張麗源，胡成業(yè)，俞松立，韓曉鳳，章翊涵，來洪運，李雪麗，水柏年

（浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022）

紅樹林是生長于熱帶及亞熱帶沿海潮間帶灘涂的木本植物群落，具有消減風浪、凈化水質(zhì)、儲碳固碳、維持海岸生態(tài)平衡及生物多樣性的生態(tài)作用。其中，秋茄Kandelia candel 屬于紅樹科秋茄屬常綠灌木或小喬木，是我國境內(nèi)已知天然分布最廣、緯度分布最高、最耐寒的紅樹植物，其天然分布的最北緣位于福建省福鼎市。秋茄林可有效保護堤岸，加速海岸的自然沉積，吸收污染物，為海洋生物群落提供了理想的棲息環(huán)境[1]。

溫州市蒼南縣沿浦灣是我國國家海洋局“十三五”規(guī)劃生態(tài)修復(fù)的50 個小海灣之一，該地區(qū)從2015年開始試種秋茄，進行海岸帶生態(tài)環(huán)境修復(fù)。至今，沿浦灣秋茄種植面積已達到0.67 km2，最大株高2 m，長勢良好。多年來對沿浦灣秋茄林的跟蹤監(jiān)測與研究結(jié)果表明，秋茄林的建設(shè)使得林區(qū)大型底棲動物物種密度、生物量及物種多樣性等顯著提高，秋茄林具有較高的生態(tài)及景觀價值。然而，與沿浦灣毗鄰的沙埕港工業(yè)區(qū)的工業(yè)排污及周圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活產(chǎn)生的污染物直接或間接地排放至沿浦灣，造成生態(tài)擾動，部分重金屬、氮、磷元素逐漸沉降并進入灘涂沉積物中，被秋茄以不同的特征富集和吸收，對其成活、生長、發(fā)育及繁衍產(chǎn)生一定程度的影響。

相關(guān)研究[2-4]表明，紅樹植物的凋落物在灘涂中降解后會釋放出富含氮官能團的有機物質(zhì)，從而增加顆粒物表面的電荷，提高沉積物對重金屬離子的吸附作用。安志裝等[5]認為氮具有緩沖重金屬引發(fā)植物毒害的能力。氮會減輕鉻（Cr）、銅（Cu）、鎘（Cd）等重金屬離子產(chǎn)生的毒性抑制作用，隨氮元素含量的提高，毒性抑制作用會降低[6]。營養(yǎng)元素（主要是氮、磷）在紅樹系統(tǒng)內(nèi)富集，不僅對紅樹植物本身無害，甚至還能促進其生長。鄭逢中等[7]發(fā)現(xiàn)低濃度重金屬能促進紅樹植物幼苗生長。因此，不同紅樹植物對不同的低濃度重金屬都具有一定的抗性，但承受的濃度限值卻不一樣[8-9]。TAM，et al[10]在對香港紅樹林沉積物重金屬污染物開展歸一化研究中則發(fā)現(xiàn)，沉積物中只有鉻、銅的含量與沉積物中有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，鋅（Zn）、錳（Mn）等重金屬元素含量與沉積物有機質(zhì)含量間則未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。另外，不同自然環(huán)境、人類活動、沉積物重金屬元素含量存在顯著差異，這種差異主要是由其生態(tài)環(huán)境特殊的理化性質(zhì)、土壤重金屬背景值以及附近城市重金屬排放情況所引起的[11]。

綜上，關(guān)于沉積物中重金屬對秋茄的生長、發(fā)育影響，以及秋茄對不同重金屬元素的富集吸收能力及耦合影響作用等特征研究較少，尤其是位于秋茄分布的北緣—浙南地區(qū)的人工栽培秋茄林環(huán)境質(zhì)量相關(guān)研究及其報道較為罕見。鑒于此，本研究基于沿浦灣秋茄生長指標、沉積物重金屬含量等監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究沉積物環(huán)境若干因子變化及其與秋茄生長之間的關(guān)系特征，以期揭示秋茄對生態(tài)修復(fù)、治理的功能，也為今后進一步開展北緣秋茄林宜林地選劃、環(huán)境效益、保護管理等方面的應(yīng)用研究提供科技依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

依據(jù)《紅樹林生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（HY/T 081-2005）[12]、《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763-2007）[13]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB/T 17378-2007）[14]，并基于數(shù)理統(tǒng)計要求在沿浦灣秋茄種植區(qū)5 種生境建立5 個3 m×3 m 的樣地，采用標志樁法[15]在樣地的4 個角垂直插入4 根長約2.0 m 的毛竹樁，并測量毛竹樁的高度（H0）。于2016 年秋季、2018 年春季定期定點測量各標志樁暴露在灘面的高度（Hx），H0-Hx的平均值即為該時段的沖淤變化值，正值為淤積，負值為沖刷[16]，以監(jiān)測沖淤動態(tài)修正株高和地徑的生長量。同時，現(xiàn)場使用皮尺測定秋茄的株高和地徑，統(tǒng)計葉片數(shù)量。

采樣區(qū)以毛竹樁為界，依次將采樣區(qū)劃分為A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)和E 區(qū)（圖1）。A 區(qū)離堤岸約50 m，作為向陸林區(qū)樣地；B 區(qū)離堤岸約150 m 處，作為中間林區(qū)樣地；C 區(qū)離堤岸約150 m 處，作為毗鄰潮溝的中間林區(qū)樣地；D 區(qū)離秋茄林區(qū)外緣約50 m 處，作為向海林區(qū)的樣地；E 區(qū)離岸約50 m 處，作為原互花米草被清除后種植秋茄的樣地。

圖1 沿浦灣秋茄樣地設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic diagram of quadrat setup for K.candel in Yanpu Bay

2014 年秋季、2016 年秋季、2018 年春季分別對上述5 個樣地進行沉積物樣品采集。將沉積物樣品裝入聚乙烯樣品袋，冷凍保存并送往浙江省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心（CMA 資質(zhì)單位）進行銅（Cu）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、砷（As）、總有機碳（TOC）、總氮（TN）及總磷（TP）等元素的檢測。

1.2 方法

1.2.1 沉積物重金屬評價

按照地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行沉積物質(zhì)量現(xiàn)狀及變化特征研究，通過比較2 種評價方法的結(jié)果，綜合分析沉積物的質(zhì)量和動態(tài)變化特征。

（1）地積累指數(shù)法（Muller 指數(shù)）地積累指數(shù)法[17]計算公式：

式中：Ci為某重金屬元素i 在沉積物樣品中的含量，mg·kg-1；Bi為該海域沉積物中i 元素的背景值，由于選定背景值沒有統(tǒng)一的標準可以參考，為增強本次研究結(jié)果的準確性和可比性，故參照丁喜桂[18]研究得出的浙江近岸海域重金屬背景值（表1）。Igeo參照地積累指數(shù)分級標準（表2）評價沉積物中重金屬的污染程度。

表1 浙江近岸海域沉積物中重金屬背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)TirTab.1 Background value of heavy metals and toxic response coefficient Tir in sediments from Zhejiang offshore

表2 地積累指數(shù)分級標準Tab.2 Cumulative index classification criteria

（2）潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法[19]計算公式如下：

單個金屬i 污染系數(shù)的計算公式為：

RI 為潛在生態(tài)危害指數(shù)，主要反映沉積物中多種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)的總和，計算公式：

表3 污染和生態(tài)風險分級標準Tab.3 Pollution and ecological risk classification criteria

1.2.2 秋茄生物量計算

沿浦灣秋茄葉片生物量（WL）、樹干生物量（WS）及總生物量（WT）的計算參照鄰近研究區(qū)域—鰲江秋茄生長研究中建立的秋茄葉片生物量（WL）、樹干生物量（WS）及總生物量（WT）異速生長方程[16]：

式中：D 為已測定的秋茄基徑，cm。

1.3 秋茄生長與沉積物因子兩兩之間的關(guān)系

采用SPSS 20.0 軟件計算相關(guān)系數(shù)（r，P＜0.05），從而開展相關(guān)關(guān)系判斷，r 介于區(qū)間[-1，1]。當相關(guān)系數(shù)為-1，表示完全負相關(guān)；當相關(guān)系數(shù)為+1 時，表示完全正相關(guān)；當相關(guān)系數(shù)為0 時，表示不相關(guān)。r 值的絕對值介于0～1 之間，通常r 越接近1，表示2 個變量之間的相關(guān)程度就越強，反之，r 越接近于0，2 個變量之間的相關(guān)程度就越弱。利用R 4.0.4 繪制相關(guān)關(guān)系可視化圖。

2 結(jié)果

2.1 沉積物質(zhì)量評價

如表4 所示，2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季重金屬Cu 的含量均超過國家沉積物一類質(zhì)量標準，2016 年秋季重金屬Cr 的含量超過國家沉積物一類質(zhì)量標準。

表4 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各區(qū)沉積物中環(huán)境因子含量Tab.4 Mean of several environmental factors in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

沿浦灣秋茄種植后較種植前，各區(qū)重金屬Cu 及Pb 元素的含量總體呈現(xiàn)下降趨勢，重金屬Zn、Cd、Cr、Hg、As 元素與TOC 的含量總體呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 沉積物地積累指數(shù)法分析

如圖2 所示，2014 年秋季，重金屬Cu 的地積累指數(shù)Igeo變化范圍為0.29～0.38，為輕度-中等污染程度，其余重金屬元素總體均處于無污染狀態(tài)。2016 年秋季，重金屬Cu、Zn、Cd、Cr、Hg 及As 的Igeo變化范圍總體均處于0～1 之間，均為輕度-中等污染程度，Pb 為無污染狀態(tài)。2018 年春季，各區(qū)重金屬Cu 及As 的Igeo均大于0，為輕度-中等污染程度，重金屬Zn、Pb、Cd、Cr、Hg 為無污染狀態(tài)。

圖2 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各區(qū)沉積物中重金屬地累積指數(shù)Fig.2 Geo-accumulation index of heavy metals in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

總體而言，2016 年秋季較2014 年秋季重金屬Zn、Cd、Cr、Hg 及As 的污染程度增大，但2018 年春季，Zn、Cd、Cr 及Hg 的污染程度均大幅降低，由輕度-重度污染轉(zhuǎn)變?yōu)闊o污染狀態(tài)；重金屬Cu 雖三季均為輕度-中度污染狀態(tài)，但污染程度持呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢；重金屬As 的污染狀態(tài)呈現(xiàn)持續(xù)嚴重的態(tài)勢。

2.3 沉積物潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析

如圖3 所示，2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季的調(diào)查中，沿浦灣沉積物中對潛在生態(tài)危害指數(shù)RI 值貢獻最為突出的均為重金屬Hg，且這三季中Hg 均為中度危害。其次為重金屬Cd，特別是2016 年秋季，Cd 的生態(tài)危害程度達到中度危害。其余重金屬元素均為無污染或輕微污染狀態(tài)，對環(huán)境的生態(tài)干擾程度較小?？傮w而言，各區(qū)潛在生態(tài)危害指數(shù)RI 值均在2016 年秋季呈現(xiàn)明顯上升，于2018 年春季明顯下降，大部分采樣區(qū)甚至小于秋茄種植前的2014 年秋季。

圖3 2014 年秋季、2016 年秋季及2018 年春季各區(qū)沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.3 Potential ecological risk index of heavy metals in sediments in autumn of 2014,autumn of 2016 and spring of 2018

2.4 秋茄生長與沉積物10 個理化因子的相關(guān)關(guān)系

2.4.1 秋茄生長特征

2016 年秋季，5 個樣地共監(jiān)測秋茄293 株，株高范圍為12～53 cm，平均株高為31.14±8.09 cm；分支數(shù)范圍為1～7 條，平均分支數(shù)為3.09±1.34 條；葉片數(shù)量范圍為3～47 片，平均葉片數(shù)量為16.87±7.46 片；植株直徑范圍為0.3～1.7 cm，平均直徑為0.80±0.24 cm。秋茄總生物量大小排序為：B 區(qū)&C 區(qū)＞E 區(qū)＞A 區(qū)＞D區(qū)。

2018 年春季，5 個樣地共監(jiān)測秋茄169 株，株高值范圍為11.2～89 cm，平均株高為43.36±5.18 cm；分支數(shù)范圍為1～4 條，平均分支數(shù)為1.38±0.75 條；葉片數(shù)量范圍為0～190 片，平均葉片數(shù)量為55.85±6.94片；植株基徑范圍為0.4～4 cm，平均基徑為1.56±0.43 cm。秋茄總生物量大小排序為：B 區(qū)&C 區(qū)＞D 區(qū)＞E區(qū)＞A 區(qū)。

2018 年春季較2016 年秋季，各區(qū)總生物量的增長量排序為：B 區(qū)&C 區(qū)＞D 區(qū)＞E 區(qū)＞A 區(qū)。

2.4.2 沉積物中10 個因子之間的相互關(guān)系

由圖4 分析可知，2014 年秋季，Cd 與Pb，Cu 與Zn、Pb、Cr，Zn 與Pb、Cr，Pb 與Cr 均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。2016 年秋季，Cr 與Zn，As 與Cu、Zn，Cu 與Zn，TN 與TOC 均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。2018 年春季，TOC與Zn、Cd、Hg 呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系；TN 與Cd 均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系；Hg 與Zn，Pb 與Cu，Cu 與TP、Zn、Cr；TP 與Zn、Cr，Zn 與Cr 均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖4 2014 年秋季（a）、2016 年秋季（b）及2018 年春季（c）沿浦灣沉積物若干因子相關(guān)性可視化分析Fig.4 Visualized correlation analysis of several factors in the sediments of Yanpu Bay in autumn of 2014（a）,autumn of 2016（b）and spring of 2018（c）

2.4.3 沉積物中10 個理化因子與秋茄生長的相關(guān)關(guān)系關(guān)系

如表5 所示，秋茄的葉片生物量、樹干生物量及總生物量與Cu、Zn、Pb 3 種元素均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系；葉片生物量、總生物量與Cr、As 均呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，樹干生物量與Cr、As 均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系；葉片生物量、樹干生物量及總生物量與Hg 均呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系；葉片生物量、樹干生物量及總生物量與TP 呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；葉片生物量、樹干生物量及總生物量與Cd 和TN 均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；葉片生物量、樹干生物量及總生物量與TOC 均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。

表5 秋茄生長與沉積物關(guān)系Pearson 相關(guān)系數(shù)（r,P＜0.05）（t·hm-2）Tab.5 Pearson correlation coefficient of the relationship between K.candel growth and sediments（r,P＜0.05）

3 討論

3.1 沿浦灣沉積物中污染物來源分析

鄭娜等[20]研究表明，相關(guān)性顯著的元素之間地理化學(xué)特征或影響因子相似，一定程度上存在著相似性的分布規(guī)律，來源可能相同或相近，這些元素通過同種或相似的途徑沉淀、吸附和積累在沉積物中。重金屬的來源主要有人為源和自然源兩種，其中人為源是濕地重金屬污染的主要來源，包括工農(nóng)業(yè)活動、交通、生活垃圾等[21]。3 個季度相關(guān)性分析結(jié)果顯示，隨著秋茄種植年限的增長，具有顯著相關(guān)關(guān)系的重金屬元素逐漸增加，這一方面可能是沿浦灣沉積物深層的重金屬離子仍然存在并不斷釋放，秋茄根系對重金屬離子具有一定程度的富集吸收能力[22]，另外秋茄葉片中含有特殊的化學(xué)物質(zhì)，對重金屬具有較強的吸附作用[23]，致使秋茄附近的重金屬含量升高。另一方面可能是與沿浦灣毗鄰的沙埕港工業(yè)區(qū)皮革廠、電鍍廠等企業(yè)排放的工業(yè)廢水隨潮流進入沿浦灣[24]，成為該地區(qū)重金屬污染的主要來源。

3.2 秋茄對沉積物各因子的影響關(guān)系

秋茄對沉積物中重金屬具有不同程度的富集吸附能力。唐以杰等[25]研究表明，秋茄能將大量重金屬污染物富集于土壤中，致使沉積物中部分重金屬含量增高，但隨著秋茄逐漸生長，根系逐漸發(fā)達，其自身對重金屬的吸收能力便可將土壤中的重金屬凈化。本研究發(fā)現(xiàn)，秋茄生長初期，沉積物中重金屬Zn、Cd、Cr、Hg及As 的含量呈上升態(tài)勢，但隨著秋茄的生長，這些重金屬的含量均出現(xiàn)不同程度下降，可能是秋茄對重金屬具有先較強富集，而后隨著秋茄生長對重金屬的吸收能力增大所致。另外，秋茄種植后較種植前，重金屬Cu 及Pb 含量呈現(xiàn)下降態(tài)勢，這可能是秋茄對這兩種重金屬具有較強吸附能力所致。這與彭輝武等[26]的研究結(jié)果相類似。總之，秋茄對各種重金屬存在不同程度的富集和吸收能力且存在特征差異。

此外，地累積指數(shù)法研究結(jié)果與潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結(jié)果存在差異，可能是2 種方法的側(cè)重點不同所致。邵堅等[27]認為，地累積指數(shù)法主要側(cè)重反映外源重金屬的富集程度，但潛在生態(tài)危害指數(shù)則側(cè)重于反映不同重金屬的生物毒性影響。本研究采用這2 種不同的評價方法進行比較分析發(fā)現(xiàn)，地累積指數(shù)法的結(jié)果顯示2014 年秋季、2016 年秋季和2018 年春季沉積物中重金屬Cu 均處于輕度-中度污染狀態(tài)，而Hg 僅在2016 年秋季處于輕度-中度污染狀態(tài)，其余季度均為無污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，這三季重金屬Hg 均為中度污染，重金屬Cu 均為無污染狀態(tài)。比較這2 種方法研究結(jié)果得出：2016年秋季沉積物中重金屬Cd 的污染程度加重，但隨著秋茄生長其污染程度明顯降低，這也再一次印證了秋茄對重金屬具有較強的先富集后吸收的能力特征。由此可見，雖然地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法的部分結(jié)果存在差異，但其仍能總體反映秋茄治理重金屬污染的共性特征。

3.3 沉積物中10 個環(huán)境因子對秋茄生長的影響

沉積物中10 個因子對秋茄生長的影響存在差異。CHIU,et al[28]在重金屬對秋茄脅迫作用的研究發(fā)現(xiàn)，秋茄的根、葉生長狀況明顯受沉積物中Cu 及Zn 含量的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，A 區(qū)重金屬Cu 及Zn 的含量較高，但該區(qū)域的秋茄生物量相對偏低，RDA 分析結(jié)果顯示重金屬Cu 及Zn 與秋茄的葉片生物量、樹干生物量及總生物量均呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，這可能是兩種重金屬對秋茄的生長產(chǎn)生了一定程度的抑制。此外，隨著秋茄的不斷生長，各區(qū)TOC 的含量呈現(xiàn)明顯上升，尤其是E 區(qū)去除互花米草種植秋茄后，其TOC 含量的上升幅度明顯高于其他地區(qū)，且RDA 分析結(jié)果顯示，TOC 與秋茄生物量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，這表明秋茄生長具有較強碳匯功能。這與胡杰龍等[29]對海南東崗寨紅樹林的研究得出的紅樹林具有極強固碳功能的結(jié)論相一致?？傊练e物中不同的重金屬含量對秋茄的生長有著顯著且各異的影響作用，TOC 含量與秋茄生長呈現(xiàn)密切的正相關(guān)關(guān)系，表明秋茄在沉積物中具有較強的碳匯功能。

4 結(jié)論

沿浦灣秋茄種植以來，灘涂沉積物中TOC 含量呈現(xiàn)上升趨勢，TN、TP、Cu、Pd 含量總體呈現(xiàn)下降趨勢，而Zn、Cb、Cr、As 及Hg 等5 種重金屬含量呈現(xiàn)波動狀態(tài)。研究表明：秋茄對沉積物中前述10 種因子具有不同的吸附功能，對重金屬吸附呈現(xiàn)先富集后吸收機制，而且呈現(xiàn)不同的吸附特征。同時，不同重金屬元素對秋茄生長的影響存在差異，復(fù)雜的環(huán)境因子耦合作用下，秋茄的葉片生物量、樹干生物量及總生物量與Cu、Zn、Pb 總體呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，而與TP、Cd、TN 及TOC 均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著秋茄地不斷生長，沿浦灣灘涂秋茄林生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)呈現(xiàn)改善的態(tài)勢，在灘涂建設(shè)秋茄林對沿岸海域生態(tài)環(huán)境的治理具有積極而重要的意義。