利用Sr/Ba比值和污染指数对台湾西南部河口沉积物中微量元素富集与积累情况进行综合评估

《Regional Studies in Marine Science》：Integrated Assessment of Trace Element Enrichment and Accumulation in Estuarine Sediments of Southwestern Taiwan Using Sr/Ba Ratios and Pollution Indices

台湾西南部河口区表层沉积物中Sr/Ba比率用于区分海洋与陆地环境，评估港汊区重金属污染。研究显示港口河口区泥质含量及有机碳较高，Zn、Pb、Cd、Hg、Ag显著富集，污染指数EF达2.5-5.0，PERI达542-1383，主成分分析揭示人为污染、基底岩石、粒径/有机质效应及氧化还原条件为关键控制因素。

　　本研究围绕台湾西南沿海地区八个主要河流的河口沉积物，探讨了其在不同季节下的地化特征，重点分析了锶与钡（Sr/Ba）比值作为沉积环境诊断指标的适用性。通过对64个表层沉积物样本的采集与分析，研究旨在识别污染热点，评估污染程度，并为区域地化基线的建立提供科学依据。研究结果表明，港口区域的河口（如Love河、Qianzhen河和Salt河）表现出较高的泥质含量和总有机碳（TOC）浓度，同时富集了锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）和银（Ag）等重金属元素，显示出强烈的人类活动影响和污染物积累现象。相比之下，开放型河口（如Erren河、Dianbao河）则表现出较低的重金属浓度，这可能与较强的水动力条件和较低的沉积物滞留能力有关。

在研究方法上，采用了多种污染指数，包括富集因子（EF）、地积累指数（Igeo）和潜在生态风险指数（PERI），并将Sr/Ba比值作为参考条件来建立背景值。Sr/Ba比值被选为关键指标，因为它能够有效区分陆源和海源沉积物。锶（Sr2?）和钡（Ba2?）作为两种重要的地球化学示踪元素，其行为在淡水和海水系统中存在显著差异。首先，钡离子具有较大的离子半径和较低的水合能，使其更容易吸附在粘土矿物、有机质和胶体上，因此在陆源沉积物中相对富集。相反，锶离子由于其较高的迁移能力和较低的吸附倾向，更倾向于向海洋方向迁移，并被沉积物中的碳酸盐和生物壳体所吸收。其次，在海水中，钡容易与硫酸根（SO?2?）反应生成不溶的硫酸钡（BaSO?），从而显著降低其溶解度和迁移能力。最后，海洋碳酸盐骨架（如方解石和文石）对锶的选择性吸收，使得海洋沉积物中的Sr/Ba比值普遍较高，通常以比值为1作为陆源与海源沉积物的分界线。

然而，在动态的河口环境中，Sr/Ba比值的分布还受到其他次级因素的影响，例如水动力能量、颗粒大小和吸附能力等。高能量条件下的粗颗粒沉积物限制了钡的滞留，通常表现出较高的Sr/Ba比值。而在低盐度区域或河流主导的环境下，细颗粒沉积物和有机质通过表面络合作用可以弱化钡的滞留，从而导致局部Sr/Ba比值的降低。在盐度较高或半封闭的河口系统中，受限的水体交换进一步改变了这些模式。低水动力交换条件促进了锶的局部富集，主要通过生物沉淀和碳酸盐的形成，同时也减少了锶和钡向海洋方向的迁移。因此，Sr/Ba比值不仅反映了海洋的影响，还可能指示局部水动力和地球化学条件的变化。

为了更全面地理解沉积物的污染特征，本研究还对沉积物的粒径、TOC含量以及主要和微量元素的浓度进行了系统分析。沉积物的粒径分布直接影响重金属的吸附能力和迁移行为，细颗粒沉积物通常具有更大的表面积和更强的吸附能力，有利于污染物的滞留。TOC含量则与有机质对重金属的络合作用密切相关，较高的TOC含量可能增强某些重金属的富集。此外，研究还关注了不同河口区域之间的空间差异，这种差异不仅体现在物理化学性质上，还体现在污染物的分布和富集程度上。

本研究区域的Kaohsiung市是台湾第二大都市，也是重要的重工业中心。众多河流在该地区汇入海岸带，其流域涵盖了多种土地利用类型，包括城市住宅区、工业区、农业区和水产养殖区。长期以来，这些河流受到多种污染源的影响，如生活污水、工业废水和畜牧业废水。其中，Love河、Qianzhen河和Salt河被认为是台湾最污染的河流之一，直接排入半封闭的Kaohsiung港。由于水动力冲刷作用有限，水体交换效率较低，这些区域的污染物容易在沉积物中积累并长期存在。因此，研究这些河口的沉积物特征，不仅有助于理解当地的污染现状，也为制定有效的环境管理措施提供了科学支持。

研究结果表明，Sr/Ba比值在区分不同沉积环境方面具有较高的可靠性。通过将比值大于1的沉积物样本作为参考背景值，可以更准确地评估污染程度，并揭示污染物的空间分布模式。例如，港口区域的河口表现出显著的Sr/Ba比值偏低，这可能与较强的水动力条件和较高的有机质含量有关。相反，开放型河口的Sr/Ba比值较高，这可能与较低的泥质含量和较强的海洋影响有关。此外，研究还发现，Sr/Ba比值的变化与沉积物的粒径、TOC含量以及水动力条件密切相关，这些因素共同作用，决定了重金属的分布和富集程度。

在污染指数的应用方面，研究发现港口河口的污染程度远高于开放型河口。EF值（富集因子）在港口区域达到了2.5至5.0之间，表明这些区域的重金属浓度显著高于背景值。PERI值（潜在生态风险指数）更是高达542至1383，主要由汞、银和镉等元素的高浓度贡献。这些数据表明，港口河口是污染的热点区域，其重金属污染不仅影响水体质量，还可能对生态环境和生物健康构成威胁。因此，需要加强对这些区域的污染监测和治理措施，以减少污染物对生态系统的影响。

研究还采用了主成分分析（PCA）方法，对沉积物中的地球化学控制因素进行了识别。PCA结果显示，沉积物的地球化学特征主要受到四个因素的影响：人为源、岩源背景、粒径和有机质效应以及氧化还原条件驱动的金属迁移。这些因素共同作用，决定了重金属在沉积物中的分布和富集。例如，人为源主要表现为工业和农业活动对重金属的输入，而岩源背景则反映了自然地质过程对沉积物成分的影响。粒径和有机质效应则与沉积物的物理化学性质密切相关，而氧化还原条件则影响了重金属的溶解和迁移能力。因此，理解这些因素之间的相互作用，对于准确评估沉积物污染具有重要意义。

此外，本研究还强调了Sr/Ba比值在现代河口沉积物污染研究中的应用潜力。尽管该比值已被广泛用于古环境重建和沉积环境分析，但在解释现代沉积物中污染物的富集和分布方面仍存在一定的局限性。特别是在高度污染的河口系统中，需要更多的实证研究来验证其作为地球化学指标的可靠性。因此，本研究不仅提供了Sr/Ba比值在现代河口环境中的应用案例，还为未来相关研究提供了参考依据。

综上所述，本研究通过系统分析台湾西南沿海八个主要河流河口的沉积物特征，揭示了Sr/Ba比值在区分陆源与海源沉积环境中的重要作用。同时，研究还发现，港口区域的河口由于水动力条件和土地利用类型的不同，表现出较高的污染程度。这些结果对于理解河口地区的污染机制、评估生态风险以及制定科学的环境管理策略具有重要意义。未来的研究可以进一步扩展到其他区域，以验证Sr/Ba比值在不同地理和环境条件下的适用性，并探索其在更广泛范围内的应用价值。