西洞庭湖濕地Eh與pH空間變異特征及影響因子分析

周念清 李章平 李丹 劉曉群

摘要：濕地氧化還原電位（Eh）和酸堿度（pH）空間分布特征是探討濕地污染物存在形態(tài)、遷移和轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)。在湖南省西洞庭湖區(qū)澧水和沅水入湖口濕地分別布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共12個(gè)鉆孔，孔深8.0～14.0 m。通過現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)研究濕地演替帶Eh和pH的分布格局和空間變異特征，并對(duì)其影響因子進(jìn)行探討。結(jié)果表明：西洞庭湖濕地演替帶監(jiān)測(cè)剖面Eh介于-57.8～238 mV之間，平均值為124.67 mV，pH值為5.1～9.1，平均值為7.4，屬于弱堿性弱還原環(huán)境；Eh和pH的變異系數(shù)分別為49.60%、1166%，均表現(xiàn)出中等變異強(qiáng)度；Eh和pH剖面分布特征復(fù)雜，均呈夾帶斑塊的層帶狀分布；土壤類型、地下水位、含水率和溫度均對(duì)Eh有重要影響，pH主要受土壤類型和

地下水位的制約，溫度與含水率對(duì)pH的影響不顯著。

關(guān)鍵詞：濕地；氧化還原電位；酸堿度；空間變異；影響因子；變異系數(shù)；洞庭湖

中圖分類號(hào)：P641.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

氧化還原電位（Eh）和酸堿度（pH）是反映土壤環(huán)境的重要指標(biāo)，其分布特征直接影響土壤和地下水中N、P等多種元素及污染物的存在形態(tài)與遷移、轉(zhuǎn)化過程，并與土壤類別、環(huán)境溫度、土壤和地下水中溶解O2及CO2含量等關(guān)系密切。Kumar等在濕地N循環(huán)與Eh、pH關(guān)系方面做了比較深入的研究[1]。Eh是水溶液中氧化性和還原性離子平衡后的電勢(shì)，每種離子只能在一定的Eh范圍內(nèi)存在，被氧化或被還原，Eh的突變會(huì)導(dǎo)致N的某一種形式突然減少，甚至減少到不能被吸收的水平[2]。地下水位較高時(shí)，Eh也較高，NO-3質(zhì)量濃度較高，這是由于地下水和地表水相互進(jìn)行了交換[3]。Eh在一定范圍內(nèi) （100～350 mV），反硝化速率隨著Eh的增加而減小[4]。Brady等指出強(qiáng)酸環(huán)境 （pH<5） 將限制反硝化作用進(jìn)行，可能會(huì)擾亂反硝化過程，只產(chǎn)生NO-2或N2O[5]。Bremner等也指出在pH=5.8的環(huán)境中反硝化速率很低，在pH=41的環(huán)境中更低，在pH<36的環(huán)境中反硝化幾乎不可能進(jìn)行[6]。中國(guó)有關(guān)土壤理化性質(zhì)的研究較多[714]。陳朝陽分析了植煙土壤的pH狀況、演變趨勢(shì)及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[15]；朱小琴等研究了農(nóng)業(yè)土壤pH的時(shí)空變異特征，并探討了土壤pH的主要影響因素[16]；郭治興等對(duì)廣東省近30年來土壤pH的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究[17]。以上這些研究主要是探討不同類型土壤與pH的關(guān)系，也有部分學(xué)者對(duì)濕地土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了研究。秦璐等分析了艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)土壤理化性質(zhì)[18]；張平究等分析了安慶沿江退耕還湖后濕地土壤理化性質(zhì)的變化特征[19]。然而，專門針對(duì)濕地演替帶Eh特征的研究尚不多見。

濕地演替帶具有明顯的生物地球化學(xué)特征[20]，是地表水與地下水之間物質(zhì)和能量傳輸?shù)慕缑婕坝袡C(jī)化合物和污染物衰減的場(chǎng)所[21]。地表水中的N通過濕地演替界面發(fā)生作用進(jìn)入地下水體中，在濕地演替帶必然要發(fā)生一系列的遷移和轉(zhuǎn)化作用。濕地演替帶水動(dòng)力條件比較復(fù)雜，演替過程中濕地環(huán)境在不斷發(fā)生變化，N對(duì)環(huán)境變化非常敏感，Eh、pH等環(huán)境因子勢(shì)必會(huì)影響N的遷移與轉(zhuǎn)化。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，眾多湖泊濕地中N出現(xiàn)了大量累積[22]，富營(yíng)養(yǎng)化明顯。探討濕地中N污染物的環(huán)境行為是解決濕地N污染最重要的途徑[23]，研究濕地Eh和pH空間分布特征是探討濕地演替帶N遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)。本文選取西洞庭湖濕地作為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)研究濕地演替帶Eh和pH空間分布和變異特征，為研究N污染控制、水環(huán)境修復(fù)與保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)方案

1.1研究區(qū)概況

洞庭湖位于湖南省北部，由東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖組成。匯入洞庭湖的內(nèi)陸水系包括湘江、資江、沅水和澧水。湖面平均海拔高程為33.5 m，總面積約2 691 km2，其中西洞庭湖345 km2，濕地分布廣泛。每年通過湘江、資江進(jìn)入洞庭湖的總氮質(zhì)量濃度平均高達(dá)2.126、1.746 mg·L-1，2008年入湖總氮量達(dá)59 049 t[24]。研究場(chǎng)地選在西洞庭湖沅水和澧水入湖口，試驗(yàn)區(qū)具體位置見圖1。

在西洞庭湖澧水、沅水入湖口濕地演替帶各布置2個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，均與湖岸垂直，剖面間距為320 m；每個(gè)剖面布設(shè)3個(gè)鉆孔，孔間距為30 m（圖2）。每個(gè)斷面由湖及岸的鉆孔設(shè)計(jì)深度分別為12、15、18 m，孔徑為110 mm，鉆孔中安裝有帶過濾器的PVC管，過濾器用濾網(wǎng)保護(hù)，PVC管周圍充填細(xì)砂，上部采用黏土封孔，保持鉆孔中地下水位與濕地地下水位一致，便于取水樣和水位監(jiān)測(cè)。每月采集地表水和地下水水樣1次，并進(jìn)行N形態(tài)測(cè)定與分析。

1.3現(xiàn)場(chǎng)取樣與試驗(yàn)

2014年5月29日至6月1日對(duì)西洞庭湖濕地4個(gè)監(jiān)測(cè)剖面（YP1、YP2、LP1和LP2）進(jìn)行鉆孔施工。在鉆探過程中，由于試驗(yàn)地段底部分布有老黃土層和砂卵石層，鉆探施工難度較大，未達(dá)到設(shè)計(jì)深度而被迫終孔，各鉆孔實(shí)際深度見表1。部分取樣深度處有流沙層分布而未能取出土樣，本次共取得土樣122個(gè)。

在鉆機(jī)鉆孔提取土樣時(shí)，為了減小對(duì)土樣的干擾，盡可能保持其自然狀態(tài)，每次快到達(dá)取樣深度時(shí)停止沖水，讓鉆機(jī)慢慢自然下鉆采取原狀土樣。取土樣后立即用環(huán)刀采集土樣，每隔1 m采集土樣1個(gè)，并及時(shí)對(duì)樣品編號(hào)和封裝，避免土壤含水率損失，并送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水率測(cè)定和土質(zhì)分析。土壤含水率（質(zhì)量比，下同）的測(cè)定根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）采用室內(nèi)烘干法進(jìn)行，精度為001 g。

在現(xiàn)場(chǎng)鉆探過程中采集的土樣使用BPH221便攜式ORP計(jì)及時(shí)測(cè)定土壤和地下水Eh、pH和溫度等參數(shù)，避免其與空氣接觸時(shí)間過長(zhǎng)產(chǎn)生誤差。為提高測(cè)量精度，用2臺(tái)ORP計(jì)同時(shí)測(cè)量2份土壤的Eh、pH和溫度，測(cè)定結(jié)果取平均值。Eh精度為01 mV，溫度精度為01 ℃。

2結(jié)果分析

2.1Eh分布特征

根據(jù)鉆孔不同深度土樣測(cè)定結(jié)果，得到Eh沿剖面的分布特征。氧化還原環(huán)境按Eh大小劃分：當(dāng)Eh值大于300 mV時(shí)屬于氧化環(huán)境；當(dāng)Eh值介于100～300 mV之間時(shí)屬于弱還原環(huán)境；當(dāng)Eh值介于-100～100 mV之間時(shí)屬于中等還原環(huán)境；當(dāng)Eh值小于-100 mV時(shí)屬于強(qiáng)還原環(huán)境。在監(jiān)測(cè)深度范圍內(nèi)，根據(jù)Eh測(cè)定結(jié)果（表2），澧水濕地LP1剖面

Eh值介于48.5～238 mV之間，平均值為1393 mV，隨著深度增加呈現(xiàn)由大變小再增大的趨勢(shì)；而LP2剖面Eh值為96.5～161.8 mV，平均值為1238 mV，隨著深度增加呈現(xiàn)由大變小的趨勢(shì)。

將澧水濕地不同深度測(cè)得的Eh繪制成Eh深度關(guān)系曲線（圖3），未取出土樣的位置Eh缺失。隨著深度增加，Eh有下降的趨勢(shì)，表明氧化還原環(huán)境隨著深度增加不斷發(fā)生變化，除個(gè)別部位變化幅度較大外，總體呈現(xiàn)出氧化性略微減弱，而還原性略有增強(qiáng)的變化趨勢(shì)。

測(cè)定沅水濕地演替帶YP1和YP2剖面鉆孔土樣的Eh，YP1剖面Eh值介于117.8～205.3 mV之間，平均值為177.2 mV，YP2剖面Eh值為-57.8～172.0 mV，平均值為60.1 mV。YP1剖面Eh靠近湖岸較小，遠(yuǎn)離湖岸方向有增大趨勢(shì)，而YP2剖面

Eh則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象與湖岸土層分布以及地下水與地表水相互補(bǔ)給的流向分布有關(guān)，根據(jù)地下水與地表水位，YP1剖面地下水補(bǔ)給河水，遠(yuǎn)離湖岸方向氧化性有增強(qiáng)的趨勢(shì)，YP2剖面是地表水補(bǔ)給地下水，遠(yuǎn)離湖岸方向氧化性表現(xiàn)為減弱的趨勢(shì)。

沅水濕地演替帶測(cè)得的Eh隨深度變化的關(guān)系曲線見圖4。隨著深度增加，鉆孔Y5和Y6測(cè)得的Eh變化幅度較大，鉆孔Y1、Y2、Y3和Y4測(cè)得的相對(duì)較穩(wěn)定，呈現(xiàn)出略有增大的趨勢(shì)。

2.2pH分布特征

在測(cè)定Eh的同時(shí)對(duì)土樣的pH進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見表3。LP1剖面pH值介于5.7～7.7之間，平均值為6.6，由湖及岸呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)；LP2剖面pH值為6.4～9.1，平均值為7.7，由湖及岸呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但2個(gè)監(jiān)測(cè)剖面由淺入深的pH均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

澧水濕地土樣測(cè)定的pH隨深度變化的關(guān)系見圖5。由圖5可知，隨著深度增加，鉆孔L1、L5和L6測(cè)得的pH變化幅度較大，而鉆孔L2、L3和L4測(cè)得的相對(duì)較穩(wěn)定，且呈現(xiàn)出略微增大的趨勢(shì)。

沅水濕地不同深度土樣測(cè)得的pH隨深度變化的關(guān)系曲線見圖6。從圖6可以看出：YP1剖面

pH值介于51～8.9之間，平均值為7.6；YP2剖面pH值為6.7～8.9，平均值為7.8。YP1、YP2剖面pH均呈靠近湖岸較大，遠(yuǎn)離湖岸方向減小的趨勢(shì)；YP1剖面pH由淺入深呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，而YP2剖面pH則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。隨著深度增加，鉆孔Y1、Y2和Y3測(cè)得的pH變化幅度較大，鉆孔Y4、Y5和Y6測(cè)得的相對(duì)較穩(wěn)定，呈現(xiàn)

出略微增大的趨勢(shì)。

常用的判別標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)Cv≤10%時(shí)，空間變異程度為弱變異性；當(dāng)10%

2.3.1Eh空間變異性

澧水濕地LP1、LP2剖面的Eh平均值分別為139.31、123.75 mV，表明澧水濕地演替帶氧化性由上游斷面（LP2剖面）向下游斷面（LP1剖面）呈現(xiàn)略有增強(qiáng)趨勢(shì)；LP1、LP2剖面的Cv分別為31.1%、1347%，表明澧水濕地演替帶LP1剖面比LP2剖面的Eh空間變異性要大。

沅水濕地YP1、YP2剖面的Eh平均值分別為177.21、 60.13 mV，沅水濕地演替帶氧化性由上游斷面（YP2剖面）向下游斷面（YP1剖面）呈現(xiàn)略有增強(qiáng)趨勢(shì)；YP1、YP2剖面的Cv分別為12.11%、118.9%，表明沅水濕地演替帶YP2剖面Eh具有強(qiáng)變異性，變異強(qiáng)度由上游斷面向下游斷面呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。

澧水和沅水濕地演替帶的Eh平均值分別為131.39、118.67 mV，說明澧水濕地演替帶氧化性比沅水濕地略強(qiáng)；澧水和沅水濕地演替帶的Cv分別為25.30%、66.48%，說明沅水濕地演替帶Eh空間變異性更大。

西洞庭湖濕地演替帶Eh平均值為124.67 mV，屬于弱還原環(huán)境；Cv為49.60%， Eh總體上具有中等變異性。

2.3.2pH空間變異性

澧水濕地LP1、LP2剖面 pH平均值分別為67、77，說明澧水濕地演替帶堿性沿上游斷面向下游斷面減弱；LP1、LP2剖面的Cv分別為504%、990%，表明澧水濕地演替帶pH變異強(qiáng)度沿上游斷面向下游斷面減小。

沅水濕地YP1、YP2剖面pH平均值分別為7.56、784，總體為偏堿性，但沅水濕地演替帶上游斷面（YP2剖面）的堿性略強(qiáng)于下游斷面（YP1剖面）；YP1、YP2剖面的Cv分別為1473%、457%，表明沅水濕地演替帶pH變異強(qiáng)度下游比上游略大。

澧水和沅水濕地演替帶pH平均值分別為713、7.71，總體表現(xiàn)為土壤偏堿性，且沅水濕地演替帶堿性比澧水要強(qiáng)；澧水和沅水濕地的Cv分別為11.29%、10.81%，說明澧水濕地演替帶pH變異強(qiáng)度較沅水濕地演替帶大。

西洞庭湖濕地演替帶總體pH平均值為7.43，Cv為11.66%，表明其pH具有中等變異性。

3討論

3.1Eh和pH相互影響

對(duì)西洞庭湖濕地演替帶Eh與pH進(jìn)行相關(guān)性分析（圖7）。Eh與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.229。給定顯著性水平0.01，經(jīng)雙側(cè)檢驗(yàn)，對(duì)應(yīng)顯著不相關(guān)的概率為0006，小于0.01，說明Eh與pH顯著相關(guān)，相互間有重要影響。