中国南方五处红树林保护区中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb的空间变异及影响因素研究

作者及机构
本研究由深圳大学生命科学与海洋学院的Si Chen*、Junxian Liao、Qijiong Zhang、Suli Ding、Mengyuan He和Daidi Huang合作完成，通讯作者为Si Chen（邮箱：sichen@szu.edu.cn）。研究成果发表于2021年的《IOP Conference Series: Earth and Environmental Science》期刊，卷690，文章编号012017，属于开放获取论文。

学术背景
红树林作为热带和亚热带海岸带的重要湿地生态系统，具有显著的污染物净化功能，尤其是对重金属（如Cr、Ni、Cu、Zn、Pb）的吸附和富集能力。随着中国南方经济的快速发展，工业废水排放和城市化进程加剧了红树林的重金属污染。然而，现有研究多集中于单一红树林区域或实验室控制条件，缺乏对不同经济水平区域红树林重金属分布差异的系统性分析。本研究选取广东和广西两省五处红树林保护区（深圳福田、湛江高桥、广西山口、广西北海金海湾、广西党江），旨在揭示自然因素（如植被类型、沉积物理化性质）和人为活动对重金属空间分布的相对贡献。

研究流程与方法
1. 采样设计
- 采样点：五处保护区共采集185个表层沉积物（0-5 cm深度）和对应红树植物冠层新叶样本，样本量分别为福田（53）、高桥（58）、山口（24）、金海湾（26）、党江（24）。
- 样本处理：沉积物去除杂质后4℃保存，植物叶片12小时内预处理。所有工具均用5%硝酸清洗以避免污染。

1. 理化参数测定

   • 沉积物特性：使用Beckman Coulter LS 13320分析粒径组成（黏土、粉砂、砂粒占比），pH计和Ag Eh计测定酸碱度和氧化还原电位，烘干法测容重，Perkin-Elmer 2400系列分析仪测定总有机碳（TOC）和总氮（TN）。
     
   • 重金属含量：微波消解系统（DK Velp Scientifica）消解沉积物和叶片样本，ICP-OES（Perkin Elmer Optima 7000DV）测定Cr、Ni、Cu、Zn、Pb含量，标准参考物质（SRM 1646a）回收率>85%。
     

2. 数据分析

   • 污染评价：采用污染负荷指数（PLI, Pollution Load Index）评估污染程度，计算公式为各元素污染指数（Cf）的几何均值，背景值采用页岩平均值（Cr=90 mg/kg等）。
     
   • 生物富集因子（BCF）：计算叶片与沉积物中重金属含量比值，反映植物富集能力。
     
   • 统计方法：多元方差分析（MANOVA）检验采样点和植被类型对重金属分布的影响，Pearson相关性分析探讨理化参数与重金属的关系。
     

主要结果
1. 重金属空间分布
- 沉积物：福田保护区重金属含量最高（Cr 64.73±10.04 mg/kg，PLI=2.61，强污染），广西北海金海湾最低（PLI=0.22，无污染）。其他站点为中度或无污染（PLI 0.74-1.09）。
- 植物叶片：Zn和Cu含量最高（如Sonneratia apetala叶片Zn达50.81±9.61 mg/kg），Pb最低。Kandelia obovata的BCF值普遍较高（Zn BCF=5.66），显示较强富集能力。

1. 影响因素

   • 自然因素：未污染站点（如高桥、山口）中，盐度、有机碳与重金属显著正相关（p<0.01），表明粒径和有机质吸附主导分布。
     
   • 人为因素：福田站点因工业废水输入，重金属与自然参数无显著相关性，人为污染掩盖自然效应。
     

2. 植被类型影响

   • MANOVA显示，不同红树物种对重金属吸收差异显著（p<0.001）。例如，先锋物种Avicennia marina对Zn、Pb富集能力强，而根茎植物Kandelia obovata对Cu、Zn耐受性更高。
     

结论与意义
1. 科学价值：首次系统比较了经济发达（广东）与欠发达（广西）区域红树林的重金属分布差异，证实人为活动可显著改变自然驱动机制。
2. 应用价值：福田保护区的强污染警示需加强城市工业废水管理；Kandelia obovata的高富集能力建议用于污染修复。
3. 理论创新：提出“人为污染阈值”概念，即当污染超过临界值时，自然因素（如有机质）的作用被削弱。

研究亮点
1. 多区域对比：跨两省五保护区的设计提供了更全面的污染图谱。
2. 方法创新：结合PLI和BCF指数，量化了污染程度与植物响应。
3. 发现特殊性：揭示Sonneratia apetala对Cr的高吸收性，为后续植物修复提供新候选物种。

其他价值
研究数据支持红树林作为“污染哨兵”的生态功能，并为《中国湿地保护行动计划》中重金属监测标准的制定提供科学依据。