615** 0.313 0.314 1
    Cu 0.799** 0.593** 0.819** 0.670** 1
    Pb 0.784** 0.665** 0.887** 0.630** 0.965** 1
    Cr 0.671** 0.575** 0.720** 0.662** 0.851** 0.853** 1
    Zn 0.767** 0.595** 0.873** 0.568** 0.971** 0.974** 0.804** 1
    注:**表示两者在0.01置信水平上相关
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    表  6  重金属元素Pi值统计表

    Table  6.   The Pi values of heavy metal elements contents

    元素 最大值/(mg/kg) 最小值/(mg/kg) 平均值/(mg/kg) 变异系数(%)
    研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
    Hg 2.55 2.55 1.76 0.07 0.07 0.07 0.34 0.35 0.33 192.76 223.74 175.57
    Cd 2.26 2.26 2.07 0.81 0.86 0.81 1.57 1.60 1.55 28.23 30.27 27.74
    As 0.63 0.63 0.52 0.20 0.39 0.20 0.47 0.53 0.44 21.22 16.87 20.49
    Cu 1.35 1.35 0.75 0.49 0.49 0.53 0.74 0.83 0.68 24.88 32.56 7.59
    Pb 0.91 0.91 0.60 0.44 0.46 0.44 0.58 0.63 0.55 18.03 23.59 6.75
    Cr 1.01 1.01 0.81 0.59 0.59 0.64 0.75 0.81 0.72 12.93 15.17 7.41
    Zn 1.03 1.03 0.72 0.49 0.49 0.53 0.68 0.73 0.65 18.42 25.10 7.20
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    表  7  沉积物重金属元素污染指数

    Table  7.   The index of heavy metal elements pollution in surface sediments

    研究区 项目 单个污染物的污染参数 综合污染指数
    Hg Cd As Cu Pb Cr Zn
    最大值 3.86 0.48 0.63 0.81 0.63 1.02 0.59 8.02
    潮滩湿地 最小值 0.04 0.17 0.39 0.34 0.32 0.59 0.28 2.22
    均值 0.44 0.28 0.53 0.56 0.44 0.81 0.42 3.48
    最大值 0.14 0.35 0.52 0.52 0.42 0.81 0.41 2.85
    人工湿地 最小值 0.04 0.16 0.20 0.37 0.31 0.64 0.30 2.27
    均值 0.07 0.24 0.44 0.48 0.38 0.72 0.37 2.68
    最大值 3.86 0.48 0.63 0.81 0.63 1.02 0.59 8.02
    研究区 最小值 0.04 0.16 0.20 0.34 0.31 0.59 0.28 2.22
    均值 0.22 0.25 0.47 0.51 0.41 0.75 0.39 3.00
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    表  8  重金属元素值和RI值统计表

    Table  8.   The Eτi and RI values of heavy metal elements contents

    元素 Eτi最大值 Eτi最小值 Eτi平均值 变异系数/%
    研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
    Hg 154.35 154.4 5.57 1.56 1.6 1.74 8.62 17.6 2.61 10.68 272.5 35.27
    Cd 14.47 14.5 10.55 4.86 5.2 4.86 7.57 8.3 7.06 16.87 31.9 18.08
    As 6.26 6.3 5.24 1.98 3.9 1.98 4.75 5.3 4.35 18.77 16.9 20.49
    Cu 4.03 4.0 2.61 1.70 1.7 1.87 2.55 2.8 2.39 7.11 27.5 7.59
    Pb 3.17 3.2 2.09 1.55 1.6 1.55 2.03 2.2 1.91 6.35 23.6 6.75
    Cr 2.04 2.0 1.62 1.18 1.2 1.28 1.51 1.6 1.43 7.04 15.4 7.41
    Zn 0.59 0.6 0.41 0.28 0.3 0.30 0.39 0.4 0.37 6.84 25.1 7.20
    RI值 184.91 184.9 23.21 15.70 15.7 16.03 27.41 38.4 20.12 6.18 134.8 8.42
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-26
  • 刊出日期:  2018-09-28

江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价

doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
    基金项目:

    国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项“滨海湿地固碳效率精确评价与加强碳汇对策” 2016YFE0109600

    国家海岸带综合地质调查工程项目的二级项目“江苏滨海湿地多圈层交互带综合地质调查” DD20189503

    国家海洋地质保障工程的工作项目“辽河三角洲海岸带综合地质调查与监测” GZH201200503

    “十二五”国家科技支撑计划子课题“沿海滩涂资源综合调查关键技术” 2012BAC07B01-1

    作者简介:

    袁红明(1973—),男,博士,高级工程师,主要从事海洋地质和地球化学方面的研究工作.E-mail:yhongming@mail.cgs.gov.cn

    通讯作者: 叶思源(1963—),女,博士,研究员,主要从事海洋地质与湿地环境的研究工作.E-mail:ye_siyuan@sina.com
  • 中图分类号: P736.4+1

摘要: 对江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属含量变化区域分布特征进行了分析,结果表明,江苏盐城大丰表层沉积物Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn的均值分别为0.05、0.25、7.21、25.5、20.3、67.79和68.09 mg/kg,滩涂湿地均值高于人工湿地,滩涂湿地大丰港一期码头附近的JST-02的各项重金属含量最高,呈明显的点源污染的特征。重金属区域分布与粒度正相关,黏土含量对重金属的富集和分布起到一定控制作用。单因子污染指数结果表明,研究区表层沉积物7种重金属元素的单因子污染指数均值由大到小依次为Cd>Cr>Cu>Zn>Pb>As>Hg,其中Cd的均值最大为1.57,为研究区主要污染元素;综合潜在生态风险指数变化范围为15.7~184.91,均值为27.41,滩涂湿地潜在生态风险高于人工湿地;潜在生态风险参数由大到小顺序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn。Hg和Cd为主要潜在生态风险因子。整个区域具有较低的潜在生态风险,尚未达到环境污染程度,但局部区域单个污染物浓度较高。

English Abstract

袁红明, 赵广明, 李雪, 叶思源. 江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价[J]. 海洋地质前沿, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
引用本文: 袁红明, 赵广明, 李雪, 叶思源. 江苏盐城大丰滨海湿地表层沉积物重金属空间分布特征及潜在生态风险评价[J]. 海洋地质前沿, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
YUAN Hongming, ZHAO Guangming, LI Xue, YE Siyuan. REGIONAL DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS OF DAFENG COASTAL WETLANDS IN YANCHENG, JIANGSU AND ITS ECOLOGICAL IMPLICATIONS[J]. Marine Geology Frontiers, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
Citation: YUAN Hongming, ZHAO Guangming, LI Xue, YE Siyuan. REGIONAL DISTRIBUTION OF HEAVY METALS IN SURFACE SEDIMENTS OF DAFENG COASTAL WETLANDS IN YANCHENG, JIANGSU AND ITS ECOLOGICAL IMPLICATIONS[J]. Marine Geology Frontiers, 2018, 34(9): 51-59. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.09007
    • 滨海湿地作为海岸带的重要组成部分,地处海陆交接带并不断演变,是我国重要的后备土地资源,加之其本身蕴藏着各种矿产、生物及其他海洋资源[1],具有极其重要的经济、社会和生态价值。然而滨海湿地处于陆海相互作用的敏感地带,也是人类社会经济活动最为频繁的地方。目前,由于沿海城市化以及工农业的快速发展,许多沿海湿地已成为工农业废水和生活污染水的承泄区[2],尽管湿地自身可通过物理、化学和生物作用过程可以对重金属等有毒污染物进行吸收、固定和转化,但当其沉积环境遭受严重的污染并超过其承受能力的限度,重金属将从悬浮物或沉积物中重新释放,形成二次污染,甚至通过食物链威胁人类的生存[3-5]。2010年,国家环保部、统计局和农业部联合发布的《第一次全国污染源普查公报》指出,2007年度全国废水排放中含铅、汞、镉、砷、铬5种重金属元素总量约为900 t,大气中上述5种重金属元素排放量约为500 t,国内五分之一耕地土壤受重金属污染影响,涉及11省25个地区,因此,滨海湿地区域重金属污染有很重要的研究意义,目前已引起国内外学者的普遍关注,研究涉及不同类型、区域滨海湿地重金属的污染分布状况[4-8]、重金属累积特征[9-12]以及环境质量评价等[13-20]

      我国是世界上人口最多的沿海国家,加强浅海滩涂资源的开发利用,对开拓新的生存和发展空间,具有重要的现实意义。大丰是我国沿海的海洋滩涂资源大区,大丰滩涂湿地是江苏省滩面最宽、面积最大、地势最高、植被最好、开发潜力最大的地段之一,近几十年来,受经济利益及各项政策的驱动,滩涂的围垦速率越发加快,高强度的土地开发利用在促进沿海地区经济发展的同时也对沿海地区的生态环境产生了一定的影响。基于此问题,本研究采用单因子污染指数法和潜在生态风险指数法,对江苏大丰滨海湿地区域表层沉积物重金属含量及污染程度进行评价,以期客观地反映该区内的重金属污染状况,为该区域绿色经济发展和生态保护决策的制定提供参考依据。

    • 大丰市滨海湿地地处江苏省东部、黄海之滨,区域地势平坦,海拔1~2 m[21]。属亚热带与暖湿带的过渡地带,季风交替形成干湿、冷暖多变的气候,四季分明,年平均气温14.1 ℃,年降水量1 042.2 mm。海域属正规的丰日潮,潮位北低南高,由于受海洋潮汐、波浪、风暴潮的动力作用,大量泥沙在海陆交界地带不断沉积,属于淤涨潮滩,并以50~200 m/a的速度向外淤涨,为大丰沿海经济发展提供了充分的空间支持[22]。该区自然资源丰富,具有显著的生态和经济价值,包括丰富的海水资源、贝类资源、港口资源、天然动植物资源和风力资源,以及潜在的地下矿产资源、地热资源[23]。本研究区位于大丰市滩涂核心示范区内,其地理坐标为33°00′—33°20′N,120°35′—120°55′E,包括沿海滩涂和农业用地两部分,湿地类型为滩涂湿地和人工湿地(图 1)。

      图  1  江苏盐城大丰沉积物调查站位

      Figure 1.  Sampling sites of sediments in Dafeng coastal beaches

    • 2013年11月,在研究区采集表层沉积物样品25站位,其中滩涂采样10站位,人工湿地采样15站位,取样厚度为0~10 cm。取样站位见表 1图 1

      表 1  取样站位信息表

      Table 1.  Sampling sites information

      序号 野外编号 北纬/(°) 东经/(°) 湿地类型
      1 JST-01 33.29189 120.76190
      2 JST-02 33.27354 120.77611
      3 JST-03 33.22953 120.82110
      4 JST-04 33.19659 120.83347
      5 JST-05 33.18157 120.83714
      6 JST-06 33.29093 120.75042 湿
      7 JST-07 33.25231 120.76028
      8 JST-08 33.21234 120.76582
      9 JST-11 33.27703 120.71458
      10 JST-16 33.30362 120.67602
      11 JST-09 33.18024 120.78755
      12 JST-10 33.16609 120.79466
      13 JST-12 33.24034 120.72569
      14 JST-13 33.20202 120.73511
      15 JST-14 33.17589 120.75484
      16 JST-15 33.13940 120.78361
      17 JST-17 33.26008 120.66507
      18 JST-18 33.22687 120.69301 湿
      19 JST-19 33.19103 120.69495
      20 JST-20 33.15532 120.70438
      21 JST-21 33.12077 120.72002
      22 JST-22 33.28369 120.61951
      23 JST-23 33.24715 120.62502
      24 JST-24 33.21298 120.64062
      25 JST-25 33.21695 120.59750

      表层沉积物进行了7种重金属元素As、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg的测试,重金属测试主要采用了原子吸收分光光度法、无火焰原子吸收分光光度法和原子荧光光度法,样品的制备、样品的预处理和分析均按文献[24, 25]中提供的标准方法进行。

      另外进行了沉积物粒度分析,沉积物粒度主要采用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行分析,分析过程内控样20%,仪器分析结果与标准值的误差均在允许范围内。

    • 目前,针对沉积物环境质量的评价方法主要有污染指数法、地积累指数法(Mull指数)、沉积物富集系数法、潜在生态风险指数法、模糊数学法、灰色聚类法等[26-33]。其中,单因子污染指数法由于具有较强的可比性和客观性,潜在生态风险指数法能综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度等因素,在国内外沉积物、土壤环境质量评价中均有广泛应用。本文将采用单因子污染指数法,对大丰滨海湿地沉积物重金属污染程度进行评价,同时采用Hakanson提出的潜在生态风险指数(RI)法,对研究区重金属的潜在生态风险进行评价。

      (1) 单因子污染指数法

      依据污染物重金属元素质量指数进行评价,其计算公式为:

      $$ P_{i}=\frac{C_{i}}{S_{i}} $$ (1)

      式中:Pi为第i个重金属元素的质量分指数;

      Ci为第i个重金属元素的实测浓度;

      Si为第i个重金属元素的污染评价标准,分别采用XaXcXp代表土壤重金属元素污染积累起始值、中度污染起始值和重度污染起始值。

      根据XaXcXp值和计算公式确定重金属污染等级、污染指数范围:Pi≤1为非污染,相应地区为非污染区;1<Pi≤2为轻污染,相应地区为轻度污染区;2<Pi≤3为中度污染,相应地区为中度污染区;Pi≥3为重污染,相应地区为重度污染区[34-36]。评价标准Si可根据评价目的来选用,本文采用中国土壤环境质量标准(GB15618—2008)进行对比分析,见表 2[37]

      表 2  国家土壤环境质量标准

      Table 2.  The standard values in soil heavy metals defined by National Environmental Quality Standard

      重金属元素 污染积累起始值 中度污染起始值 重度污染起始值
      Xa/(mg/kg) Xc/(mg/kg) Xp/(mg/kg)
      Hg 0.15 0.3 1.5
      Cd 0.2 0.3 1
      As 15 30 60
      Cu 35 50 400
      Pb 35 250 500
      Cr 90 250 400
      Zn 100 200 500

      按照以上重金属元素污染指数范围,再求具体的污染指数,可以消除由于各重金属元素的污染评价标准不同而出现的Pi可能相差极大的现象,具体计算公式为:

      $$ C_{i} \leqslant X_{\mathrm{a}}, P_{i}=\frac{C_{i}}{X_{\mathrm{a}}} $$ (2)
      $$ X_{\mathrm{a}} \leqslant C_{i} \leqslant X_{\mathrm{c}}, P_{i}=\frac{C_{i}-X_{\mathrm{a}}}{X_{\mathrm{c}}-X_{\mathrm{a}}}+1 $$ (3)
      $$ X_{\mathrm{c}} \leqslant C_{i} \leqslant X_{\mathrm{p}}, P_{i}=\frac{C_{i}-X_{\mathrm{c}}}{X_{\mathrm{p}}-X_{\mathrm{c}}}+2 $$ (4)
      $$ X_{\mathrm{p}}<C_{i}, P_{i}=\frac{C_{i}-X_{\mathrm{p}}}{X_{\mathrm{p}}-X_{\mathrm{c}}}+3 $$ (5)

      (2) 潜在生态风险评价方法

      潜在生态风险评价方法是瑞典科学家Hakanson提出的评价方法[38],该评价方法包括Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg、As和PCB共8种污染物,涵盖了重金属和典型有机污染物。该方法考虑了沉积物中污染物的毒性及其在沉积物中的普遍的迁移转化规律,通过污染物总量分析与区域背景值进行比较,消除了区域差异及异源污染的影响,已成为目前沉积物重金属污染质量评价应用最广的一种方法[14-20]

      沉积物污染参数及潜在生态风险评价计算公式为:

      $$ C_{f}^{i}=C^{i} / C_{n}^{i} $$ (6)

      式中:Cfi为某一污染物的污染参数;

      Ci为表层沉积物中污染物含量实测值;

      Cni为全球工业化前沉积物中污染物含量。

      Hakanson根据大量数据分析,提出PCB、Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn含量分别取0.01、0.25、1.0、15、50、70、90和175 mg·kg-1

      $$ C_{d}=\sum C_{f}^{i} $$ (7)

      式中:Cd为多种污染物的综合污染指数。

      $$ E_{\tau}^{i}=T_{\tau}^{i} \times C_{f}^{i} $$ (8)

      式中:Eτi表示沉积物中单个污染物的潜在生态风险参数;

      Tτi为某一污染物的毒性系数。

      毒性系数反映了不同污染物的毒性水平和生物对不同污染物的敏感程度,揭示了单个污染物对人体和水生生态系统的危害。PCB、Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn的毒性响应参数分别为40、40、30、10、5、5、2和1。

      $$ \mathrm{RI}=\sum E_{\tau}^{i} $$ (9)

      式中:RI为沉积物综合潜在生态风险指数。

    • (1) 污染物空间分布特征

      大丰滨海湿地表层沉积物中重金属元素Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn含量的测试统计结果如表 3所示。各元素均值分别为0.05、0.25、7.21、25.5、20.3、67.79和68.09 mg/kg,且滩涂湿地均值高于人工湿地,滩涂湿地大丰港一期码头附近的JST-02各元素含量较高,为各元素含量最高值,呈较典型的点源污染特征。对照表 2可以看出,As、Cu、Pb、Cr、Zn 5种元素的均值均小于污染积累起始值,最大值都小于或略大于污染积累起始值,变异系数在6.8%~27.5%之间,表明这5种元素在研究区含量较低,含量差异不大,且空间分布上较均匀;Cd含量的平均值为0.25 mg/kg,且滩涂湿地和人工湿地的含量均值略高于污染积累起始值,最高值分别为0.48 mg/kg和0.35 mg/kg,稍高于中度污染起始值,其变异系数为26.4%,表明Cd在研究区含量偏高,含量差异不大,且空间分布均匀;Hg的平均值虽然都<0.15 mg/kg的污染积累起始值,但其最大值达到0.96 mg/kg,远超过了中度污染起始值,从变异系数上看,研究区和滩涂湿地Hg的变异系数分别为352.4%和272.5%,表明其含量在滩涂湿地差异较大,且空间上分布不均,应该为局部点源污染所致。

      表 3  重金属元素含量描述统计表

      Table 3.  Heavy metal element contents of the region

      元素 最大值/(mg/kg) 最小值/(mg/kg) 平均值/(mg/kg) 变异系数/%
      研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
      Hg 0.96 0.96 0.03 0.01 0.01 0.01 0.05 0.11 0.02 352.4 272.5 35.3
      Cd 0.48 0.48 0.35 0.16 0.17 0.16 0.25 0.28 0.24 26.4 31.9 18.1
      As 9.39 9.39 7.86 2.97 5.81 2.97 7.12 8.02 6.53 21.2 16.9 20.5
      Cu 40.32 40.32 26.10 16.99 16.99 18.71 25.50 27.96 23.86 20.9 27.5 7.6
      Pb 31.74 31.74 20.92 15.54 16.08 15.54 20.30 22.10 19.11 18.0 23.6 6.8
      Cr 91.93 91.93 72.89 53.04 53.04 57.39 67.79 72.89 64.38 13.1 15.4 7.4
      Zn 102.97 102.97 72.06 49.04 49.04 52.91 68.09 73.20 64.68 18.4 25.1 7.2

      (2) 污染物空间分布特征与黏土含量的相关性分析

      表 4是大丰滨海湿地沉积物重金属元素与黏土含量的相关分析结果,整体上,7种重金属元素与黏土含量呈正相关,其中Zn、Cu和Pb的富集情况与黏土含量的相关性较好,并且这3种重金属之间也呈现两两相关,这主要由于它们同属亲铜元素,来源、运输、影响富集因素等方面有相似的地球化学行为所致;而Cr、Cd和Hg与黏土含量的相关性相对较差,其中Hg与黏土含量及其他重金属之间的相关性最差(表 5)。可见,沉积物黏土含量对重金属的富集和分布起到一定控制作用[20, 39-42]

      表 4  黏土含量统计表

      Table 4.  Clay contents in sediments

      站位编号 黏土含量/% 湿地类型
      JST-01 17.15
      JST-02 23.50
      JST-03 18.33
      JST-04 0.00
      JST-05 14.95
      JST-06 8.70 湿
      JST-07 14.33
      JST-08 7.34
      JST-11 12.62
      JST-16 3.85
      JST-09 7.84
      JST-10 17.76
      JST-12 11.98
      JST-13 5.52
      JST-14 8.44
      JST-15 6.87 湿
      JST-17 10.40
      JST-18 9.07
      JST-19 10.89
      JST-20 7.69
      JST-21 11.70
      JST-22 11.47
      JST-23 11.00
      JST-24 12.33
      JST-25 12.80

      表 5  重金属元素与黏土含量相关分析(n=25)

      Table 5.  Correlation analysis between clay contents and heavy metals

      黏土 Hg Cd As Cu Pb Cr Zn
      黏土 1
      Hg 0.531** 1
      Cd 0.651** 0.728** 1
      As 0.615** 0.313 0.314 1
      Cu 0.799** 0.593** 0.819** 0.670** 1
      Pb 0.784** 0.665** 0.887** 0.630** 0.965** 1
      Cr 0.671** 0.575** 0.720** 0.662** 0.851** 0.853** 1
      Zn 0.767** 0.595** 0.873** 0.568** 0.971** 0.974** 0.804** 1
      注:**表示两者在0.01置信水平上相关
    • 大丰滨海湿地表层沉积物重金属单因子污染指数计算结果如表 6,整体看,研究区表层沉积物7种重金属元素的单因子污染指数平均值由大到小依次为Cd>Cr>Cu>Zn>Pb>As>Hg,其中,与元素空间分布特征较一致,Cd的单因子污染指数平均值最大为1.57,为研究区主要污染元素,其余6种元素的单因子污染指数平均值均小于1;Hg和Cd的Pi最大值均大于2,Cr、Cu、Zn的Pi最大值均大于1;Hg>2的站位只有JST-02站位,其他大于1的站位也有2个,88%的站位Pi值<1,证明Hg为典型的点源污染,研究区的污染程度较低;Cd有16%站位Pi值>2,68%的取样点Cd的Pi值>1,表明Cd在研究区基本为Cd元素中度污染区,Cr、Cu、Zn元素都各有1个站位的Pi值>1,且为最大值,仍为JST-02站位,其他站位的Pi值均<1,也表现为点源污染特征;Pb和As的Pi值不论最大值和均值都小于1,为非污染区;从变异系数看,Hg的变异系数全区为192.76%,滩涂湿地和人工湿地分别为223.74%和175.57,表明Hg元素对表层沉积物环境污染的空间差异性较大,其他元素的变异系数都<30%,表明元素分布的空间上较均匀。

      表 6  重金属元素Pi值统计表

      Table 6.  The Pi values of heavy metal elements contents

      元素 最大值/(mg/kg) 最小值/(mg/kg) 平均值/(mg/kg) 变异系数(%)
      研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
      Hg 2.55 2.55 1.76 0.07 0.07 0.07 0.34 0.35 0.33 192.76 223.74 175.57
      Cd 2.26 2.26 2.07 0.81 0.86 0.81 1.57 1.60 1.55 28.23 30.27 27.74
      As 0.63 0.63 0.52 0.20 0.39 0.20 0.47 0.53 0.44 21.22 16.87 20.49
      Cu 1.35 1.35 0.75 0.49 0.49 0.53 0.74 0.83 0.68 24.88 32.56 7.59
      Pb 0.91 0.91 0.60 0.44 0.46 0.44 0.58 0.63 0.55 18.03 23.59 6.75
      Cr 1.01 1.01 0.81 0.59 0.59 0.64 0.75 0.81 0.72 12.93 15.17 7.41
      Zn 1.03 1.03 0.72 0.49 0.49 0.53 0.68 0.73 0.65 18.42 25.10 7.20
    • 根据公式(6)~(9),计算得到大丰滨海湿地表层沉积物重金属污染指数及潜在生态风险指数(表 7表 8)。单污染物污染参数和单污染物潜在风险参数仍采用Hakanson[38]给出的污染程度标准。需要指出的是,由于未调查PCB有机污染物,所调查的污染因子少于Hakanson风险评价因子的总数,故根据马德毅等[15]研究成果和各污染因子所占权重值对综合污染指数和综合污染潜在生态风险指数进行了调整, 单污染物污染参数和单污染物潜在风险参数仍采用Hakanson[38]给出的污染程度标准。单污染物的污染程度:Cfi<1为低污染;1≤Cfi<3为中污染;3≤Cfi<6为较高污染;Cfi≥6为很高污染。调整后的综合污染程度:Cd<6为低污染;6≤Cd<12为中污染;12≤Cd<24为较高污染;Cd≥24为很高污染。单污染物潜在风险程度:Eτi<40为低生态风险,40≤Eτi<80中生态风险,80≤Eτi<160较高风险,160≤Eτi<320高风险,Eτi≥320很高风险。调整后的综合潜在风险程度:RI<94低潜在风险,94≤RI<188中潜在风险,188≤RI<376较高潜在风险,RI≥376很高潜在风险。

      表 7  沉积物重金属元素污染指数

      Table 7.  The index of heavy metal elements pollution in surface sediments

      研究区 项目 单个污染物的污染参数 综合污染指数
      Hg Cd As Cu Pb Cr Zn
      最大值 3.86 0.48 0.63 0.81 0.63 1.02 0.59 8.02
      潮滩湿地 最小值 0.04 0.17 0.39 0.34 0.32 0.59 0.28 2.22
      均值 0.44 0.28 0.53 0.56 0.44 0.81 0.42 3.48
      最大值 0.14 0.35 0.52 0.52 0.42 0.81 0.41 2.85
      人工湿地 最小值 0.04 0.16 0.20 0.37 0.31 0.64 0.30 2.27
      均值 0.07 0.24 0.44 0.48 0.38 0.72 0.37 2.68
      最大值 3.86 0.48 0.63 0.81 0.63 1.02 0.59 8.02
      研究区 最小值 0.04 0.16 0.20 0.34 0.31 0.59 0.28 2.22
      均值 0.22 0.25 0.47 0.51 0.41 0.75 0.39 3.00

      表 8  重金属元素值和RI值统计表

      Table 8.  The Eτi and RI values of heavy metal elements contents

      元素 Eτi最大值 Eτi最小值 Eτi平均值 变异系数/%
      研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工 研究区 滩涂 人工
      Hg 154.35 154.4 5.57 1.56 1.6 1.74 8.62 17.6 2.61 10.68 272.5 35.27
      Cd 14.47 14.5 10.55 4.86 5.2 4.86 7.57 8.3 7.06 16.87 31.9 18.08
      As 6.26 6.3 5.24 1.98 3.9 1.98 4.75 5.3 4.35 18.77 16.9 20.49
      Cu 4.03 4.0 2.61 1.70 1.7 1.87 2.55 2.8 2.39 7.11 27.5 7.59
      Pb 3.17 3.2 2.09 1.55 1.6 1.55 2.03 2.2 1.91 6.35 23.6 6.75
      Cr 2.04 2.0 1.62 1.18 1.2 1.28 1.51 1.6 1.43 7.04 15.4 7.41
      Zn 0.59 0.6 0.41 0.28 0.3 0.30 0.39 0.4 0.37 6.84 25.1 7.20
      RI值 184.91 184.9 23.21 15.70 15.7 16.03 27.41 38.4 20.12 6.18 134.8 8.42

      分析结果表明,从单个污染物污染参数来看,仅在滩涂湿地大丰港一期码头附近的JST-02站位Hg(3.85)为高度污染,Cr(1.02)为中度污染,其他站位都远低于1,为低污染状况,表现为典型的点源污染。

      整体看来,人工湿地区综合污染指数为2.27~2.85,均值为2.68,为低污染区;滩涂湿地和总研究区的综合污染指数受JST-02站位影响,范围都是2.22~8.02,但均值为3.48和3,都小于6,也为低污染区。

      表 8为大丰滨海湿地不同区域的7种主要污染物的单因子潜在生态风险参数和综合潜在生态风险指数。从综合潜在生态风险指数来看,变化范围为15.7~184.91,均值为27.41,整个区域具有较低的潜在生态风险。滩涂湿地潜在生态风险高于人工湿地;7种污染物潜在生态风险参数由大到小顺序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn。Hg的潜在风险参数最高为154.4,均值8.62,是大丰滨海湿地的主要潜在生态风险因子,其次为Cd,均值为7.57;此外,从表 7表 8也可以明显看出,大丰滨海湿地表层沉积物中As、Cd、Hg、Cu、Cr、Pb、Zn的污染程度与其潜在的生态危害程度的顺序均不一致,这是因为有些污染元素(如Pb和Hg)虽然污染程度较高,但其具有亲颗粒性,容易被细颗粒悬浮物迁移,进入沉积物中矿化埋藏使它们毒性降低,从而其潜在生态风险程度也降低。因此,只有把各污染物在沉积环境中的累积程度与其对湿地生态系统的潜在生态风险程度相结合,才能全面反映沉积环境的质量状况[43]

      上述分析表明,大丰滨海湿地重金属综合污染程度与综合潜在生态风险程度均较低,从整个区域来看尚未达到环境污染程度,但局部区域单污染物浓度较高。

    • (1) 大丰滨海湿地表层沉积物中重金属元素As、Cu、Pb、Cr、Zn 5种元素研究区含量较低,含量差异不大,且空间分布上较均匀;Cd在研究区含量偏高,含量差异不大,且空间分布均匀,为主要污染元素;Hg含量在滩涂湿地差异较大,且空间上分布不均,应该为局部点源污染所致。

      (2) 沉积物黏土含量与重金属含量呈正相关,表明黏土粒级对重金属的富集和分布起到一定控制作用。

      (3) 重金属单因子污染指数结果显示,研究区表层沉积物7种重金属元素的单因子污染指数顺序依次为Cd>Cr>Cu>Zn>Pb>As>Hg,Cd为主要污染元素。

      (4) 潜在生态风险评价结果表明,重金属综合污染程度与综合潜在生态风险程度均较低,从整个区域来看尚未达到环境污染程度,但局部区域单个污染物浓度较高。

参考文献 (43)

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