西洞庭湖湿地Eh与pH空间变异特征及影响因子分析

周念清 李章平 李丹 刘晓群

摘要：湿地氧化还原电位（Eh）和酸碱度（pH）空间分布特征是探讨湿地污染物存在形态、迁移和转化机理的基础。在湖南省西洞庭湖区澧水和沅水入湖口湿地分别布设2个监测断面共12个钻孔，孔深8.0～14.0 m。通过现场和室内试验研究湿地演替带Eh和pH的分布格局和空间变异特征，并对其影响因子进行探讨。结果表明：西洞庭湖湿地演替带监测剖面Eh介于-57.8～238 mV之间，平均值为124.67 mV，pH值为5.1～9.1，平均值为7.4，属于弱碱性弱还原环境；Eh和pH的变异系数分别为49.60%、1166%，均表现出中等变异强度；Eh和pH剖面分布特征复杂，均呈夹带斑块的层带状分布；土壤类型、地下水位、含水率和温度均对Eh有重要影响，pH主要受土壤类型和

地下水位的制约，温度与含水率对pH的影响不显著。

关键词：湿地；氧化还原电位；酸碱度；空间变异；影响因子；变异系数；洞庭湖

中图分类号：P641.3文献标志码：A

0引言

氧化还原电位（Eh）和酸碱度（pH）是反映土壤环境的重要指标，其分布特征直接影响土壤和地下水中N、P等多种元素及污染物的存在形态与迁移、转化过程，并与土壤类别、环境温度、土壤和地下水中溶解O2及CO2含量等关系密切。Kumar等在湿地N循环与Eh、pH关系方面做了比较深入的研究[1]。Eh是水溶液中氧化性和还原性离子平衡后的电势，每种离子只能在一定的Eh范围内存在，被氧化或被还原，Eh的突变会导致N的某一种形式突然减少，甚至减少到不能被吸收的水平[2]。地下水位较高时，Eh也较高，NO-3质量浓度较高，这是由于地下水和地表水相互进行了交换[3]。Eh在一定范围内 （100～350 mV），反硝化速率随着Eh的增加而减小[4]。Brady等指出强酸环境 （pH<5） 将限制反硝化作用进行，可能会扰乱反硝化过程，只产生NO-2或N2O[5]。Bremner等也指出在pH=5.8的环境中反硝化速率很低，在pH=41的环境中更低，在pH<36的环境中反硝化几乎不可能进行[6]。中国有关土壤理化性质的研究较多[714]。陈朝阳分析了植烟土壤的pH状况、演变趋势及其与土壤养分的关系[15]；朱小琴等研究了农业土壤pH的时空变异特征，并探讨了土壤pH的主要影响因素[16]；郭治兴等对广东省近30年来土壤pH的时空变化特征进行了研究[17]。以上这些研究主要是探讨不同类型土壤与pH的关系，也有部分学者对湿地土壤理化性质进行了研究。秦璐等分析了艾比湖湿地自然保护区土壤理化性质[18]；张平究等分析了安庆沿江退耕还湖后湿地土壤理化性质的变化特征[19]。然而，专门针对湿地演替带Eh特征的研究尚不多见。

湿地演替带具有明显的生物地球化学特征[20]，是地表水与地下水之间物质和能量传输的界面及有机化合物和污染物衰减的场所[21]。地表水中的N通过湿地演替界面发生作用进入地下水体中，在湿地演替带必然要发生一系列的迁移和转化作用。湿地演替带水动力条件比较复杂，演替过程中湿地环境在不断发生变化，N对环境变化非常敏感，Eh、pH等环境因子势必会影响N的迁移与转化。随着工农业生产的快速发展，众多湖泊湿地中N出现了大量累积[22]，富营养化明显。探讨湿地中N污染物的环境行为是解决湿地N污染最重要的途径[23]，研究湿地Eh和pH空间分布特征是探讨湿地演替带N迁移转化机理的基础。本文选取西洞庭湖湿地作为研究对象，通过现场和室内试验研究湿地演替带Eh和pH空间分布和变异特征，为研究N污染控制、水环境修复与保护奠定基础。

1试验方案

1.1研究区概况

洞庭湖位于湖南省北部，由东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖组成。汇入洞庭湖的内陆水系包括湘江、资江、沅水和澧水。湖面平均海拔高程为33.5 m，总面积约2 691 km2，其中西洞庭湖345 km2，湿地分布广泛。每年通过湘江、资江进入洞庭湖的总氮质量浓度平均高达2.126、1.746 mg·L-1，2008年入湖总氮量达59 049 t[24]。研究场地选在西洞庭湖沅水和澧水入湖口，试验区具体位置见图1。

在西洞庭湖澧水、沅水入湖口湿地演替带各布置2个监测剖面，均与湖岸垂直，剖面间距为320 m；每个剖面布设3个钻孔，孔间距为30 m（图2）。每个断面由湖及岸的钻孔设计深度分别为12、15、18 m，孔径为110 mm，钻孔中安装有带过滤器的PVC管，过滤器用滤网保护，PVC管周围充填细砂，上部采用黏土封孔，保持钻孔中地下水位与湿地地下水位一致，便于取水样和水位监测。每月采集地表水和地下水水样1次，并进行N形态测定与分析。

1.3现场取样与试验

2014年5月29日至6月1日对西洞庭湖湿地4个监测剖面（YP1、YP2、LP1和LP2）进行钻孔施工。在钻探过程中，由于试验地段底部分布有老黄土层和砂卵石层，钻探施工难度较大，未达到设计深度而被迫终孔，各钻孔实际深度见表1。部分取样深度处有流沙层分布而未能取出土样，本次共取得土样122个。

在钻机钻孔提取土样时，为了减小对土样的干扰，尽可能保持其自然状态，每次快到达取样深度时停止冲水，让钻机慢慢自然下钻采取原状土样。取土样后立即用环刀采集土样，每隔1 m采集土样1个，并及时对样品编号和封装，避免土壤含水率损失，并送实验室进行含水率测定和土质分析。土壤含水率（质量比，下同）的测定根据《土工试验规程》（SL 237—1999）采用室内烘干法进行，精度为001 g。

在现场钻探过程中采集的土样使用BPH221便携式ORP计及时测定土壤和地下水Eh、pH和温度等参数，避免其与空气接触时间过长产生误差。为提高测量精度，用2台ORP计同时测量2份土壤的Eh、pH和温度，测定结果取平均值。Eh精度为01 mV，温度精度为01 ℃。

2结果分析

2.1Eh分布特征

根据钻孔不同深度土样测定结果，得到Eh沿剖面的分布特征。氧化还原环境按Eh大小划分：当Eh值大于300 mV时属于氧化环境；当Eh值介于100～300 mV之间时属于弱还原环境；当Eh值介于-100～100 mV之间时属于中等还原环境；当Eh值小于-100 mV时属于强还原环境。在监测深度范围内，根据Eh测定结果（表2），澧水湿地LP1剖面

Eh值介于48.5～238 mV之间，平均值为1393 mV，随着深度增加呈现由大变小再增大的趋势；而LP2剖面Eh值为96.5～161.8 mV，平均值为1238 mV，随着深度增加呈现由大变小的趋势。

将澧水湿地不同深度测得的Eh绘制成Eh深度关系曲线（图3），未取出土样的位置Eh缺失。随着深度增加，Eh有下降的趋势，表明氧化还原环境随着深度增加不断发生变化，除个别部位变化幅度较大外，总体呈现出氧化性略微减弱，而还原性略有增强的变化趋势。

测定沅水湿地演替带YP1和YP2剖面钻孔土样的Eh，YP1剖面Eh值介于117.8～205.3 mV之间，平均值为177.2 mV，YP2剖面Eh值为-57.8～172.0 mV，平均值为60.1 mV。YP1剖面Eh靠近湖岸较小，远离湖岸方向有增大趋势，而YP2剖面

Eh则表现出相反的趋势。这种现象与湖岸土层分布以及地下水与地表水相互补给的流向分布有关，根据地下水与地表水位，YP1剖面地下水补给河水，远离湖岸方向氧化性有增强的趋势，YP2剖面是地表水补给地下水，远离湖岸方向氧化性表现为减弱的趋势。

沅水湿地演替带测得的Eh随深度变化的关系曲线见图4。随着深度增加，钻孔Y5和Y6测得的Eh变化幅度较大，钻孔Y1、Y2、Y3和Y4测得的相对较稳定，呈现出略有增大的趋势。

2.2pH分布特征

在测定Eh的同时对土样的pH进行测试，数据见表3。LP1剖面pH值介于5.7～7.7之间，平均值为6.6，由湖及岸呈现出逐渐升高的趋势；LP2剖面pH值为6.4～9.1，平均值为7.7，由湖及岸呈现逐渐降低的趋势，但2个监测剖面由浅入深的pH均呈现逐渐增大的趋势。

澧水湿地土样测定的pH随深度变化的关系见图5。由图5可知，随着深度增加，钻孔L1、L5和L6测得的pH变化幅度较大，而钻孔L2、L3和L4测得的相对较稳定，且呈现出略微增大的趋势。

沅水湿地不同深度土样测得的pH随深度变化的关系曲线见图6。从图6可以看出：YP1剖面

pH值介于51～8.9之间，平均值为7.6；YP2剖面pH值为6.7～8.9，平均值为7.8。YP1、YP2剖面pH均呈靠近湖岸较大，远离湖岸方向减小的趋势；YP1剖面pH由浅入深呈现逐渐降低趋势，而YP2剖面pH则表现出相反的趋势。随着深度增加，钻孔Y1、Y2和Y3测得的pH变化幅度较大，钻孔Y4、Y5和Y6测得的相对较稳定，呈现

出略微增大的趋势。

常用的判别标准为：当Cv≤10%时，空间变异程度为弱变异性；当10%

2.3.1Eh空间变异性

澧水湿地LP1、LP2剖面的Eh平均值分别为139.31、123.75 mV，表明澧水湿地演替带氧化性由上游断面（LP2剖面）向下游断面（LP1剖面）呈现略有增强趋势；LP1、LP2剖面的Cv分别为31.1%、1347%，表明澧水湿地演替带LP1剖面比LP2剖面的Eh空间变异性要大。

沅水湿地YP1、YP2剖面的Eh平均值分别为177.21、 60.13 mV，沅水湿地演替带氧化性由上游断面（YP2剖面）向下游断面（YP1剖面）呈现略有增强趋势；YP1、YP2剖面的Cv分别为12.11%、118.9%，表明沅水湿地演替带YP2剖面Eh具有强变异性，变异强度由上游断面向下游断面呈现减弱趋势。

澧水和沅水湿地演替带的Eh平均值分别为131.39、118.67 mV，说明澧水湿地演替带氧化性比沅水湿地略强；澧水和沅水湿地演替带的Cv分别为25.30%、66.48%，说明沅水湿地演替带Eh空间变异性更大。

西洞庭湖湿地演替带Eh平均值为124.67 mV，属于弱还原环境；Cv为49.60%， Eh总体上具有中等变异性。

2.3.2pH空间变异性

澧水湿地LP1、LP2剖面 pH平均值分别为67、77，说明澧水湿地演替带碱性沿上游断面向下游断面减弱；LP1、LP2剖面的Cv分别为504%、990%，表明澧水湿地演替带pH变异强度沿上游断面向下游断面减小。

沅水湿地YP1、YP2剖面pH平均值分别为7.56、784，总体为偏碱性，但沅水湿地演替带上游断面（YP2剖面）的碱性略强于下游断面（YP1剖面）；YP1、YP2剖面的Cv分别为1473%、457%，表明沅水湿地演替带pH变异强度下游比上游略大。

澧水和沅水湿地演替带pH平均值分别为713、7.71，总体表现为土壤偏碱性，且沅水湿地演替带碱性比澧水要强；澧水和沅水湿地的Cv分别为11.29%、10.81%，说明澧水湿地演替带pH变异强度较沅水湿地演替带大。

西洞庭湖湿地演替带总体pH平均值为7.43，Cv为11.66%，表明其pH具有中等变异性。

3讨论

3.1Eh和pH相互影响

对西洞庭湖湿地演替带Eh与pH进行相关性分析（图7）。Eh与pH呈负相关关系，相关系数为-0.229。给定显著性水平0.01，经双侧检验，对应显著不相关的概率为0006，小于0.01，说明Eh与pH显著相关，相互间有重要影响。