深圳湾福田红树林重金属累积特征与化学形态分布研究

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深圳市的快速工业化和城市化发展对深圳湾的生态环境造成了严重影响。本研究以生长在福田红树林的白骨壤(Avicennia marina)、秋茄(Kandelia candel)、桐花树(Aegiceras corniculatum)等本土种植物和海桑(Sonneratia caseolaris)、无瓣海桑(Sonneratia apetala)等引进种红树植物及其林下沉积物为研究对象,采用微波消解法获得样品中重金属总质量分数,分析了Cu、Zn、Cr、Cd、Ni等重金属元素在红树植物和林下沉积物中的累积量;利用BCR(Community Bureau ofReference)三步连续提取法获得沉积物重金属的化学形态组成信息;利用210Pb同位素测年分析技术,探究研究区沉积物剖面受重金属污染的历史记录;综合三种不同的生态风险评价方法,对重金属污染生态风险进行了定量评估。取得了以下主要结果:  红树林林下沉积物重金属质量分数按照如下趋势递减:Zn>As>Cu≈Cr>Pb>Ni>Cd≈Hg。与国内、国外其他地区的红树林湿地相比,Cu和As的质量分数相对较高,Zn、Cr、Ni和Pb处于平均水平,Cd相对较少。在红树植物叶和茎里,非必需元素Cr的大量累积对红树植物的健康产生严重威胁。因子分析和相关性分析的结果表明,自然状态下独立累积的重金属元素在研究区的累积过程具有相关性,进一步证实人为活动是影响福田红树林重金属污染的主要因素。  在深圳湾福田红树林,沉积物中重金属质量分数约为上覆水的2-3倍,约为植物的1.5-2倍,表明红树林主要通过将重金属污染物固定在沉积物中实现净化功能,同时避免重金属元素进入植物体,尤其是较脆弱的地上部分,从而降低重金属胁迫的影响,实现自我保护。白骨壤、桐花树、海桑和无瓣海桑的生物富集因子(Bioconcentration Factors, BCFs)和迁移因子(Translocation Factors, TFs)均较低,这一结果表明,这四种红树植物应对重金属胁迫时采取的是重金属排斥策略。表层沉积物中,5种重金属元素主要以Fe-Mn氧化物结合态存在,其次为Cr、Ni、As和Cd的残渣态,以及Cu的有机结合态,碳酸盐结合态比例最小。非残渣态的比例高达60%-90%,当土壤理化环境变化时,它们能够被重新释放进入水体,对生物体有潜在危害。  为了对研究区的重金属污染现状做定量分析,地质积累指数法(Igeo)、潜在生态风险指数法(RI)和风险评估代码法(RAC)被用于对该区域的污染水平和生态风险进行评估。Igeo指数表明,Cd和As污染属于重度污染水平。综合风险指数RI显示,Cd和As对于该区域环境带来非常高的生态风险。上述两种评价方法仅考虑沉积物重金属总量,没有考虑其化学形态组成。由于碳酸盐结合态以较弱的化学键与土壤颗粒结合,很容易被重新释放到水体环境中,该形态常被认为对生物体有直接毒害作用。RAC方法以重金属碳酸盐结合态含量为依据,对重金属的生态风险进行评价。其结果显示,人为活动引入的重金属元素对红树林生态系统有很大的生态风险,Cd污染需要引起特别关注。  研究区沉积物的沉积速率为1.38 cm/a。在整个沉积物剖面,理化性质如容重、pH、电导率和总有机碳基本在0.36-0.71 g/cm、6-7、2930-4970μS/cm和1.5-3.8%范围内变化。沉积物容重和电导随沉积物深度的增加而升高,总有机碳表现出相反的变化规律,土壤酸碱性变化不明显。沉积物中重金属元素Hg和Cu的质量分数在0-60 cm剖面的变化范围分别为92-196 ng/g和29-83μg/g,在14cm处达到最大值。与质量分数变化规律一致,Hg和Cu的生态风险系数呈现先增加后降低的变化趋势,在14 cm处最大,分别为39.10和13.85。通过沉积速率,可以推算沉积物的沉积年份,进而获得重金属污染的历史记录。深圳湾红树林湿地Hg和Cu的污染水平在2000年达到高峰,这无疑与1960到2000年间香港和深圳经历的经济快速崛起和城市化高速发展密切相关。  综上所述,深圳湾福田红树林受到城市化的严重干扰,本研究对该区域重金属累积特征进行了分析。研究发现,红树林林下沉积物中Cu、Zn、Cr和Ni的积累量显著高于土壤背景值。本研究不仅对沉积物重金属总积累量进行了分析,还利用三步连续提取法分析了沉积物中重金属化学形态组成特征。结果表明,沉积物中常见重金属污染物主要以Fe-Mn氧化物结合态的形式存在。因此,红树林重金属污染物活动性较低,生态危害较小,但存在被重新释放造成二次污染的风险。三种不同的生态风险评价方法结果显示,研究区已受到重金属严重污染,其中As和Cd的生态风险较大。根据210Pb测年分析的结果,深圳湾福田红树林沉积物纵向剖面中重金属污染物随时间积累规律与当地城市化发展进程相一致。在上述研究的基础上,本研究旨在对福田红树林自然保护区重金属污染程度和生态风险进行评估。
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