北大港湿地沉积物硫形态分布研究

王禹厶WANG Yu-si

（天津师范大学地理与环境科学学院，天津 300387）

0 引言

滨海湿地地处潮间带滩地及低潮时水深不超过6m的沿海低地[1]，作为海洋生态和陆地生态系统的交错地带，长期遭受海水侵淹的条件下，与淡水湿地相比，滨海湿地由于海水的潮汐作用土壤中的硫酸盐含量很高，硫酸盐及其还原产物的动态平衡就构成了滨海湿地的硫循环过程。因其坐拥既复杂又丰富的生态系统，虽然滨海湿地系统的面积较陆地生态系统的面积小[2]，但其调节了海洋和陆地生态系统之间的物流、能量流、信息流和生物流[1]，进而成为人类赖以生存的环境。随着近年来人类活动愈演愈烈，滨海湿地逐渐成为生态环境脆弱地带，正面临着湿地退化、面积减小等问题[3]。硫元素作为继氮、磷、钾之后的第四位营养元素，是湿地地球化学循环的重要元素之一[4]，为自然界的动植物提供生长的营养，高硫湿地多形成于近海地区，海洋作为天然的硫源，由于海洋的挥发作用进入大气中，形成含硫的氧化物再通过干湿沉降回到陆地或海洋中。进入陆地的硫化物经地表径流被植被的依靠根系所吸收并富集在植物的叶片上，或再次被海水所吸收，加之海水飞溅出来的硫酸根也可迁移沉降到陆地上。

1 研究区域概况

北大港湿地位于海河流域下游，东临渤海湾，距渤海湾约24km，北连独流减河，形成于全新世中晚期，由海岸和退海岸成陆低平淤泥组成[5]。受暖温带季风气候影响，蒸发量大于降水量，使淤泥质土壤干旱缺水。作为天津市面积最大的“湿地自然保护区”，其中北大港水库作为保护区的核心区，以大清河、南运河、子牙河以及“引黄济津”工程为主要注入库区的河流[6]。库区内浅层地下水埋藏在1.5-2.0m，通过土壤孔隙与“引黄水”相连，含盐量和矿化度较高[7]。

2 样品采集和分析方法

在北大港湿地腹地选择无人为干扰区域，兼顾干湿交替和植被类型等因素的影响，选择代表性点位采集沉积物柱状样品。借助土钻采样器采集柱状沉积物样品，采样深度为200cm。样品采集后，立即将土样以2cm 深度为间隔分样，存放于经纯氮气吹扫后的离心管中，密封冷冻保存后备用。利用真空冷冻干燥机对采集的样品进行冷冻干燥后去，挑除贝壳、石子和植物根系等杂物，用玛瑙研钵研磨后，用100 目尼龙分样筛过筛，处理后的土壤样品保存备用。

沉积物含水率ω 通过冷冻干燥法来测定，常将从野外采集的分层土柱先称出潮湿土壤样品的重量（ms），再放置于真空冷冻干燥机中冷冻干燥，其失去的水分代表潮湿土壤样品中的土壤水分（mw）。将土壤水分（mw）与潮湿土壤样品的重量（ms）之比，即可计算出土壤的含水率ω。

应用SPSS 19.0 统计分析软件的Pearson 相关分析得到水溶性硫酸盐和吸附性硫酸盐的相关关系；使用Origin2018 软件制图。

3 结果分析

3.1 土壤性质及水化学参数的空间变化

北大港湿地沉积物土壤是黄河下游河道摆动在华北平原地区遗留下来，具有典型黄河沉积特征，由于在近海地区与海水的相互作用，属于黄河三角洲的滨海沉积环境，使沉积物土壤性质发生变异，土壤中值粒径以细砂、粉砂质细砂、砂质粉砂为主[8]。针对北大港沉积物中的水化学参数进行了测定，沉积物含水率变化范围介于16%～53%之间，均值为23%，整体来说，剖面上含水率从表层至底层逐渐升高，最高值在194～196cm 处，达到53%。表层含水率波动起伏不大，仅在均值上下波动，而底层不同自164cm 开始深层含水率波动的变化幅度大且呈逐渐上升的趋势，其值为表层的2 倍，总体上呈现出北大港湿地沉积物含水率“表层低底层高”的现象。沉积物pH 值从垂直变化上看，北大港湿地沉积物pH 值变化较稳定，变化范围介于7.6～8.7 之间，均值为8.2，呈弱碱性。如图1 所示，剖面上pH 值结果表示随着深度增加，pH 值升高，最高值稳定在136～170cm 处，达到8.7。表层0～6cm 先上升后下降而又上升稳定在均值以上数值，于48～50cm 下降并呈上下波动趋势，直至124～126cm 处持续上升至最大值，并持续稳定了约10cm 深后又下降至均值左右，总体上呈现出北大港湿地沉积物pH 值“表层低底层高”的现象。沉积物电导率（EC）的变化范围介于1321μS/cm～2700μS/cm 之间，均值为1911μS/cm，垂直剖面上EC 的变化从表层开始波动下降至最低值，在42～146cm 的层位上呈波动上升的趋势，并且在128cm 处呈下降趋势后又呈波动上升至176cm 处为最高值2700μS/cm，后又持续下降到与表层0～2cm 相近的数值。

图1 沉积物土壤理化参数垂直分布图

从横向来看水化学性质三组数据，含水率和EC 均在底部变化幅度大且达到最高值；pH 值和EC 的变化幅度在呈明显的负相关，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 均呈现“表层低底层高”的现象。

3.2 沉积物硫形态的空间变化规律

SO42-和Adsorbed-S 的含量具有相同的垂直空间变化规律，表现在表层和底层的含量呈两次高峰值（如图2）。H2O-S 含量在垂直剖面上来看，前10cm 小范围波动上升至第一高峰后呈波动下降趋势直至最低值42cm 处，后在中间层围绕均值波动起伏，直至底层180cm 处波动至第二高峰最高值，后又下降并在底层小范围波动起伏。Adsorbed-S 含量在垂直剖面上来看，前8cm 波动上升至第一高峰且前后相邻层位的含量呈现2 倍的变化幅度，在8～160cm 中间层呈现在均值附近波动起伏，于162cm 处上升至与表层相近的高值，并且在底部持续呈现波动上升趋势直至第二高峰最高值。

图2 不同形态无机硫垂直分布剖面图

4 讨论

4.1 滨海湿地沉积物剖面溶解态和吸附态硫形态的空间分布

天津北大港滨海湿地沉积物中SO42-的均值为115.49mg/kg，高于江苏盐城自然保护区芦苇湿地土壤SO42-含量的平均水平，低于山东胶州湾湿地土壤SO42-含量的平均水平。溶解态硫酸盐的来源是土壤表层的排水性能以及有机物的累积等，一般情况下呈现随着土壤深度的增加有机质含量减少，溶解态的含量也减少，这与郝庆菊[9]针对三江平原湿地无机硫的组分研究中表示淤积的湿地土壤排水性能差，有利于有机质的沉淀一致。由于本研究区表层土壤排水性能不好且常年处在淹水状态下，帮助有机质的累积，因此SO42-硫含量高，而底层土壤SO42-的大幅升后稳定在均值上下，一次大幅度的上升源于本研究区位于近海区域，海水有可能影响沉积物土壤同位素的来源，加之含水率也发生表层低底层高的现象，在含水率较高的沉积物土壤，还原状态下进行厌氧的呼吸，SO42-会发生还原反应生成-2 价的硫[10]，与沉积物中＋2 价的Fe 结合，将海水中的SO42-固定在沉积物土壤中，导致SO42-的含量大幅度增加。

Adsorbed-S 的均值为687.96mg/kg 处于较高水平，高于我国已有研究的湿地土壤的平均水平，本研究区Adsorbed-S 含量整体上呈现规则波动起伏递增的趋势，以阴离子交换吸收和配位吸附的方式附着在土壤的胶体上[11]，吸附能力与土壤的颗粒性质呈显著的正相关。在李璐[12]关于湿地沉积物的研究中，北大港湿地22～117cm 为黄褐色的细砂可能存在Fe 的富集，处于水动力环境比较大的沉积环境；120～134cm 为黄褐色的黏土，伴随着黑色的成碳物质还见植物的根系，处于水动力环境比较小的深水沼泽环境。结合本研究对象沉积物性质的分析，研究区域Adsorbed-S 在42～118cm 有较为稳定的波动起伏的状态，使含硫的化合物与土壤中的Fe 相结合形成稳定的金属硫化物，因此Adsorbed-S 含量偏高，在118～146cm 的层位上开始波动起伏的幅度加大，较上一个层位有明显的增幅，直至底层大幅度的波动上升且上升速率较快，表明底层受淋溶作用影响土壤积累较多的Adsorbed-S。

4.2 湿地土壤硫含量分布与土壤理化因子关系

湿地沉积物土壤中硫的含量受诸多环境因素的影响，湿地土壤中微生物的生命活动，进而影响硫形态和含量的分布差异。在滨海湿地土壤中盐分主要来源于海水的入侵，北大港湿地自更新世晚期至全新世经历了4 次海侵过程，造成地下含水层储存着大量的古海水，作为严重海水入侵区且现代海水入侵区[13]的北大港湿地处于土壤含盐度的高值区，本研究在沉积物剖面42～146cm 层发现含水率与EC 具有显著正相关，表明北大港湿地沉积物中较高的含盐量可能与海水入侵携带的高盐分有关。湿地土壤的pH 值可以改变土壤的吸附能力进而影响硫形态之间的转化，作为弱碱性高硫湿地沉积物，也与Johnston[14]等对酸性淡水湿地的研究一致，土壤pH 值随着深度的增加而升高，由于湿地表层的动植物以及微生物分解的有机酸或者硫素被氧化成硫酸，附着在土壤表层。

5 结论

湿地沉积物表层土壤常年处在淹水状态下，有利于有机质的累积，因此SO42-硫含量高，而底层土壤受古海水入侵，海水中的SO42-固定在沉积物土壤中，导致SO42-的含量大幅度增加。Adsorbed-S 呈现波动起伏的状态，与土壤中的Fe 相结合形成稳定的金属硫化物有关，作为土壤铁质量高于中国土壤铁质量的滨海湿地，底层受淋溶作用影响土壤的Adsorbed-S 含量偏高，相关分析发现沉积物中SO42-和Adsorbed-S 之间呈显著的正相关（P＜0.01），由于在无机硫的形态中Adsorbed-S 的有效性仅次于SO42-，两者之间可以相互转化处于动态平衡的关系。