天津滨海湿地土壤盐分空间演变规律研究

冯小平 ，王义东 ，陈 清 ，郭长城 ，王中良

（天津师范大学a.天津市水资源与水环境重点实验室，b.城市与环境科学学院，天津300387）

我国海域辽阔，海岸线漫长，滨海湿地分布广泛.滨海湿地是介于陆地和海洋生态系统间的交错过渡地带的自然综合体[1-2]，生产力高，生物多样性丰富，发挥着巨大的生态环境和经济效益[3-4]，同时也是脆弱的生态敏感区[5-6].环渤海沿岸是我国北方滨海湿地最集中的分布区，拥有较为丰富的湿地资源.盐渍化是滨海湿地土壤的典型特征，由于海退、气候、地下水和成土母质等自然因素和多种人类活动，滨海湿地土壤盐渍化程度不一[7].近年来，围绕环渤海地区湿地土壤盐分特征已有不少研究，多以辽河三角洲和黄河三角洲为热点，且大多数研究主要集中于人为活动影响下的土壤盐分离子特征[8-11]；或侧重滨海盐渍土的影响因素研究[12-14].退海是滨海盐渍土形成的主导因子，探讨土壤盐分自潮间带向内陆尺度上的演变规律具有重要意义，但目前有关长期自然海陆演变下湿地土壤盐分自潮间带向内陆尺度上演变规律的研究还未见报道.

天津海岸带地处渤海湾西岸，海河流域下游，海岸线长153 km，湿地面积约1 813 km2，占天津市海岸带面积（潮上带和潮间带）的77%[15].全新世以来，渤海湾西岸海岸带发生了巨大变化，在全新世最大海侵期，海岸线曾到达宝坻、武清、霸州和沧州一线，海侵高峰后，渤海湾西岸地区海水不断退缩，导致海岸线逐渐向东推移，形成了现今渤海湾西岸海岸线格局[16-17].天津滨海湿地是天津市重要的生态屏障，是在沉降平原粉砂淤泥质海岸基础上，经过全新世中、晚期以来的海陆变迁，在地下水、河流、潮流和波浪等陆地和海洋环境因素及生物因素综合作用下形成的[15].据历史记载，现今的北抵宝坻，南至静海，西至武清，东至宁河的4 m等高线以下地区曾大部分被淹，成为湿地[18].本研究选取天津具有代表性的渤海湾潮间带湿地以及在退海海岸线范围内的北大港、七里海和大黄堡湿地，对几乎不受人为干扰和破坏的天然退海湿地在距潮间带湿地距离尺度上的土壤盐分及盐基离子组成演变特征进行分析，对于维护滨海湿地功能、实现滨海湿地的合理开发利用具有重要价值.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于华北平原东部、海河流域下游、渤海之滨的天津市内，地理位置为东经 116°43′～118°04′，北纬 38°34′～40°15′，如图 1 所示.研究区内地势低洼，河网密布，湿地资源十分丰富.滨海湿地所在地属于暖温带大陆性季风气候，雨热同期，四季分明，年均降水量为374～611 mm.该区土壤直接发育于海相沉积物，成陆过程中受海水强烈浸渍侧渗，湿地土壤多以沼泽土、潮土和滨海盐土为主.

图1 研究区位置及土壤样品采样点分布图Fig.1 Research area and distribution of soil samples

潮间带湿地（CJD）位于天津市东部，地理位置介于东经 117°30′～118°10′，北纬 38°35′～39°20′，年均温为11.9℃，年均降水量为556.7 mm.所在海域为不规则半日潮，每月2次大潮，2次小潮，每昼夜涨落各2次.潮间带上界抵人工海堤，下界至平均大潮低潮线，该岸段无植被，为典型泥质海岸[19].

北大港湿地自然保护区（BDG）位于天津市大港区东南部，地理坐标为东经 117°11′～117°37′，北纬38°36′～38°57′，年均温为 12℃，年均降水量为550mm，年均蒸发量为1 120.5 mm.湿地保护区地形由海岸和退海岸成陆低平淤泥组成，植被以芦苇群落为主.

七里海湿地自然保护区（QLH）地处宁河县境内西南部，地理位置为东经 117°27′～117°38′，北纬 39°16′～39°19′，年均温为 11.2℃，年均降水量为 500～600 mm，属于全新世晚期以来渤海海退过程中在天津平原残留下来的众多泻湖之一，后演化为淡水沼泽，属于沼泽湿地.

大黄堡湿地自然保护区（DHP）位于武清区东部，地理范围为东经 117°10′33″～117°19′58″，北纬 39°21′4″～39°30′27″之间，年均降水量为 578.3 mm，年均蒸发量为1 164.4 mm.主要地貌类型为海积冲积平原，5 500年前，这里曾是渤海湾的一部分.受世界气候变冷、海平面下降、海洋动力潮汐、河流入海泥沙及海洋堆积等多种因素影响，挟带的物质与河流泥沙共同形成了这片海积冲积平原地貌.区内植物种类繁多，是我国北方地区原始地貌保存最好的典型芦苇湿地[20].

1.2 实验设计与样品采集

通过对相关资料的查找和实地调查，借助GPS定位分别选取了 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个采样点.后3个采样点均布置在自然形态的芦苇丛中，渤海湾潮间带高潮时被海水淹没，低潮时出露为滩地.采集样点顾及到了点位空间分布的均匀性.以渤海湾潮间带湿地为基准，其中大黄堡湿地采样点、七里海湿地采样点和北大港湿地采样点距离渤海湾海岸分别约70、38和24km.采样时间为2012年5月，利用荷兰制土钻（Eijkelkamp）采集 0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70 和 70～100 cm 共 7层土壤样品.每个样地设3个土壤剖面采样重复，每个剖面均为2个重复土柱混合而成.样品采集后迅速装入自封袋密封并标号带回实验室；自然风干，压碎，剔除植物残茬、石块和结核等侵入体；研磨后过1 mm土壤筛，充分混匀，密封保存，备用.

1.3 样品分析与测试

按照文献[21]要求，对风干且过1 mm筛的土样分别采用水土质量比2.5∶1和5∶1测定pH值和电导率（electric conductivity，EC），其中所用水为去CO2超纯水.称取干重6.0 g的土样于50 mL离心管中，加入30 mL超纯水，剧烈振荡3 min，以4 000 r/min速度离心，取上清液，用0.45 μm滤膜过滤，滤液待用.阳离子Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量采用原子吸收分光光度法测定；阴离子Cl-、SO42-和NO3-含量采用离子色谱仪（ICS-2100）测定；CO32-和HCO3-含量采用双指示剂-中和滴定法测得.

1.4 数据分析

依据式（1）[22]计算钠吸附比（SAR）；依据式（2）[22]得到碱化度（ESP）.

采用SPSS 13.0软件（美国SPSS公司）中单因素方差分析法（one-way ANOVA）进行统计检验，并利用Pearson相关分析研究盐分离子间的相关性.使用Origin 8.0软件（美国Origin Labs公司）作图.

2 结果与讨论

2.1 土壤含盐量与电导率变化

图2为土壤含盐量和电导率随土壤深度的变化关系.

图2 土壤含盐量和电导率随土壤深度的变化关系Fig.2 Variations of salt content and electric conductivity in different wetlands of Tianjin

从图2（a）可以看出，土壤含盐量自潮间带向内陆呈递减趋势，这与黄河三角洲和海河低平原的土壤盐分分布特征一致[23-24].根据我国土壤盐化等级划分指标[25]，潮间带湿地整个1 m土壤剖面均属极重度盐化；北大港湿地土壤表层0～5 cm呈现出极重度盐化，5～10 cm和深层50～100 cm属重度盐化，中间层10～50 cm表现为中度盐化；七里海湿地仅表层0～5 cm呈现重度盐化，5～100 cm属中度盐化；大黄堡湿地表层0～5 cm属于中度盐化，5～100 cm属轻度盐化.四者土壤表层0～5 cm含盐量均比下层高，即盐分在土壤剖面表现出表层积盐特征，这可能与该区降雨量小、表层蒸发量较大有关[14].分析剖面层次上各湿地间的差异性，潮间带湿地与其他三者在各土层间均表现出显著性差异，北大港、七里海和大黄堡湿地间仅在5～10 cm和70～100 cm间两两差异性显著，大黄堡湿地除了0～5 cm与50～70 cm土层均与其他湿地间差异性显著.从图2（b）可以看出，电导率与含盐量的变化趋势相同，两者呈极显著正相关关系：含盐量=3.146 8EC+0.389 8（R2=0.993 8，p＜0.01）.

湿地含盐量和EC分别与距海距离之间均呈极显著指数递减关系（图3），可分别用以下指数方程加以描述：（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为含盐量（‰），y2为电导率（mS·cm-1），x为湿地与潮间带距离（km），即土壤含盐量和电导率随距海距离的增加而降低，且降低速度不断下降.

图3 含盐量和导电率随湿地距海岸距离的变化关系Fig.3 Relationship between salt content，electric conductivity and the distance from the coast

2.2 土壤盐渍化类型分析

表1为天津滨海湿地土壤盐渍化类型划分情况.

表1 土壤盐渍化类型划分Tab.1 Types of soil salinization

根据我国土属划分标准[26]，从表1可以看出，潮间带湿地土壤以氯化物为主，远离潮间带湿地，土体类型过渡到以硫酸盐-氯化物和氯化物-硫酸盐盐渍土为主.这与杨学涛等[27]的研究结果类似.Cl-移动性强，在土体中迁移快，而SO42-溶解度低，迁移相对较慢，因此退海过程中Cl-多聚集于潮间带湿地区.

2.3 主要离子组成的变化特征

2.3.1 主要离子含量的变化

图4为湿地土壤主要阴阳离子含量变化情况.从图 4（a）、4（c）和 4（d）看出，Na+、Mg2+、K+和 Cl-含量在湿地间的变化趋势与含盐量和电导率相似，而Ca2+、SO42-和HCO3-+CO32-含量变化与含盐量和电导率却有所不同，如图 4（b）、4（e）和 4（f）所示.自潮间带到内陆湿地，Na+、Mg2+、K+和Cl-含量逐渐降低，潮间带湿地的Na+、Mg2+、K+和Cl-含量在各层与其他三湿地均表现出显著性差异，内陆湿地之间差异不明显.北大港湿地整个1 m土层Ca2+含量和0～5 cm SO42-含量均高于潮间带湿地，北大港湿地SO42-含量在表层0～20 cm与中下层之间急剧降低.七里海湿地HCO3-+CO32-含量显著增加.土壤各离子含量在湿地垂向剖面不同层次内的变化程度不同，其中各离子在垂向剖面上变异系数由大到小分别为：潮间带湿地 Mg2++K+＞ Cl-＞ Ca2+＞ SO42-＞ Na+＞ HCO3-+CO32-；北大港湿地 SO42-＞ Cl-＞ Mg2++K+＞ HCO3-+CO32-＞ Na+＞Ca2+；七里海湿地 Mg2++K+＞ Ca2+＞ Cl-＞ HCO3-+CO32-＞SO42-＞ Na+；大黄堡湿地 SO42-＞ Ca2+＞ Mg2++K+＞HCO3-+CO32-＞ Cl-＞ Na+.

对离子含量与距海距离之间进行相关性分析，除HCO3-+CO32-之外，其余各离子可分别用指数方程加以描述.主要阳离子含量与距海距离之间的关系结果如图5（a）所示，可表示为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）.主要阴离子含量与距海距离之间的关系如图5（b）所示，可表示为 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为离子含量（g/kg），x为湿地与潮间带间距离（km）.

图4 湿地土壤主要阴阳离子含量的变化情况Fig.4 Variations of main soil ions in different wetlands

图5 土壤主要离子含量与距离的关系Fig.5 Relationship between main soil ions and distance from the intertidal zone

2.3.2 离子组成变化及离子间相关性

因为化学特性差异和土壤对各种离子吸附能力大小的不同，不同盐分离子在土壤中迁移性不同[28]，因此总盐分发生变化必然带来离子组成的变化，离子所占比例也在一定程度上决定着土壤特性，因此有必要对土壤离子所占比重进行分析[29]，结果如图6所示.由图6（a）可知，潮间带、七里海和大黄堡湿地土壤阳离子均以Na+为主，而北大港湿地剖面土壤以Na+和Ca2+组成占绝对优势.剖面土壤阳离子组成中，Na+、Ca2+和Mg2++K+分别占阳离子比重均值为：潮间带湿地87.14%、6.95%和 11.24%；北大港湿地 50.21%、42.88%和 6.91%；七里海湿地 87.14%、7.19%和5.66%；大黄堡湿地83.76%、6.24%和10.27%.由图6（b）可知，剖面土壤阴离子组成中，从潮间带湿地到北大港、七里海和大黄堡湿地，土壤从以Cl-为主过渡到以Cl-、SO42-和HCO3-+CO32-为主，其中七里海和大黄堡湿地HCO3-+CO32-所占阴离子比重分别达到17.39%和9.69%.

图6 土壤盐分组成的三角图Fig.6 Ternary diagrams of major ion compositions in different wetlands soil

由于化学元素的化合价、离子半径和存在形态的相似性，它们在沉积物、植物和土壤等生命和非生命体中的存在往往具有一定的相关性[30].通过对不同湿地各离子间以及含盐量间的相关性分析（表2）发现，退海后随着距海距离的远近不同，各湿地土壤离子间及与土壤盐分之间相关性各不相同.

潮间带湿地的含盐量与Na+、Cl-、K+和Mg2+呈极显著正相关，其中与Cl-相关性最高，相关系数达到0.999，其次是 Na+，相关系数为 0.977；Cl-与 K+、Mg2+与Ca2+均呈极显著正相关，SO42-与HCO3-+CO32-呈极显著负相关.北大港湿地的含盐量与Cl-、SO42-、Mg2+和HCO3-+CO32-极显著正相关，其中与SO42-相关性最高，相关系数为0.988；Na+与各离子和含盐量间均未达到显著相关；Cl-与 SO42-、SO42-与 Mg2+和 HCO3-+CO32-、Mg2+与K+和HCO3-+CO32-均呈极显著正相关.七里海湿地含盐量与 Na+、Cl-、SO42-、K+极显著正相关，其中与Cl-相关性最高，相关系数为0.982；Na+与 Cl-、SO42-，Cl-与 SO42-、Mg2+和 K+，SO42-与 K+，Mg2+与 K+呈极显著正相关.大黄堡湿地含盐量仅与SO42-、Ca2+呈极显著正相关，相关系数分别为0.949和0.951；Cl-与各离子和含盐量间均未达到显著相关；SO42-与Ca2+和Mg2+，Ca2+与 Mg2+，Mg2+与 K+呈极显著正相关.

表2 土壤主要组分间的相关分析Tab.2 Pearson correlation of salt ions in different wetlands soil

2.4 土壤碱化程度分析

判断土壤是否发生碱化的定量指标主要有土壤酸碱度（pH）、钠吸附比（SAR）和碱化度（ESP）等.目前针对土壤碱化分级，国内外学者建立了不同的标准，本研究采用张芳等[31]建立的土壤碱化分级标准，各湿地土壤均呈碱性.结合土壤主要碱化参数（表3）可知，潮间带湿地土壤表层0～5 cm和中间层20～50 cm为弱碱化土，次表层5～20 cm和深层50～100 cm为中度碱化土；北大港湿地整个1 m土层碱化程度指标数值均较低，为弱碱化土；七里海湿地整个1 m土层均为中度碱化土；大黄堡湿地整个1 m土层均为弱碱化土.总体上，除了七里海湿地土壤深层50～70 cm pH值超过8.5外，其他湿地均在8.5以下.对比之下，大黄堡湿地含盐量和碱化度均较低，但七里海湿地SAR和ESP相对较高，SAR是Na+与Ca2+和Mg2+的相对数量，该结果可能是由于七里海湿地在脱盐过程中Ca2+淋失，HCO3-+CO32-含量提高，从而相应提高了土壤pH值[32].同时也说明滨海盐土与碱化并不绝对同时进行.北大港湿地含盐量较高，阻止了交换性Na的水解，所以相应碱化度较低[25].王美丽等[33]对天津盐渍化农田盐分进行分析表明土壤盐化过程伴随着碱化同时发生，但陈巍等[34]的研究认为滨海盐土脱盐过程中不会造成土壤碱化问题，这2种结论均在本研究结果中得以体现.

表3 土壤主要碱化参数Tab.3 Soil alkalization parameters in different wetlands soil

3 结论

（1）对天津滨海湿地土壤盐分自潮间带向内陆的演变特征进行分析，结果显示土壤含盐量和电导率自潮间带向内陆呈显著指数递减趋势，并表现出在表层（0～5 cm）聚集特征.离子（除 HCO3-+CO32-外）含量与距海距离之间存在极显著指数负相关关系.内陆湿地Na+、Mg2+、K+和Cl-含量相对于潮间带湿地均显著性降低，七里海湿地HCO3-+CO32-含量显著增加，北大港湿地整个1 m土层Ca2+含量增加.

（2）潮间带、七里海和大黄堡湿地剖面土壤阳离子均以Na+为主，而北大港湿地以Na+和Ca2+组成占绝对优势.从潮间带湿地到内陆湿地，土壤阴离子从以Cl-为主过渡到以 Cl-、SO42-和 HCO3-+CO32-为主，其中七里海和大黄堡湿地HCO3-+CO32-占阴离子比重较高.

（3）除了大黄堡湿地，含盐量与Cl-均呈极显著正相关，而含盐量与SO42-从潮间带湿地到内陆湿地由不相关过渡到极显著正相关，HCO3-+CO32-与含盐量仅在北大港湿地呈极显著正相关.

（4）潮间带湿地土壤表层0～5 cm和中间层20～50 cm为弱碱化土，次表层5～20 cm和深层50～100 cm为中度碱化土.北大港和大黄堡湿地整个1 m土层均为弱碱化土，七里海湿地为中度碱化土.

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