重金属是海洋环境中主要污染物之一，具有来源广、残留时间长、难以降解、易于沿食物链转移、富集等特征^[1]，进入海洋的重金属污染物绝大部分富集在沉积物中，因此，沉积物被认为是海洋环境中重金属的最终蓄积地^[2]。近年来，国内对近岸海域及潮滩沉积物重金属污染进行了大量研究^[3-6]，但对由潮滩演变而来的滩涂围垦区土壤重金属污染状况的研究则相对较少^[7]。

江苏沿海地区滩涂资源丰富，围垦历史悠久，据统计，1900~2010年，江苏沿海地区累计匡围滩涂面积达6361.8 km^2[8]，为江苏社会经济发展、缓解人口增长压力、保持耕地动态平衡等方面做出了重要贡献。根据国务院2009年6月通过的《江苏沿海地区发展规划》，到2020年，规划围填1500 km²海域滩涂，优先用于发展现代农业、耕地占补平衡和生态保护与建设，适度用于临港产业发展。大规模、高强度的围垦开发，将给江苏沿海湿地生态系统带来前所未有的冲击。

因此，本次研究根据2014年在条子泥围垦区采集的表层土壤重金属测试数据，结合滩涂围垦时序与土地利用方式，分析重金属分布特征、污染程度及来源，这对于江苏沿海滩涂资源的围垦与可持续开发利用，以及海洋环境保护都具有重要的意义。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

江苏中部海岸发育有一系列辐射状的水下沙脊群，研究区位于近岸的条子泥內缘(图 1A)，由于辐射沙脊丰富的物源供给，条子泥潮滩为典型的淤涨型潮滩。规划实施的条子泥匡围工程位于梁垛河闸与方塘河闸之间，总的计划围垦面积为230.73 km²，按照7个作业区，分三期进行围垦^[9]。工程于2011年底开始施工，截止2014年，已完成条南边滩作业区和条北边滩作业区的匡围。

1.2   样品采集及测试

2014年1月，在条子泥围垦区内采集表层(0~10 cm)土壤样品92个，其中在S01断面上由陆向海方向以100~200 m间隔依次采集样品19个，其分布如图 1B所示。采样方法：用取样薄片采集深度为0~10 cm的表层土壤，样品现场用塑料自封袋密封、冷藏。

图  1  研究区位置与采样点分布图(A：据1979年海图，深度单位m，理论深度基准面；B：采样点分布)

Fig.  1  Location of study area and distribution of samples (A:on the basis of the 1979 chart, depth unit m, theoretical depth datum; B:distribution of samples)

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样品处理与测试工作由国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成，90个样品(其中S01断面上样品17个)进行Cu、Zn、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb等8项重金属元素、Al元素含量和pH的测试。Al、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量经过粉末压片处理后采用X荧光光谱法测定；As、Hg的含量采用王水溶样，原子荧光光度法测定；Cd的含量采用HF、HNO₃、HClO₄溶样，石墨炉原子吸收法测定，pH采用蒸馏水浸提、玻璃电极法测定。分析过程中采用国家标准物质样品GSS-8、GSS-9、GSS-10、GSS-11进行质量控制，测试误差控制在5%以内。

S01断面上的19个样品进行粒度分析，在实验室内取沉积物样品3~10 g，加入质量浓度为0.5%的六偏磷酸钠溶液混合均匀，常温放置24 h至样品完全分散。使用测量范围为0.02~2000 μm的Mastersizer 2000型激光粒度仪上机处理，输出间距0.25 φ的粒径频率分布数据。

1.3   数据处理

粒度参数计算采用Mcmanus^[10]提出的方法，命名采用Folk^[11]提出的方法。数据的统计分析采用SPSS17.0软件完成。

1.4   评价标准与方法

土壤质量评价依据《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，重金属污染评价采用地质累计指数法^[12]。其计算公式为：I_geo=log₂(c_n/kB_n)。式中：I_geo为地质累计指数；c_n为重金属在沉积物中的实测含量；B_n为沉积物中所测元素的地球化学背景值，本次评价取20世纪80年代调查的江苏省滨海土壤背景值，Cu、Zn、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb的背景值分别为15.84 ×10^-6、64.68 ×10^-6、8.59 ×10^-6、0.365 ×10^-6、60.28 ×10^-6、0.032 ×10^-6、31.62 ×10^-6、24.7 ×10^-6[13]；k为考虑到成岩作用可能会引起的背景值的变动而设定的常数，一般取k=1.5。I_geo数值≤0、0~1、1~2、2~3、3~4、4~5、5~6分别表示无污染、轻度污染、偏中度污染、中度污染、偏重度污染、重度污染、严重污染。

2   结果与讨论

2.1   重金属含量分布特征

研究区90个滩涂土壤样品的pH均在8.14~10.01之间，重金属含量的分布则如表 1所示。研究区重金属含量平均值大小顺序为Cr>Zn>Ni>Cu>Pb>As>Cd>Hg，与孟庆峰等^[7]在该区域的研究结果一致。经比较可知，88个样品的8种重金属含量均未超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)一级标准限值，为一类土壤；只有2个样品重金属Ni的含量为41.1×10^-6、43.7×10^-6，重金属As的含量为15.1×10^-6，略超过一级标准限值，为二类土壤，土壤环境质量总体优良。

表  1  围垦区滩涂土壤重金属含量

Tab.  1  Contents of heavy metals in soils from shoal in reclamation area

分区	样品数目	统计类别	重金属含量/×10-6
			Cu	Zn	As	Cd	Cr	Hg	Ni	Pb
围堤外滩涂(Ⅰ区)	33	范围	9.76~27.00	40.90~81.20	5.75~15.10	0.062~0.160	46.30~88.00	0.007~0.034	17.30~41.10	11.60~26.40
		平均值	15.26	52.71	7.98	0.094	60.91	0.015	23.72	15.14
条北边滩垦区、条南边滩垦区(Ⅱ区)	29	范围	9.78~26.50	42.50~73.30	5.68~15.00	0.075~0.190	50.50~82.90	0.007~0.033	18.20~43.70	8.71~25.20
		平均值	15.45	54.26	8.07	0.100	60.28	0.015	24.42	14.20
仓东垦区、弶东垦区、梁南垦区(Ⅲ区)	21	范围	10.30~13.60	38.40~53.00	5.35~7.03	0.063~0.100	40.70~61.60	0.006~0.013	15.10~21.90	8.14~14.80
		平均值	11.78	44.39	6.31	0.084	52.02	0.010	19.16	11.35
三仓片垦区(Ⅳ区)	7	范围	10.90~17.00	39.10~55.80	5.65~8.50	0.060~0.120	54.40~61.00	0.010~0.022	18.30~25.40	13.20~16.00
		平均值	14.28	49.48	6.91	0.098	57.94	0.014	21.37	14.93
全区	90	范围	9.76~27.00	38.40~81.20	5.35~15.10	0.060~0.190	40.70~88.00	0.006~0.034	15.10~43.70	8.14~26.40
		平均值	14.33	50.73	7.52	0.094	58.30	0.013	22.65	13.91

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江苏中部海岸传统的湿地围垦开发演变模式为光滩→盐生植被→养殖水面→耕地→建设用地，在此过程中土地利用强度呈逐渐增强的趋势^[14]，依据围垦时间、土地利用方式以及对应此模式的不同演变阶段，可将研究区划为4个分区：Ⅰ区，围堤外滩涂，涨潮时被海水淹没，退潮时出露为光滩；Ⅱ区，条南边滩垦区和条北边滩垦区，匡围时间为2012~2013年，成陆时间1~2 a，现为抛荒地，地面植被为盐蒿和互花米草；Ⅲ区，梁南垦区、弶东垦区和仓东垦区，匡围时间为2005~2009年，成陆时间5~9 a，土地利用方式以水产养殖、太阳能和风电为主；Ⅳ区，三仓片垦区，匡围时间为1997年，成陆时间17 a，土地利用方式以耕地为主，种植耐盐性农作物，如棉花、小麦、玉米、油菜等。

Ⅰ区重金属含量表现出北高南低的分布趋势，高值点分布于北部的梁垛河口及附近区域；重金属Cr、Pb含量在4个分区中为最高，其余6种重金属含量高于Ⅲ区和Ⅳ区，低于Ⅱ区；S01断面上，沉积物粒径为11.12~55.07 μm，平均粒径为37.60 μm，呈现出由岸向海逐渐增大的趋势；主要沉积物类型为粉砂和砂质粉砂，粘土含量为0.91%~19.53%，粉砂和砂含量分别为59.92%~86.84%、1.37%~38.89%，由岸向海，粘土含量逐渐降低，砂组分含量逐渐增大；由岸向海，重金属Cu、Hg、Cd、As、Zn、Ni含量总体呈下降趋势但略有起伏，Pb、Cr含量波动则较为复杂、无明显规律。

Ⅱ区重金属含量也表现出北高南低的分布趋势，高值点分布在条北边滩垦区的北部、匡围前靠近梁垛河口的区域；重金属Cu、Zn、As、Cd、Hg、Ni的含量在4个分区中为最高，Cr的含量低于Ⅰ区，Pb的含量低于Ⅰ区和Ⅳ区。

Ⅲ区重金属含量在空间分布上较为均匀，8种重金属含量在4个分区中均为最低。

Ⅳ区重金属含量在空间分布上也较为均匀，8种重金属含量均明显高于Ⅲ区，除Pb外的7种重金属含量低于Ⅰ区和Ⅱ区。

2.2   重金属污染评价

由图 2可知，重金属元素的平均地质累积指数均小于0，表明研究区土壤整体处于无污染程度。所有采样点重金属Zn、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb的地累积指数均小于0，为无污染；Cu和As分别有3个和4个采样点地质累积指数大于0但小于1，为轻度污染，这些点分布在北部梁垛河口及梁南垦区围堤前区域，表明Cu和As在这些地区出现了轻度富集。4个分区8种重金属元素地质累积指数平均值具有相同的大小顺序，均为：Cr>Cu>As>Zn>Ni>Pb>Hg>Cd。

图  2  研究区重金属地质累积指数

Fig.  2  Geoaccumulation index of heavy metals in study area

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2.3   重金属来源分析

Al元素被广泛用于区分河流及海岸沉积物自然及人为物质来源，重金属元素与Al元素相关性较好，可认为未受到人为污染，属于自然沉积^[15]。重金属元素与Al元素之间的相关性分析结果如表 2所示：8种重金属元素与Al元素均为正相关，且相关性较好，但Cr、Cd、Pb与Al及其他5种重金属元素的相关系数相对较小。

表  2  重金属元素间相关系数

Tab.  2  Correlation coefficients of heavy metals

元素	Cu	Zn	As	Cd	Cr	Hg	Ni	Pb	Al
Cu	1
Zn	0.934**	1
As	0.903**	0.921**	1
Cd	0.639**	0.648**	0.784**	1
Cr	0.746**	0.727**	0.797**	0.582**	1
Hg	0.783**	0.763**	0.884**	0.718**	0.749**	1
Ni	0.941**	0.941**	0.958**	0.779**	0.787**	0.880**	1
Pb	0.625**	0.647**	0.833**	0.683**	0.819**	0.793**	0.803**	1
Al	0.916**	0.916**	0.959**	0.809**	0.791**	0.911**	0.966**	0.868**	1
注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，n=90

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主成分分析是另一种广泛应用于沉积物中污染物来源评价的统计分析方法，已被众多中外研究者应用于区分沉积物中重金属的来源^{[5, 16-17]}。重金属元素主成分分析结果如表 3所示：特征值大于1的主成分仅有1个，其累计方差贡献率为79.011%，即对第一主成分的分析，就可以反映沉积物9种元素数据所代表的大部分信息。第一主成分特点表现为因子变量在9种元素的含量上均有较高的正荷载，但Cd、Cr、Pb的因子荷载相对较低。

表  3  主成分分析计算结果

Tab.  3  Calculated results of the principal component analysis (PCA)

项目	特征值	贡献率/(%)	因子荷载
			Cu	Zn	As	Cd	Cr	Hg	Ni	Pb	Al
第一主成分	7.111	79.011	0.945	0.946	0.966	0.680	0.836	0.858	0.953	0.795	0.977

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两种分析方法的结果表明：研究区重金属元素与Al元素的来源一致，主要来源于自然沉积，Cr、Cd、Pb还受到一定人类活动的影响。在滩涂围垦开发演变模式的不同阶段，影响重金属分布的人类活动各不相同。

匡围前，影响因素为河流入海排污和交通航运。2014年，梁垛河重金属污染物(Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As)入海通量为1.7 t^[18]，另外，梁垛河口是附近渔船进出、停靠的主要场所，Pb是燃油中的重要成分，同时含有微量的Cd，在燃烧过程中两者一起释放到大气，最终汇入沉积物^[4]，这些因素导致Ⅰ区重金属含量高值区分布在梁垛河口及附近区域。

匡围后，影响因素为土地利用方式。盐生植被发育的抛荒地，互花米草盐沼促进了重金属的富集^[19]；用于大面积蓄淡养鱼的滩涂，定期排除蓄水，淋盐作用强烈，在此过程中，土壤重金属含量会明显降低^[20]；用于农业种植的滩涂，长期使用畜禽粪便、化学肥料及农药会导致土壤中重金属累积^[7]。

因此，在光滩→盐生植被→养殖水面→耕地这一滩涂围垦开发演变模式中，滩涂土壤重金属含量表现出略有升高→明显降低→升高的变化趋势，这与从Ⅰ区至Ⅳ区重金属含量的分布特征基本一致。若继续遵循此演变模式，则各区的重金属含量变化趋势分别为：Ⅰ区，略有升高→明显降低→升高；Ⅱ区，明显降低→升高；Ⅲ区，升高。

3   结论

(1) 研究区Cu、Zn、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb的平均含量分别为14.33×10^-6、50.73×10^-6、7.52×10^-6、0.094×10^-6、58.30×10^-6、0.013×10^-6、22.65×10^-6、13.91×10^-6，高值区分布于北部梁垛河口，低值区分布于用作淡水养殖的滩涂；由海向陆方向，随着垦区匡围成陆时间的增加，重金属平均含量表现出略有升高→明显降低→升高的变化特征。

(2) 根据《土壤环境质量标准》，研究区土壤环境质量优良，88个样品为一类土壤，仅2个样品Ni、As的含量略超过土壤一级标准限值，为二类土壤；重金属元素的平均地质累积指数均小于0，整体处于无污染程度。

(3) 相关性分析与主成分分析显示重金属主要来源于自然沉积，Cd、Cr、Pb还受到一定人类活动的影响。影响重金属分布的人为因素，匡围前为河流入海排污和交通航运，匡围后为抛荒、淡水养殖和农业种植等。