盘锦红海滩湿地沉积物常量元素化学成分调查

2019-12-04赵雨朦魏海峰1张明亮赵肖依霍玉洁

中国野生植物资源 2019年5期

赵雨朦，魏海峰1,*，张明亮，何洁，赵肖依，霍玉洁，夏宁

(1. 大连海洋大学农业农村部北方海水增养殖重点实验室，大连116023；2.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连 116023；3.辽宁省近岸海洋环境科学与技术重点实验室，辽宁大连 116023)

湿地是一个复杂的生态系统，综合了水文、土壤、植被和生物等多种环境因素[1]。近年来，国内对于湿地的研究比较多，主要集中于环渤海[2]、长三角、黄河三角洲[3]等地。国外学者发现，由于气温不断升高、降水量不断减少，盐碱湿地土壤和水体中的盐分逐渐富集，湿地植被群落也发生了大的变化，物种由丰富的淡水群落转变为物种匮乏的耐盐性群落[4-5]。辽河口湿地是中国中高纬地区最大的河口湿地，主要依靠降水和河流来水量补给。近年来降水和河流来水量下降，海水入侵范围扩展，湿地土壤盐分升高，同时湿地植被出现大面积退化[6]。才大伟等人在对于辽宁滨海湿地现状的调查中发现，辽宁省滨海湿地现阶段面临的问题主要集中于气候变化、海洋灾害、海岸带围垦、资源的过度利用以及环境污染等几个方面[7]；再加上近年来盘锦红海滩湿地生态环境不断恶化，致使翅碱蓬出现大面积死亡现象。由此可见解决红海滩湿地生态环境问题已经迫在眉睫。在区域生态环境中，沉积物作为水环境中污染物质迁移转化的主要载体对于整体水域质量有着重要影响[8]，因此本文通过对红海滩湿地沉积物中常量元素化学成分进行研究，分析出沉积物中主要化学成分、其空间分布特征以及各离子浓度、含盐量等因素对湿地植被群落生长的影响，进而提出相应策略，意在推动红海滩湿地生态环境的可持续发展，为我国湿地资源开发、环境保护和科学管理提供参考。

1 实验方法及材料

1.1 研究地点

盘锦红海滩旅游发展公司7个站位。其中站位F、G植被类型为翅碱蓬-芦苇群落，站位C、D和E植被类型为翅碱蓬群落，站位A、B已退化为光滩植被。

1.2 样品采集

2018年4、5月，每月采集样品一次。按照代表性、典型性、便利性的原则，在红海滩七个站位分别采集土样。对每个站位使用洛阳铲采集表层、中层和底层的沉积物样品(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm)，装入塑封袋中保存。将采集的土样带回实验室，需冷藏保存。采样点坐标如表1所示。测定土壤化学性质之前需将土样自然烘干、研磨、过筛后，装入塑封袋标明编号备用。

图1 红海滩景区采样点示意图Fig.1 Sampling point of red beach

采样点Sample point纬度Latitude经度LongitudeAN40°48′09.66″E121°56′38.48″BN40°48′24.06″E121°55′34.22″CN40°48′41.63″E121°52′44.79″DN40°48′56.83″E121°52′02.43″EN40°51′20.99″E121°50′38,95″FN40°51′48.00″E121°49′54.81″GN40°53′38.96″E121°50′12.19″

1.3 测定方法

将风干后处理好的土样与纯水按1:5的比例充分混合，震荡三分钟后用电导率测定仪测出混合物上层液体的电导率；之后通过盐度与电导率的标准曲线计算出沉积物的含盐量。总硬度测定采用络合滴定法；钙含量测定同样采用络合滴定法；氯离子含量测定采用银量法进行滴定；总碱度测定采用HCl标准溶液进行滴定；硫酸根含量测定采用钡容量滴定法。

1.4 数据处理分析

通过实验得出的原始数据，采用Excel 2010进行数据处理、分析及作图，比较不同站位沉积物的各离子含量以及空间差异。通过ArcGIS10.0做采样点位置图。

2 实验结果与讨论

2.1 沉积物中Ca2+含量分析

如图2所示，4月份七个站位的沉积物中Ca2+浓度无明显变化趋势。其中站位F沉积物中Ca2+浓度整体较低，站位C、E两处沉积物中Ca2+浓度较高，其他几处Ca2+浓度相近，变化范围1.38-4.63 mmol/l之间。表层、中层、底层的Ca2+含量除站位A外，其它各站位均表现为表层>中层>底层。我国北方地区降雨量较少，受淋溶作用影响弱，沉积物中Ca2+主要聚集在表层。由于蒸发作用的影响，沉积物表层中Ca2+含量较高。此实验结果与史红平[9]和张大庚[10]的研究结果相一致。

5月份七个站位的沉积物中Ca2+浓度无明显变化趋势。其中站位E沉积物中Ca2+浓度整体较高，站位F、G两处沉积物中Ca2+浓度较低，变化范围在2.25-7.00 mmol/l之间。

相比于4月份，5月份沉积物中Ca2+的浓度有升高趋势，并且除站位A以外，其它同一站位的沉积物中，均发现Ca2+浓度随沉积物深度的增加而降低，与史红平[9]的研究结果相一致。

图2 4、5月沉积物中Ca2+ 含量Fig.2 The content of Ca2+ in sediments in April and May注：图中不同大小写字母分别表示同一月份在同一土层中离子含量差异P<0.01和P<0.05显著水平，下同。Note：The different upper and lower case letters in the figure respectively indicate the significance level of the difference of ion content P<0.01 and P<0.05 in the same soil layer in the same month, the same below.

2.2 沉积物中Mg2+含量分析

如图3所示，4月份7个站位沉积物中Mg2+浓度整体呈下降的趋势，其中站位B表层沉积物中Mg2+浓度含量最高，站位G中层沉积物中Mg2+浓度含量最低，整体变化范围在0.74-12.38 mmol/l之间。此外站位D、E和F三处表中底层沉积物中Mg2+浓度未见明显变化趋势。

5月份，站位A、站位B和站位C三个站位沉积物中Mg2+浓度依次增高，之后三个站位沉积物中Mg2+浓度相近且均低于前三个站位。其中站位C表层沉积物中Mg2+浓度最高，站位F表层沉积物和G站位底层沉积物中Mg2+浓度最低，整体变化范围4.00-18.75 mmol/l之间。通过观察实验结果还可发现，沉积物中Mg2+主要聚集在表层，与Ca2+随土壤深度变化规律相一致，由此可以推断出沉积物中Mg2+受淋溶作用影响较小。此外还可能由于沉积物表层海水蒸发量较大，导致表层Mg2+浓度较高。

与4月份相比，5月份沉积物中Mg2+浓度有升高趋势，其中站位C变化幅度最大，并且从沿海到河口沉积物中Mg2+浓度出现了不同的变化规律。

图3 4、5月沉积物中Mg2+ 含量Fig.3 The content of Mg2+ in sediments in April and May

2.3 沉积物中镁钙比分析

如图4所示，4月份沉积物中镁钙比值由站位A至站位G镁钙比例整体呈降低趋势，变化范围在0.35-4.17之间。从整体上看站位A沉积物中镁钙比例最高，其它几个靠近河口的站位沉积物中镁钙比例普遍较低。但是各个站位的表中底层沉积物中镁钙比例变化未出现明显的变化趋势。

根据2016、2017年卫星遥感数据调查情况，推断出沉积物中镁钙比例过高可能会抑制翅碱蓬的生长，与鲁耀[11]等人研究结果相符。此外赵涛等人研究发现，遏蓝菜在正常营养液(Ca2+/Mg2+=2)条件下获得最好的生长条件，增加Ca2+或Mg2+的供给都会产生抑制作用[12]，实验结论与本实验结果相一致。

5月份沉积物中镁钙比值从沿海到河口无显著的变化规律。其中站位C处沉积物中镁钙比例整体偏高，站位E处沉积物中镁钙比例整体偏低，变化范围在1.05-2.39之间。

通过4、5两月数据可以发现，两个月沉积物中镁钙比例出现了不同的变化趋势。相比于4月份，可以发现5月份靠近河口下游的站位沉积物中镁钙比例降低，靠近河口上游的站位沉积物中镁钙比例升高。

图4 4、5月沉积物中Mg2+/Ca2+Fig.4 The content of Mg2+/Ca2+ in sediments in April and May

2.4 沉积物中Cl-含量分析

如图5所示，4月份沉积物中Cl-浓度由河口下游向河口上游有明显降低趋势，站位A沉积物中Cl-浓度整体偏高，站位F、站位G两处沉积物中Cl-浓度偏低，变化范围整体在120.00-295.00 mmol/l之间。根据实地调查情况可知，站位A和站位B两处翅碱蓬已全部退化，目前为光滩状态，结合实验结果可知，Cl-含量高低代表了含盐量的变化规律，含盐量过高也会抑制生长，甚至出现中毒死亡现象，与吕亮等人研究结果相符[13]。此外，七个站位各层沉积物中Cl-含量变化规律为表层>中层>底层，程奕等人在对沉积物中Cl-含量的研究中发现20-40、40-60 cm土层氯离子变化的趋势与0-20 cm土层一致[14]，与本实验结论相符。

5月份七个站位中站位C处沉积物中Cl-含量整体偏高，站位F、站位G两处沉积物中Cl-含量偏低，从沿海至河口沉积物中Cl-浓度呈先增加后减少的趋势，整体变化范围在147.50-470.00 mmol/l之间。与4月份相比，5月份沉积物中Cl-含量普遍升高，且出现了不同的变化趋势，原因可能与降水量增加有关。

图5 4、5月沉积物中Cl-含量Fig.5 The content of Cl- in sediments in April and May

2.5 沉积物中HCO3-含量分析

如图6所示，4月份站位B表层沉积物中HCO3-含量最高，站位G沉积物中HCO3-含量整体较高，其它地点沉积物中HCO3-含量基本无太大变化，变化范围在9.00-23.00 mmol/l之间。此外，可以观察到除站位E以外，其它站位的表层中层沉积物HCO3-含量均高于底层沉积物的HCO3-含量。贾晓红[15]等人研究表明，固沙区土壤有机碳含量在垂直方向上呈降低趋势，且土壤有机碳含量直接影响土壤无机碳含量。本实验沉积物中HCO3-的含量在空间上的变化趋势与贾晓红等[15]人所发现的土壤有机碳变化规律一致。

5月份七个站位中站位D处沉积物中HCO3-含量最低，站位E处沉积物中HCO3-含量最高，从海岸到河口沉积物中HCO3-含量呈V字变化，变化范围在6.00-13.50 mmol/l之间。对比4、5两月数据，发现不同月份沉积物中HCO3-含量明显出现了不同的变化趋势。

图6 4、5月沉积物中HCO3-含量Fig.6 The content of HCO3-in sediments in April and May

2.6 沉积物中SO42﹣含量分析

图7为4、5月份沉积物中SO42﹣含量变化情况，沉积物中硫酸根含量表、中、底层含量差异不大。由此可以推断沉积物中SO42﹣浓度在垂直方向可能没有明显的变化规律，因此沉积物深度不是影响SO42﹣浓度变化的重要因素。贾亮亮等人研究发现，不同土壤地质中SO42﹣的含量不同，且土壤中SO42﹣含量在垂直方向上无明显变化[16]，与本实验结果相一致。

2.7 沉积物含盐量分析

如图8所示，4月份沉积物含盐量由站位A到站位G呈下降趋势，变化范围在4.65-15.14 g/kg之间。此外通过观察数据图还可发现各站位表层沉积物含盐量均高于中层和底层，由此可知受海水蒸发的影响，沉积物盐分主要集中在0-10 cm的土层，与白娜[17]研究结果相一致。

图7 4、5月沉积物中SO42﹣含量Fig.7 The content of SO42﹣in sediments in April and May

图8 4、5月沉积物含盐量Fig.8 The content of salinity in sediments in April and May

由于海水盐度较高，与之相比河口水受淡水输入的影响盐度低，因此沉积物含盐量受水中盐度影响，与之变化规律大致相同。此外，站位A和站位B翅碱蓬生长情况较其它几处明显较差，因此可以判断出沉积物含盐量过高会抑制翅碱蓬的生长甚至会导致死亡。赵强等人研究表明，翅碱蓬虽然为草本植物，有较强的耐盐性。但土壤盐分含量过高，也会使其出现生理干旱、离子失调和代谢紊乱等现象，对生长造成危害[18]，与本实验结果相一致。

5月份站位C处沉积物含盐量明显高于其它几处，除站位C外，其它站位沉积物含盐量由从海岸到河口降低的趋势。其中站位F、站位G两处受淡水输入的影响，沉积物含盐量明显低于其它几处，整体变化范围在9.145-23.755 g/kg之间。在实地调查中发现站位C处翅碱蓬已经出现大面积死亡的现象，进一步证明即使翅碱蓬为耐盐性草本植物[19]作为北方滩涂的优势种植物[20]，沉积物含盐量过高仍会导致其死亡，与赵强[18]等人研究结果相一致。

对比两月数据可以发现，沉积物含盐量随时间变化有上升的趋势。郭敬等人在对南海盐度的研究中表明，受蒸发量、降雨量以及平流等因素的影响，海水盐度在春季有上升趋势[21]，与本实验结果相符。此外通过结合沉积物中氯离子含量的数据图可以发现氯离子含量的变化趋势与沉积物盐度变化趋势相一致，由此可以推断出沉积物含盐量与氯离子正相关，与徐振飞[22]研究结果相一致。