指标测试方法

一、实验室测量

实验室测试项目包括土壤容重、粒度分析、无机组分、矿物分析、有机组分、有机碳、pH、放射性核素光谱测定等。

1．土壤容重和含水量

每一份样品装入事先称量过的洁净布袋并称量湿重。湿重称量结束之后每份样品立即取大约30～60g的土壤子样品装入已称重的铝箔袋中，称量湿重并置于105℃恒温箱干燥24h。24h之后取2～3个样品称量，重复操作直至恒重。通过称量剩余物质的质量来计算整个柱样以及每个子样品的湿度百分比、干重百分比土壤容重，每个子样品的湿度百分比和干重百分比可以代表每份样品的相应值。通过计算每份样品的厚度和半径可以求得每份土壤的体积。在有压缩量的柱样中，压缩量被平均分配到每份样品之中，因为在经过采样过程的初始测量之后，许多柱样的长度发生了变化。

2．放射性同位素光谱测定

土壤样品经过至少一周的风干，每份土壤样品用研钵磨碎放入烧杯中置于105℃烘箱中12h（SANFA，model DHG－9202－2SA）。将容积200cm3的圆柱状塑料容器在65℃下干燥1h后称重。将完全干燥的土样置于200cm3的塑料容器中再次称重（Met－tler Toledo，model PL3001－S）。每个容器都用盖子盖好并用胶带密封保存15d使222　Rn与226　Ra的转化达到平衡，样品置入带有广谱锗探测器的低背景噪音铅室中（Canberra，model　777A）分析25　200s以测量210　Pb、226　Ra和137　Cs的浓度（Canberra，model BEGe3830）。利用标准参考样品来考察计数的效率并校正137　Cs的浓度（National Institute of Meteorology，P．R．China，Sample ZFCSE 100316）和210Pb、226　Ra的浓度（International Atomic Energy Agency，Sample IAEA－434）。此外137　Cs、210　Pb和226　Ra的背景值需从所有的样本中减去。

3．有机质和有机碳分析

有机质和有机碳的分析可用燃烧法获取，也可用现代的测试技术获取。前者可直接获取有机质含量，后者可更精确测得有机碳浓度。

（1）燃烧法。

每份土壤样品的有机碳的分析采用CRAFT的协议方法测量。取7～15g风干、研磨后的土样，置于石英烧杯中，在105℃的烘箱中干燥12h，称量烘干质量，然后置于450℃的马弗炉中8h，从马弗炉中取出之后再置入105℃烘箱中4～6h。这是为了确保在燃烧完转移烧杯时再吸收水分，通过烧失量计算有机组分的百分比。有机碳的含量通过CRAFT在河口系统的描述过程中推断得出，见式：

Corg＝（0．40·LOI）＋（0．002　5·LOI2）

式中，Corg为有机碳（g）；LOI为烧失量（g）。

取14个样品做重复实验以确保结果的一致性。

（2）元素分析仪分析法。

总碳和有机碳的浓度均可用元素分析仪测得。土壤总有机碳样品前处理方法：样品研磨至200目下，称取1g左右，装入8mL玻璃瓶中，往玻璃瓶中缓慢加入1滴管4mol/L HCl溶液，使其与无机碳反应的量处于过饱和状态，重复几次，摇匀，确定最后一次加入HCl溶液后无气泡冒出，待所有样品均加完酸并再次摇匀后，静置1h，之后，离心（2　250r/min，10min），去除上清液，加入超纯水，振荡摇晃使其混合均匀后，超声5min，擦干，离心（2000r/min，10min），重复操作，直至用pH试纸检测上清液呈中性。将洗净的样品在55℃下烘干24h，烘干后在干燥器中平衡24h，将干燥并平衡好的样品研磨使其均质化，称取适量的样品上机测试。

4．元素有效态提取法

土壤有效态营养元素测定步骤：将风干土研磨至100目以下，称取2．5g左右加入100mL提取瓶中，后加入25mL Mehlich－Ⅲ提取液，将混合物放置于200r/min的往复式振荡器上振荡5min，振荡结束后，离心20min，取上清液，稀释10倍，ICP仪器测定有效态营养元素浓度。其中Mehlich－Ⅲ提取液由0．2mol/L CH3COOH、0．25mol/L NH4NO3、0．015mol/L NH4F、0．013mol/L HNO3及0．001mol/L EDTA溶液配制而成。为了配制1L的Mehlich－Ⅲ提取液，将11．49mL浓缩的CH3COOH溶液、20g NH4NO3、0．56g NH4F、0．84mL浓缩的HNO3溶液及0．29gEDTA加入800mL去离子水中，混匀，用去离子水定容稀释到1L。

5．粒度、黏土矿物分析和pH

粒度：每份样品的子样品放入单独的烧杯中，每份样品用20mL　15%H2O2溶液氧化分散，4h以后，加入5mL的0．5标准（NaPO3）6溶液放置2d充分分散。将分散好的样品倒入单独的容器中利用自动化Mastersizer2000分析粒度，样品粒径用USDA和ISSS的分类法分为砂土、粉砂和黏土。敏感粒径分析的方法相同，但是间隔0．25Ф分一类。

黏土矿物测试：对欲测定的每个样品经蒸馏水水洗两次去除盐分，加入适量H2O2去除有机质，有机质去尽后，加入浓度为0．1mol/L的六偏磷酸钠分散剂，静置过夜，依据Stokes沉降原理提取小于2μm的悬浊液，至少提取5次，利用真空泵把黏土矿物抽滤到0．45μm微孔滤膜上，把附有黏土矿物的微孔滤膜置于乙二醇蒸汽浴中浸泡，24h后上机分析。黏土矿物测试所用仪器为日本产D/Max－r A型X射线衍射仪［Cu靶、管电压40kV、管电流80mA、步进长度（2θ）0．02°］。

土壤pH值：每个土样用去离子水与土样在小测量瓶中混合，比例为2∶1，7d之后测量，使用离子计或其他pH计测得pH值。

二、沉积速率测量

1．210Pb方法

地壳中铀（238　U）放射衰变后产生的氡（222　Rn）是气体，因而扩散到大气中。大气中的大部分氡（222　Rn）又衰变成铅（210　Pb），并以气溶胶状态溶于雨水而重新回到地表。这些进入湖水或者海水中的铅（210Pb）被吸附到水中悬浮的粒子上，进而呈薄层状堆积到水底。假设铅（210Pb）及沉积粒子在底泥表层沉积量一定，且铅（210Pb）不再发生迁移，就可以按下述方法求得其底泥表面的形成时间。

可以认为底泥形成后的t年期间，没有外来的铅（210　Pb）加入进来，所以在t期间内由于放射衰变铅（210Pb）是减少的。底泥在t年前处于表面时的铅（210Pb）浓度必定与现在地表的铅（210Pb）浓度相当。关系如下：

式中，A（0）为底泥表面的铅（210　Pb）浓度；A（t）为t年前处于表面而现在位于某深度的底泥中铅（210Pb）浓度；λ为210Pb衰变常数，若采用22．2a的半衰期，可以算出：

λ＝0．693/22．2

但是，t是从现在算起的年龄值。t值可由上面A（t）/A（0）得出。

实际上210Pb及沉积粒子在底泥表面的堆积量是可能发生变动的。所以测定210Pb在底泥中详细的垂直分布，求得平均沉积速度，进而可确定沉积年龄。假设底泥表面到沉积Z（cm）深度，单位面积上沉积粒子累计重量为W（g/cm2），平均沉积速度为v（g/cm2/a），则深度Z的210Pb浓度A（W）（dpm）由上述公式可得：

式中，φ为底泥的孔隙度；ρs为沉积粒子的密度；A（∽）为210　Pb在沉积粒子矿物中的背景浓度，通常取210Pb浓度达到固定值的深度；A（W）－A（∽）所得值为Aex（W），即剩余210Pb浓度。由上述公式可得：

Aex（W）＝Aex（0）exp（λW/v）

绘制W与Aex（W）的关系曲线，斜率即表示为平均沉积速度v，通过W/v便可确定沉积年龄t。通过上述方法可测定所需要的沉积年龄值及沉积速率值。由于本方法中用作计时标准的放射性元素210Pb半衰期为22．2a，所以能够测定的范围介于几年到一百几十年。

2．137Cs方法

137Cs是人工产生的放射性核素，是核裂变的重要产物，半衰期为30．17a。它主要来源于大气核实验和核事故所释放的核废料和尘埃，通过大气沉降作用进入水体，并被水体中的悬浮物吸附，逐步沉降到水体底部并发生积累。20世纪50年代的核试验使137　Cs开始广泛散布到全球，对全球地表环境中137　Cs活度的系统监测始于1954年，其观测发现137　Cs的沉降主要发生在1954—1982年期间，在北半球地表137　Cs的沉降分量是一致的，并且在1963年呈现沉降高峰。此外，在1971—1974年又进行了几次大规模的核试验，1974—1975年是137Cs沉降的相对集中区。由于苏联切尔诺贝利核电站的核事故，导致北半球地表在1986年出现另一个137　Cs的沉降高峰。降落至地表的137　Cs易被土壤黏粒和腐殖质所吸附，且在半干旱和半湿润条件下这种吸附是比较稳固的，可以在连续沉积层中找到多个年代的沉降高峰。核试验散落的137　Cs沉降有明显的时序性，137Cs在沉积物中的峰值可作为计年时标。利用137　Cs蓄积峰所在的位置可按下面公式推算出平均沉积速度（v）：

v＝Z/（t0－t）

式中，Z为137Cs峰值对应的深度（cm）；t0为沉积物采集时所对应的年代；t为出现137Cs丰度所对应的年代。

3．历史地理学和沉积地质学综合分析确定年代

黄河三角洲新生湿地是1976年以后黄河由刁口流路迁至清水沟流路而形成的，至2007年只有31a的历史，这已经不在137　Cs以1963年作为时间标尺的范围之内。210　Pb测年是百年尺度内的一种好方法，但黄河三角洲分流河道频繁改动，沉积—侵蚀交替运行，无法满足210Pb测年条件。为此，本研究将应用历史地理学和沉积地质学综合分析确定年代的科学方法，以分流河道频繁改动过程中沉积间断所形成的古土壤层或沉积环境的改变作为新生湿地的时间标，以此确定黄河三角洲湿地土壤沉积速率。

具体而言，根据分流河道变迁图、不同年代的地形图和海区水深图，可判断沉积环境，追踪物质来源，判断沉积物是从哪一个分流河道输送来的，该分流河道的活动年代就是该层沉积物的年代。分流河道改道后，新河口沉积物位于老河口的侧部或两个老河口之间，年轻的三角洲前缘粉砂覆盖在老三角洲侧缘黏土质粉砂之上，年轻的三角洲侧缘黏土质粉砂覆盖在老三角洲前缘粉砂之上，上述特征是在黄河三角洲常见的沉积层序，根据历史上河口的位置及海区水深图可以准确地确定沉积年代。此外，高程是沉积环境和年代判定的另一个非常重要的因素，同样2～3m厚的黏土质粉砂，出现在高程－18～－12m的位置是前三角洲沉积物，出现在更高位置则为三角洲侧缘或分流间湾沉积物。

4．rSET－MH－CSB联测方法

rSET－MH可应用于监测沉积物加积、地表相对高程的变化和浅部土壤过程（包括由于有机质分解、沉积物压造成的地面高程下降或由于根部的发育使地面高程增高等过程）。其原理如图1－5所示。rSET包括永久性工作台和可携带的SET测量臂。图1－5中的测量杆便是通过将连接的钢管打入地下（约30m或钢管无法进入地层为止），并在上部约70cm处用PVC图型桶加水泥固定形成永久性工作台。监测时，将SET测量杆连接到固定工作台上后，根据水平校准气泡进行水平校准，用罗盘进行测量方向校准，用夹子将测量棒固定于测量杆上，以此确保每一次测量棒落在同一测量点上。测量棒的高低变化反映了土壤表面的高程变化。要求记录下从表盘垂直放落至接触土壤表面的每根测量棒位于测量臂之上的长度。根据rSET管顶部的边缘设计，每个试验点要求在4个方向上进行测量，每个方向上共有9根测量棒，由于每个监测站位有3个试验点，因此每个站位可获得4×9×3＝108个平行数据，使测量误差小于1mm。特别是在软泥湿地区，需使用液氮将被测地表冷冻变硬后操作，避免测量棒陷入泥中而形成误差。首次测量之前，需要等待两周以上的时间以确保管座处于完全稳定的状态。首次装好仪器后，记录下第一个初始数据作为基线数值。MH法是指在每个SET试验点选取3个50cm×50cm正方形地表，作为土壤（沉积物）垂向加积的水平变化试验点，将长石粉均匀覆盖在其表面。监测时用自制的微型俄罗斯钻采取长石粉区内的沉积物，并量取由标记层至顶部的厚度。

若遇侵蚀和加积交替出现的湿地区域，本项目将采用染色砂棒法（Colored Sand Bar，CSB）。染色砂棒被垂直地埋设在设计好试验点的沉积物中，实验室做好的染色砂棒长20cm，呈粉红色，埋入土壤（沉积物）中遇水变绿色，与土壤（沉积物）溶为一体，并与周围物质的颜色有显著的区别。监测时将有机玻璃管取出（相当于柱状样的采集），水平放置，运回室内剖开，测量CSB的相关长度，计算沉积速率。其具体原理图见图1－5。

图1－5　rSET－MH方法（左）和CSB方法（右）原理图