淡水湿地干湿循环下诺福克岛酸性硫酸盐土壤的特性与分布及其环境效应

本研究通过连续三年采样（2020干旱期、2021湿润期、2022洪涝期），系统揭示了诺福克岛淡水湿地酸性硫酸盐土壤（ASS）在五种人为干扰等级下的时空变异规律。创新性构建描述性土壤-景观模型，阐明硫化有机质（Hypersulfidic）与硫酸化（Sulfuric）材料的可逆/不可逆转化机制，并发现铁矿物沉淀（如施威特曼石Schwertmannite、水铁矿Ferrihydrite）可作为ASS危害的视觉指标，为小岛屿生态保护提供科学依据。

　　

摘要

诺福克岛淡水湿地系统的酸性硫酸盐土壤（ASS）在1970-2020年干旱期发生显著酸化，形成厚层硫酸化有机土壤（pH_field低至1.7）。通过2020-2022年干湿循环监测，研究发现中度干扰（如牛群踩踏）下ASS可逆转化为硫化有机质（Hypersulfidic），而极端干扰（如深排水沟开挖）则导致硫酸化材料永久不可逆。X射线衍射（XRD）鉴定出氨黄钾铁矾（Ammoniojarosite）等特征矿物，其形成与牛粪氨输入相关，属全球首次报道。

1 引言

ASS的酸化会引发生态系统退化、基础设施腐蚀及金属淋溶。诺福克岛作为太平洋小岛屿代表，其ASS分布此前未被系统研究。本研究填补了亚热带小岛屿ASS动态研究的空白，对全球气候变化下岛屿水资源管理具有警示意义。

2 材料与方法

采样涵盖14个湿地（0.5-5公顷），按干扰程度分为五类：

1. 1.

   中度干扰（牛群踩踏）

2. 2.

   高度干扰（历史侵蚀与排水）

3. 3.

   极高度干扰（浅水坝建设）

4. 4.

   严重干扰（片流侵蚀）

5. 5.

   极端干扰（深排水沟）

采用酸碱核算（ABA）分析净酸度（NA）、还原性无机硫（S_Cr）等参数，结合矿物学表征揭示ASS转化机制。

3 结果

3.1 湿地物理特征

片流侵蚀导致40cm厚泥炭层"地毯式"剥离（图9），形成永久性硫酸化材料。深排水沟（>2m）使地下水位永久性降低，硫酸化不可逆（图11）。

3.4 矿物学特征

Stockyard Creek下游排水沟检出罕见矿物绿矾（Melanterite）和四水白铁矾（Rozenite）（表3），指示极端酸化环境（pH<2）。水面虹彩膜厚度测定显示：60nm施威特曼石膜呈银白色，105nm呈金色（图11），而40-50nm水铁矿膜呈黑灰色。

4 讨论

4.6 铁矿物沉淀的环境指示

施威特曼石悬浮物（pH<4）与水铁矿（pH5-6）的空间分异反映湿地氧化还原梯度。氨黄钾铁矾在牛群活动区富集，其(NH₄)_xFe₃(SO₄)₂(OH)₆结构通过XRD确认（图7）。

5 结论

本研究建立的土壤-景观模型表明：

• •

  中度干扰湿地ASS可逆转化

• •

  极端干扰导致硫酸化不可逆

• •

  铁矿物虹彩效应可作为酸化预警指标

建议持续监测泥炭二氧化碳通量，以评估硫酸化材料对碳循环的影响。研究成果为太平洋岛屿ASS管理提供范式，尤其关注遗产建筑防腐与水质保护。