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

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海洋科学/ 2011年/第35卷/第5期

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)

摘要: 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。

关键词: 重金属; 海岸带湿地; 空间分异; 影响因素; 表层土壤

中图分类号: P94118; X131; X15 文献标识码: A 文章编号: 1000-3096(2011)05-0082-07

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45.33×104 ha, 其中核心区1.74×104 ha, 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。

收稿日期: 2010-04-05; 修回日期: 2010-07-15

基金项目: 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)

作者简介: 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@

831.2 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

金属元素 Cr Cu Fe Mn Ni V Zn Co Cd 平均值 (mg/L)

54.52 19.14 25875.78 548.83 26.4957.3162.95 15.85 2.87 标准差 8.02 8.77 4158.42 132.54 4.93 9.84 16.55 1.99 3.12

变异系数 (%)

14.71 45.82 16.07 24.15 18.6117.1726.29 12.56 108.71峰值 −0.39

3.4

−0.14

0.71

−0.06

−0.24

13.95

−0.49

28.8

偏度

0.64 1.22 0.85 1.19 0.87 0.16 3.06 0.48 4.19