海南岛东北部红树林湿地沉积物中重金属污染评价

1、目 录0 引言.31 研究区概况.42 样品的采集、处理及测定.42.1 采集和处理样品.42.2 测定结果.53 沉积物重金属污染评价.63.1 评价方法的选取.63.2 回归过量分析（ERA）模型的建立.63. 3 回归过量分析（ERA）模型法对重金属污染的评价.73.3.1 回归过量分析（ERA）模型法的科学依据 .73.3.2 回归过量分析（ERA）模型分析及结果 .83.4 回归过量分析（ERA）模型法的改进.93.4.1 内梅罗综合污染指数评价 .93.4.2 内梅罗综合污染指数评价结果及分析 .104 结论.115 致谢.11参考文献.111海南岛东北部红树林湿地沉积物中重金属污

2、染评价海南岛东北部红树林湿地沉积物中重金属污染评价1作者：杨迅捷 季一诺 指导老师：赵志忠 教授（海南师范大学，地理与旅游学院，海南 中国 571158）摘要：摘要：本研究在以海南岛东北部的红树林湿地沉积物为研究对象，在分析沉积物中各种元素含量的基础之上，运用回归过量分析法和内梅罗综合污染指数法等研究方法对海南岛东北部脆弱的红树林湿地生态系统进行科学的评价。结果表明：海南岛东北部的红树林湿地沉积物环境质量总体较好，但Cd、Cu 和 Ni 的均值较高，其他重金属相对含量相对较低。相比较而言，清澜港、东寨港和新盈港等三个红树林湿地中，东寨港和清澜港综合评价为级，属于中污染湿地；新盈港的污染等级为级

3、，属轻污染湿地。关键词：关键词：沉积物；重金属；污染评价；红树林Contamination Assessment of Heavy Metals in ediments of Mangrove Forestsin Northeastern Hainan IslandAuthor: Yang Xunjie, Ji Yinuo Tutor: Professor Zhao Zhizhong (School of Geography and Tourism, Hainan Normal University, Haikou571158)Abstract: Based on the analysis o

4、f the contents of heavy metals(Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、As、Cr、Ni)in the sediments in the mangrove wetland areas in northeastern Hainan Island, the author tries to assess the mangrove wetland ecosystems scientifically of the mangrove wetland areas by using the method of the Excess after Regression Analysis (ER

5、A) and Nemerow Pollution Index Method. The result indicates that the quality of sediments of the mangrove forests is acceptably satisfied. However, the contents of Cd, Cu and Ni are still higher than the background concentration, while the rest remains relatively low. Moreover, by comparing with the

6、 multiple pollution indexes of the three sections of Qinglangang, Dongzhaigang and 1 本项目得到海南省自然科学基金项目(40879);海南省教育厅项目(HJKJ2010-28)及教育部留学回国人员科研启动基金项目资助2Xinyinggang, the result indicated that environment qualities of Dongzhaigang and Qinglangang are classified as the third class, which is moderately c

7、ontaminated, while Xinyinggang is classified as the second class, or slightly contaminated.Keywords: Sediments; Heavy metals; Contamination Estimate; Mangrove Forests.0 引言海南岛地处北半球热带北缘，介于 1809N2110N、10803E11003E 之间，北面以 1530km 宽的琼州海峡与雷州半岛相望，海岸线长度大于1500km，全岛面积 3.39 万平方千米，形似一个东北西南向伸长的雪梨，海南岛地形呈一穹隆，中南部山地耸

8、立，四周地形低平，海拔 100m 以下的台地、平原占全岛面积的近 2/31。红树林是分布于热带、亚热带河口潮间带的重要植被类型，是河口生态系统的初级生产者，它具有维护海岸带生态平衡的各种功能，蕴藏着丰富的生物资源。可以说，红树林湿地对浅海、滩涂栖息的生物多样性保护发挥着重要的作用2。红树林湿地处于海洋与陆地相互作用的交汇处，其结构和功能上具有既不同于陆地生态系统也不同于海洋生态系统的特性，作为独特的海陆边缘生态系统在自然生态平衡中起着独特的作用3。然而，近年来，随着人口膨胀、城市化和工业化的急速发展，加上船舶运输业、农业和渔业等人为活动的影响，大量的点源、面源污染物汇集于海湾河口区，导致这些地

9、区的重金属污染日益严峻，特别是在直接向红树林区域排污排废的地区更是如此。然而由于红树林自身固有的特性，它可以大量接受来自潮汐、河水以及暴雨所携带的重金属污染物，成为重金属污染物的重要的源和汇，使得红树林湿地的环境压力日益增大。已有的研究表明，沉积物中重金属的含量比相对应的水相的重金属含量高很多倍，反映沉积物中出现明显的重金属积累 4。就海南岛而言，东北部地区人口稠密，河口区、海岸带的人类活动频繁，红树林湿地地区破坏严重，沉积物受人类影响很大。因此有必要对海南岛东北部红树林沉积物中重金属污染的评价，以期为红树林湿地重金属的治理、红树林生态学的保护和恢复提供理论依据。本研究选择海南岛东北部的东寨港

10、、清澜港、新盈港红树林湿地为研究对象，结合回归过量分析法和内梅罗综合污染指数3法分析红树林湿地沉积物中重金属的污染程度。项目研究可为科学评价三处红树林湿地中重金属的污染现状提供借鉴。1 研究区概况研究区选择在海南岛东北部的东寨港红树林湿地、清澜港红树林湿地和新盈港红树林湿地的部分地区。该地区属于热带海洋性季风气候，年平均气温 23.8，海水表层平均温度 24.5，年平均降水量 17001933mm。红树林面积约为 3800hm2。成土母质主要是玄武岩，亦有橄榄玄武岩等等、土壤有机物含量丰富，沿海红树林海岸除部分为较坚实的盐渍砂质壤土外，其余为河口或港湾冲积淤泥，适合各种海生动物生殖和繁衍。2

11、样品的采集、处理及测定2.1 样品采集和处理研究区红树林沉积物的样品采集时间为 2010 年 89 月，在海南东寨港、清澜港和新盈港红树林湿地地区采集样品，为了更加精准的找到布置的采样点，我们采用了GPS 全球定位4图 2.1 研究区位置及采样点分布图系统对采样点进行定位。采集区域覆盖了海南岛东北部主要的红树林区。由于重金属的分布和富集受到多种因素（温度、微生物活动、水动力条件、Eh 和 pH、沉积物颗粒以及人为干扰等）的影响5,6，我们选择了研究区内具有代表意义的点位作为采样点。分别在东寨港布设了 20 个采样点，新盈港 8 个采样点以及清澜港 10 个采样点。本次利用沉积物采集器采集表层沉

12、积物（020cm） ，采集器具均进行了消毒处理。每个样本的采集均由 56 个采样点混合而成。所有样品经过自然风干、剔除动植物残体后经玛瑙研钵研磨，过 160 目尼龙筛后装入洁净自封袋，以备分析使用。样品经王水消解后，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）对Mg、Ni、Hg、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr 和 As 等金属元素进行测定。2.2 测定结果研究区内的三个地区共 38 个采样点沉积物部分金属元素的含量测定结果如表 2.1所示：表 2.1 沉积物中元素含量分析结果（单位：mg/kg）区域采样点编号MgCuPbCdZnHgAsCrNiYF1-13400.0019.3023.000.076

13、6.000.066.2059.0025.60YF1-23400.0017.2022.500.0453.000.066.1055.0024.30YF3-14100.0038.4024.900.28114.000.096.2072.0032.80YF3-24400.0037.3026.000.2397.000.097.7065.0031.20YF6-13500.0015.6022.100.0554.000.067.0053.0023.80YF6-23400.0014.4021.700.0448.000.056.0054.0025.20YF8-11500.0035.7015.600.0351.000

14、.047.10325.0061.30YF8-21600.0035.1017.000.0343.000.076.00206.0055.50YF10-12700.0015.9017.200.0341.000.045.9081.0025.70YF10-22900.0011.5016.300.0138.000.045.6054.0022.70XBD1-11800.009.6019.700.1644.000.044.9019.008.60XBD1-22300.0017.7022.500.3076.000.055.2023.0012.60东寨港YX1-1900.006.2014.300.0727.000.

15、092.8014.005.805YX1-21400.009.3019.400.1137.000.044.1021.009.70HY1-11500.0010.1020.100.1240.000.054.1021.009.60HY1-21800.0012.2024.200.0850.000.044.4027.0014.20PQ2-12300.009.5013.600.0330.000.046.7026.0012.30PQ2-23300.0012.0017.500.0443.000.0510.4036.0018.00PQ4-12300.003.007.700.0423.000.052.9012.00

16、6.00PQ4-22100.005.0011.300.0223.000.044.0018.007.30平均2530.0016.7518.830.0949.900.055.6762.0521.61LF5-13400.0012.9024.400.0743.000.0615.7040.0013.40LF5-22900.0010.8017.200.0536.000.0615.3038.0012.60QJ1-1800.0010.906.500.0418.000.034.4010.004.00QJ1-2600.004.603.300.028.000.025.709.003.50TY1-13000.0037

17、.8028.800.2284.000.1114.1086.0034.50TY1-2900.0030.0014.900.0942.000.047.0035.0017.30HW1-14500.0037.0014.200.2561.000.0943.8035.0020.70HW1-25000.0058.0019.500.5194.000.0549.2043.0027.60XB1-1300.005.105.700.0414.000.022.009.003.80XB1-21000.00136.0071.204.4347.001.304.3033.0010.90清澜港平均2240.0034.3120.57

18、0.5744.700.1816.1533.8014.83CH2-11100.005.805.200.0111.000.028.2026.005.20CH2-22100.009.806.400.0223.000.029.6036.0013.00CQ4-12100.0011.3010.100.0229.000.037.2031.0015.80CQ4-2900.005.203.200.019.000.024.7012.005.20CH5-16100.0017.5020.000.0756.000.0521.5061.0026.80CH5-24300.0010.1016.600.0331.000.011

19、2.2037.0015.20BZ3-11900.0010.708.400.0227.000.028.3058.0015.20BZ3-26300.0016.3016.100.0449.000.0319.5073.0029.20新盈港平均3100.0010.8410.750.0329.380.0311.4041.7515.70本次研究的目的是研究重金属的污染情况，但在接下来的数据分析中要用得到 Mg6的含量作为参照，所以将 Mg 元素的含量一并列出。3 沉积物重金属污染评价3.1 评价方法的选取对于沉积物中重金属污染的研究和评价，在过去的几十年里，海内外的专家们从各自角度提出了重金属污染评价的多种

20、方法。如德国 Muller 的地积累指数法（Index of geo-accumulation） 、瑞典 Hakanson 的潜在生态危害指数法（The pollution load index） 、英国 Tomlison 的污染负荷指数法（The Pollution Load Index） 、Hilton 等的回归过量分析法（Excess after regression analysis）7、内梅罗污染指数法(Nemerow Pollution Index Method)、贾振邦的模糊集理论（Theory of Fuzzy Subset）和脸谱图法(Face graph)等等。上述方法是国

21、际上有关沉积物中重金属研究的先进技术中的代表。本次研究中，我们采用回归过量分析法，并在比较上述各个评价方法的基础之上，采用内梅罗污染指数法对回归过量分析法加以改进，进行沉积物中重金属污染评价。3.2 回归过量分析（ERA）模型的建立为了探讨区内重金属元素的迁移富集规律，回归过量分析模型认为，沉积物中重金属由三部分组成，即： （3.1）pabtotCCCC式中为重金属总浓度；为重金属背景浓度；为重金属加速侵蚀浓度；totCbCaC为重金属污染浓度。pC据前人的研究表明，按重金属的迁移途径分类可以将重金属 Zn，Cd，Cu，Pb 四种元素分为 A,B 两类，Cd 和 Zn 属于 A 类金属；Pb

22、和 Cu 属于 B 类金属。两类金属的迁移方式存在明显的差异：A 类金属迁移时随着地表水相进行，是溶解态的存在， 在粘土矿物等悬浮物质的吸附作用较弱。若 A 类金属要转化成沉积物，必须先吸附到固体颗粒物上，以固态形式沉降；B 类金属迁移时却是与固体颗粒物紧密结合的，并随着固体颗粒物转化成了沉积物。因此可以知道，沉积物中 A 类金属未污染部分含量与粘土矿物中含量不存在显著的相关性，而 B 类金属未污染部分的含量与粘土矿物存在显著的正相关性。7Ochsenbein（1983）在研究湖泊沉积物样品是发现：A 类金属含量与粘土矿物的代表元素 Mg 的含量做线性回归时，相关系数比较低，小于 0.5；而

23、B 类金属和 Mg 的相关系数很高，大于 0.9。且 A 类金属的含量随着剖面变化不明显，而 B 类金属的变化却非常明显。在正常条件下，Mg 可以作为粘土矿物的标志元素，而 Mg 的含量只受自然沉积和加速侵蚀的影响，所以对 B 类金属存在下式： (3.2)MgptotCCC重金属）(其中，为常数。根据上式，用为 0 的地点的重金属与镁的浓度进行回归分析，确定斜率和截pC距，在污染地区我们可以用 和 推算重金属的未污染浓度和污染浓度)(abCC ，然后对重金属污染进行评价。pC首先根据污染源调查所掌握的资料排除污染严重的点，即大的点，然后用 B 类pC重金属浓度（Y）对 Mg 的浓度（X）作直线

24、回归，回归之后分别作 Y-X 图和标准偏差SRE-X 图。在 SRE-X 图上以作一直线，在直线外的点被排除，其中32estSSRE (3.3)2222/ )(regxyestSSSS式中为标准残差的估计方差；为重金属浓度（Y）的方差；为镁元素浓度2setS2yS2xS（X）的方差；为 Y 对 X 的回归方差；为 Y 对 X 回归的斜率。2regS然后再重新回归, 重复上述工作, 直到落在标准残差范围外的点少于多次排除后剩下点的 1%为止, 这时的回归直线是合理的，保证了 X,Y 有个合理的取值范围。这里的是统计上经验性总结。回归得到的斜率和截距用来进行 B 类金属32estSSRE 污染评价

25、。有： （3.4）bMgtotbbatotCCCCCCCBERA/)(/ )(类金属）其中为重金属总浓度；为重金属背景浓度；为镁的浓度；为重金属totCbCMgC对镁的回归斜率；为重金属对镁的回归截距7。83.3 回归过量分析（ERA）模型法对重金属污染的评价3.3.1 回归过量分析（ERA）模型法的科学依据根据回归过量分析模型的构思, 可以推论出清洁的水体中 B 类重金属浓度与 Mg的浓度存在正相关关系。水体中的矿物质均来源于其流域, 所以 B 类金属未污染部分()与 Mg 的数量关系, 即回归直线的斜率和截距是确定的。对没有重金属污baCC 染的水体中的沉积物或清洁水体的沉积物中 B 类重

26、金属对作线性回归, 确定出和，以此来推算污染段的重金属污染浓度是合理的、可行的。pC回归分析后，用得到的斜率和截距，根据下式： （3.5）)(MgtotpCCC可以确定海南岛东北部红树林湿地沉积物中重金属污染部分的浓度, 通过得出污染浓度的值,可以直观地反映重金属的污染现状。pC3.3.2 回归过量分析（ERA）模型分析及结果由表 2.1 可以看出，三个区域内东寨港 Cu 的平均含量达到 16.75mg/kg，大于中国土壤背景值（表 3.1） ，其中清澜港 东寨港新盈港；Pb 的含量也都大于土壤背景值，三个区域平均含量为 16.72 mg/kg，其中清澜港 东寨港新盈港。表 3.1 重金属元素

27、背景值（单位：mg/kg）HgAsZnCuCrCdNiPb0.0526.80036.30010.50035.6000.0419.60029.800* 数据来源：魏复盛主编，1990， 中国土壤元素背景值根据海南岛东北部红树林沉积物中重金属污染浓度的实际情况，由于 B 类元素中Cu，Pb 两种元素排放量大且污染严重，因此本文选取 Cu、Pb 两元素进行分析。分析结果列于表 3.2，表 3.3：表 3.2 Mg 的回归分析参数分析参数金属元素9PbCu15.31616.0710.0010.00150.930.92：截距；：斜率；：相关系数表 3.3 海南岛东北部红树林沉积物中重金属 Cp(单位:1

28、0-6)及 ERA 值CuPb采样点编号CpERACpERAYF1-1-1.87 -0.18 4.30 0.14 YF1-2-3.97 -0.38 3.80 0.13 YF3-116.18 1.54 5.50 0.18 YF3-214.63 1.39 6.30 0.21 YF6-1-5.72 -0.54 3.30 0.11 YF6-2-6.77 -0.64 3.00 0.10 YF8-117.38 1.66 -1.20 -0.04 YF8-216.63 1.58 0.10 0.00 YF10-1-4.22 -0.40 -0.80 -0.03 YF10-2-8.92 -0.85 -1.90 -0

29、.06 XBD1-1-9.17 -0.87 2.60 0.09 XBD1-2-1.82 -0.17 4.90 0.16 YX1-1-11.22 -1.07 -1.90 -0.06 YX1-2-8.87 -0.84 2.70 0.09 HY1-1-8.22 -0.78 3.30 0.11 HY1-2-6.57 -0.63 7.10 0.24 PQ2-1-10.02 -0.95 -4.00 -0.13 PQ2-2-9.02 -0.86 -1.10 -0.04 PQ4-1-16.52 -1.57 -9.90 -0.33 PQ4-2-14.22 -1.35 -6.10 -0.21 LF5-1-8.27

30、 -0.79 5.70 0.19 10LF5-2-9.62 -0.92 -1.00 -0.03 QJ1-1-6.37 -0.61 -9.60 -0.32 QJ1-2-12.37 -1.18 -12.60 -0.42 TY1-117.23 1.64 10.50 0.35 TY1-212.58 1.20 -1.30 -0.04 HW1-114.18 1.35 -5.60 -0.19 HW1-234.43 3.28 -0.80 -0.03 XB1-1-11.42 -1.09 -9.90 -0.33 XB1-2118.43 11.28 54.90 1.84 CH2-1-11.92 -1.14 -11.

31、20 -0.38 CH2-2-9.42 -0.90 -11.00 -0.37 CQ4-1-7.92 -0.75 -7.30 -0.25 CQ4-2-12.22 -1.16 -13.00 -0.44 CH5-1-7.72 -0.74 -1.40 -0.05 CH5-2-12.42 -1.18 -3.00 -0.10 BZ3-1-8.22 -0.78 -8.80 -0.30 BZ3-2-9.22 -0.88 -5.50 -0.19 由以上 B 类金属的 ERA 分析结果可以知道，海南岛东北部红树林湿地沉积物中存在重金属污染，B 类金属在粘土矿物中存在富集现象。然而，需要指出的是，对于重金属污染的评

32、价不能光局限于部分重金属的相对浓度，还应当确定重金属的污染级别并且综合其他重金属的含量进行评价。回归过量分析法可以准确计算出重金属污染部分的浓度 Cp 及 ERA 值，却不能确定污染级别，正因为如此，本次将采用内梅罗的综合指数法来进一步评价海南岛东北部红树林湿地沉积物的污染情况。3.4 回归过量分析（ERA）模型法的改进3.4.1 内梅罗综合污染指数评价如前所述，重金属在生态系统中大的污染多为伴生性或综合性的复合污染。因此，沉积物中某污染因子的污染指数难以评价整个红树林湿地沉积物的重金属污染程度，应当采用多因子综合评价的方法8。本次研究在回归过量分析法的基础之上采用内梅罗的综合指数法确定重金属

33、的污染级别。11内梅罗综合污染指数计算公式为： （3.6）2)/()/(2max2aveiiiiiSCSCP式中，为内梅罗污染指数；为沉积物污染物 i 的实测值， （mg/kg） ； 为沉iPiCiS积物污染物 i 的评价标准， （mg/kg） ；为沉积物污染指数最大值；max2)/(iiSC为沉积物污染指数的平均值。aveiiSC2)/(根据内梅罗污染指数将沉积物重金属污染程度分为四个等级，内梅罗污染指数分级见表 3.4：表 3.4 内梅罗污染指数分级污染等级污染程度内梅罗污染指数无污染1iP轻污染12.5iP中污染2.57iP重污染7iP3.4.2 内梅罗综合污染指数评价结果及分析根据表

34、2.1 中的数据，运用内梅罗综合污染指数法对三个地区的采样点进行沉积物重金属污染综合评价，评价结果见表 3.5：表 3.5 沉积物重金属内梅罗污染指数评价结果地区样点内梅罗污染指数污染等级YF1-12.33YF1-22.19YF3-15.21YF3-24.36YF6-12.14YF6-22.07YF8-15.03东寨港YF8-24.5012YF10-12.12YF10-22.19XBD1-12.89XBD1-25.35YX1-11.36YX1-22.03HY1-12.21HY1-21.58PQ2-11.08PQ2-21.56PQ4-10.79PQ4-20.68平均2.58LF5-11.91LF

35、5-21.81QJ1-10.85QJ1-20.66TY1-14.32TY1-22.27HW1-15.04HW1-26.00XB1-10.76XB1-223.23清澜港平均4.68CH2-10.94CH2-21.16CQ4-11.31CQ4-20.56新盈港CH5-12.5813CH5-21.45BZ3-11.33BZ3-22.34平均1.46由表 3.5 可知，东寨港大部分采样点的内梅罗综合污染等级为和级，平均污染指数为 2.58，综合评价等级为级，属中污染湿地；清澜港的各个采样点的污染等级分布差异明显，个别采样点的污染程度较大（如 XB1-2）应当引起重视，该地区总平均污染指数为 4.68，

36、综合评价等级为级，属中污染湿地；新盈港的污染较轻，内梅罗综合污染等级多为和级，该地区平均污染指数为 1.46，综合评价等级为级，属于轻污染湿地。4 结论通过回归过量分析法和内梅罗综合污染指数法对海南岛东北部红树林湿地沉积物中重金属进行研究，可以得出以下几点结论：（1）总体看来，海南岛东北部红树林湿地沉积物总体质量较好，重金属污染情况存在但并不严重，说明红树林湿地生态系统未受到大规模的污染与破坏。（2）回归过量分析法得出的 Cu 和 Pb 的污染浓度 Cp 和 ERA 的值范围波动不大，分布较均匀。但 XB1-2 站点的 Cu 和 Pb 的污染浓度 Cp 和 ERA 的值远大于其他各采样点。这主要是与该采样点