海洋生态系统的重金属污染是一个全球性问题^{[1, 2, 3, 4]}. 作为生态系统的重要组成部分,海岸盐沼湿地不仅是陆海相互作用最活跃的区域,也是典型的环境脆弱带^[5]. 经各种途径入海或着陆的各种污染物中,重金属污染物是对环境和人体健康最具有威胁的污染物之一，具有降解能力差、 生物毒性及生物累积放大等特点^[6]. 在沉积物环境中,受到流体力学作用、 生物地球化学作用、 水体理化条件及动植物活动等综合影响,使沉积物不但是重金属一个重要的汇,并且是上覆水体潜在的污染源^{[5, 7, 8]}. 与上覆水相比,沉积物中的重金属含量较高,并且具累积性特征,因此被广泛用于环境评估^{[9, 10]}.

受人类活动(港口建设、 滩涂养殖等)影响,湿地的急剧减少同样是全球性生态问题^{[11, 12]}. 互花米草(Spartina alterniflora)原产美洲，作为生态工程种，于20世纪70~80年代引入中国沿海. 由于其极强的适应性和繁盛能力，目前已在我国大部分海岸带形成了广阔的互花米草盐沼湿地^[13]. 它在抗风阻浪、 保滩护岸、 促淤造陆的方面发挥重要作用同时，也改变了盐沼湿地的环境，如影响沉积物组成^[14]、 有机质分布^[15]、 底栖动物群落结构^{[16, 17]}、 微生物多样性^[18]等. 有关互花米草对重金属分布影响的报道——其地下部分对多种重金属的吸收和富集,具有净化环境功能——多集中在泥质沉积环境^{[19, 20, 21, 22]},对于典型的砂/粉砂质平原海岸研究相对较少.

江苏潮滩是典型的粉砂淤泥质平原海岸,不仅是中国最大的湿地之一,也是互花米草引种的源发地之一. 如今互花米草已经覆盖了潮间带的大部分区域,陆续取代土著盐蒿 (Suaeda glauca)植被，改变了潮滩的原始地貌^{[23, 24, 25]}. 本研究以位于黄海之滨的江苏如东潮间带(32°21′~32°30′ N,121°12′~121°27′ E)为典型区域,结合互花米草的有无及其长势,对互花米草盐沼及邻近光滩区域的沉积物定量采样； 对重金属、 粒度、 有机碳分布特征进行分析,并采用地累积指数法和Hnkanson潜在生态危害指数法对该区域的污染状况进行评价,以深入了解互花米草在潮间带环境中的作用.

1 材料与方法 1.1 样品采集

于2010年7月9~11日,在如东潮间带沿垂直和平行于海岸线方向设置11站位(图 1). 其中,S1、 S2、 S3、 S4和S5分布于由海向陆的垂直断面上(S1位于互花米草扩展的最前沿光滩,仅有米草幼株零星分布； S2位于草区与光滩区交界处的米草区； S3和S4位于米草密集生长区； S5位于潮间带中上部互花米草与盐蒿滩过渡区的米草区域,该区域仅在大潮时才被潮水淹没),以研究互花米草长势对重金属分布与的影响. S6~S11分布于与海岸线基本平行的互花米草斑块区,是互花米草与光滩的交错带,其中S6、 S8和S10位于互花米草覆盖区内部,而S7、 S9和S11位于米草紧邻的光滩区,以研究互花米草对重金属污染的影响. 与垂直断面的米草相比,该区米草主要为拓殖1 a左右的年轻植株,其形体矮小.

图 1

Fig. 1

图 1 如东潮间带采样点分布 Fig. 1 Sampling sites over the intertidal flat of Rudong coast

退潮后,在既定站位用内径为29 mm的注射器改造的采样管,插管采集未受扰动的沉积物,随机采集0~4 cm长度的4个平行样. 样品以0～0.5、 0.5～1、 1～2、 2～4 cm分层装入封口袋中,-20℃冷冻保存. 各分层样品冷冻干燥后,经玛瑙研钵研磨至可以过100目尼龙筛,按比例取各层样品混合后用于分析重金属含量,其它用于分析总有机碳含量. 粒度分析样品为0~0.5 cm表层样品.

沉积物重金属的分析主要参考文献^[26]. Cr、 Cu、 Ni、 Zn等元素的分析采用ICP-MS方法. 称取0.2 g(精度为±0.000 1 g)沉积物样品于三角瓶中,加入10 mL王水,在电热板上加热微沸至有机物剧烈反应； 冷却后,再加入2 mL超纯水和30%双氧水3 mL,然后加热至冒白烟,沉积物呈灰白色或淡黄色； 冷却后,加30%双氧水1 mL,继续加热(95℃±5℃,约2 h)直到样品无变化； 冷却后加入超纯水定容 (至100 mL),离心后取上清液. 测定时,稀释加内标Rh.

Pb和Cd的测定采用原子吸收分光光度法(flame atomic absorption spectrometry,FAAS). 准确称取样品0.2 g(精度为±0.000 1 g)于25 mL比色管中,少许水湿润,加入10 mL王水,过夜； 沸水浴至样品中不再产生气泡,冷却至室温后,定容备用. Hg和As的测定采用原子荧光光度法(atomic fluorescence spectrometry,AFS),样品的预处理方法同ICP-MS.

质量控制：在分析潮间带表层沉积物重金属的同时,同步分析了水系沉积物标准物质GSD-5、 GSD-3重金属含量(回收率80.46%～120.03%,相对标准偏差3.32%～13.36%),以检验和控制分析数据质量.

用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行粒度分析. 每个样品取约1.5 g于20 mL玻璃烧杯中,用0.6%六偏磷酸钠溶液浸泡24 h后,转移到1 000 mL塑料烧杯中,超声振荡后测量. 激光粒度仪测量范围为0.02~2 000 μm,粒度分级0.1 μm,重复测量误差小于3%. 应用福克-沃德图算法^[27]的数学公式对Mastersizer 2000的分析结果进行计算,获得样品的粒度分布数据. 沉积物类型根据Link^[28]的分类方案,按照砂(<4 μm)、 粉砂(4~8 μm)和黏土(>8 μm)的组分含量来命名.

采用重铬酸钾氧化-还原容量法测定样品中的总有机碳^[29].

地累积指数法(geoaccumulation index,Igeo)^[9]由德国海德堡大学沉积物研究所Müller提出,是研究水系沉积物金属污染物的定量指数,用于评估人类活动对沉积物重金属的影响. Igeo计算公式为:

潜在生态风险指数评价法(the potential ecological risk index)^[10]由瑞典学者Hkanson提出,该方法其计算公式为：

本研究以中国大陆沉积物-浅海粉砂背景值(表 2)作为地球化学背景值,计算各元素的地累积指数、 污染系数及潜在生态风险系数等.

采用SPSS 19.0软件进行8种元素各空间数值正态性检验(K-S检验)、 单样本T检验(双侧),及重金属含量与平均粒径、 黏土含量、 总有机碳含量之间的相关分析(Pearson相关,双尾检测其显著性水平).

2 结果与分析 2.1 沉积环境特征

粒度分析表明,如东潮间带表层沉积物主要由粉砂和砂组成,黏土含量低于10% (表 1). 其中互花米草盐沼沉积物多为砂质粉砂,光滩区沉积物多为粉砂或粉砂质砂. 整个研究区域表层沉积物组成以粉砂最高,砂其次,黏土最少,分选程度为中. 在垂直岸线断面,粉砂含量由海向陆升高,砂的含量降低； 互花米草滩的沉积物组分以粉砂最高； 黏土含量在S2～S4随米草生长渐好而升高,至米草和盐蒿过渡的S5又变小. 平行岸线断面,沉积物组成以砂含量最高,米草区的平均粒径略微大于光滩区,米草区的黏土和砂含量高于光滩区. 在垂直岸线断面,S1～S5沉积物的分选系数S1～S4逐渐变大,在S5又变小.

表 1(Table 1)

表 1 如东潮间带表层沉积环境粒度参数 Table 1 Crain-size parameters of the surficial sediment at the intertidal flat of Rudong coast 采样断面及站点 黏土/% 粉砂/% 砂/% 平均粒径/μm 中值粒径/μm 分选系数 垂 直 于 岸 线 断 面 S1 2. 12 21. 02 76. 87 92. 29 96. 70 2. 03 S2 4. 57 57. 26 38. 17 47. 40 50. 51 2. 51 S3 6. 56 65. 7 27. 74 36. 34 41. 95 2. 72 S4 9. 01 70. 54 20. 45 26. 69 35. 04 3. 10 S5 7. 84 72. 04 20. 12 30. 31 37. 21 2. 78 断面平均 (S1~S5) 6. 02 57. 31 36. 67 63. 38 52. 28 2. 63 (S2~S5) 6. 70 66. 39 26. 62 35. 19 41. 18 2. 78 平 行 于 岸 线 断 面 S6 4. 09 39. 97 55. 95 61. 41 68. 86 2. 45 S7 3. 26 44. 97 51. 77 60. 25 64. 26 2. 20 S8 2. 74 34. 47 62. 79 69. 95 76. 61 2. 16 S9 3. 26 45. 65 51. 09 58. 20 63. 64 2. 25 S10 3. 45 56. 84 39. 7 51. 83 53. 41 2. 19 S11 3. 00 52. 65 44. 35 55. 89 57. 37 2. 15 互花米草区 (S6,S8 & S10) 3. 43 43. 76 52. 81 79. 66 66. 29 2. 27 光滩区 (S7,S9 & S11) 3. 18 47. 75 49. 07 75. 88 61. 76 2. 20 断面平均 3. 30 45. 76 50. 94 77. 77 63. 98 2. 23 S1~S11平均 4. 54 51. 01 44. 45 71. 23 58. 69 2. 41

表 1 如东潮间带表层沉积环境粒度参数 Table 1 Crain-size parameters of the surficial sediment at the intertidal flat of Rudong coast

2.2 有机碳分布特征

如东潮间带表层沉积物有机碳含量普遍较低 (0.63%～1.21%,图 2). 在垂直岸线断面,表层沉积物有机碳含量由海向岸呈升高趋势,表明互花米草的生长促进了沉积物有机碳的累积,且生长年份越高促进作用也明显； 在平行岸线断面,有机碳含量在米草区与邻近光滩的差异不明显. 在垂向分布,大多站位有机碳含量在0～0.5 cm表层最高,且随深度增加呈逐渐降低趋势.

图 2

Fig. 2

图 2 如东潮间带沉积物有机碳分布 Fig. 2 Distribution of organic carbon content in the intertidal flat of Rudong coast

研究区域沉积物8种元素含量见表 2. 8种元素平均含量均低于海洋沉积物标准I类^[31],其中Cd、 Hg、 Zn平均含量高于中国大陆沉积物-浅海粉砂背景值^[31],其他元素低于中国大陆沉积物-浅海粉砂背景值. 8种元素在米草区的平均值高于光滩区平均值. 在垂直岸线断面,As、 Hg 和Cu含量由海向陆呈现随米草长势渐好呈增加趋势,Hg的最高含量是最低含量的5倍,Cd和Zn含量先升高再降低,Cr和Ni含量由海向陆变化不大. 在平行岸线断面,米草区8种元素含量均高于光滩区. 两个断面相比,斑块区Cd、 Cu含量明显低于垂直断面的茂盛分布区.

表 2(Table 2)

表 2 如东潮间带表层沉积物重金属含量 Table 2 Heavy metal contents in the surficial sediments at the intertidal flat of Rudong coast 采样断面及站点 重金属含量/mg ·kg-1 Pb Cd As Hg Cr Cu Zn Ni 垂 直 于 岸 线 断 面 S1 7.03 0.130 4.87 0.014 55.02 6.15 95.03 25.34 S2 6.29 0.171 5.80 0.039 53.21 8.24 110.15 25.65 S3 7.80 0.167 7.03 0.040 63.74 10.70 92.43 28.98 S4 8.04 0.120 7.29 0.040 55.07 10.09 79.59 26.66 S5 6.98 0.120 9.98 0.070 61.30 12.32 91.45 28.22 断面平均 (S1~S5) 7.23 0.142 6.79 0.041 57.67 9.50 93.73 26.95 (S2~S5) 7.28 0.145 7.53 0.048 58.33 10.34 93.41 27.38 平 行 于 岸 线 断 面 S6 7.08 0.104 10.06 0.037 59.40 7.03 85.78 27.94 S7 5.39 0.087 5.44 0.041 43.72 5.09 51.53 18.65 S8 4.11 0.076 4.22 0.044 37.40 3.91 62.03 22.31 S9 3.24 0.061 5.86 0.038 28.57 2.60 45.80 15.67 S10 5.35 0.081 5.73 0.099 37.58 3.57 68.57 22.69 S11 5.38 0.074 8.18 0.047 28.35 3.51 55.26 19.11 互花米草区(S6,S8 & S10) 5.52 0.087 6.67 0.060 44.79 4.84 72.61 24.32 光滩区(S7,S9 & S11) 4.67 0.074 6.49 0.042 33.55 3.73 50.86 17.81 断面平均 5.09 0.081 6.58 0.051 39.17 4.29 61.51 21.06 整个研究区均值(S1~S11) 6.06 0.108 6.68 0.046 47.58 6.66 76.15 3.74 整个研究区中值 6.29 0.104 5.86 0.040 53.21 7.03 79.59 5.64 中国大陆沉积物背景值 19 0.066 7.3 0.027 60 15 23 62 海洋沉积物标准Ⅰ类 60.0 0.5 20.0 0.2 80.0 35.0 —1) 150.5 1)“—”表示没有相关数据

表 2 如东潮间带表层沉积物重金属含量 Table 2 Heavy metal contents in the surficial sediments at the intertidal flat of Rudong coast

各元素之间的相关性见表 3. 除Hg和As外,其它6种元素间显著正相关(P＜0.01). 黏土含量与Pb、 Cu、 Ni呈显著正相关； 平均粒径与各元素含量呈负相关，且与Cu呈显著负相关； 有机碳含量与As、 Cu呈显著正相关.

表 3(Table 3)

表 3 如东潮间带表层沉积物各元素含量间及其与黏土含量、 平均粒径、 总有机碳的相关系数 1) Table 3 Correlation coefficient matrix between heavy metal contents and clay content,mean grain size & organic carbon in surface sediment over the Rudong tidal flat Pb Cd As Hg Cr Cu Zn Ni Cd 0.747** As 0.470 0.105 Hg -0.154 -0.269 0.179 Cr 0.876** 0.810** 0.407 -0.197 Cu 0.828** 0.764** 0.515 -0.039 0.889** Zn 0.742** 0.907** 0.228 -0.157 0.829** 0.730* Ni 0.867** 0.764** 0.446 -0.012 0.920** 0.841** 0.863** 黏土含量 0.653* 0.464 0.520 0.168 0.602 0.853** 0.395 0.604* 平均粒径 -0.389 -0.302 -0.505 -0.432 -0.313 -0.641* -0.181 -0.355 有机碳含量 0.405 0.175 0.797** 0.314 0.306 0.609* 0.170 0.293 1) * 表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关,** 表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关

表 3 如东潮间带表层沉积物各元素含量间及其与黏土含量、 平均粒径、 总有机碳的相关系数 1) Table 3 Correlation coefficient matrix between heavy metal contents and clay content,mean grain size & organic carbon in surface sediment over the Rudong tidal flat

K-S检验表明,研究区域各站位8种元素含量、 Igeo、 Cⁱ_f、 Eⁱ_r及各站位C_d、 RI服从正态分布(P>0.05)； 单样本T检验表明,上述各空间数值具有统计意义(P＜0.05).

以中国大陆沉积物-浅海粉砂背景值(表 2)作为地球化学背景值,获得的8种元素的地累积指数、 各站位地累积指数(表 4). 8种元素中,只有Cd和Hg的平均地累积指数大于0,分别为0.06和0.052,为偏向无污染水平的轻度污染. 其它元素平均地累积指数小于0,属无污染水平. 研究区域的平均Igeo小于0,属无污染水平.

表 4(Table 4)

表 4 江苏如东潮间带表层沉积物中重金属地累积指数Igeo 1) Table 4 The Igeo and their ecological levels of heavy metals over the intertidal sediments of Rudong coast,Jiangsu province 元素 垂直于岸线断面 平行于岸线断面(互花米草和邻近光滩: S6和S7,S8和S9,S10和S 11) S1 S2 S3 S4 S5 S1~S5 S2~S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S6~S11 S6,8,10 S7,9,11 Pb -2.02 -2.18 -1.87 -1.83 -2.03 -1.99 -1.98 -2.01 -2.4 -2.79 -3.14 -2.41 -2.41 -2.28 -2.40 -2.65 Cd 0.4 0.79 0.56 0.28 0.28 0.46 0.48 0.07 -0.18 -0.37 -0.69 -0.29 -0.41 0.06 -0.20 -0.43 As -1.17 -0.92 -0.64 -0.59 -0.29 -0.72 -0.61 -0.12 -1.01 -1.37 -0.9 -0.93 -0.42 -0.76 -0.81 -0.78 Hg -1.54 -0.06 -0.03 -0.004 -0.78 -0.48 -0.22 -0.13 -0.03 -0.1 -0.09 1.29 0.22 0.052 0.35 0.03 Cr -0.71 -0.76 -0.5 -0.71 -0.55 -0.65 -0.63 -0.6 -1.04 -1.27 -1.66 -1.26 -1.67 -0.97 -1.04 -1.46 Cu -1.87 -1.45 -1.07 -1.16 -0.87 -1.28 -1.14 -1.68 -2.15 -2.52 -3.11 -2.66 -2.68 -1.93 -2.29 -1.21 Ni -0.45 -0.43 -0.26 -0.37 -0.29 -0.36 -0.34 -0.3 -0.89 -0.63 -1.14 -0.6 -0.85 -0.56 -0.51 -0.96 Zn 0.03 0.24 -0.01 -0.22 -0.02 0.00 0.00 -0.12 -0.85 -0.58 -1.02 -0.44 -0.75 -0.34 -0.38 -0.87 平均 -0.92 -0.59 -0.45 -0.57 -0.37 -0.58 -0.50 -0.61 -1.06 -1.18 -1.47 -0.91 -1.12 -0.84 -0.90 -1.22 1) Igeo指数≤0、 0～1、 1～2、 2～3分别表示无污染，轻度污染，偏中度污染和中度污染

表 4 江苏如东潮间带表层沉积物中重金属地累积指数Igeo 1) Table 4 The Igeo and their ecological levels of heavy metals over the intertidal sediments of Rudong coast,Jiangsu province

以中国大陆沉积物-浅海粉砂背景值为参比,计算各元素的污染系数、 潜在生态风险系数等. 8种元素Pb、 Cd、 As、 Hg、 Cr、 Cu、 Ni、 Zn的毒性系数Tⁱ_r分别为5、 30、 10、 40、 2、 5、 5、 1^{[9, 32]}. 表 5为各站位表层沉积物中8种重金属元素的单因子污染系数Cⁱ_f及多因子污染指数C_d.

表 5(Table 5)

表 5 如东潮间带表层沉积物中重金属单因子污染系数Cif及多因子污染程度Cd 1) Table 5 The Cif and Cd of heavy metals in the surface sediments of each sampling site from Rudong tidal flats 采样断面及站位分布 Cif Cd Pb Cd As Hg Cr Cu Ni Zn 垂 直 于 岸 线 断 面 S1 0.37 1.97 0.67 0.52 0.92 0.41 1.10 1.53 7.49 S2 0.33 2.59 0.80 1.44 0.89 0.55 1.12 1.78 9.48 S3 0.41 2.54 0.96 1.17 1.06 0.71 1.26 1.49 9.90 S4 0.42 1.82 1.00 1.50 0.92 0.67 1.16 1.28 8.77 S5 0.37 1.82 1.23 2.58 1.02 0.82 1.23 1.47 10.55 S1~S5 平均 0.38 2.15 0.93 1.50 0.96 0.63 1.51 1.17 9.2 平 行 于 岸 线 断 面 S6 0.37 1.58 1.38 1.37 0.99 0.47 1.21 1.39 8.76 S7 0.28 0.31 0.74 1.53 0.73 0.34 0.81 0.83 6.59 S8 0.22 1.16 0.58 1.61 0.62 0.26 0.97 1.00 6.42 S9 0.17 0.93 0.80 1.41 0.48 0.17 0.68 0.74 5.38 S10 0.28 0.22 0.79 3.67 0.63 0.24 0.99 1.11 8.92 S11 0.28 0.13 1.12 1.74 0.47 0.23 0.83 0.89 6.70 互花米草区平均(S6,S8 & S10) 0.29 1.32 0.91 2.22 0.75 0.32 1.06 1.06 8.03 光滩区平均(S7,S9 & S11) 0.25 1.13 0.89 1.56 0.56 0.25 0.77 0.82 6.22 断面平均S6~S11 0.27 1.22 0.90 1.89 0.65 0.29 0.92 0.99 7.13 研究区平均 (S1~S11) 0.32 1.64 0.91 1.71 0.79 0.44 1.03 1.23 8.09 1)低污染: Cif<1,Cd<8； 中污染: 1≤Cif<3，8≤Cd<16

表 5 如东潮间带表层沉积物中重金属单因子污染系数Cif及多因子污染程度Cd 1) Table 5 The Cif and Cd of heavy metals in the surface sediments of each sampling site from Rudong tidal flats

从单个重金属元素来看,各元素的Cⁱ_f大小顺序为Hg>Cd>Zn>Ni>As>Cr>Cu>Pb,其中Hg、 Cd、 Zn、 Ni的平均Cⁱ_f大于1,属中度污染. 在垂直岸线断面,Hg、 Cd、 Zn、 Ni属中度污染； As、 Cr、 Cu、 Pb为低污染(Cⁱ_f＜1),由海向陆其Cⁱ_f数值随互花米草长势渐好呈现变大趋势,Cd、 Zn、 Ni、 Cr的Cⁱ_f由海向陆先增高再降低. 在平行岸线断面,同样Hg、 Cd、 Zn、 Ni为中度污染,As、 Cr、 Cu、 Pb为低污染； 米草区各元素的Cⁱ_f普遍大于光滩区,米草区各元素平均Cⁱ_f高于光滩区,即米草区各元素污染指数大于光滩区.

从综合污染程度来看,整个研究区域内的C_d为8.09,为偏向于低污染的中度污染(C_d<8为低污染,8≤C_d<16为中度污染). 在垂直岸线断面,由海向陆C_d随互花米草长势渐好而逐渐增大,污染程度由低污染增至中度污染. 平行岸线断面,米草区各站位C_d均高于光滩区,米草区污染程度为中度污染,光滩区为低污染.

如东潮间带表层沉积物各元素潜在生态危害系数Eⁱ_r与总潜在生态风险指数RI见表 6. 从单个元素来看,Cd和Hg属中度污染,其他元素为低污染. 在垂直岸线断面,Cd和Hg的平均Eⁱ_r分别为64.47和60.03,为中度污染,其他元素为低污染； Pb、 As、 Hg和Cu的Eⁱ_r由海向陆随米草长势渐好呈现逐渐增大趋势. 在平行岸线断面,Cd和Hg为仍为中度污染,其他元素为低污染； 米草区的各元素平均Eⁱ_r大于光滩区,且米草区域各元素Eⁱ_r普遍大于光滩区,即米草区各重金属元素的潜在生态危害高于光滩区. 整个研究区域潜在生态风险等级为低. 在垂直岸线断面,离岸最远的光滩区S1站位的RI明显小于离岸最近的S5. 平行岸线断面,米草区和光滩区的潜在危害等级均为低,但米草区的RI大于光滩区,即米草滩的潜在生态危害高于光滩区.

表 6(Table 6)

表 6 如东潮间带表层沉积物中各重金属潜在生态危害系数与总潜在生态风险指数 1) Table 6 Ecological harm coefficient and ecological risk index of heavy metals in the sediment of Rudong tidal flats 采样断面及站位分布 Eir RI及潜在生态 危害等级 Pb Cd As Hg Cr Cu Ni Zn 垂 直 于 岸 线 断 面 S1 1.85 59.23 6.67 20.76 1.83 2.05 5.51 1.53 99.34 低 S2 1.66 77.61 7.95 57.60 1.77 2.75 5.58 1.78 156.69 中 S3 2.05 76.12 9.63 58.73 2.12 3.57 6.23 1.49 156.98 中 S4 2.12 54.68 9.99 59.84 1.84 3.36 5.79 1.28 138.91 低 S5 1.84 54.69 12.30 103.32 2.04 4.11 6.13 1.47 185.91 中 S1~S5平均 1.90 64.47 9.31 60.03 1.92 3.17 5.85 5.86 148.16 低 平 行 于 岸 线 断 面 S6 1.86 47.40 13.78 54.67 1.98 2.34 6.07 1.39 129.49 低 S7 1.42 39.42 7.45 61.14 1.46 1.70 4.06 0.83 117.66 低 S8 1.08 34.76 5.79 64.49 1.25 1.30 4.85 1.00 114.51 低 S9 0.85 27.91 8.03 56.40 0.95 0.87 3.41 0.74 99.15 低 S10 1.41 36.69 7.86 146.98 1.25 1.19 4.93 1.11 201.41 中 S11 1.42 33.76 11.20 69.79 0.95 1.17 4.15 0.89 123.33 低 互花米草区平均(S6,S8& S10) 1.45 39.61 9.14 88.71 1.49 1.61 5.29 1.16 148.47 低 光滩区平均(S7,S9& S11) 1.23 33.76 8.89 62.44 1.12 1.24 3.87 0.82 113.38 低 断面平均S6~S11 1.34 36.69 9.02 75.58 1.31 1.43 4.58 0.99 130.92 低 整个研究区 (S1~S11) 1.60 49.31 9.15 68.51 1.56 2.22 5.16 1.23 138.76 低 1)低潜在生态风险: Eir<40,RI<150； 中潜在风险: 40≤Eir<80,150≤RI<300； 较重潜在生态风险80≤Eir<160,300≤RI<600

表 6 如东潮间带表层沉积物中各重金属潜在生态危害系数与总潜在生态风险指数 1) Table 6 Ecological harm coefficient and ecological risk index of heavy metals in the sediment of Rudong tidal flats

比较而言，虽然两种方法获得的整体污染等级不同，但是其反映的环境趋势基本一致,无污染与低污染以及轻度污染与中度污染的数据组约占70% (表 7). 并且污染评价略有差异的站位主要是互花米草分布区，主要是Hg、 Ni和Zn这3种元素. 潜在生态风险指数评价法考虑了重金属污染对人体健康、 生物生长的影响,引入了毒性响应系数Tⁱ_r,不同重金属毒性各异. 而地累积指数法的评价较为保守. 两种方法结合使用,有助于更合理地反映研究区域重金属污染状况.

表 7(Table 7)

表 7 各元素在2种评价方法(地累积指数法/潜在生态风险指数评价法)中的污染等级 1) Table 7 Pollution level of each metal by two assessment methods 地累积指数/潜在生态风险指数评价 重金属元素 整体 Pb Cd As Hg Cr Cu Ni Zn 垂 直 于 岸 线 断 面 S1 无/低 轻度/中 无/低 轻度/低 无/低 无/低 无/中* 轻度/中 无/低 S2 无/低 轻度/中 无/低 轻度/中 无/低 无/低 无/中* 轻度/中 无/低 S3 无/低 轻度/中 无/低 无/中* 无/中* 无/低 无/中* 无/中* 无/中* S4 无/低 轻度/中 无/中* 无/中* 无/低 无/低 无/中* 无/中* 无/中* S5 无/低 轻度/中 无/中* 无/中* 无/中* 无/低 无/中* 无/中* 无/中* 断面平均S1~5 无/低 轻度/中 无/低 无/中* 无/低 无/低 无/中* 无/中* 无/中* 平 行 于 岸 线 断 面 S6 无/低 轻度/中 无/中* 无/中* 无/低 无/低 无/中* 无/中* 无/中* S7 无/低 无/低 无/低 无/中* 无/低 无/低 无/低 无/低 无/低 S8 无/低 无/中* 无/低 无/中* 无/低 无/低 无/低 无/中 无/低 S9 无/低 无/低 无/低 无/中* 无/低 无/低 无/低 无/低 无/低 S10 无/低 无/低 无/低 偏中/较高 无/低 无/低 无/低 无/中* 无/中* S11 无/低 无/低 无/中* 轻度/中 无/低 无/低 无/低 无/低 无/低 断面平均S6~11 无/低 无/中* 无/低 轻度/中 无/低 无/低 无/低 无/低 无/低 米草区平均S6,S8,S10 无/低 无/中* 无/低 轻度/中 无/低 无/低 无/中* 无/中* 无/中* 光滩区平均S7,S9,S11 无/低 无/中* 无/低 轻度/中 无/低 无/低 无/低 无/低 无/低 研究区平均S1~S11 无/低 轻度/中 无/低 轻度/中 无/低 无/低 无/中* 无/中* 无/中* 1)* 表示两种评价方法稍有偏差

表 7 各元素在2种评价方法(地累积指数法/潜在生态风险指数评价法)中的污染等级 1) Table 7 Pollution level of each metal by two assessment methods

盐沼湿地沉积物对重金属的富集作用,一方面是细颗粒泥沙的黏附作用,已有研究表明重金属含量与沉积物粒径和沉积物中黏土含量之间的高度相关^{[20, 33]}. 由于细颗粒物质有助于重金属的黏附,而互花米草促进细颗粒物质的沉降,因此间接增加了盐沼湿地对重金属的富集作用. 这种现象在本研究结果中体现的较为明显,如在垂直断面上黏土含量和有机碳含量均表现自海向陆随互花米草长势渐好呈增加趋势； 8种元素在沉积物中的含量与黏土含量都表现为正相关,并且Pb、 Cu、 Ni含量与黏土含量表现为显著相关. 同时由于重金属在沉积物中的含量受其存在形式、 来源、 污染水平等多种因素的影响,因此其分布也表现为一定的差异. 如,Hg在土壤及沉积物中主要以HgS和Hg⁰形式存在,而且沉积物中的汞向空气中释放^{[33, 34, 35]},使其分布与其它元素不同； 相对其他元素,As在互花米草植株地下部分含量远高于地上含量(约为19倍,除Hg没有数据外其它约为2~4倍)^[36],此外,土壤中的某些细菌、 酵母等真菌可以使土壤中的砷甲基化而逸出气体砷^[37]. 这可能是Hg 与As其它种元素相关系数较低的原因之一.

另一方面互花米草等盐沼植物本身对重金属具有吸附作用,由于其富集作用主要在其根系附近,随着植物根部腐烂,故而大部分重金属被滞留在沉积物中^{[20, 34]}. 为详细了解互花米草的作用,本研究垂直断面采样主要考虑互花米草的长势,平行断面主要考虑互花米草植株的有无. 在分析的8种元素中,Pb、 As、 Cu、 Hg含量、 地累积指数、 潜在生态风险系数均表现出由海向陆方向随米草长势渐好含量逐渐增加的趋势； 而在植物较为矮小的互花米草斑块分布区,互花米草区重金属浓度、 污染程度、 潜在生态风险均高于光滩区. 该结果与罗源湾及泉州湾的研究结果较为相近^{[22, 38]}. 互花米草群落在江苏如东同样促进了重金属污染物的富集,阻滞其入海进一步扩散,从而降低了对环境的危害. 此外,在平行断面互花米草拓殖1年左右斑块的沉积物中,Cd、 Cu含量显著(ANOVA,P<0.05)低于垂直断面的茂盛分布区,进一步表明互花米草对重金属影响与其拓殖年限有关,拓殖年限越高,越促进重金属富集. 由于沉积物的理化条件对不同元素的富集影响不尽一致,因而不同元素含量变化表现略有差异.

研究区域基本没有大江、 大河等淡水输入； 但滩涂养殖业非常发达,附近有贝类 (如蛤、 蛏等)、 海参、 虾、 蟹等经济动物繁养殖场. 因此养殖过程中残饵、 粪便、 消毒液的排放等可能是重金属污染的重要来源之一,也是影响重金属分布的重要因素之一. 携带污染物的水体沿潮沟顺流而下,潮沟上游宽阔,且受互花米草根系阻挡,水流缓慢,部分污染物被吸附或沉降； 涨潮时潮沟下游污染物被带回上游并滞留一段时间,继而造成二次被吸附或沉降； 退潮时,潮沟下游浸没时间较上游长,对污染物的稀释程度较大. 加之近岸端互花米草相对茂盛,地下根系密集,形成层层阻隔. 因此近岸的沉积物中重金属含量相对较高,随着向海推进其含量逐渐降低. 进一步表明互花米草群落在阻滞重金属污染物扩散入海方面发挥重要作用.

虽然地累计指数和潜在生态评价均表明8种元素中Hg和Cd具有一定程度的污染(轻度/中等),但是整个研究区域内的重金属污染程度相对较低,尽管潜在生态风险评价中其多因子污染指数为中，其数值仅为8.09,略微高于低污染水平 (小于8为低污染； 大于等于8小于为中等污染),潜在危害程度为低. 此外,两种方法评价中略微存在差异的站位主要来自互花米草滩的部分元素 (Hg、 Ni和Zn). 很可能这些重金属的分布模式是互花米草盐沼中内部环境异质性的体现. 已有研究表明潮滩微地貌元素影响生物分布,如芦苇植株之间(植株5 cm半径之外)小型生物底栖生物丰度(尤其是海洋线虫)高于芦苇根周^[39]. 由于生物活动会影响沉积物的理化性质,而后者会间接影响重金属的空间分布. 这些工作有待于在后续的研究中给予重视.

4 结论

(1) 如东潮间带表层沉积物主要是粉砂和砂,总有机碳含量较低. 所分析的8种元素含量均低于海洋沉积物标准I类,其中Hg、 Cd和Zn的含量高于中国大陆沉积物-浅海背景值. 除Hg和As外,其它6种间元素显著相关,Pb、 Cu、 Ni与黏土含量显著相关,As、 Cu与有机碳含量显著相关. 互花米草区的重金属含量高于光滩区.

(2) 地累计指数和潜在生态评价均表明,测定的8种元素中以Hg和Cd在该区域的污染相对较为重； 地累计指数表明研究区域重元素污染程度为无污染,潜在生态风险指数评价法则处于为低污染和中度污染的临界值,生态风险为低. 两种方法评价结果基本一致,略有差异的区域主要为互花米草植被区.

(3) 由海向陆随互花米草长势渐好(垂直岸线断面),As、 Cu及Hg的含量、 地累积指数、 潜在生态风险系数呈渐增趋势. 拓殖一年左右的米草斑块区内(平行岸线断面),互花米草覆盖区8种元素含量、 污染及生态风险均高于邻近无植被覆盖区. 斑块分布区Cd、 Cu含量显著低于垂直断面的茂盛分布区.

(4) 互花米草是大部分重金属污染物在沉积物富集的重要驱动力之一,其植株通过阻滞污染物直接入海扩散,降低生态危害. 互花米草对重金属的影响程度与米草的拓植年限、 金属元素存在形态和来源有关.

致谢： 感谢南京大学研究生刘运令、 欧志吉、 李润祥、 赵秧秧、 陆驰、 李瑾协助野外工作,南京大学分析中心的陶仙聪老师协助样品分析.