盐城海岸带表层土壤重金属的空间分布及其影响因素研究

方淑波, 贾晓波, 王 玉, 张新生, 安树青, 郑 正, 杨晓英

(1. 复旦大学 环境科学与工程系, 上海 200433; 2. 上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306; 3. 南京大学生命科学学院 湿地生态研究所, 江苏 南京 210093)

盐城海岸带表层土壤重金属的空间分布及其影响因素研究

方淑波1,2, 贾晓波3, 王 玉3, 张新生3, 安树青3, 郑 正1, 杨晓英1

(1. 复旦大学 环境科学与工程系, 上海 200433; 2. 上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306; 3. 南京大学生命科学学院 湿地生态研究所, 江苏 南京 210093)

以盐城海岸带为研究对象, 分析了Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, V, Zn, Co, Cd 9种重金属元素在二维空间分布的异质性, 以及沿着经纬度方向的梯度变化, 并通过主成分分析和元素区域背景值的分析, 探讨重金属元素的可能来源。结果表明： 自陆向海存在着逐渐减少的格局梯度, 而在区域的北部分布着重金属元素的峰值; 二维分析的结果表明, 重金属元素在空间分布的异质性较强, 北部、人类活动较强的区域、靠近内陆的海岸带区域和河口区域的重金属元素值较高; 主成分分析表明, 9种元素可以分成两个主成分, 第一个主成分包括Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V 6种元素, 其旋转荷载贡献率为63.31%, 第二主成分为Cd, 其旋转荷载贡献率为22.81%。对比元素的背景值, 认为第一主成分主要反映了由外源输入的重金属元素, 第二主成分主要反映了背景值, 而Cu, Zn则处于外源输入和背景值交互作用的状态。目前该区域的重金属生态风险属于较轻的水平, 但是由于日益加强的人为活动, 人为引入的重金属元素研究值得重视。

重金属; 海岸带湿地; 空间分异; 影响因素; 表层土壤

重金属污染日益成为海岸带及河口区域一个潜在的生态风险[1]。目前, 我国海岸带的重金属污染呈现出来源广、局部恶化、区域潜在生态风险加剧的态势[2-6]。重金属污染的潜在生态风险评价、地球化学循环、人为干扰评价以及其生物累积毒理学研究成为我国海岸带重金属研究的重点[3,7-10]。

研究重金属的地球化学循环过程对重金属污染的有效控制具有重要意义[8-9], 而有效的重金属元素空间分布形态的研究有助于厘清重金属元素的地球化学循环过程[7]。本研究以盐城海岸带为对象, 采用空间插值方法和地统计分析方法, 研究重金属元素分布的空间异质性和梯度性, 以期为重金属污染的生态风险评价、控制提供依据。

盐城海岸带是全球最大的海岸带滩涂湿地, 地处江苏中部沿海, 分布着盐城国家级珍禽自然保护区(图 1), 是生物多样性保护的热点区域。1992年10月被联合国教科文组织纳入“世界生物圈保护网络”, 1996年被纳入“东北亚鹤类保护区网络”, 2002年被纳入国家重要湿地名录。其范围包括盐城市属响水、滨海、 射阳、大丰及东台市5个县市的东部沿岸, 总面积45.33×104ha, 其中核心区1.74×104ha,因其生物多样性保护的重要性和湿地资源的多样性[12], 被誉为“东方湿地之都”。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域的地貌类型主要属于江苏中部海积平原类型, 是近千年来海岸不断淤长形成的滨海平原。该区以斗龙港为界, 南高北低, 斗北地面高程在2 m左右, 斗南在3 m以上, 地表组成物质南粗北细, 南部梁垛河闸附近多粉砂, 向北泥质成分增加。气候类型以季风气候为主, 处于暖湿带向北亚热带过渡的过渡地带, 是一个受海洋性、大陆性气候双重影响的狭长地带。水文区系可分为陆地水文、近海和潮间带水文两类, 陆地水文主要属于淮河流域, 近海和潮间带水文以潮汐作用为主。盐城海岸湿地多为粉砂淤泥质滩涂。滩涂由陆向海, 植被带可分为苇草带、盐蒿带、无植被带(光滩)、米草带。

1.2 样品采集

2007年9到10月期间, 自射阳苏北灌溉总渠到东台条子泥的位置, 以20世纪50年代的老海堤为界,自海向陆, 采集了 83个土壤样方, 样方点以均匀分布于海岸带人类活动集中的区域为原则。每个土壤样点5个重复, 每个重复之间50 m左右, 以W形状采样, 主要采取表层10 cm的土壤样品。

图1 盐城海滨湿地研究区域图(朱洪光[11], 2003, 有修改)Fig. 1 Study site at the Yancheng coast, Jiangsu (Modified from Zhu, 2003)

1.3 样品处理与测试

将取得的土壤样品风干后, 混合, 研磨, 过0.15 mm筛。样品消煮过程为： 称取 0.125 g样品, 加入2 mL盐酸及1 mL硝酸分别60℃加热30 min, 然后加氢氟酸 6 mL 以及 0.5 mL 高氯酸以120℃加热3 h,余热蒸干后用7%硝酸定溶至25 mL。在南京大学分析测试中心采用等离子光谱仪(J-A1100)测试Cr, Cu,Fe, Mn, Ni, V, Zn, Co, Cd 共9种重金属元素, 测量的精密度RSD% ＜2.0, 回收率95%～104%。

1.4 数据处理

采用 GS+3.2软件, 自陆向海, 自南向北, 分别沿着经度和纬度, 计算重金属的海陆梯度分异和南北梯度分异。经度计算以区域最内陆的经度为起点,计算方法是“土壤采样点经度-120°18′”, 纬度计算以区域最南部的纬度为起点, 计算方法是“土壤采样点纬度 - 32°43′”。

然后, 对各重金属元素采用ARCGIS 9.2软件的地统计分析软件包, 进行了反距离加权插值(Inverse Distance Weighting Interpolation), 插出整个计算范围内各个重金属的二维分布图,IDW插值方法是一种确定性的插值方法, 是依靠所测的值在取样范围内的一种精确插值, 对数据不做特殊要求。通过对IDW插值, 分析重金属元素在盐城海岸带分布的异质性。

最后, 采用主成分分析的方法, 对9种元素进行主成分分析。对比9种元素的背景值, 以及其他的案例研究, 讨论重金属元素空间分布的影响因素。

2 结果与讨论

9种元素的统计信息如表1所示。

9种元素除了Cd, Zn, 其余的都呈偏正态分布。变异系数较大, 元素分布的空间异质性较强。

2.1 自陆向海的空间梯度分异

9种元素中, Fe, Cd ,Zn, Cr, Cu表现出比较明显的自陆向海递减的格局(图 2)。Ni, Mn, V, Co总体上自陆向海下降, 但是其波动性比较明显。这种分布格局与陈振楼等[7], 毕春娟等[9]在上海潮滩的研究相似。陆源污染排放、水动力作用、成岩母质以及潮汐作用等均影响重金属在海岸带潮滩的空间分布[13]。

表1 9种重金属元素的统计信息Tab. 1 The statistical information of nine heavy metals

图2 重金属元素自陆向海的变化趋势(图中横轴表示自陆向海的距离, 见文中说明)Fig. 2 One-dimensional variation patterns from inland to coast of the nine metals

2.2 自南向北的空间梯度分异

9种元素中, 除了Mn、V之外, 其他的均在区域的北部出现峰值(图 3)。Mn、V 自南向北呈现出波动强烈的态势。

这种分布格局与整个研究区域南高北低的地形条件导致的水动力作用有较强的关系。此外, 研究区域的海岸带淤长情况有较大的差异, 射阳河以南的区域整体上属于淤长性的海岸[14], 射阳河以北则属于侵蚀性的海岸。就人为开发的历史来看, 北部的开发历史较为悠久, 分布着射阳港、射阳电场、射阳盐场、双灯纸业公司等大型的企业。而南部的开发历史相对短暂。人为条件的南北差异也是导致重金属南北分异的一个重要原因[14-15]。

2.3 重金属元素的空间插值分析

IDW 插值分析的结果表明(图 4), 盐城海岸带的重金属元素的分布有较强的异质性。北部、人类活动较强的区域、靠近内陆的海岸带区域和河口区域是重金属元素分布的峰值区。这与自陆向海和自南向北的梯度分析的结果一致。需要强调的是, 射阳丹顶鹤保护区范围内也有较高的重金属元素分布, 对保护区的生物多样性保护是个潜在的生态风险。

图3 重金属自南向北的变化趋势(图中横轴表示自南向北的距离, 见文中说明)Fig. 3 One-dimensional variation patterns from south to north of the nine metals

图4 土壤重金属元素的IDW插值分析Fig. 4 Metals spatial distribution patterns with inverse distance weighted interpolation

2.4 重金属元素的主成分分析

9种元素可以分成2个主成分(表 2)。第一个主成分包括Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6种元素, 其荷载贡献率为63.31%; 第二个主成分为Cd, 其荷载贡献率为22.81%; 两个主成分的荷载贡献率累积为86.13%。

对比重金属元素的分布背景值(Cd元素的背景值在该区域没有找到合适的参考)(表 3), 除了 Mn明显高于其背景值之外, 其他的元素均与其背景值接近。表明该区域的重金属污染总体上目前处于较轻的状态。根据主成分分析的结果, 第一主成分的各个元素, 即Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6种元素, 有着相似的来源。我们认为, 这些元素主要反映了外界输入的重金属元素。Cr, Co, Fe, Ni, V5种元素总体上接近背景值, 但是其在研究区域内的空间分布不均匀(图2～图4)。在局部区域, 表现为外源输入的明显增加。Cd主要表现为以背景值为主要来源的状态。而Cu, Zn处于外源输入和背景值交替起主要作用的状态。

第一主成分的 6种元素, 在该区域到底有哪些元素是由何种的人类活动引入, 这是一个需要继续加强的研究课题。根据我们现场的调查来看, Mn元素的大量增加与该区域大量使用KMnO4进行水体消毒该有重要的关系。

2.5 人为活动对海岸带重金属的影响

人文活动对海岸带地区重金属分布影响的研究已经有较多的报道[2-6,16-18], 主要的人类活动包括工业污水排放、围垦、肥料使用、生活废水排放、水产养殖等。本研究表明, 人文因素的空间分异对重金属的空间分布有重要影响。研究区域的北部, 开发的历史较为悠久, 大型项目如射阳盐场建设于1958年,射阳港建于1994年, 射阳电厂建设于1990年, 而南部的大丰港于2004年开始一期工程的建设, 南部其他区域的开发活动于近年刚刚开始。总体而言, 人类活动较强的区域, 开发历史较为悠久的区域, 重金属元素分布的值也较高(图 4)。在盐城海岸带, 典型的人类活动包括农业种植、晒盐、水产养殖以及近年逐渐开始的湿地旅游、港口开发、风电场建设等活动。

表2 重金属元素含量的主成分分析Tab. 2 Total variance and component matrixes for total heavy metal contents (three-components extracted)

表3 各重金属元素平均值与背景值的对比(%)Tab.3 Comparison between the average and the background values of soil metals (%)

因此, 控制人为引入的重金属污染成为海岸带区域重金属污染控制的重要研究内容。如何采取措施, 通过海岸带功能区的合理划分, 实现海岸带区域典型人文活动的有效控制和引导, 是值得深入研究的课题[15]。

3 结论

3.1 重金属元素的海陆梯度分异和南北分异

重金属元素在盐城海岸带表现为明显的海陆梯度分异和南北梯度分异, 自海向陆, 重金属元素表现为逐渐减少的趋势, 自南向北, 表现为在北部富集的趋势。

3.2 重金属元素来源的分析

主成分分析的结果表明, Cr, Co, Fe, Mn, Ni, V6种元素, 有着相似的来源。这些主要反映了外界输入的重金属元素。Cr, Co, Fe, Ni, V5种元素总体上接近背景值, 但是在研究区域内的空间分布不均匀, 在局部区域, 表现为外源输入的明显增加。

人为活动成为海岸带区域重金属元素的一个主要来源, 厘清重金属的富集与何种人类活动相关,继而加强对人类活动的规范引导, 是需要继续深入研究的课题。

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Analysis of the spatial distribution and the influence factors of the heavy metals in the top soil layer of the Yancheng coast

FANG Shu-bo1,2, JIA Xiao-bo3, WANG Yu3, ZHANG Xin-sheng3, AN Shu-qing3,ZHENG Zheng1, YANG Xiao-ying1
(1. Environmental Science and Engineering Department, Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3. The Institute of Wetland Ecology, School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Apr., 5, 2010

heavy metals; coastal wetlands; spatial heterogeneity; influential factors; surface soil layer

We analyzed the heterogeneity in the spatial distribution of nine heavy metals (HM; Cr, Cu, Fe, Mn, Ni,Cd, V, Zn, and Co) in the coastal region of Yancheng. Inverse distance weighted interpolation was performed to study the gradient patterns of these metals from inland to coast and from south to north. Principle component analysis (PCA) and the background value analysis were then used to explore the possible sources of the heavy metals. It is found that the metal content decreased from inland to coast, while peaking in the northern region. The interpolation analysis indicated a high degree of heterogeneity in metal distributions. The heavy metal content was high in the northern region, regions with high human disturbance, inland of the coast, and the estuaries. The PCA results showed that the 9 HM could be divided into two groups. The PC1 included Cr, Co, Fe, Mn, Ni, and V, and the rotation sum of squared loadings was 63.31%. The PC2 was Cd, and the rotation sum of squared loadings was 22.81%. Compared with the background value, the PC1 was interpreted as HM from exogenous input, while the PC2 was composed of the heavy metal from background source. Cu and Zn were the metals with both exogenous inputs and background sources. At present, the ecological risks caused by heavy metals were not serious in this region. However, human induced HM deserves attention with increasingly intensified human activities in the region.

P94118; X131; X15

A

1000-3096(2011)05-0082-07

2010-04-05;

2010-07-15

国家水专项资金项目(2009ZX07106-04); 上海市优秀青年教师基金项目(B-8101-09-0022); 上海海洋大学校内科研基金项目(B-8201-08-0280); 上海市重点学科建设基金项目(S30701)

方淑波(1976-), 博士, 讲师, 主要从事海岸带湿地生态学研究, E-mail： bsfang@shou.edu.cn

康亦兼)