天津濱海濕地土壤鹽分空間演變規律研究

馮小平 ，王義東 ，陳 清 ，郭長城 ，王中良

（天津師范大學a.天津市水資源與水環境重點實驗室，b.城市與環境科學學院，天津300387）

我國海域遼闊，海岸線漫長，濱海濕地分布廣泛.濱海濕地是介于陸地和海洋生態系統間的交錯過渡地帶的自然綜合體[1-2]，生產力高，生物多樣性豐富，發揮著巨大的生態環境和經濟效益[3-4]，同時也是脆弱的生態敏感區[5-6].環渤海沿岸是我國北方濱海濕地最集中的分布區，擁有較為豐富的濕地資源.鹽漬化是濱海濕地土壤的典型特征，由于海退、氣候、地下水和成土母質等自然因素和多種人類活動，濱海濕地土壤鹽漬化程度不一[7].近年來，圍繞環渤海地區濕地土壤鹽分特征已有不少研究，多以遼河三角洲和黃河三角洲為熱點，且大多數研究主要集中于人為活動影響下的土壤鹽分離子特征[8-11]；或側重濱海鹽漬土的影響因素研究[12-14].退海是濱海鹽漬土形成的主導因子，探討土壤鹽分自潮間帶向內陸尺度上的演變規律具有重要意義，但目前有關長期自然海陸演變下濕地土壤鹽分自潮間帶向內陸尺度上演變規律的研究還未見報道.

天津海岸帶地處渤海灣西岸，海河流域下游，海岸線長153 km，濕地面積約1 813 km2，占天津市海岸帶面積（潮上帶和潮間帶）的77%[15].全新世以來，渤海灣西岸海岸帶發生了巨大變化，在全新世最大海侵期，海岸線曾到達寶坻、武清、霸州和滄州一線，海侵高峰后，渤海灣西岸地區海水不斷退縮，導致海岸線逐漸向東推移，形成了現今渤海灣西岸海岸線格局[16-17].天津濱海濕地是天津市重要的生態屏障，是在沉降平原粉砂淤泥質海岸基礎上，經過全新世中、晚期以來的海陸變遷，在地下水、河流、潮流和波浪等陸地和海洋環境因素及生物因素綜合作用下形成的[15].據歷史記載，現今的北抵寶坻，南至靜海，西至武清，東至寧河的4 m等高線以下地區曾大部分被淹，成為濕地[18].本研究選取天津具有代表性的渤海灣潮間帶濕地以及在退海海岸線范圍內的北大港、七里海和大黃堡濕地，對幾乎不受人為干擾和破壞的天然退海濕地在距潮間帶濕地距離尺度上的土壤鹽分及鹽基離子組成演變特征進行分析，對于維護濱海濕地功能、實現濱海濕地的合理開發利用具有重要價值.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于華北平原東部、海河流域下游、渤海之濱的天津市內，地理位置為東經 116°43′～118°04′，北緯 38°34′～40°15′，如圖 1 所示.研究區內地勢低洼，河網密布，濕地資源十分豐富.濱海濕地所在地屬于暖溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，四季分明，年均降水量為374～611 mm.該區土壤直接發育于海相沉積物，成陸過程中受海水強烈浸漬側滲，濕地土壤多以沼澤土、潮土和濱海鹽土為主.

圖1 研究區位置及土壤樣品采樣點分布圖Fig.1 Research area and distribution of soil samples

潮間帶濕地（CJD）位于天津市東部，地理位置介于東經 117°30′～118°10′，北緯 38°35′～39°20′，年均溫為11.9℃，年均降水量為556.7 mm.所在海域為不規則半日潮，每月2次大潮，2次小潮，每晝夜漲落各2次.潮間帶上界抵人工海堤，下界至平均大潮低潮線，該岸段無植被，為典型泥質海岸[19].

北大港濕地自然保護區（BDG）位于天津市大港區東南部，地理坐標為東經 117°11′～117°37′，北緯38°36′～38°57′，年均溫為 12℃，年均降水量為550mm，年均蒸發量為1 120.5 mm.濕地保護區地形由海岸和退海岸成陸低平淤泥組成，植被以蘆葦群落為主.

七里海濕地自然保護區（QLH）地處寧河縣境內西南部，地理位置為東經 117°27′～117°38′，北緯 39°16′～39°19′，年均溫為 11.2℃，年均降水量為 500～600 mm，屬于全新世晚期以來渤海海退過程中在天津平原殘留下來的眾多瀉湖之一，后演化為淡水沼澤，屬于沼澤濕地.

大黃堡濕地自然保護區（DHP）位于武清區東部，地理范圍為東經 117°10′33″～117°19′58″，北緯 39°21′4″～39°30′27″之間，年均降水量為 578.3 mm，年均蒸發量為1 164.4 mm.主要地貌類型為海積沖積平原，5 500年前，這里曾是渤海灣的一部分.受世界氣候變冷、海平面下降、海洋動力潮汐、河流入海泥沙及海洋堆積等多種因素影響，挾帶的物質與河流泥沙共同形成了這片海積沖積平原地貌.區內植物種類繁多，是我國北方地區原始地貌保存最好的典型蘆葦濕地[20].

1.2 實驗設計與樣品采集

通過對相關資料的查找和實地調查，借助GPS定位分別選取了 CJD （N 39°13′17″，E 118°1′31″）、BDG（N 38°46′44″，E 117°20′34″）、QLH（N 39°18′12″，E 117°29′14″）和 DHP（N 39°28′51″，E 117°12′45″）共4個采樣點.后3個采樣點均布置在自然形態的蘆葦叢中，渤海灣潮間帶高潮時被海水淹沒，低潮時出露為灘地.采集樣點顧及到了點位空間分布的均勻性.以渤海灣潮間帶濕地為基準，其中大黃堡濕地采樣點、七里海濕地采樣點和北大港濕地采樣點距離渤海灣海岸分別約70、38和24km.采樣時間為2012年5月，利用荷蘭制土鉆（Eijkelkamp）采集 0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70 和 70～100 cm 共 7層土壤樣品.每個樣地設3個土壤剖面采樣重復，每個剖面均為2個重復土柱混合而成.樣品采集后迅速裝入自封袋密封并標號帶回實驗室；自然風干，壓碎，剔除植物殘茬、石塊和結核等侵入體；研磨后過1 mm土壤篩，充分混勻，密封保存，備用.

1.3 樣品分析與測試

按照文獻[21]要求，對風干且過1 mm篩的土樣分別采用水土質量比2.5∶1和5∶1測定pH值和電導率（electric conductivity，EC），其中所用水為去CO2超純水.稱取干重6.0 g的土樣于50 mL離心管中，加入30 mL超純水，劇烈振蕩3 min，以4 000 r/min速度離心，取上清液，用0.45 μm濾膜過濾，濾液待用.陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量采用原子吸收分光光度法測定；陰離子Cl-、SO42-和NO3-含量采用離子色譜儀（ICS-2100）測定；CO32-和HCO3-含量采用雙指示劑-中和滴定法測得.

1.4 數據分析

依據式（1）[22]計算鈉吸附比（SAR）；依據式（2）[22]得到堿化度（ESP）.

采用SPSS 13.0軟件（美國SPSS公司）中單因素方差分析法（one-way ANOVA）進行統計檢驗，并利用Pearson相關分析研究鹽分離子間的相關性.使用Origin 8.0軟件（美國Origin Labs公司）作圖.

2 結果與討論

2.1 土壤含鹽量與電導率變化

圖2為土壤含鹽量和電導率隨土壤深度的變化關系.

圖2 土壤含鹽量和電導率隨土壤深度的變化關系Fig.2 Variations of salt content and electric conductivity in different wetlands of Tianjin

從圖2（a）可以看出，土壤含鹽量自潮間帶向內陸呈遞減趨勢，這與黃河三角洲和海河低平原的土壤鹽分分布特征一致[23-24].根據我國土壤鹽化等級劃分指標[25]，潮間帶濕地整個1 m土壤剖面均屬極重度鹽化；北大港濕地土壤表層0～5 cm呈現出極重度鹽化，5～10 cm和深層50～100 cm屬重度鹽化，中間層10～50 cm表現為中度鹽化；七里海濕地僅表層0～5 cm呈現重度鹽化，5～100 cm屬中度鹽化；大黃堡濕地表層0～5 cm屬于中度鹽化，5～100 cm屬輕度鹽化.四者土壤表層0～5 cm含鹽量均比下層高，即鹽分在土壤剖面表現出表層積鹽特征，這可能與該區降雨量小、表層蒸發量較大有關[14].分析剖面層次上各濕地間的差異性，潮間帶濕地與其他三者在各土層間均表現出顯著性差異，北大港、七里海和大黃堡濕地間僅在5～10 cm和70～100 cm間兩兩差異性顯著，大黃堡濕地除了0～5 cm與50～70 cm土層均與其他濕地間差異性顯著.從圖2（b）可以看出，電導率與含鹽量的變化趨勢相同，兩者呈極顯著正相關關系：含鹽量=3.146 8EC+0.389 8（R2=0.993 8，p＜0.01）.

濕地含鹽量和EC分別與距海距離之間均呈極顯著指數遞減關系（圖3），可分別用以下指數方程加以描述：（1）y1=21.84e-0.041x（R2=0.93，p＜0.01）；（2）y2=5.30e-0.029x（R2=0.73，p＜0.01）.式中，y1為含鹽量（‰），y2為電導率（mS·cm-1），x為濕地與潮間帶距離（km），即土壤含鹽量和電導率隨距海距離的增加而降低，且降低速度不斷下降.

圖3 含鹽量和導電率隨濕地距海岸距離的變化關系Fig.3 Relationship between salt content，electric conductivity and the distance from the coast

2.2 土壤鹽漬化類型分析

表1為天津濱海濕地土壤鹽漬化類型劃分情況.

表1 土壤鹽漬化類型劃分Tab.1 Types of soil salinization

根據我國土屬劃分標準[26]，從表1可以看出，潮間帶濕地土壤以氯化物為主，遠離潮間帶濕地，土體類型過渡到以硫酸鹽-氯化物和氯化物-硫酸鹽鹽漬土為主.這與楊學濤等[27]的研究結果類似.Cl-移動性強，在土體中遷移快，而SO42-溶解度低，遷移相對較慢，因此退海過程中Cl-多聚集于潮間帶濕地區.

2.3 主要離子組成的變化特征

2.3.1 主要離子含量的變化

圖4為濕地土壤主要陰陽離子含量變化情況.從圖 4（a）、4（c）和 4（d）看出，Na+、Mg2+、K+和 Cl-含量在濕地間的變化趨勢與含鹽量和電導率相似，而Ca2+、SO42-和HCO3-+CO32-含量變化與含鹽量和電導率卻有所不同，如圖 4（b）、4（e）和 4（f）所示.自潮間帶到內陸濕地，Na+、Mg2+、K+和Cl-含量逐漸降低，潮間帶濕地的Na+、Mg2+、K+和Cl-含量在各層與其他三濕地均表現出顯著性差異，內陸濕地之間差異不明顯.北大港濕地整個1 m土層Ca2+含量和0～5 cm SO42-含量均高于潮間帶濕地，北大港濕地SO42-含量在表層0～20 cm與中下層之間急劇降低.七里海濕地HCO3-+CO32-含量顯著增加.土壤各離子含量在濕地垂向剖面不同層次內的變化程度不同，其中各離子在垂向剖面上變異系數由大到小分別為：潮間帶濕地 Mg2++K+＞ Cl-＞ Ca2+＞ SO42-＞ Na+＞ HCO3-+CO32-；北大港濕地 SO42-＞ Cl-＞ Mg2++K+＞ HCO3-+CO32-＞ Na+＞Ca2+；七里海濕地 Mg2++K+＞ Ca2+＞ Cl-＞ HCO3-+CO32-＞SO42-＞ Na+；大黃堡濕地 SO42-＞ Ca2+＞ Mg2++K+＞HCO3-+CO32-＞ Cl-＞ Na+.

對離子含量與距海距離之間進行相關性分析，除HCO3-+CO32-之外，其余各離子可分別用指數方程加以描述.主要陽離子含量與距海距離之間的關系結果如圖5（a）所示，可表示為Na+∶y=6.402e-0.033x（R2=0.84，p＜0.01）；Ca2+∶y=1.364e-0.047x（R2=0.67，p＜0.010）；Mg2++K+∶y=0.829e-0.041x（R2=0.73，p＜0.01）.主要陰離子含量與距海距離之間的關系如圖5（b）所示，可表示為 Cl-∶y=9.833e-0.061x（R2=0.92，p＜0.01）；SO42-∶y=2.299e-0.029x（R2=0.68，p＜0.01），其中，y為離子含量（g/kg），x為濕地與潮間帶間距離（km）.

圖4 濕地土壤主要陰陽離子含量的變化情況Fig.4 Variations of main soil ions in different wetlands

圖5 土壤主要離子含量與距離的關系Fig.5 Relationship between main soil ions and distance from the intertidal zone

2.3.2 離子組成變化及離子間相關性

因為化學特性差異和土壤對各種離子吸附能力大小的不同，不同鹽分離子在土壤中遷移性不同[28]，因此總鹽分發生變化必然帶來離子組成的變化，離子所占比例也在一定程度上決定著土壤特性，因此有必要對土壤離子所占比重進行分析[29]，結果如圖6所示.由圖6（a）可知，潮間帶、七里海和大黃堡濕地土壤陽離子均以Na+為主，而北大港濕地剖面土壤以Na+和Ca2+組成占絕對優勢.剖面土壤陽離子組成中，Na+、Ca2+和Mg2++K+分別占陽離子比重均值為：潮間帶濕地87.14%、6.95%和 11.24%；北大港濕地 50.21%、42.88%和 6.91%；七里海濕地 87.14%、7.19%和5.66%；大黃堡濕地83.76%、6.24%和10.27%.由圖6（b）可知，剖面土壤陰離子組成中，從潮間帶濕地到北大港、七里海和大黃堡濕地，土壤從以Cl-為主過渡到以Cl-、SO42-和HCO3-+CO32-為主，其中七里海和大黃堡濕地HCO3-+CO32-所占陰離子比重分別達到17.39%和9.69%.

圖6 土壤鹽分組成的三角圖Fig.6 Ternary diagrams of major ion compositions in different wetlands soil

由于化學元素的化合價、離子半徑和存在形態的相似性，它們在沉積物、植物和土壤等生命和非生命體中的存在往往具有一定的相關性[30].通過對不同濕地各離子間以及含鹽量間的相關性分析（表2）發現，退海后隨著距海距離的遠近不同，各濕地土壤離子間及與土壤鹽分之間相關性各不相同.

潮間帶濕地的含鹽量與Na+、Cl-、K+和Mg2+呈極顯著正相關，其中與Cl-相關性最高，相關系數達到0.999，其次是 Na+，相關系數為 0.977；Cl-與 K+、Mg2+與Ca2+均呈極顯著正相關，SO42-與HCO3-+CO32-呈極顯著負相關.北大港濕地的含鹽量與Cl-、SO42-、Mg2+和HCO3-+CO32-極顯著正相關，其中與SO42-相關性最高，相關系數為0.988；Na+與各離子和含鹽量間均未達到顯著相關；Cl-與 SO42-、SO42-與 Mg2+和 HCO3-+CO32-、Mg2+與K+和HCO3-+CO32-均呈極顯著正相關.七里海濕地含鹽量與 Na+、Cl-、SO42-、K+極顯著正相關，其中與Cl-相關性最高，相關系數為0.982；Na+與 Cl-、SO42-，Cl-與 SO42-、Mg2+和 K+，SO42-與 K+，Mg2+與 K+呈極顯著正相關.大黃堡濕地含鹽量僅與SO42-、Ca2+呈極顯著正相關，相關系數分別為0.949和0.951；Cl-與各離子和含鹽量間均未達到顯著相關；SO42-與Ca2+和Mg2+，Ca2+與 Mg2+，Mg2+與 K+呈極顯著正相關.

表2 土壤主要組分間的相關分析Tab.2 Pearson correlation of salt ions in different wetlands soil

2.4 土壤堿化程度分析

判斷土壤是否發生堿化的定量指標主要有土壤酸堿度（pH）、鈉吸附比（SAR）和堿化度（ESP）等.目前針對土壤堿化分級，國內外學者建立了不同的標準，本研究采用張芳等[31]建立的土壤堿化分級標準，各濕地土壤均呈堿性.結合土壤主要堿化參數（表3）可知，潮間帶濕地土壤表層0～5 cm和中間層20～50 cm為弱堿化土，次表層5～20 cm和深層50～100 cm為中度堿化土；北大港濕地整個1 m土層堿化程度指標數值均較低，為弱堿化土；七里海濕地整個1 m土層均為中度堿化土；大黃堡濕地整個1 m土層均為弱堿化土.總體上，除了七里海濕地土壤深層50～70 cm pH值超過8.5外，其他濕地均在8.5以下.對比之下，大黃堡濕地含鹽量和堿化度均較低，但七里海濕地SAR和ESP相對較高，SAR是Na+與Ca2+和Mg2+的相對數量，該結果可能是由于七里海濕地在脫鹽過程中Ca2+淋失，HCO3-+CO32-含量提高，從而相應提高了土壤pH值[32].同時也說明濱海鹽土與堿化并不絕對同時進行.北大港濕地含鹽量較高，阻止了交換性Na的水解，所以相應堿化度較低[25].王美麗等[33]對天津鹽漬化農田鹽分進行分析表明土壤鹽化過程伴隨著堿化同時發生，但陳巍等[34]的研究認為濱海鹽土脫鹽過程中不會造成土壤堿化問題，這2種結論均在本研究結果中得以體現.

表3 土壤主要堿化參數Tab.3 Soil alkalization parameters in different wetlands soil

3 結論

（1）對天津濱海濕地土壤鹽分自潮間帶向內陸的演變特征進行分析，結果顯示土壤含鹽量和電導率自潮間帶向內陸呈顯著指數遞減趨勢，并表現出在表層（0～5 cm）聚集特征.離子（除 HCO3-+CO32-外）含量與距海距離之間存在極顯著指數負相關關系.內陸濕地Na+、Mg2+、K+和Cl-含量相對于潮間帶濕地均顯著性降低，七里海濕地HCO3-+CO32-含量顯著增加，北大港濕地整個1 m土層Ca2+含量增加.

（2）潮間帶、七里海和大黃堡濕地剖面土壤陽離子均以Na+為主，而北大港濕地以Na+和Ca2+組成占絕對優勢.從潮間帶濕地到內陸濕地，土壤陰離子從以Cl-為主過渡到以 Cl-、SO42-和 HCO3-+CO32-為主，其中七里海和大黃堡濕地HCO3-+CO32-占陰離子比重較高.

（3）除了大黃堡濕地，含鹽量與Cl-均呈極顯著正相關，而含鹽量與SO42-從潮間帶濕地到內陸濕地由不相關過渡到極顯著正相關，HCO3-+CO32-與含鹽量僅在北大港濕地呈極顯著正相關.

（4）潮間帶濕地土壤表層0～5 cm和中間層20～50 cm為弱堿化土，次表層5～20 cm和深層50～100 cm為中度堿化土.北大港和大黃堡濕地整個1 m土層均為弱堿化土，七里海濕地為中度堿化土.

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