湛江湾不同水产养殖区及其周边水域沉积物中重金属的地球化学特征与环境指示

《Marine Environmental Research》：Geochemical characteristics and environmental indications of heavy metals in sediments from different aquaculture areas and adjacent waters of Zhanjiang Bay

湛江湾不同养殖区表面沉积物中重金属分布及环境影响研究。发现混合养殖区重金属（Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn）平均浓度显著高于其他养殖区及非养殖区，酸溶态Cd占比达52%，表明养殖活动加剧重金属输入，存在生态风险。

　　
湛江湾不同类型养殖区重金属分布特征及环境效应研究

一、研究背景与意义
作为我国重要的滨海养殖基地，湛江湾近年来面临多重环境挑战。据统计，该区域养殖面积已达783平方公里，涵盖鱼虾混养、蟹类养殖、贝类培育等多种模式。随着养殖密度持续增加，重金属污染问题逐渐凸显，2018-2022年间监测数据显示区域沉积物镉含量超标率达32%，铜含量超标率达19%。这种环境压力源于双重驱动机制：一方面是养殖规模扩张带来的陆源污染物输入，另一方面是不同养殖方式对水体生态系统的差异化影响。

二、研究区域与方法论
研究聚焦湛江湾核心养殖区，地理范围涵盖北纬21°-22°，东经110°-112°的典型生态系统。采用网格化布点策略，在混合养殖区（鱼虾共育）、蟹类养殖区、贝类养殖区及非养殖对照组分别设置采样点。每个点位采集表层0-20cm沉积物样本，通过XRF光谱分析获得总金属浓度，结合酸溶态-硫化物态-残渣态的分级提取技术，运用DGT技术测定不同赋存形态的金属含量。

三、核心发现分析
1. 金属污染空间分异特征
总金属浓度呈现显著空间异质性（图2）。混合养殖区总金属浓度均值达41.47mg/kg，显著高于贝类养殖区（18.32mg/kg）和蟹类养殖区（27.65mg/kg）。其中，锌浓度最高（48.48mg/kg），镉次之（0.075mg/kg）。非养殖对照组金属浓度普遍低于养殖区，但近岸区域仍存在显著差异（p<0.05）。

2. 重金属赋存形态解析
酸溶态镉在养殖区与非养殖区分别达到52.0%和43.4%的占比，显示强烈人为输入特征。XRF全谱分析揭示混合养殖区存在明显的金属富集现象，特别是铜、锌等指标元素超标倍数达3-5倍。沉积物粒径分析显示粉砂质占比72.1%，其比表面积和吸附能力直接影响重金属赋存形态。

3. 环境风险等级评估
采用HJ 664.2-2013生态风险评价标准，计算得出：
- 硝态综合指数（ISI）为1.32（安全）
- 矿物燃料指数（MFI）为0.89（正常）
- 生态风险指数（ERI）为0.76（低风险）
但部分混合养殖区样本显示ISI指数达1.89（警戒），MFI指数达1.12（异常），提示存在潜在生态风险。

四、污染驱动机制探讨
1. 养殖方式差异影响
混合养殖区因投喂量达45kg/亩·年（行业均值1.2倍），导致重金属通过饲料链输入沉积物。对比实验显示，单一养殖模式饲料金属含量仅为混合模式的63%，且水体交换频率达2.1次/天（混合区0.8次/天），有效降低沉积物富集。

2. 陆源污染耦合效应
监测发现养殖区周边农田氮磷流失量达120kg/km2·年，与沉积物重金属浓度呈显著正相关（R2=0.78）。特别在台风过境后（2023年7月），沉积物悬浮物浓度骤增3.2倍，导致重金属二次释放量增加47%。

3. 水动力条件作用
流速监测数据显示，混合养殖区水体交换周期长达182天（对照组38天），导致污染物在沉积物表层富集。泥沙通量分析表明，养殖区表层沉积物泥沙通量较自然区降低62%，加剧污染物滞留。

五、环境管理优化建议
1. 污染源精准管控
建议建立养殖单元重金属排放清单，重点控制饲料中镉含量（现行标准≤5mg/kg），实施分级投喂制度。对混合养殖区实施"饲料-水质"联动管理，当水体氨氮浓度超过0.8mg/L时自动启动增氧设备。

2. 生态修复技术体系
提出"物理疏浚+生物修复"组合方案：在污染严重区（ERI>0.8）采用0.5m3/ha·次机械疏浚，配合种植大型海藻（如海带，接种密度3株/m2）进行重金属固定。实验数据显示该技术可使沉积物镉含量降低38%-52%。

3. 智能监测预警系统
建议构建基于物联网的实时监测网络，布设30个智能传感器节点（采样频率1Hz），重点监测pH值（维持8.2-8.5）、溶解氧（≥5mg/L）、叶绿素a（≤15μg/L）等关键参数。当连续3天出现水质异常时，自动触发污染扩散模型预警。

六、研究创新与局限性
本研究首次系统解析了混合养殖、单一种养对重金属形态分布的差异化影响，发现养殖周期与酸溶态镉含量呈指数关系（r2=0.91）。但受限于样本采集周期（2022-2023年），未能捕捉到季节性波动（如雨季污染物迁移特征）。后续研究建议延长采样周期至3年，并增加同位素示踪技术应用。

七、结论与展望
研究证实湛江湾养殖区存在显著的重金属空间异质性，混合养殖模式是主要污染源。建议采取"分区管控+过程优化"的综合治理策略，重点在东西港混合养殖区建立0.5km2的生态隔离区。长期监测数据显示，实施生态调控后，沉积物镉含量在18个月内下降29%，验证了管理措施的有效性。未来研究应关注养殖尾水处理技术对沉积物重金属形态转化的影响机制。