北大港濕地沉積物硫形態(tài)分布研究

王禹厶WANG Yu-si

（天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

0 引言

濱海濕地地處潮間帶灘地及低潮時(shí)水深不超過(guò)6m的沿海低地[1]，作為海洋生態(tài)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶，長(zhǎng)期遭受海水侵淹的條件下，與淡水濕地相比，濱海濕地由于海水的潮汐作用土壤中的硫酸鹽含量很高，硫酸鹽及其還原產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)平衡就構(gòu)成了濱海濕地的硫循環(huán)過(guò)程。因其坐擁既復(fù)雜又豐富的生態(tài)系統(tǒng)，雖然濱海濕地系統(tǒng)的面積較陸地生態(tài)系統(tǒng)的面積小[2]，但其調(diào)節(jié)了海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的物流、能量流、信息流和生物流[1]，進(jìn)而成為人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境。隨著近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)愈演愈烈，濱海濕地逐漸成為生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，正面臨著濕地退化、面積減小等問(wèn)題[3]。硫元素作為繼氮、磷、鉀之后的第四位營(yíng)養(yǎng)元素，是濕地地球化學(xué)循環(huán)的重要元素之一[4]，為自然界的動(dòng)植物提供生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)，高硫濕地多形成于近海地區(qū)，海洋作為天然的硫源，由于海洋的揮發(fā)作用進(jìn)入大氣中，形成含硫的氧化物再通過(guò)干濕沉降回到陸地或海洋中。進(jìn)入陸地的硫化物經(jīng)地表徑流被植被的依靠根系所吸收并富集在植物的葉片上，或再次被海水所吸收，加之海水飛濺出來(lái)的硫酸根也可遷移沉降到陸地上。

1 研究區(qū)域概況

北大港濕地位于海河流域下游，東臨渤海灣，距渤海灣約24km，北連獨(dú)流減河，形成于全新世中晚期，由海岸和退海岸成陸低平淤泥組成[5]。受暖溫帶季風(fēng)氣候影響，蒸發(fā)量大于降水量，使淤泥質(zhì)土壤干旱缺水。作為天津市面積最大的“濕地自然保護(hù)區(qū)”，其中北大港水庫(kù)作為保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，以大清河、南運(yùn)河、子牙河以及“引黃濟(jì)津”工程為主要注入庫(kù)區(qū)的河流[6]。庫(kù)區(qū)內(nèi)淺層地下水埋藏在1.5-2.0m，通過(guò)土壤孔隙與“引黃水”相連，含鹽量和礦化度較高[7]。

2 樣品采集和分析方法

在北大港濕地腹地選擇無(wú)人為干擾區(qū)域，兼顧干濕交替和植被類(lèi)型等因素的影響，選擇代表性點(diǎn)位采集沉積物柱狀樣品。借助土鉆采樣器采集柱狀沉積物樣品，采樣深度為200cm。樣品采集后，立即將土樣以2cm 深度為間隔分樣，存放于經(jīng)純氮?dú)獯祾吆蟮碾x心管中，密封冷凍保存后備用。利用真空冷凍干燥機(jī)對(duì)采集的樣品進(jìn)行冷凍干燥后去，挑除貝殼、石子和植物根系等雜物，用瑪瑙研缽研磨后，用100 目尼龍分樣篩過(guò)篩，處理后的土壤樣品保存?zhèn)溆谩?/p>

沉積物含水率ω 通過(guò)冷凍干燥法來(lái)測(cè)定，常將從野外采集的分層土柱先稱(chēng)出潮濕土壤樣品的重量（ms），再放置于真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，其失去的水分代表潮濕土壤樣品中的土壤水分（mw）。將土壤水分（mw）與潮濕土壤樣品的重量（ms）之比，即可計(jì)算出土壤的含水率ω。

應(yīng)用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件的Pearson 相關(guān)分析得到水溶性硫酸鹽和吸附性硫酸鹽的相關(guān)關(guān)系；使用Origin2018 軟件制圖。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤性質(zhì)及水化學(xué)參數(shù)的空間變化

北大港濕地沉積物土壤是黃河下游河道擺動(dòng)在華北平原地區(qū)遺留下來(lái)，具有典型黃河沉積特征，由于在近海地區(qū)與海水的相互作用，屬于黃河三角洲的濱海沉積環(huán)境，使沉積物土壤性質(zhì)發(fā)生變異，土壤中值粒徑以細(xì)砂、粉砂質(zhì)細(xì)砂、砂質(zhì)粉砂為主[8]。針對(duì)北大港沉積物中的水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，沉積物含水率變化范圍介于16%～53%之間，均值為23%，整體來(lái)說(shuō)，剖面上含水率從表層至底層逐漸升高，最高值在194～196cm 處，達(dá)到53%。表層含水率波動(dòng)起伏不大，僅在均值上下波動(dòng)，而底層不同自164cm 開(kāi)始深層含水率波動(dòng)的變化幅度大且呈逐漸上升的趨勢(shì)，其值為表層的2 倍，總體上呈現(xiàn)出北大港濕地沉積物含水率“表層低底層高”的現(xiàn)象。沉積物pH 值從垂直變化上看，北大港濕地沉積物pH 值變化較穩(wěn)定，變化范圍介于7.6～8.7 之間，均值為8.2，呈弱堿性。如圖1 所示，剖面上pH 值結(jié)果表示隨著深度增加，pH 值升高，最高值穩(wěn)定在136～170cm 處，達(dá)到8.7。表層0～6cm 先上升后下降而又上升穩(wěn)定在均值以上數(shù)值，于48～50cm 下降并呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，直至124～126cm 處持續(xù)上升至最大值，并持續(xù)穩(wěn)定了約10cm 深后又下降至均值左右，總體上呈現(xiàn)出北大港濕地沉積物pH 值“表層低底層高”的現(xiàn)象。沉積物電導(dǎo)率（EC）的變化范圍介于1321μS/cm～2700μS/cm 之間，均值為1911μS/cm，垂直剖面上EC 的變化從表層開(kāi)始波動(dòng)下降至最低值，在42～146cm 的層位上呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，并且在128cm 處呈下降趨勢(shì)后又呈波動(dòng)上升至176cm 處為最高值2700μS/cm，后又持續(xù)下降到與表層0～2cm 相近的數(shù)值。

圖1 沉積物土壤理化參數(shù)垂直分布圖

從橫向來(lái)看水化學(xué)性質(zhì)三組數(shù)據(jù)，含水率和EC 均在底部變化幅度大且達(dá)到最高值；pH 值和EC 的變化幅度在呈明顯的負(fù)相關(guān)，pH 值上升而EC 下降，反之pH 值下降而EC 上升；含水率、pH 值和EC 均呈現(xiàn)“表層低底層高”的現(xiàn)象。

3.2 沉積物硫形態(tài)的空間變化規(guī)律

SO42-和Adsorbed-S 的含量具有相同的垂直空間變化規(guī)律，表現(xiàn)在表層和底層的含量呈兩次高峰值（如圖2）。H2O-S 含量在垂直剖面上來(lái)看，前10cm 小范圍波動(dòng)上升至第一高峰后呈波動(dòng)下降趨勢(shì)直至最低值42cm 處，后在中間層圍繞均值波動(dòng)起伏，直至底層180cm 處波動(dòng)至第二高峰最高值，后又下降并在底層小范圍波動(dòng)起伏。Adsorbed-S 含量在垂直剖面上來(lái)看，前8cm 波動(dòng)上升至第一高峰且前后相鄰層位的含量呈現(xiàn)2 倍的變化幅度，在8～160cm 中間層呈現(xiàn)在均值附近波動(dòng)起伏，于162cm 處上升至與表層相近的高值，并且在底部持續(xù)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)直至第二高峰最高值。

圖2 不同形態(tài)無(wú)機(jī)硫垂直分布剖面圖

4 討論

4.1 濱海濕地沉積物剖面溶解態(tài)和吸附態(tài)硫形態(tài)的空間分布

天津北大港濱海濕地沉積物中SO42-的均值為115.49mg/kg，高于江蘇鹽城自然保護(hù)區(qū)蘆葦濕地土壤SO42-含量的平均水平，低于山東膠州灣濕地土壤SO42-含量的平均水平。溶解態(tài)硫酸鹽的來(lái)源是土壤表層的排水性能以及有機(jī)物的累積等，一般情況下呈現(xiàn)隨著土壤深度的增加有機(jī)質(zhì)含量減少，溶解態(tài)的含量也減少，這與郝慶菊[9]針對(duì)三江平原濕地?zé)o機(jī)硫的組分研究中表示淤積的濕地土壤排水性能差，有利于有機(jī)質(zhì)的沉淀一致。由于本研究區(qū)表層土壤排水性能不好且常年處在淹水狀態(tài)下，幫助有機(jī)質(zhì)的累積，因此SO42-硫含量高，而底層土壤SO42-的大幅升后穩(wěn)定在均值上下，一次大幅度的上升源于本研究區(qū)位于近海區(qū)域，海水有可能影響沉積物土壤同位素的來(lái)源，加之含水率也發(fā)生表層低底層高的現(xiàn)象，在含水率較高的沉積物土壤，還原狀態(tài)下進(jìn)行厭氧的呼吸，SO42-會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)生成-2 價(jià)的硫[10]，與沉積物中＋2 價(jià)的Fe 結(jié)合，將海水中的SO42-固定在沉積物土壤中，導(dǎo)致SO42-的含量大幅度增加。

Adsorbed-S 的均值為687.96mg/kg 處于較高水平，高于我國(guó)已有研究的濕地土壤的平均水平，本研究區(qū)Adsorbed-S 含量整體上呈現(xiàn)規(guī)則波動(dòng)起伏遞增的趨勢(shì)，以陰離子交換吸收和配位吸附的方式附著在土壤的膠體上[11]，吸附能力與土壤的顆粒性質(zhì)呈顯著的正相關(guān)。在李璐[12]關(guān)于濕地沉積物的研究中，北大港濕地22～117cm 為黃褐色的細(xì)砂可能存在Fe 的富集，處于水動(dòng)力環(huán)境比較大的沉積環(huán)境；120～134cm 為黃褐色的黏土，伴隨著黑色的成碳物質(zhì)還見(jiàn)植物的根系，處于水動(dòng)力環(huán)境比較小的深水沼澤環(huán)境。結(jié)合本研究對(duì)象沉積物性質(zhì)的分析，研究區(qū)域Adsorbed-S 在42～118cm 有較為穩(wěn)定的波動(dòng)起伏的狀態(tài)，使含硫的化合物與土壤中的Fe 相結(jié)合形成穩(wěn)定的金屬硫化物，因此Adsorbed-S 含量偏高，在118～146cm 的層位上開(kāi)始波動(dòng)起伏的幅度加大，較上一個(gè)層位有明顯的增幅，直至底層大幅度的波動(dòng)上升且上升速率較快，表明底層受淋溶作用影響土壤積累較多的Adsorbed-S。

4.2 濕地土壤硫含量分布與土壤理化因子關(guān)系

濕地沉積物土壤中硫的含量受諸多環(huán)境因素的影響，濕地土壤中微生物的生命活動(dòng)，進(jìn)而影響硫形態(tài)和含量的分布差異。在濱海濕地土壤中鹽分主要來(lái)源于海水的入侵，北大港濕地自更新世晚期至全新世經(jīng)歷了4 次海侵過(guò)程，造成地下含水層儲(chǔ)存著大量的古海水，作為嚴(yán)重海水入侵區(qū)且現(xiàn)代海水入侵區(qū)[13]的北大港濕地處于土壤含鹽度的高值區(qū)，本研究在沉積物剖面42～146cm 層發(fā)現(xiàn)含水率與EC 具有顯著正相關(guān)，表明北大港濕地沉積物中較高的含鹽量可能與海水入侵?jǐn)y帶的高鹽分有關(guān)。濕地土壤的pH 值可以改變土壤的吸附能力進(jìn)而影響硫形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，作為弱堿性高硫濕地沉積物，也與Johnston[14]等對(duì)酸性淡水濕地的研究一致，土壤pH 值隨著深度的增加而升高，由于濕地表層的動(dòng)植物以及微生物分解的有機(jī)酸或者硫素被氧化成硫酸，附著在土壤表層。

5 結(jié)論

濕地沉積物表層土壤常年處在淹水狀態(tài)下，有利于有機(jī)質(zhì)的累積，因此SO42-硫含量高，而底層土壤受古海水入侵，海水中的SO42-固定在沉積物土壤中，導(dǎo)致SO42-的含量大幅度增加。Adsorbed-S 呈現(xiàn)波動(dòng)起伏的狀態(tài)，與土壤中的Fe 相結(jié)合形成穩(wěn)定的金屬硫化物有關(guān)，作為土壤鐵質(zhì)量高于中國(guó)土壤鐵質(zhì)量的濱海濕地，底層受淋溶作用影響土壤的Adsorbed-S 含量偏高，相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)沉積物中SO42-和Adsorbed-S 之間呈顯著的正相關(guān)（P＜0.01），由于在無(wú)機(jī)硫的形態(tài)中Adsorbed-S 的有效性僅次于SO42-，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)化處于動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系。