紅楓湖流域消落帶及其沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量的分布特征

鄧河霞，夏品華，陳文生*，林陶，薛飛

1．武漢工程大學(xué)分析測(cè)試中心，湖北 武漢 430074 2．貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（貴州師范大學(xué)），貴州 貴陽(yáng) 550001

紅楓湖流域消落帶及其沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量的分布特征

鄧河霞1，2，夏品華2，陳文生2*，林陶2，薛飛2

1．武漢工程大學(xué)分析測(cè)試中心，湖北 武漢 430074 2．貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（貴州師范大學(xué)），貴州 貴陽(yáng) 550001

為了解紅楓湖流域消落帶及沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)的含量分布特征，采用實(shí)證調(diào)查、定量及相關(guān)分析的方法，對(duì)各營(yíng)養(yǎng)鹽的含量空間分布規(guī)律以及相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：消落帶及沉積物中各營(yíng)養(yǎng)鹽的含量總體變化趨勢(shì)為庫(kù)區(qū)沉積帶＞對(duì)照帶土壤＞消落帶土壤；消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，總氮(TN)含量范圍在1 626．95～2 926．13 mg/kg，總磷(TP)含量范圍在548．79～714．06 mg/kg，有機(jī)質(zhì)(OM)含量范圍在4．10～6．79 mg/kg之間；消落帶土壤中OM與TN、TP呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性關(guān)系。

紅楓湖水庫(kù)；消落帶；沉積物；營(yíng)養(yǎng)元素

0 引言

紅楓湖水庫(kù)地處貴州中部烏江主要支流貓?zhí)拥纳嫌?，在東經(jīng)106°19′～106°28′和北緯26°26′～26°36′之間，蓄水面積57．2 km2［1～3］．建庫(kù)50年來，在庫(kù)區(qū)兩岸形成特殊的生態(tài)環(huán)境區(qū)域（消落帶），它具有顯著的環(huán)境因子、生態(tài)過程和植物群落梯度，能有效的緩沖和過濾水土流失、養(yǎng)分循環(huán)和非點(diǎn)源污染，是生態(tài)環(huán)境較為脆弱的敏感地帶．長(zhǎng)期以來，消落帶土壤受水位重力侵蝕、水浪沖擊及降雨沖刷脅迫作用，對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素分布產(chǎn)生重要的影響［4～6］．土壤是植被生存的基礎(chǔ)，營(yíng)養(yǎng)鹽是土壤性質(zhì)的重要組成部分，通過其含量綜合分析對(duì)保障水庫(kù)安全具有重要作用［7～8］．

本研究以紅楓湖水庫(kù)消落帶及沉積物為研究對(duì)象，研究了營(yíng)養(yǎng)元素含量的空間分布規(guī)律，并通過相關(guān)分析方法著重探討了消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽的內(nèi)在相關(guān)關(guān)系，旨在為紅楓湖沿岸植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境治理改善提供科學(xué)依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 樣品采集

2011年5月，正值紅楓湖枯水期，水體受氣候影響較?。练e帶的采樣布點(diǎn)為沿北湖至南湖湖心的L1～L10，每個(gè)點(diǎn)位取表層5 cm有以下樣品1個(gè)，如圖1所示，圖中陰影區(qū)代表島嶼.消落帶和對(duì)照帶分別以北湖至南湖沿岸10個(gè)布點(diǎn)S1～S10沿高程取樣，如圖1，2所示.消落帶采樣的3個(gè)高程區(qū)為1236～1238m、1238～1240m、1240～1242m，共計(jì)采集表層土樣30個(gè).對(duì)照帶采樣高程為1244m，共采集表層土樣10個(gè).為研究消落帶營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直分布，隨機(jī)選取S7和S10為代表樣點(diǎn)，垂直5 cm取樣一次，每個(gè)取樣點(diǎn)取3個(gè)樣品（表層樣除外），共計(jì)24個(gè)樣品.土壤及沉積物在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下自然風(fēng)干、研磨，過孔徑100 mm篩備用.

圖1 紅楓湖水庫(kù)采樣點(diǎn)示意圖Fig．1Map of sampling sites in Hongfeng Reservior

圖2 紅楓湖庫(kù)區(qū)消落帶點(diǎn)樣帶剖面簡(jiǎn)圖Fig．2Profile of sampling locations in the water-level-fluctuating zone of hongfeng reservoir

1．2 樣品分析方法

總氮：半微量凱氏定氮法（GB 7173-1987）；總磷：硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法（GB 7852-1987）；有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀酸氧化-外加熱法（GB 7857-1987）；土壤pH：電位法（GB 7859-1987）.

1．3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel工作表作圖和SPSS18．0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).

2 結(jié)果與分析

2．1 紅楓湖水庫(kù)消落帶及沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量特征

紅楓湖水庫(kù)消落帶、對(duì)照帶及沉積帶營(yíng)養(yǎng)鹽含量如表1所示.

表1 不同采樣帶營(yíng)養(yǎng)鹽含量統(tǒng)計(jì)表Table 1The statistics of nutrition salt contents in the three different sampled zone （mg／kg）

從表1可知，庫(kù)區(qū)不同采樣帶土壤的TN、TP和OM的含量總體變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)沉積帶＞對(duì)照帶＞消落帶，表明這3種水體污染物經(jīng)過長(zhǎng)期的反季節(jié)淹水、淘蝕使?fàn)I養(yǎng)鹽得到釋放，并由消落帶遷移至沉積帶，并沉積于水庫(kù)底沉中，可見庫(kù)區(qū)沉積物是一個(gè)龐大的貯存庫(kù).底泥記錄著湖（庫(kù)）區(qū)環(huán)境變化的豐富信息，營(yíng)養(yǎng)鹽含量是湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化過程的標(biāo)志［9-11］.對(duì)照帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽含量＞消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽含量，主要是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量施用化肥有關(guān).

2．2 消落帶營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征分析

2．2．1 消落帶營(yíng)養(yǎng)鹽空間分布特征消落帶營(yíng)養(yǎng)鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，大致呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì).可見人為干擾將會(huì)增加對(duì)照帶的總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)的含量.同時(shí)，紅楓湖水庫(kù)消落帶由于長(zhǎng)期的反季節(jié)淹水、水浪的淘蝕，消落帶內(nèi)土壤營(yíng)養(yǎng)鹽釋放到水中，隨著水淹時(shí)間的延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)鹽含量具有明顯降低.

不同點(diǎn)位，總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量空間分布如圖3（a）（b）（c）所示.由圖可知，各布點(diǎn)在消落帶的營(yíng)養(yǎng)鹽含量隨海拔梯度大致呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，個(gè)別點(diǎn)除外.S7點(diǎn)消落帶1 238～1 240 m總氮、總磷及有機(jī)質(zhì)均明顯偏高，可能原因是此段區(qū)域草坪覆蓋度達(dá)到90%，而對(duì)照帶為雜草地覆蓋度僅為50%，無人為營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入.同時(shí)，由圖3（c）還可以看出，S1～S4有機(jī)質(zhì)含量總體低于S5～S10，表明南湖消落帶有機(jī)質(zhì)含量要高于北湖，原因在于南湖多為農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，農(nóng)戶為增加土壤肥力，提高作物畝產(chǎn)，大量增施有機(jī)肥料.北湖周邊土地多為林地，人為活動(dòng)干預(yù)少，土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來源于枯枝落葉的腐敗.

2.2.2 消落帶營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布特征選取土壤S7和S10進(jìn)行分層采樣，不同海拔、不同層深總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量變化如圖4所示.總體來看，紅楓湖水庫(kù)消落帶總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量在垂直方向上具有大致相似的規(guī)律，均為隨著深度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，表層有著明顯的富集現(xiàn)象，這主要與表層受人類活動(dòng)影響有關(guān).

（1）總氮：兩個(gè)采樣點(diǎn)不同海拔梯度下，土壤總氮含量都隨土壤深度加深呈降低趨勢(shì).地表土壤有機(jī)質(zhì)最多，垂直深度越大，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越少，通過分解有機(jī)物產(chǎn)生的氮素就越低.另外，表層土壤中氧氣較為充足，固氮菌較為活躍，通過硝化作用能有效的固定氮素.隨著土壤深度增加，氧氣含量越低，厭氧菌通過反硝化作用將氮素還原為氮?dú)?

（2）總磷：兩個(gè)采樣點(diǎn)不同海拔梯度下，土壤總磷含量都隨土壤深度加深而呈降低的趨勢(shì)，土壤中的磷素向下垂直遷移的過程中，土壤中的粘土礦物、鐵鋁氧化物、碳酸鈣等礦物顆粒對(duì)磷酸根的專屬性吸附使得磷素被固定下來，其中尤其是鐵鋁氧化物的吸附作用最為強(qiáng)烈［12］，離基巖越近的土壤，得不到基巖風(fēng)化補(bǔ)充磷素，導(dǎo)致總磷含量自土壤表層隨深度衰減．S10隨著深度的下降趨勢(shì)沒有S7明顯，原因可能是土壤中總磷含量的變化主要與成土母質(zhì)有關(guān)，S7點(diǎn)靠近菜園地，菜園地由于磷肥的使用，導(dǎo)致了其一帶土壤中磷素的積累，且隨深度的加深變化趨勢(shì)大；而S10點(diǎn)為受人類生產(chǎn)活動(dòng)干擾影響輕微的灌叢地，土壤層之間的擾動(dòng)不明顯，且不受磷肥的影響，所以S10隨深度的下降趨勢(shì)不大．

圖4 消落帶S7和S10點(diǎn)不同海拔梯度總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量垂直分布Fig．4Vertical distribution of total nitrogen，total phosphorus and organic matter contents along elevation gradient of S7 and S10 samples in the water－level fluctuating zone

（3）有機(jī)質(zhì)：兩個(gè)采樣點(diǎn)不同海拔梯度下，土壤有機(jī)質(zhì)含量都隨土壤深度加深而呈降低的趨勢(shì)，表層有著明顯的富集現(xiàn)象，究其原因可能是植被地上部分大量的掉落物及根系在表土多年積累，加上無人為擾動(dòng)，因而易于表土有機(jī)質(zhì)富集.

2．2．3 消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

（1）消落帶土壤pH與營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

pH是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，影響礦物質(zhì)風(fēng)化、鹽基淋溶、養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化等一系列過程，直接決定著植物生長(zhǎng)的有效元素形態(tài)，它還制約著微生物的群落數(shù)量、構(gòu)成及活性［13］.土壤酸堿度根據(jù)pH大小分為強(qiáng)酸性土（pH＜4．5）、酸性土（pH5．0～6．5）、中性土（pH6．5～7．5）、堿性土（pH7．5～8．5）、強(qiáng)堿性土（pH＞8．5）.

消落帶土壤pH值變幅大，從強(qiáng)酸（PH＜4．5）至微堿性（pH7．5～8．5）土壤均存在，平均pH為6．73. pH值之所以差異很大，可能主要是由于土地利用模式，如工作制度、種植模式等外界因素干擾的影響.表2是通過SPSS分析pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性，從表2中可以看出：pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，且均不顯著，說明總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量變化很大程度上受到其他因素的影響.

表2 土壤pH(x)與土壤營(yíng)養(yǎng)鹽含量(y)相關(guān)性回歸方程Table 2Correlation regression equation between pH and nutrition salt contents in soil

（2）消落帶土壤有機(jī)質(zhì)與總氮、總磷相關(guān)性分析

土壤氮素主要存在于土壤有機(jī)質(zhì)中，而表層土壤高達(dá)80%～97%，因此，土壤有機(jī)質(zhì)累積和分解的速度直接決定總氮大?。?4］.由圖5（a）可知，消落帶土壤有機(jī)質(zhì)含量與總氮含量呈線性相關(guān)，結(jié)果表明，消落帶土壤中有機(jī)質(zhì)含量與總氮質(zhì)量含量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0．759，P＜0．01）.由圖5（b）可知，消落帶土壤有機(jī)質(zhì)含量與總磷質(zhì)量含量也呈線性相關(guān)，結(jié)果表明，消落帶土壤中有機(jī)質(zhì)含量與總磷含量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0．565，P＜0．01）.因此土壤中有機(jī)質(zhì)含量的升高會(huì)增加氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的累積.

圖5 消落帶表層土壤有機(jī)質(zhì)與總氮、總磷回歸分析結(jié)果Fig．5Regression analysis between organic matter and total nitrogen，total phosphorus for the surface soil in water-level fluctuating zone

2．3 庫(kù)區(qū)表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量空間分布特征

庫(kù)區(qū)10個(gè)點(diǎn)位，L1～L4位于南湖，L5～L10位于北湖.庫(kù)區(qū)沉積物總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量的空間分布如圖6所示.

在庫(kù)區(qū)表層沉積物樣品中，其總氮含量均在1 159．79～4 144．77 mg／kg之間，最大值出現(xiàn)在L5點(diǎn)處，最小值出現(xiàn)在L8，最大值與最小值相差約4倍，平均為3 165．54 mg／kg.總氮質(zhì)量含量總體趨勢(shì)為北湖高于南湖，這主要是北湖L1點(diǎn)上游貴州化肥廠、貴州鐵合金廠的工業(yè)廢水、家屬區(qū)生活污水排入北湖，造成北湖一帶沉積物總氮高于南湖，使北湖呈現(xiàn)出氮素污染特征.

總磷質(zhì)量含量在870．29～2 364．81 mg／kg之間，且總體趨勢(shì)為南湖高于北湖，最大值出現(xiàn)在L10點(diǎn)處，最小值出現(xiàn)在L2，最大值與最小值相差約3倍，平均為1 594．72 mg／kg.L10點(diǎn)位于羊昌河、麻線河和后六河三條河流進(jìn)入紅楓湖的交匯處，羊昌河污染最嚴(yán)重，因其上游有一重要點(diǎn)源污染源-貴州天峰化工有限責(zé)任公司，每年入庫(kù)總磷量高達(dá)188噸／年［15］.同時(shí)三條河流（主要是羊昌河）將平壩縣城富含營(yíng)養(yǎng)鹽的生活污水及雨水對(duì)原天峰化工有限公司磷礦石堆積區(qū)淋溶污水帶入湖庫(kù)，造成L10點(diǎn)總磷含量顯著高于其它點(diǎn)，形成南湖總磷較高的污染特征，這與梁小潔等人對(duì)紅楓湖水源污染源主要營(yíng)養(yǎng)元素及污染物調(diào)查結(jié)果相一致［16］.

沉積物中有機(jī)質(zhì)來源于動(dòng)植物殘?bào)w、浮游生物、微生物及水循環(huán)攜帶的其他有機(jī)物等的沉積，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的遷移及轉(zhuǎn)化行為發(fā)揮著重要作用.有機(jī)質(zhì)礦化釋放大量的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，造成水生植物瘋長(zhǎng)，使水體呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，即為水體富營(yíng)養(yǎng)化.紅楓湖水庫(kù)庫(kù)區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5．18%～14．17%之間，且總體趨勢(shì)為北湖高于南湖，最大值出現(xiàn)在L1，最小值出現(xiàn)在L9，最大值與最小值相差約3倍，平均9．52%.L1點(diǎn)最高，可能是因?yàn)槌练e物中的氮主要以有機(jī)氮的形態(tài)存在為主.L9最低，主要是因?yàn)檩斎氲牧状蟛糠挚赡芤詿o機(jī)磷的結(jié)合形態(tài)存在于沉積物中，而有機(jī)磷的結(jié)合形態(tài)很低，所以有機(jī)質(zhì)含量最低.

圖6 庫(kù)區(qū)表層沉積物總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量的空間分布Fig．6Spatial distribution of total nitrogen，total phosphorus and organic matter contents for the surface sediment in lake

3 結(jié)語(yǔ)

a.紅楓湖水庫(kù)流域土壤、沉積物中TN、TP和OM的含量總體變化趨勢(shì)為庫(kù)區(qū)沉積物＞對(duì)照帶土壤＞消落帶土壤.

b.消落帶土壤營(yíng)養(yǎng)鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，總氮質(zhì)量含量在1 626．95～2 926．13 mg／kg之間，總磷質(zhì)量含量在548．79～714．06 mg／kg之間，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量在4．10～6．79 mg／kg之間.

流域土壤營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布規(guī)律：流域土壤中總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量在垂直方向上具有大致相似的規(guī)律，均為隨著深度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，表層有著明顯的富集現(xiàn)象，這主要與表層土壤受人類生產(chǎn)活動(dòng)干擾影響較大有關(guān).

c.pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，且均不顯著，說明總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)含量變化很大程度上受到其他因素的影響.消落帶土壤中有機(jī)質(zhì)含量與總氮含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0．759，P＜0．01），有機(jī)質(zhì)含量與總磷質(zhì)量含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0．565，P＜0．01），說明土壤中有機(jī)質(zhì)含量的升高會(huì)增加氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的累積.

d.庫(kù)區(qū)表層沉積物樣品中，總氮含量總體趨勢(shì)為北湖高于南湖，質(zhì)量含量在1 159．79～4 144．77 mg/kg之間.總磷質(zhì)量含量總體趨勢(shì)為南湖高于北湖，質(zhì)量含量在870．29～2 364．81 mg／kg之間.有機(jī)質(zhì)含量總體趨勢(shì)為北湖高于南湖，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5．18%～14．17%.

致謝

感謝貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水土污染控制與生態(tài)修復(fù)課題組全體成員的支持與幫助！

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Distribution characteristics of nutrient concentration in water－levelfluctuating zone and sediment of Hongfeng Reservoir basin

DENG He－xia1，2，XIA Ping－h(huán)ua2，CHEN Wen－sheng，LIN Tao2，XUE Fei2
1．Analysis and Testing Center of Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China
2．Guizhou Key Laboratory for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment (Guizhou Normal Univesity)，Guiyang 550001，China

To investigate the distribution of nitrogen,phosphorus and organic matter in sediments and water-lever-fluctuating zone in Hongfeng Lake,the spatial distribution rules and the correlation of nutrients were determined by the methods of empirical investigation and quantitative and correlation analysis．Results show that:the concentration of nutrients in water-level-fluctuating zone and sediments descend in the following order:sediments from the lake＞soil in control belt＞soil in water-level-fluctuating zone;the mean concentration of nutrients in water-level-fluctuating zone soil presents increasing trend with the increase of elevation,in which the contents of total nitrogen are 1 626．95 mg/kg～2 926．13 mg/kg and the contents of total phosphorus and organic matterare 548．79 mg/kg～714．06 mg/kg and 4．10～6．79 mg/kg,respectively;there is a significant positive correlation relationship between organic matter and total nitrogen,total phosphorus of soil in water-level-fluctuating．

Hongfenghu Reservior；water－level－fluctuating zone；sediment；nutrient elements．

X53

A

10．3969/j．issn．1674-2869．2014．12．006

1674－2869（2014）012－0027－07

本文編輯：張瑞

2014-09-25

貴陽(yáng)市社會(huì)發(fā)展與民生科技計(jì)劃項(xiàng)目（201053，2011103）

鄧河霞（1986-），女，湖北荊州人，碩士．研究方向：環(huán)境分析化學(xué)．*通信聯(lián)系人