中国海南岛小海泻湖中重金属污染的生态风险评估

《Frontiers in Marine Science》：Ecological risk assessment of heavy metal contamination in Xiaohai Lagoon, Hainan island, China

本研究对海南 Xiaohai 湾2024年干湿季的水和沉积物中8种重金属污染进行了评估。结果表明，水体重金属平均浓度符合中国饮用水标准，但沉积物中As、Cd和Hg存在中度污染，空间分布显示湾口和内湾为污染热点。干季Cr、Zn、Cu等浓度升高可能与低流量导致沉积物再悬浮有关，湿季As浓度上升与农业径流相关。多源贡献分析表明水产养殖和农业是主要污染源，建议实施季节性管理和污染源控制策略。

　　在快速发展的社会经济背景下，全球范围内的水体生态系统正面临日益严重的污染压力。作为生态系统中不可或缺的一部分，湖泊、河流、海洋、湿地和泻湖不仅维系着丰富的生物多样性，还为人类提供重要的生态服务，如气候调节、水资源供给以及生物栖息地。然而，随着人口增长、工业化进程加快、城市化扩张和农业活动的增加，这些生态系统正承受着来自自然和人为因素的双重压力，其中重金属污染尤为突出。重金属因其在环境中的持久性、生物富集性和毒性，已成为威胁水体生态安全和人类健康的严重问题。为了深入理解这些污染现象并制定有效的管理策略，对水体中重金属污染状况进行系统评估显得尤为重要。

以中国海南岛的下海泻湖（Xiaohai Lagoon）为例，该泻湖因其独特的地理位置和生态系统功能，成为研究重金属污染的热点区域。该泻湖位于海南岛东部，与南海相连，通过一个狭窄的潮汐入口进行淡水和海水交换。近年来，由于周边地区的人口密集和经济活动频繁，泻湖的水质和生态系统已受到显著影响，被归类为水质状况极差的第四类水体。为了全面评估该泻湖的重金属污染程度及其潜在的生态风险，本研究在2024年的干湿季节分别采集了水体和沉积物样本，并通过多种分析方法对重金属含量进行了系统检测。研究结果不仅揭示了下海泻湖的污染现状，也为未来的环境管理和生态保护提供了科学依据。

### 水体与沉积物中重金属的分布特征

本研究中，水体样本检测结果显示，下海泻湖中的Cr、Zn、Pb、Cd、Cu、Ni、As和Hg的浓度范围分别为0.90至9.08、4.52至49.48、0.01至7.26、0.00至1.33、0.87至61.90、0.03至13.23、1.16至3.04和0.01至2.00微克/升。总体而言，这些重金属的平均浓度均符合中国饮用水标准（GB5749-2006）、世界卫生组织（WHO）指南和美国环境保护署（USEPA）的水生生物标准，表明在大多数区域，重金属污染并未超出全球环境安全的阈值。然而，部分站点的重金属浓度仍显示出一定的异常值，例如泻湖入口（Y1）的Cr和Cd浓度较高，分别达到6.38微克/升和0.45微克/升，接近或略高于某些污染较为严重的河口区域。这一现象可能与泻湖入口的强潮汐作用和水流循环有关，导致沉积物中重金属的再悬浮和释放。

相比之下，潮间带区域（Y9、Y10、Y11、Y13）的重金属浓度显著升高，尤其是As、Zn、Pb和Cu，这反映了人类活动对该区域的影响。潮间带由于其特殊的地理和水文条件，成为污染物的“汇”区，通过潮汐周期的沉积作用，能够有效吸附和富集重金属。这些区域的高污染水平可能与农业径流、工业废水排放以及水产养殖活动密切相关。农业活动中的农药、除草剂和化肥的使用，导致了大量含砷化合物进入水体，而水产养殖业的饲料和添加剂则可能成为镉、铜和锌等重金属的来源。此外，某些金属（如铜）在特定条件下可能更容易从沉积物中释放到水体中，例如由于其较低的吸附能力。

沉积物样本的重金属浓度范围更为广泛，Cr、Zn、Pb、Cd、Cu、Ni、As和Hg的浓度分别为1.98至40.60、8.50至90.31、3.12至61.62、0.00至0.25、0.50至76.38、1.31至17.23、1.27至9.41和0.00至0.06毫克/千克。总体来看，除了镉（Cd）外，其他重金属的平均浓度均符合中国的主要土壤质量标准（GB 15618-2018）。然而，沉积物中的重金属污染情况呈现出明显的季节性变化，尤其是在干季时，由于水流减少和蒸发作用增强，部分重金属（如Cr、Zn、Pb、Cd、Ni、As和Hg）的浓度显著升高。这种季节性变化可能与水体的物理化学性质有关，例如盐度和pH值的变化，可能影响重金属的溶解度和迁移能力。

### 重金属污染的评估方法

为了更全面地评估下海泻湖的重金属污染状况，本研究采用了多种环境评估指标，包括污染负荷指数（PLI）、污染系数（CF）和地质累积指数（Igeo）。这些指标能够从不同角度反映重金属污染的程度及其对生态系统的影响。例如，污染负荷指数（PLI）综合考虑了所有重金属的污染水平，其值为1.21，表明该泻湖存在中度污染。其中，As的污染负荷最高，其次是Cd和Hg，这提示As在泻湖生态系统中可能具有更大的生态风险。

污染系数（CF）则用于评估重金属的污染程度，其值在1至3之间表示中度污染，而在3至6之间则表示显著污染。研究结果显示，As的CF值最高，达到3.84，这表明尽管其平均浓度并不极高，但其毒性作用可能使其成为主要的生态风险因子。相比之下，Cd和Hg的CF值分别为1.44和1.12，也处于中度污染范围，而Cr、Zn、Pb、Cu和Ni的CF值较低，表明这些金属的污染水平相对较轻。这些结果进一步支持了As在泻湖中具有较高生态风险的观点，尤其是在其浓度和毒性的双重作用下。

地质累积指数（Igeo）则用于衡量重金属在沉积物中的累积程度，其值低于0表示未受污染，而高于0则表示受到不同程度的污染。在下海泻湖中，As的Igeo值范围为-0.41至2.04，平均为1.12，表明As在部分区域表现出中度至高度污染的特征。相比之下，Cd的Igeo值在-2.08至0.71之间，平均为-0.53，接近污染阈值。这说明虽然Cd的污染程度相对较低，但在某些站点仍可能存在局部污染风险。此外，Cr和Pb的Igeo值均低于0，表明其污染水平较轻，主要受自然背景值的影响。

### 生态风险评估

为了进一步了解重金属对泻湖生态系统的潜在影响，本研究还计算了生态风险指数（RI）。该指数综合考虑了重金属的毒性响应因子和污染系数，用于评估不同金属对生态环境的威胁程度。研究结果显示，RI值在不同采样点之间存在显著差异，其中Y6站点的RI值最高，达到249.95，属于中度风险范围。而其他采样点的RI值均低于300，表明其生态风险较低。总体来看，As、Cd和Hg对生态系统的潜在威胁最大，这与它们的高毒性相关。尽管As的浓度相对较低，但其对生物体的毒性作用可能使其成为生态风险的主要驱动因子。

此外，通过皮尔逊相关性分析和主成分分析（PCA）发现，Cr、Zn、Pb、Cd、Ni、As和Hg之间存在显著的正相关性，这表明它们可能来自相同的污染源，如水产养殖和农业活动。而Cu与其他金属的正相关性较弱，可能来源于城市排放，如交通污染和工业废水。这些结果进一步支持了人为活动在重金属污染中的主导作用，尤其是农业和水产养殖业的贡献。

### 污染源分析与治理建议

基于上述分析，可以推测下海泻湖的重金属污染主要来源于多种人为活动，包括农业径流、工业排放、水产养殖废弃物以及城市污水。农业活动中的化肥、农药和除草剂的使用，可能导致大量含砷化合物进入水体，而水产养殖业的饲料和添加剂则可能成为镉、铜和锌等重金属的来源。此外，工业活动，如电镀、电池制造和金属冶炼，也可能释放Cr、Ni、Zn、Pb和Cd等重金属。城市污水中的重金属污染则可能与交通运输、建筑施工以及生活污水排放有关。

为了有效缓解下海泻湖的重金属污染问题，本研究提出了一系列治理建议。首先，应加强对水产养殖和农业活动的监管，限制高污染饲料和化学品的使用，并推广可持续的农业实践，如精准施肥和建立缓冲带，以减少重金属的输入。其次，应优化城市污水处理系统，提高对重金属的去除效率，减少工业和生活污水对泻湖的影响。此外，针对不同季节的污染特征，应制定相应的管理措施，例如在湿季加强监测和调控，以应对Cr和Zn的季节性富集。同时，对污染严重的区域（如Y5、Y6和Y4）应进行重点治理，采取针对性的污染控制措施。

### 未来研究方向与生态保护的重要性

尽管本研究提供了下海泻湖重金属污染的详细信息，但仍有许多值得进一步探索的问题。例如，重金属在泻湖有机质丰富的沉积物中的长期稳定性、污染源的时空变化以及重金属对生态系统中微生物群落和生物地球化学过程的影响。这些因素对于全面评估重金属污染的生态影响至关重要。此外，随着气候变化和人类活动的加剧，下海泻湖的重金属污染可能呈现出新的趋势，因此需要建立长期的监测机制，以便及时掌握污染变化情况。

下海泻湖的重金属污染问题不仅影响当地的生态环境，还可能对周边地区的水资源安全和人类健康构成潜在威胁。因此，科学合理的污染控制和生态修复措施对于保护该泻湖的生态系统功能和维持其生物多样性具有重要意义。通过综合运用多种评估方法和治理策略，可以有效减少重金属的输入和迁移，提升泻湖的生态质量和可持续性。这不仅有助于改善当地的水质状况，还能为全球类似生态系统提供有益的经验和借鉴。