高嶺土懸浮物對欖根村紅樹林濕地底質(zhì)環(huán)境的影響*

李 斌，巫冷蟬，宋 超，劉成輝

(廣西科學(xué)院廣西紅樹林研究中心，廣西紅樹林保護與利用重點實驗室，廣西北海 536000)

0 引言

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落，其在維持濱海生物多樣性、海岸防護、促淤造陸和碳固定等方面起到重要作用[1-4]。但受到海岸帶開發(fā)利用及全球氣候變化的影響，紅樹林正面臨著巨大壓力。廣西北海市鐵山港灣分布著我國連片面積較大的典型沙生原生白骨壤群落，具有重要的生態(tài)學(xué)意義，2019年11月該區(qū)域的欖根村出現(xiàn)大面積紅樹林死亡現(xiàn)象，主要原因是鐵山港東港欖根作業(yè)區(qū)的建設(shè)過程導(dǎo)致高嶺土懸浮物沉積林內(nèi)，黏附植物葉片和堵塞呼吸根，引發(fā)生態(tài)損害[5]。為摸清高嶺土懸浮物的影響范圍及其對底質(zhì)環(huán)境的影響，本研究擬在受損紅樹林及其周邊區(qū)域開展調(diào)查，分析底質(zhì)環(huán)境的高嶺土空間分布以及理化狀況，以期為該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

如圖1a所示，欖根村紅樹林位于鐵山港東岸，白沙鎮(zhèn)的西南側(cè)，沙田鎮(zhèn)西北部，其底質(zhì)以黏土質(zhì)砂為主[6]；林內(nèi)共有真紅樹植物3科4屬4種，白骨壤(Avicenniamarina)為優(yōu)勢種群，零星分布著紅海欖(Rhizophorastylosa)、秋茄(Kandeliaobovata)和桐花樹(Aegicerascorniculatum)[7]。2017年12月起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域出現(xiàn)紅樹林死亡現(xiàn)象，至2019年6月死亡面積達到了9.42 hm2[5]。

圖1 調(diào)查采樣站位

1.2 站位布設(shè)

為判斷高嶺土懸浮物的影響范圍及對底質(zhì)環(huán)境的影響，2020年3月在死亡紅樹林林內(nèi)(D1-D3)、死亡紅樹林林緣(ED1-ED3)、紅樹林大斑塊中暫未顯示枯亡現(xiàn)象仍然正常生長的紅樹林(AL1-AL3)和正常紅樹林對照樣地(CK1-CK3)各設(shè)置調(diào)查采樣站位1個，紅樹林外的潮溝內(nèi)布設(shè)7個站位(S1-S7)，共19個調(diào)查采樣站位，詳見圖1b。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 高嶺土懸浮物的影響范圍

廣西的高嶺土資源豐富，儲量約4.5×109t，主要分布在合浦清水江等[8]近海區(qū)域，該區(qū)域的高嶺土原礦Al含量在7.21%以上[9]，是鐵山港潮間帶表層底質(zhì)Al的本底含量(2.37%)的3倍以上[10]，因此通過分析紅樹林底質(zhì)的Al含量，可判斷是否受到高嶺土的污染。為此，退潮時在D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3和CK1-CK3站位，使用柱狀采泥器，每個站位均隨機采集3個沉積物柱狀樣(0-50 cm)，每個柱狀樣分成6層樣品，表層0-20 cm以內(nèi)每5 cm取一個樣品，表層以下20-50 cm每15 cm取一個樣品，相同層次的樣品混合均勻。由于S1-S7站位位于潮溝，常年的潮流沖刷，底質(zhì)高程低于林內(nèi)，在每個站位僅隨機采集3個0-30 cm的表層沉積物樣品，并混合均勻。沉積物樣品干燥后，剔除貝殼、根系等雜物，磨粉過100目篩，測定鋁元素含量。鋁的測定依據(jù)《森林土壤礦質(zhì)全量元素(硅、鐵、鋁、鈦、錳、鈣、鎂、磷)燒失量的測定》(LY/T 1253-1999)[11]中的方法。

1.3.2 底質(zhì)環(huán)境的理化性質(zhì)

D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3、CK1-CK3和S1-S7采樣站位，每個站位隨機采集3個表層沉積物(0-30 cm)，封閉混合成均一樣品，依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分：沉積物分析》(GB 17378.5-2007)[12]方法分析硫化物含量。按四分法取適量濕樣晾干，干燥后剔除貝殼和根系等雜物，磨粉過160目篩，按《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分：沉積物分析》(GB 17378.5-2007)[12]方法分析有機碳、油類、銅、鋅、鉛、鎘、鉻、汞和砷的含量，pH值的測定依據(jù)《土壤檢測 第2部分：土壤pH的測定》(NY/T 1121.2-2006)[13]。

紅樹林D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3和CK1-CK3站位的底質(zhì)環(huán)境，除測定上述環(huán)境因子外，還須測定其中的總氮和總磷，測定依據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分：沉積物分析》(GB 17378.5-2007)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 底質(zhì)肥力評價

采用總氮、總磷和有機碳評價紅樹林底質(zhì)肥力狀況。為消除各監(jiān)測指標(biāo)的量綱差異，運用四折線型無量綱化方法進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[14]：

當(dāng)指標(biāo)測定值屬“極差”等級時，即：Ci≤Xa，

當(dāng)指標(biāo)測定值屬“差”等級時，即Xa

當(dāng)指標(biāo)測定值屬“中”等級時，即Xc

當(dāng)指標(biāo)測定值屬“良好”等級時，即Ci>Xp，Pi=3。

式中：Pi是分肥力系數(shù)，即第i個指標(biāo)的肥力系數(shù)；Ci為第i個指標(biāo)的測定值；Xa、Xc、Xp為底質(zhì)屬性分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)，參考第2次全國土壤普查標(biāo)準(zhǔn)。

表1 土壤屬性分級標(biāo)準(zhǔn)

綜合肥力系數(shù)采用修正的內(nèi)梅羅公式計算[15]：

式中：P是底質(zhì)綜合肥力系數(shù)，Piav和Pimin分別是底質(zhì)各屬性分肥力系數(shù)的平均值和最小值，n為參與評價的底質(zhì)屬性個數(shù)。底質(zhì)肥力分級標(biāo)準(zhǔn)參見文獻[15]。

1.3.2 主要環(huán)境因子的差異分析

采用單因子方差分析法，分析過程均在SPSS 19.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅樹林及附近潮溝底質(zhì)中鋁的空間分布

由圖2可知，欖根村死亡紅樹林沉積物柱狀樣的最大鋁含量均出現(xiàn)在近表層，其中D1在15-20 cm層，D2和D3在10-15 cm層，對應(yīng)層次的鋁含量為6.38%-11.9%，平均9.15%，基本比同柱狀樣的其他層次高1-3倍。ED1-ED3的鋁含量最大值出現(xiàn)在5-10 cm層，對應(yīng)層次的鋁含量為5.65%-15.6%，平均10.8%，是同柱狀樣其他層次的2-13倍。AL1-AL3的最大鋁含量均在0-5 cm層出現(xiàn)，對應(yīng)層次的鋁含量為5.14%-8.83%，平均7.10%，是同柱狀樣其他層次的4-6倍。CK1-CK3的鋁含量為1.46%-6.73%，平均3.60%，與同一柱狀樣其他層次的差異較小。

圖2 底質(zhì)環(huán)境中鋁的垂直分布

由圖3可知，D1-D3沉積物柱狀樣含鋁量最高的土層鋁含量以D2最高，D1次之，D3最小。ED1-ED3中含鋁量最高的土層的鋁含量水平分布是離陸域填土區(qū)越遠，含量越低。AL1-AL3中含鋁量最高的土層以AL2的鋁含量最高，AL1次之，AL3最低。CK1-CK3中含鋁量最高的土層以CK3的鋁含量最高，CK1次之，CK2最低。潮溝內(nèi)S1站位的鋁含量最高，S2和S3站位的含量居次且比較接近，其余站位的含量較低。總體而言，離陸岸越遠，紅樹林及其周邊潮溝的沉積物鋁含量越低。

2.2 潮溝底質(zhì)的主要環(huán)境狀況

紅樹林濕地的潮溝底質(zhì)環(huán)境偏酸性，但總體質(zhì)量較好，除個別監(jiān)測站位的硫化物和油類含量稍高于海洋沉積物一類標(biāo)準(zhǔn)外，其余監(jiān)測指標(biāo)有機碳和重金屬含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。如圖3所示，高嶺土懸浮物主要影響潮溝的S1-S3站位，對S4-S7站位的影響較小，為此將潮溝底質(zhì)監(jiān)測站位劃分為高嶺土影響區(qū)(S1-S3站位)和對照潮溝區(qū)(S4-S7站位)。其中，高嶺土影響區(qū)的pH值、硫化物和油類平均值低于對照潮溝區(qū)，而鉛的平均含量則高于對照潮溝區(qū)，其余監(jiān)測指標(biāo)的結(jié)果相近。單因子方差分析表明(表2)，高嶺土懸浮物影響區(qū)的主要環(huán)境因子(pH值、硫化物、油類、有機碳、汞、砷、銅、鋅、鉛、鎘和鉻)與對照潮溝區(qū)的差異不顯著(P>0.05)。

表2 潮溝底質(zhì)環(huán)境主要環(huán)境因子現(xiàn)狀(干質(zhì)量)及單因子方差分析

圖3 沉積物柱狀樣中鋁含量極值的水平分布

2.3 紅樹林底質(zhì)的主要環(huán)境狀況

如表3所示，D1-D3底質(zhì)的主要環(huán)境因子均滿足海洋沉積物一類標(biāo)準(zhǔn)，ED1-ED3和AL1-AL3部分測站的硫化物、有機碳、油類和鉻稍劣于海洋沉積物一類標(biāo)準(zhǔn)，其余環(huán)境因子均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。單因子方差分析結(jié)果顯示(表4)，D1-D3的鉛、鉻與CK1-CK3差異顯著，ED1-ED3的銅、鉛和鉻與CK1-CK3差異顯著，AL1-AL3的pH值、銅和鉛與CK1-CK3差異顯著。受損紅樹林底質(zhì)環(huán)境偏酸性，其中D1-D3和AL1-AL3底質(zhì)的pH值平均值低于CK1-CK3，ED1-ED3則與CK1-CK3的接近。死亡紅樹林的林內(nèi)、林緣和附近正常紅樹林底質(zhì)中的銅、鉛和鉻含量接近，但高于對照林區(qū)的1倍左右。

表3 紅樹林底質(zhì)主要環(huán)境因子現(xiàn)狀(干質(zhì)量)

表4 高嶺土懸浮物影響區(qū)與對照林區(qū)的單因子方差分析

2.4 紅樹林底質(zhì)的肥力狀況

如表5，AL1-AL3和ED1-ED3的底質(zhì)綜合肥力系數(shù)均高于CK1-CK3，分別為1.10和0.76；D1-D3則低于CK1-CK3，僅0.59。按照肥力等級標(biāo)準(zhǔn)，D1-D3、ED1-ED3和CK1-CK3的綜合肥力系數(shù)均小于0.9，肥力等級為貧瘠，AL1-AL3的綜合肥力系數(shù)為1.10，肥力等級為一般。各評價指標(biāo)中，有機碳的分肥力系數(shù)最高，其次是總氮，總磷最低。該區(qū)域的有機碳、總氮和總磷的分肥力系數(shù)均以AL1-AL3的最高，ED1-ED3居次，D1-D3和CK1-CK3的總氮分肥力系數(shù)接近，但D1-D3的有機碳和總磷的分肥力系數(shù)最低。

表5 紅樹林底質(zhì)的肥力狀況

3 討論

3.1 高嶺土懸浮物的沉積過程及影響范圍分析

沉積物柱狀樣鋁的垂直分布反映了高嶺土懸浮物的沉積過程，而沉積物柱狀樣中鋁含量最高的土層則反映了該時段是否曾發(fā)生過規(guī)模較大的高嶺土懸浮物沉積。本研究中離陸域填土區(qū)或潮溝的距離越近，高嶺土懸浮物沉積的量基本越大，鋁含量最高的土層也基本越深。D1-D3貼近陸域填土區(qū)或潮溝，高嶺土懸浮物影響柱狀樣的平均厚度約為20.0 cm，主要沉積在15-20 cm土層；而離陸域填土區(qū)或潮溝漸遠的ED2-ED3和AL1-AL3，高嶺土懸浮物影響柱狀樣的平均厚度約為12.5 cm和11.7 cm，主要沉積在5-10 cm和0-5 cm土層。相比ED2-ED3，ED1更靠近陸源填土區(qū)和潮溝，其沉積物柱狀樣沉積了大量高嶺土懸浮物，影響厚度高達45 cm，主要沉積在5-10 cm土層。

假定水文動力條件均勻一致，紅樹林濕地內(nèi)的高嶺土懸浮物擴散沉積將呈梯度分布。根據(jù)底質(zhì)環(huán)境鋁含量的實際分布情況：高嶺土懸浮物大量沉積在以陸域填土區(qū)為中心，半徑為中心至AL2的范圍內(nèi)(約540 m，圖3)，主要包括死亡紅樹林(D1-D2)及周邊林內(nèi)；少量沉積在半徑為AL2至AL3的扇形區(qū)域內(nèi)(540-1 075 m，圖3)，包括靠近海域吹填區(qū)的死亡紅樹林(D3)及周邊的林內(nèi)。高嶺土懸浮物的這一影響范圍推斷恰好與紅樹林死亡斑塊的分布邊界基本吻合(圖4)。由于海域吹填區(qū)及施工便道的建設(shè)，水文動力條件變?nèi)?，陸域填土區(qū)附近的潮溝變淤，S1站位沉積了較多的高嶺土懸浮物，S2和S3站位則有少量沉積，但離陸域填土區(qū)較遠的S4-S7站位未受到高嶺土懸浮物的影響。

圖4 欖根村受損紅樹林的分布(2020年4月)[5]

3.2 高嶺土懸浮物對紅樹林濕地底質(zhì)環(huán)境的影響

紅樹林底質(zhì)環(huán)境呈酸性，這主要是含硫紅樹植物殘體在厭氧條件下經(jīng)微生物分解產(chǎn)生酸性的H2S引起[1]。本研究中死亡紅樹林的植被凋亡，形同光灘，原底質(zhì)中積累的H2S逐步被氧化，底質(zhì)pH值應(yīng)升高。但圍填海施工過程揭露的高嶺土偏酸性(pH值為4.62)[5]，直接導(dǎo)致高嶺土懸浮物大量沉積的死亡紅樹林林內(nèi)(D1-D3)和靠近陸域填土區(qū)的部分潮溝(S1-S3)的底質(zhì)pH值較低。本研究中死亡的紅樹植物殘體在凋落后部分會隨潮流移動，阻滯在仍正常生長的紅樹林內(nèi)，并會被微生物利用，產(chǎn)生酸性的H2S等物質(zhì)，再加上酸性高嶺土懸浮物的沉積，導(dǎo)致了正常林區(qū)AL1-AL3的底質(zhì)pH值明顯低于對照林區(qū)。文獻[17,18]研究顯示，不同地區(qū)高嶺土的銅、鉛和鉻含量較高，分別為1.24×10-4-20.0×10-4、0.42×10-4-41.00×10-4和1.98×10-4-16.5×10-4，可造成受高嶺土懸浮物影響的死亡紅樹林林內(nèi)、林緣、附近正常紅樹林內(nèi)和靠近陸域填土區(qū)的部分潮溝的底質(zhì)銅、鉛和鉻含量高于相應(yīng)的對照區(qū)。此外，高嶺土可通過離子交換和表面配位2種模式吸附重金屬離子[19]，長期的潮水交換會提高高嶺土懸浮物沉積區(qū)底質(zhì)富集重金屬的風(fēng)險。而對照潮溝區(qū)的底質(zhì)硫化物和油類較高，則可能是其靠近海域吹填區(qū)，受吹填海過程的顆粒物沉積和船舶油污影響。

3.3 高嶺土懸浮物對紅樹林底質(zhì)肥力狀況的影響

高嶺土中的鋁離子、鐵離子可分別與磷酸根生成磷酸鐵、磷酸鋁沉淀物，其水解產(chǎn)物可以和磷酸鹽形成絡(luò)合絮凝沉淀。此外，高嶺土中的鈣離子和鎂離子還可與銨根離子發(fā)生置換反應(yīng)，置換出鈣離子和鎂離子，并進一步與磷酸根離子發(fā)生沉淀[20]。研究表明，高嶺土可有效抑制沉積物總氮和總磷的釋放，抑制率可達71%和94%[21]?？梢?，高嶺土特殊的理化性質(zhì)會降低底質(zhì)環(huán)境中可利用氮磷的含量，影響紅樹植物的生長。高嶺土對有機質(zhì)同樣存在吸附作用[22,23]，增加了微生物和底棲生物利用有機質(zhì)的難度，導(dǎo)致有機物質(zhì)循環(huán)受阻。本研究區(qū)域的紅樹林底質(zhì)肥力水平較低，但高嶺土特殊的理化性質(zhì)可能會進一步加劇底質(zhì)中可利用氮磷的流失，導(dǎo)致死亡紅樹林底質(zhì)的肥力水平低于對照林區(qū)。死亡后的紅樹林會形成大量凋落物，在潮流的作用下，滯留于死亡紅樹林林緣(ED1-ED3)與附近正常紅樹林內(nèi)(AL1-AL3)，反而造成這些區(qū)域底質(zhì)環(huán)境中的氮、磷和有機碳高于對照林區(qū)(CK1-CK3)。

4 結(jié)論

(1)高嶺土懸浮物主要沉積在表層20 cm的底質(zhì)環(huán)境中，并在以陸域填土區(qū)為中心，半徑約540 m范圍內(nèi)大量沉積，在半徑540-1 075 m的扇形區(qū)域內(nèi)少量沉積。

(2)高嶺土懸浮物導(dǎo)致死亡紅樹林及高嶺土懸浮物沉積的潮溝底質(zhì)pH值降低，并加重了正常林區(qū)的底質(zhì)酸化。

(3)高嶺土懸浮物富含銅、鉛和鉻，影響濕地底質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量，并存在重金屬富集的風(fēng)險。高嶺土的黏結(jié)性強[24]，容易引起底質(zhì)結(jié)塊，形成缺氧環(huán)境，影響紅樹植物的呼吸作用及其他底棲生物的生存，而且長期的海水沖刷擾動會擴大高嶺土的影響范圍。建議物理清除死亡紅樹林內(nèi)表層至少20 cm的底質(zhì)，降低高嶺土的影響；開展專題研究，探尋降低高嶺土黏性的環(huán)保分散劑，改善受高嶺土影響仍正常生長紅樹林區(qū)的底質(zhì)環(huán)境。