太湖人工恢復濕地區(qū)植物群落建植對沉積物中氮、磷空間分布的影響

黃玉潔，張銀龍，李海東，孫雅輝，張 波，楊均科

（1．南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院，南京210037；2．環(huán)境保護部 南京環(huán)境科學研究所，南京210042）

水體富營養(yǎng)化是一種水體衰老現(xiàn)象，系指氮、磷等植物性營養(yǎng)物大量進入湖泊、海灣等相對封閉、水流緩慢的水體，引起藻類和其它水生植物大量繁殖，水體透明度和溶解氧下降，水質惡化，水生生物大量死亡，水體生態(tài)系統(tǒng)和水功能受到阻礙和破壞的現(xiàn)象［1－3］。國內外學者對高等水生植物凈化富營養(yǎng)化水體進行了大量研究［4－9］，結果顯示，高等水生植物能夠大量吸收水體中的氮、磷營養(yǎng)物質，能有效地凈化富營養(yǎng)化水體，有助于水體生態(tài)系統(tǒng)恢復正常的功能。

太湖流域隨著工農業(yè)生產的迅速發(fā)展以及城市化進程的加快，大量含有氮、磷等營養(yǎng)元素工業(yè)廢水和生活污水直接排入到河流、湖泊中去，使得藻類大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化。湖泊濕地在物質循環(huán)、凈化水質、降解環(huán)境污染、調節(jié)氣候等方面，具有其它生態(tài)系統(tǒng)不可替代的作用［10－11］。實踐證明，人工濕地植物在凈化受污染水體，恢復和重建濕地生態(tài)系統(tǒng)已經獲得了廣泛共識。已有文獻對沉積物中的氮、磷含量進行了報道、研究［12－16］，結果表明：濕地植物的莖葉可減小水流速度，降低水的輸送能力，進而將氮、磷元素通過促淤效應沉積于底泥中，其經化學和生物學過程轉化，最終被植物吸收、儲存起來；沉積物中氮、磷含量的高低往往與濕地植物類型、密度和生物量密切相關。因此，研究不同濕地植物群落的建植對氮、磷的攔截、沉積作用效果，對太湖流域濕地植被恢復工程建設和水體富營養(yǎng)化防治具有重要意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1．1 研究區(qū)概況

太湖為我國第三大淡水湖，位于長江下游地區(qū)（33°55′42″－31°33′50″N，119°53′45″－120°36′15″E），全流域面積36 900 k m2，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，雨水豐沛，熱量充裕，多年平均氣溫15～17℃，降水量1 177 mm。

研究區(qū)位于太湖百瀆港，是太湖西北角上唯一的河港，其周邊城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)工廠遍布，大量工業(yè)廢水、生活污水排入其中，經監(jiān)測上游太滆運河屬于劣Ⅴ類水質［17］，是研究區(qū)外源污染物輸入的主要通道。2005年當?shù)卣槍λ蛭廴締栴}實施了濕地植被恢復工程，工程先進行了一定程度的清淤，后以蘆葦（Phr ag mites austr alis）、茭 草 （Zizania caducif lor a）、香蒲（Typha l atif olia）、荷花（Nel umbo nucifer a）和沉水植物作為建群種，植物群落從西南向東北大體分布依次為：沉水植物群落、香蒲群落、茭草群落、蘆葦群落和荷花群落，并在植物群落周圍設置了木樁消浪帶，使區(qū)域內除河口位置外水流比較平緩，對植物的生長起到很好的保護作用。經過幾年后現(xiàn)已基本形成穩(wěn)定的濕地植物群落，蘆葦群落平均高度為2．8 m，平均生物量（鮮重）4．70 kg／m2，茭草群落平均高度為1．6 m，平均生物量3．26 kg／m2，香蒲群落平均高度為2．3 m，平均生物量3．68 kg／m2，荷花群落平均高度為1．3 m，平均生物量1．25 kg／m2，沉水植物包括馬來眼子菜（Pota mogeton mal aianus）、菹草（Potamogeton crispus）、苦草（Vallisneria spiralis）、金魚藻（Cer atophyll u m demersu m）、輪葉黑藻（Hydrill a verticill ata）等，平均生物量1．13 kg／m2。

1．2 研究方法

于2009年7月，在濕地植被建植區(qū)（由于植物比較茂密，一些區(qū)域難以進入，只能粗略勾繪出采樣點的植被分布情況），采用GPS定位共設58個采樣點（圖1），樣點的布設充分考慮到濕地植物的類型、群落的分布情況，使各個群落內的采樣點基本上能代表該區(qū)域沉積物的狀況。其中，蘆葦群落共有26個采樣點（樣點號為1－5，16－18，31－32，35－40，44－47，52－56，58），茭草群落共有10個采樣點（樣點號為6－9，26－28，49－50，57）；香蒲群落共有5個采樣點（樣點號為10－13，48），荷花群落共有7個采樣點（樣點號為14－15，33－34，41－43），沉水植物群落共有7個采樣點（樣點號為19－22，29－30，51）；并在分布少量植物的開闊水面設3個采樣點（樣點號為23－25）作為對照區(qū)。

圖1 太湖百瀆港采樣點分布

用直徑10 c m的PVC塑料管采集濕地表層10 c m的沉積物，樣品帶回實驗室，所有樣品經風干、剔除雜質、研磨和過篩后，用于測定沉積物的全氮、全磷和有效磷。其中，全氮采用半微量凱氏法；全磷采用硫酸－高氯酸混合酸做消化劑，鉬銻抗比色法測定全磷含量；有效磷采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定［18］。

數(shù)據(jù)處理主要采用地統(tǒng)計學方法的克里格（Kriging）插值法，Kriging插值方法是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結構性，對未采樣點的區(qū)域化變量進行最優(yōu)無偏估值［19－20］。

2 結果與分析

2．1 沉積物中氮、磷經典統(tǒng)計特征

研究區(qū)沉積物中全氮、全磷和有效磷含量的經典描述性統(tǒng)計見表1，可以看出，全氮、全磷和有效磷含量變化范圍分別為0．37～5．42 g／kg，1．01～9．06 g／kg，150～760 mg／kg，最大值分別是最小值的14．65倍、8．97倍和5．07倍，差異較大。全氮平均值和中值相差較大，全磷和有效磷相差較小，有效磷均值和中值幾乎相等。從變異系數(shù)來看，全氮變異系數(shù)為79．5%，遠大于全磷（33．8%）和有效磷（28．5%），按照變異系數(shù)的劃分等級：弱變異性，CV＜10%；中等變異性，CV＝10%～100%；強變異性，CV＞100%［20］；全氮、全磷和有效磷均表現(xiàn)為中等程度的變異性。

從統(tǒng)計平均值來看，研究區(qū)全氮的平均值為1．25 g／kg，低于加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的具有嚴重級別生態(tài)風險效應沉積物中全氮濃度（4．80 g／kg）［21］，最大值為5．42 g／kg也低于富營養(yǎng)化嚴重的滇池沉積物中全氮的最高值（9．10 g／kg）［22］，可見沉積物中全氮含量不是很高，同時亦表明濕地水體氮素的富營養(yǎng)化程度也不是特別嚴重。全磷和有效磷的平均值分別為5．32 g／kg和420 mg／kg，根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的沉積物中能引起最低級別生態(tài)毒性效應的全磷濃度及具有嚴重級別生態(tài)毒性效應的全磷濃度標準（分別為0．6 g／kg和2．0 g／kg）［23］，本研究中全磷的平均值遠超過嚴重級別生態(tài)毒性效應的濃度，全磷的最小值也高于最低級別生態(tài)毒性效應的濃度，全磷變化范圍亦比其他非富營養(yǎng)化湖泊沉積物中全磷的變化范圍高得多（洱海0．74～1．60 g／kg［24］、瓦埠湖0．29～0．87 g／kg［25］、梁子湖0．635～0．824 g／kg［26］），可見沉積物中全磷含量很高，同時亦表明濕地水體磷素的富營養(yǎng)化程度特別嚴重。從全氮和全磷在沉積物中的含量來看，其主要來源于外源輸入，且對水體的富營養(yǎng)化狀況全磷的貢獻要比全氮大。

表1 沉積物中全氮、全磷和有效磷的描述性統(tǒng)計

2．2 正態(tài)分布性檢驗及半方差函數(shù)分析

數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性是使用地統(tǒng)計學方法進行空間分析的前提，為了檢驗這些實驗數(shù)據(jù)是否符合地統(tǒng)計學插值條件，采用偏斜度法和非參數(shù)Kol mogor ov－Smironov（K－S）正態(tài)分布檢驗概率對全氮、全磷和有效磷進行正態(tài)分布檢驗（見表1），對不符合正態(tài)分布的變量數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換后再進行檢驗。全氮的偏度系數(shù)絕對值大于1，具有偏態(tài)趨勢。經K－S檢驗，全氮不能滿足正態(tài)分布的要求，全磷和有效磷均為正態(tài)分布形式。對全氮含量進行對數(shù)轉換后繼續(xù)檢驗，達到正態(tài)分布的要求。

半方差函數(shù)模型的選擇是對沉積物全氮、全磷和有效磷空間變異結構分析的關鍵，采用GS＋軟件進行半方差理論函數(shù)模型選擇，經比對不同模型產生的R2、RSS等參數(shù)，分別選擇球狀模型、指數(shù)模型為全氮、全磷和有效磷的半方差函數(shù)理論模型，見表2。按照區(qū)域化變量空間相關性程度的分級標準，當C0／C0＋C）＜25%，表明變量的空間變異以結構性變異為主，變量具有強烈的空間相關性；在25%～75%之間，說明變量具有中等程度的空間相關性；當比值＞75%時，表明變量以隨機性變異為主，變量的空間相關性很弱；如果比值接近于l，則說明變量在整個尺度上具有恒定的變異［27］。由表2可以看出，全氮的C0／（C0＋C）值為20．10%，小于25%，說明結構性因素對其空間變異分布影響較大。全磷和有效磷的C0／（C0＋C）分別為42．31%和37．97%，在25%～75%之間，表明全磷和有效磷含量的空間分布具有中等程度空間相關性，隨機效應與結構效應相接近。決定系數(shù)R2較大、殘差RSS較小表明半方差函數(shù)理論模型擬合效果較好，適合于采用Kriging局部內插法進行空間預測。

表2 全氮、全磷和有效磷的半方差函數(shù)理論模型及其相關參數(shù)

2．3 沉積物中氮、磷空間分布特征

選擇上述半方差模型及相關參數(shù)，根據(jù)有限的空間采樣點，運用Kriging插值方法對未抽取樣點的氮、磷含量進行最優(yōu)無偏估計，繪制出研究區(qū)全氮、全磷和有效磷空間插值分布圖（圖2）。

研究區(qū)沉積物中全氮含量自南向北逐漸增加，低值出現(xiàn)在西南部，高值出現(xiàn)在西北部，并形成了幾個比較明顯的島狀高值區(qū)域（見圖2a），以45，46，58號采樣點和31，52號采樣點周邊區(qū)域最高，其次為17，52，53號和35，37，56，55號采樣點周邊區(qū)域，最低區(qū)域主要分布在23，24，25號采樣點周邊。太滆運河河口位于1號采樣點附近，該點附近全氮含量并不是最高，因此處水流較快，不利于元素的沉積，而在離河口稍遠，水流變平緩的45，46，58號和31，52號采樣點周邊的蘆葦群落分布區(qū)域含量最高；同時分布著蘆葦群落的35，55，56號采樣點周邊區(qū)域，離河口位置較遠，全氮含量卻明顯高于離河口較近的其他群落分布區(qū)，但低于位于河口附近的蘆葦群落分布區(qū)；由此可以得出影響研究區(qū)全氮含量的主要因素有兩個，一是濕地植物群落與河口（污染源）的位置關系，靠近河口的植物能先攔截、沉積外源污染物，對比圖1中茭草群落的兩個分布區(qū)域也能驗證了此結論，離河口較近的茭草群落區(qū)大于離河口遠的茭草群落區(qū)；二是濕地植物的類型，蘆葦相比其他幾種植物，其莖葉茂密、根系發(fā)達、生物量大，這就使蘆葦群落對全氮的攔截、沉積能力最強，進而造成研究區(qū)蘆葦群落沉積物中全氮含量整體最高。荷花群落分布區(qū)與離河口位置較近的茭草群落分布區(qū)域（6－9號采樣點周邊區(qū)域）含量大體相當，高于香蒲群落、沉水植物群落分布區(qū)和離河口位置較遠的茭草群落分布區(qū)域（26－28號、49－50號采樣點周邊區(qū)域），后三者之間區(qū)分的不是很明顯，這都是植物密度、分布位置及自身生物學等因素綜合作用的結果。對照區(qū)植物較少，攔截、沉積效果差，且離河口最遠，其含量自然最低。

全磷總體分布與全氮具有一定的相似性，從西南向東北先增加后降低，在蘆葦群落分布區(qū)達到最高，之后在荷花群落分布區(qū)又有所降低；最高值也形成兩個島狀區(qū)域，分別是4，5，18，54號采樣點落的在西北部島狀區(qū)域和35，36，56采樣號點落在的東南部島狀區(qū)域；最低值主要在24，25號兩采樣點周邊區(qū)域（見圖2b）。由此可見，濕地植物對全磷的攔截、沉積效果最好的仍是蘆葦群落，其次茭草群落。全氮和全磷分布情況的基本一致性，反映了濕地植物對沉積物中氮、磷含量高低作用原理的共性。

圖2 研究區(qū)沉積物全氮、全磷和有效磷插值分布

有效磷在空間分布上與全氮和全磷相差較大，基本趨于相反的方向，從南向北成金字塔形依次減少，高值出現(xiàn)在23，24，25號采樣點周邊區(qū)域（見圖2c）。有效磷與全磷、全氮相關分析結果表明，全磷和有效磷在α＝0．01的水平上具有極顯著負相關，相關系數(shù)為－0．316，說明有效磷隨著全磷的增加而逐漸減少。結合濕地植物分布情況，從茭草群落、沉水植物群落、香蒲群落、蘆葦群落到荷花群落有效磷含量大體依次減少，對照區(qū)最高。分析原因，有效磷是可被植物吸收的磷組分，在全磷中的比例很小，對照區(qū)植物分布較少，對有效磷的吸收能力很弱，有效磷占全磷的比例較大，致使該區(qū)含量最高；濕地植物群落分布區(qū)全磷含量較高，并且植物根際微生物很活躍，對磷的活化作用也很強，但采樣正值植物生長最旺盛的7月份，處于對有效磷吸收最強的時期，因此致使?jié)竦刂参锶郝浞植紖^(qū)低于對照區(qū)。特別是蘆葦群落分布區(qū)，全磷含量最高而有效磷較低，說明蘆葦群落對有效磷的吸收能力最強。

3 討 論

通過上述分析，人工濕地植物群落的建植明顯增大沉積物中氮、磷的含量，濕地植物通過攔截、沉積作用，將氮、磷聚集促積在沉積物中，再經生物和化學轉化過程，主要是微生物的降解作用，轉化成能夠被植物吸收的組分，最后儲存在植物體中，起到凈化水環(huán)境的功能。但氮、磷被攔截、沉積并被吸收、儲存到植物體后，并不能保證其就可以從水體中去除，首先，在植物生長周期過程中，凋落、腐爛的代謝體能將被吸收氮、磷重新釋放到水體中，最終會被再次沉積到沉積物中，通過調查發(fā)現(xiàn)，自濕地植被恢復工程以來，一直未對植物進行過收獲，這就造成了研究區(qū)氮、磷在沉積物中一直處于積累狀態(tài)；其次，當?shù)⒘缀砍^臨界飽和值時，沉積物反而作為內源污染源，會將它們釋放到水體中，引起水體的富營養(yǎng)化。所以，及時更新、收獲濕地植物，源源不斷地把氮、磷元素轉移出濕地，并采取疏浚清理沉積物的方式是防止水體再次被污染的重要措施，這樣才能達到最終凈化濕地水體，恢復濕地生態(tài)功能的目的。

4 結 論

（1）全氮、全磷和有效磷含量的變化范圍分別為0．37～5．42 g／kg，1．01～9．06 g／kg和150～760 mg／kg，差異較大，在空間上均呈中等程度的變異性。沉積物中氮素含量相對不是特別高，全氮平均值為1．25 g／kg。磷素含量相對很高，全磷平均值為1．25 g／kg，有效磷平均值為420 mg／kg。

（2）全氮自南向北逐漸增加，低值出現(xiàn)在西南部，高值出現(xiàn)在西北部；全磷從西南向東北先增加后降低，總體分布與全氮基本一致，說明了濕地植物對氮、磷含量高低作用原理的共性；有效磷分布與全氮和全磷相差較大，基本趨于相反的方向，從南向北成金字塔形依次減少。

（3）人工濕地植物群落的建植明顯增大了沉積物中氮、磷含量，蘆葦群落對氮、磷的攔截、沉積、吸收作用最強，茭草群落、香蒲群落、荷花群落和沉水植物群落由于受分布密度、位置以及自身生物學等因素的影響，表現(xiàn)出一定的差異性，但都優(yōu)于對照區(qū)。

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