高岭土悬浮物对榄根村红树林湿地底质环境的影响*

李 斌，巫冷蝉，宋 超，刘成辉

(广西科学院广西红树林研究中心，广西红树林保护与利用重点实验室，广西北海 536000)

0 引言

红树林是生长在热带、亚热带海岸潮间带的木本植物群落，其在维持滨海生物多样性、海岸防护、促淤造陆和碳固定等方面起到重要作用[1-4]。但受到海岸带开发利用及全球气候变化的影响，红树林正面临着巨大压力。广西北海市铁山港湾分布着我国连片面积较大的典型沙生原生白骨壤群落，具有重要的生态学意义，2019年11月该区域的榄根村出现大面积红树林死亡现象，主要原因是铁山港东港榄根作业区的建设过程导致高岭土悬浮物沉积林内，黏附植物叶片和堵塞呼吸根，引发生态损害[5]。为摸清高岭土悬浮物的影响范围及其对底质环境的影响，本研究拟在受损红树林及其周边区域开展调查，分析底质环境的高岭土空间分布以及理化状况，以期为该区域的生态修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

如图1a所示，榄根村红树林位于铁山港东岸，白沙镇的西南侧，沙田镇西北部，其底质以黏土质砂为主[6]；林内共有真红树植物3科4属4种，白骨壤(Avicenniamarina)为优势种群，零星分布着红海榄(Rhizophorastylosa)、秋茄(Kandeliaobovata)和桐花树(Aegicerascorniculatum)[7]。2017年12月起陆续发现该区域出现红树林死亡现象，至2019年6月死亡面积达到了9.42 hm2[5]。

图1 调查采样站位

1.2 站位布设

为判断高岭土悬浮物的影响范围及对底质环境的影响，2020年3月在死亡红树林林内(D1-D3)、死亡红树林林缘(ED1-ED3)、红树林大斑块中暂未显示枯亡现象仍然正常生长的红树林(AL1-AL3)和正常红树林对照样地(CK1-CK3)各设置调查采样站位1个，红树林外的潮沟内布设7个站位(S1-S7)，共19个调查采样站位，详见图1b。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 高岭土悬浮物的影响范围

广西的高岭土资源丰富，储量约4.5×109t，主要分布在合浦清水江等[8]近海区域，该区域的高岭土原矿Al含量在7.21%以上[9]，是铁山港潮间带表层底质Al的本底含量(2.37%)的3倍以上[10]，因此通过分析红树林底质的Al含量，可判断是否受到高岭土的污染。为此，退潮时在D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3和CK1-CK3站位，使用柱状采泥器，每个站位均随机采集3个沉积物柱状样(0-50 cm)，每个柱状样分成6层样品，表层0-20 cm以内每5 cm取一个样品，表层以下20-50 cm每15 cm取一个样品，相同层次的样品混合均匀。由于S1-S7站位位于潮沟，常年的潮流冲刷，底质高程低于林内，在每个站位仅随机采集3个0-30 cm的表层沉积物样品，并混合均匀。沉积物样品干燥后，剔除贝壳、根系等杂物，磨粉过100目筛，测定铝元素含量。铝的测定依据《森林土壤矿质全量元素(硅、铁、铝、钛、锰、钙、镁、磷)烧失量的测定》(LY/T 1253-1999)[11]中的方法。

1.3.2 底质环境的理化性质

D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3、CK1-CK3和S1-S7采样站位，每个站位随机采集3个表层沉积物(0-30 cm)，封闭混合成均一样品，依据《海洋监测规范 第5部分：沉积物分析》(GB 17378.5-2007)[12]方法分析硫化物含量。按四分法取适量湿样晾干，干燥后剔除贝壳和根系等杂物，磨粉过160目筛，按《海洋监测规范 第5部分：沉积物分析》(GB 17378.5-2007)[12]方法分析有机碳、油类、铜、锌、铅、镉、铬、汞和砷的含量，pH值的测定依据《土壤检测 第2部分：土壤pH的测定》(NY/T 1121.2-2006)[13]。

红树林D1-D3、ED1-ED3、AL1-AL3和CK1-CK3站位的底质环境，除测定上述环境因子外，还须测定其中的总氮和总磷，测定依据《海洋监测规范 第5部分：沉积物分析》(GB 17378.5-2007)[12]。

1.3 数据处理

1.3.1 底质肥力评价

采用总氮、总磷和有机碳评价红树林底质肥力状况。为消除各监测指标的量纲差异，运用四折线型无量纲化方法进行标准化处理[14]：

当指标测定值属“极差”等级时，即：Ci≤Xa，

当指标测定值属“差”等级时，即Xa

当指标测定值属“中”等级时，即Xc

当指标测定值属“良好”等级时，即Ci>Xp，Pi=3。

式中：Pi是分肥力系数，即第i个指标的肥力系数；Ci为第i个指标的测定值；Xa、Xc、Xp为底质属性分级标准(表1)，参考第2次全国土壤普查标准。

表1 土壤属性分级标准

综合肥力系数采用修正的内梅罗公式计算[15]：

式中：P是底质综合肥力系数，Piav和Pimin分别是底质各属性分肥力系数的平均值和最小值，n为参与评价的底质属性个数。底质肥力分级标准参见文献[15]。

1.3.2 主要环境因子的差异分析

采用单因子方差分析法，分析过程均在SPSS 19.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 红树林及附近潮沟底质中铝的空间分布

由图2可知，榄根村死亡红树林沉积物柱状样的最大铝含量均出现在近表层，其中D1在15-20 cm层，D2和D3在10-15 cm层，对应层次的铝含量为6.38%-11.9%，平均9.15%，基本比同柱状样的其他层次高1-3倍。ED1-ED3的铝含量最大值出现在5-10 cm层，对应层次的铝含量为5.65%-15.6%，平均10.8%，是同柱状样其他层次的2-13倍。AL1-AL3的最大铝含量均在0-5 cm层出现，对应层次的铝含量为5.14%-8.83%，平均7.10%，是同柱状样其他层次的4-6倍。CK1-CK3的铝含量为1.46%-6.73%，平均3.60%，与同一柱状样其他层次的差异较小。

图2 底质环境中铝的垂直分布

由图3可知，D1-D3沉积物柱状样含铝量最高的土层铝含量以D2最高，D1次之，D3最小。ED1-ED3中含铝量最高的土层的铝含量水平分布是离陆域填土区越远，含量越低。AL1-AL3中含铝量最高的土层以AL2的铝含量最高，AL1次之，AL3最低。CK1-CK3中含铝量最高的土层以CK3的铝含量最高，CK1次之，CK2最低。潮沟内S1站位的铝含量最高，S2和S3站位的含量居次且比较接近，其余站位的含量较低。总体而言，离陆岸越远，红树林及其周边潮沟的沉积物铝含量越低。

2.2 潮沟底质的主要环境状况

红树林湿地的潮沟底质环境偏酸性，但总体质量较好，除个别监测站位的硫化物和油类含量稍高于海洋沉积物一类标准外，其余监测指标有机碳和重金属含量均在标准范围内。如图3所示，高岭土悬浮物主要影响潮沟的S1-S3站位，对S4-S7站位的影响较小，为此将潮沟底质监测站位划分为高岭土影响区(S1-S3站位)和对照潮沟区(S4-S7站位)。其中，高岭土影响区的pH值、硫化物和油类平均值低于对照潮沟区，而铅的平均含量则高于对照潮沟区，其余监测指标的结果相近。单因子方差分析表明(表2)，高岭土悬浮物影响区的主要环境因子(pH值、硫化物、油类、有机碳、汞、砷、铜、锌、铅、镉和铬)与对照潮沟区的差异不显著(P>0.05)。

表2 潮沟底质环境主要环境因子现状(干质量)及单因子方差分析

图3 沉积物柱状样中铝含量极值的水平分布

2.3 红树林底质的主要环境状况

如表3所示，D1-D3底质的主要环境因子均满足海洋沉积物一类标准，ED1-ED3和AL1-AL3部分测站的硫化物、有机碳、油类和铬稍劣于海洋沉积物一类标准，其余环境因子均在标准范围内。单因子方差分析结果显示(表4)，D1-D3的铅、铬与CK1-CK3差异显著，ED1-ED3的铜、铅和铬与CK1-CK3差异显著，AL1-AL3的pH值、铜和铅与CK1-CK3差异显著。受损红树林底质环境偏酸性，其中D1-D3和AL1-AL3底质的pH值平均值低于CK1-CK3，ED1-ED3则与CK1-CK3的接近。死亡红树林的林内、林缘和附近正常红树林底质中的铜、铅和铬含量接近，但高于对照林区的1倍左右。

表3 红树林底质主要环境因子现状(干质量)

表4 高岭土悬浮物影响区与对照林区的单因子方差分析

2.4 红树林底质的肥力状况

如表5，AL1-AL3和ED1-ED3的底质综合肥力系数均高于CK1-CK3，分别为1.10和0.76；D1-D3则低于CK1-CK3，仅0.59。按照肥力等级标准，D1-D3、ED1-ED3和CK1-CK3的综合肥力系数均小于0.9，肥力等级为贫瘠，AL1-AL3的综合肥力系数为1.10，肥力等级为一般。各评价指标中，有机碳的分肥力系数最高，其次是总氮，总磷最低。该区域的有机碳、总氮和总磷的分肥力系数均以AL1-AL3的最高，ED1-ED3居次，D1-D3和CK1-CK3的总氮分肥力系数接近，但D1-D3的有机碳和总磷的分肥力系数最低。

表5 红树林底质的肥力状况

3 讨论

3.1 高岭土悬浮物的沉积过程及影响范围分析

沉积物柱状样铝的垂直分布反映了高岭土悬浮物的沉积过程，而沉积物柱状样中铝含量最高的土层则反映了该时段是否曾发生过规模较大的高岭土悬浮物沉积。本研究中离陆域填土区或潮沟的距离越近，高岭土悬浮物沉积的量基本越大，铝含量最高的土层也基本越深。D1-D3贴近陆域填土区或潮沟，高岭土悬浮物影响柱状样的平均厚度约为20.0 cm，主要沉积在15-20 cm土层；而离陆域填土区或潮沟渐远的ED2-ED3和AL1-AL3，高岭土悬浮物影响柱状样的平均厚度约为12.5 cm和11.7 cm，主要沉积在5-10 cm和0-5 cm土层。相比ED2-ED3，ED1更靠近陆源填土区和潮沟，其沉积物柱状样沉积了大量高岭土悬浮物，影响厚度高达45 cm，主要沉积在5-10 cm土层。

假定水文动力条件均匀一致，红树林湿地内的高岭土悬浮物扩散沉积将呈梯度分布。根据底质环境铝含量的实际分布情况：高岭土悬浮物大量沉积在以陆域填土区为中心，半径为中心至AL2的范围内(约540 m，图3)，主要包括死亡红树林(D1-D2)及周边林内；少量沉积在半径为AL2至AL3的扇形区域内(540-1 075 m，图3)，包括靠近海域吹填区的死亡红树林(D3)及周边的林内。高岭土悬浮物的这一影响范围推断恰好与红树林死亡斑块的分布边界基本吻合(图4)。由于海域吹填区及施工便道的建设，水文动力条件变弱，陆域填土区附近的潮沟变淤，S1站位沉积了较多的高岭土悬浮物，S2和S3站位则有少量沉积，但离陆域填土区较远的S4-S7站位未受到高岭土悬浮物的影响。

图4 榄根村受损红树林的分布(2020年4月)[5]

3.2 高岭土悬浮物对红树林湿地底质环境的影响

红树林底质环境呈酸性，这主要是含硫红树植物残体在厌氧条件下经微生物分解产生酸性的H2S引起[1]。本研究中死亡红树林的植被凋亡，形同光滩，原底质中积累的H2S逐步被氧化，底质pH值应升高。但围填海施工过程揭露的高岭土偏酸性(pH值为4.62)[5]，直接导致高岭土悬浮物大量沉积的死亡红树林林内(D1-D3)和靠近陆域填土区的部分潮沟(S1-S3)的底质pH值较低。本研究中死亡的红树植物残体在凋落后部分会随潮流移动，阻滞在仍正常生长的红树林内，并会被微生物利用，产生酸性的H2S等物质，再加上酸性高岭土悬浮物的沉积，导致了正常林区AL1-AL3的底质pH值明显低于对照林区。文献[17,18]研究显示，不同地区高岭土的铜、铅和铬含量较高，分别为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，可造成受高岭土悬浮物影响的死亡红树林林内、林缘、附近正常红树林内和靠近陆域填土区的部分潮沟的底质铜、铅和铬含量高于相应的对照区。此外，高岭土可通过离子交换和表面配位2种模式吸附重金属离子[19]，长期的潮水交换会提高高岭土悬浮物沉积区底质富集重金属的风险。而对照潮沟区的底质硫化物和油类较高，则可能是其靠近海域吹填区，受吹填海过程的颗粒物沉积和船舶油污影响。

3.3 高岭土悬浮物对红树林底质肥力状况的影响

高岭土中的铝离子、铁离子可分别与磷酸根生成磷酸铁、磷酸铝沉淀物，其水解产物可以和磷酸盐形成络合絮凝沉淀。此外，高岭土中的钙离子和镁离子还可与铵根离子发生置换反应，置换出钙离子和镁离子，并进一步与磷酸根离子发生沉淀[20]。研究表明，高岭土可有效抑制沉积物总氮和总磷的释放，抑制率可达71%和94%[21]。可见，高岭土特殊的理化性质会降低底质环境中可利用氮磷的含量，影响红树植物的生长。高岭土对有机质同样存在吸附作用[22,23]，增加了微生物和底栖生物利用有机质的难度，导致有机物质循环受阻。本研究区域的红树林底质肥力水平较低，但高岭土特殊的理化性质可能会进一步加剧底质中可利用氮磷的流失，导致死亡红树林底质的肥力水平低于对照林区。死亡后的红树林会形成大量凋落物，在潮流的作用下，滞留于死亡红树林林缘(ED1-ED3)与附近正常红树林内(AL1-AL3)，反而造成这些区域底质环境中的氮、磷和有机碳高于对照林区(CK1-CK3)。

4 结论

(1)高岭土悬浮物主要沉积在表层20 cm的底质环境中，并在以陆域填土区为中心，半径约540 m范围内大量沉积，在半径540-1 075 m的扇形区域内少量沉积。

(2)高岭土悬浮物导致死亡红树林及高岭土悬浮物沉积的潮沟底质pH值降低，并加重了正常林区的底质酸化。

(3)高岭土悬浮物富含铜、铅和铬，影响湿地底质环境的质量，并存在重金属富集的风险。高岭土的黏结性强[24]，容易引起底质结块，形成缺氧环境，影响红树植物的呼吸作用及其他底栖生物的生存，而且长期的海水冲刷扰动会扩大高岭土的影响范围。建议物理清除死亡红树林内表层至少20 cm的底质，降低高岭土的影响；开展专题研究，探寻降低高岭土黏性的环保分散剂，改善受高岭土影响仍正常生长红树林区的底质环境。