太湖湖濱濕地沉積物營養(yǎng)元素分布特征及其環(huán)境意義

王 瑩，胡維平 （中國科學院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008）

太湖湖濱濕地沉積物營養(yǎng)元素分布特征及其環(huán)境意義

王 瑩*，胡維平 （中國科學院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008）

針對當前修復湖濱濕地去除氮磷營養(yǎng)鹽長期效果的不確定性，以東太湖自然湖濱濕地與東部濱岸區(qū)、竺山灣修復湖濱濕地為代表，采用放射性核素210Pb計年法測定湖濱濕地沉積物的年代，據(jù)此計算出沉積速率，并結(jié)合沉積物柱中粒度組成與碳氮磷的含量變化，推算出自然湖濱濕地沉積物中碳氮磷的平均蓄積量.結(jié)果表明:太湖自然湖濱濕地與修復湖濱濕地沉積物的顆粒組成均以粉砂粒為主.東太湖自然湖濱濕地沉積物的平均沉積速率為:蘆葦群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.近40a來，東太湖自然湖濱濕地單位面積（cm2）沉積物中碳氮磷的蓄積量平均為:總有機碳1408.0mg，總氮138.2mg，總磷14.31mg.對于修復湖濱濕地而言，隨著植物群落的發(fā)育演替，營養(yǎng)元素在修復湖濱濕地系統(tǒng)內(nèi)可以不斷累積，其沉積物庫的蓄積量潛力很大，在控制外源污染輸入的前提下，湖濱濕地具有凈化水質(zhì)的長期環(huán)境效應.

湖濱濕地；沉積物；粒度分布；碳；氮；磷

目前，太湖水質(zhì)不斷下降和富營養(yǎng)化日趨嚴重，湖濱濕地具有涵養(yǎng)水源、凈化污染物、改善水質(zhì)、維持生物多樣性等多種生態(tài)功能，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要保護屏障［1-5］.因此，湖濱濕地恢復和建設(shè)被當作太湖水質(zhì)改善和健康生態(tài)系統(tǒng)重建的重要手段［6-11］.為提高太湖水體凈化污染物的能力，抑制藻類生長，2007 年以來，江浙兩省在太湖湖濱帶進行了大規(guī)模濕地的建設(shè)和修復.研究結(jié)果顯示濕地具有改善水質(zhì)的重要作用［12-17］，但這些研究大多基于湖濱濕地修復后的前5年內(nèi)，修復后的湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性與環(huán)境效應仍有待研究.由于修復時間短，其長期環(huán)境效應的評價難以獲得樣本.

沉積物作為湖濱濕地的3大環(huán)境要素之一，通過吸附、過濾、攔截、沉淀作用以及水生植物殘體的堆積，成為碳氮磷等營養(yǎng)元素遷移的一個主要歸宿.沉積物記錄了湖泊及其流域內(nèi)環(huán)境變化的信息，是環(huán)境演變的一種重要研究手段.精確確定沉積物的沉積年代，是提取過去環(huán)境信息、評價當前環(huán)境質(zhì)量以及預測未來環(huán)境變化的關(guān)鍵.應用環(huán)境放射性核素210Pb、137Cs等作為地球化學指示劑，可以確定沉積物的年代進而勾畫出沉積序列、確定沉積速率，結(jié)合沉積物柱樣剖面中各種元素的環(huán)境背景值含量分析，能清晰地得到背景值的變化軌跡，為背景值成因研究提供真實的依據(jù)［18-21］.

本文以太湖湖濱濕地為研究對象，選取自然濕地與修復濕地，通過采集沉積物柱狀樣，應用放射性同位素210Pb作為地球化學指示劑，對沉積物柱芯測年，計算沉積速率；同時測定分析沉積物中碳氮磷含量的垂向變化，從而推算出營養(yǎng)元素在湖濱濕地沉積物庫中的平均蓄積量，旨在預測湖濱濕地在時間尺度上環(huán)境效應的變化，更好地發(fā)揮湖濱濕地生態(tài)屏障的功能.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖（30°56′～31°34′N、119°54′～120°36′E）水面面積2338km2，流域面積36500km2，湖泊平均水深1.89m，是典型的淺水湖泊.流域內(nèi)地形以平原為主，河道眾多，與湖體相通的河（港）達224 條.太湖水系有入、出湖之分，湖之北以梁溪河口為界，湖之南以吳港為界，分界點以西為入湖水系（苕溪、合溪、南溪、洮滆四大水系和京杭運河來水），以東為出湖水系（黃浦江、京杭運河兩大水系）.太湖臨江、浙、皖、滬三省一市，處經(jīng)濟發(fā)達區(qū)，兼有旅游、供水、航運、灌溉、養(yǎng)殖等多種功能，流域內(nèi)污染負荷量巨大，湖體富營養(yǎng)化趨勢明顯［22］.

東太湖位于蘇州市以南，30°58′N～3l°07′N，120°25′E～120°35′E，是太湖東南部東山半島東側(cè)的湖灣，典型的淺水草型湖泊.南起東茭嘴至陸家港一線，北端一直延伸到瓜涇口，總長度27.5km，最大寬度9.0km，環(huán)湖大堤包圍的面積為185.4km2（含東茭嘴血防圩），平均水深不到1.2m.水生植被群落現(xiàn)處于受擾動后的次生演替階段［23］，挺水植物主要有蘆葦（Phragmites communis）、茭草（Zizania caduciflora）、香蒲（Typha orientalis）、牛鞭草（Hemarthria altissima）、荷（Nelumbo nucifera）.因此，東太湖未受破壞的自然湖濱濕地沉積物柱是研究湖濱濕地長期環(huán)境效應的理想對象.

東部濱岸區(qū)的太湖湖濱濕地公園位于蘇州市吳中區(qū)西南角，于2008年7月成立，包括太湖度假中心區(qū)范圍內(nèi)15km湖岸線及長沙島部分區(qū)域，總面積7.5km2.景觀內(nèi)挺水植物以蘆葦、香蒲為優(yōu)勢種.竺山灣位于太湖西北角，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.2005年當?shù)卣槍λ蛭廴締栴}實施了濕地植被恢復工程，挺水植物以蘆葦、茭草為優(yōu)勢種，經(jīng)過幾年后現(xiàn)已基本形成穩(wěn)定的濕地植物群落.太湖濕地公園與竺山灣人工修復湖濱濕地可以作為新建濕地與自然濕地的碳氮磷蓄積量加以對比.

1.2 樣品采集與處理

圖1 太湖湖濱濕地采樣點位置示意Fig.1 Sampling sites in the lakeside wetlands of Lake Taihu

2011年6月在太湖東太湖、東部濱岸區(qū)、竺山灣3個湖區(qū)湖濱濕地共設(shè)9個采樣點（各采樣點概況見表1、圖1），利用直徑為10cm的重力采樣器采集沉積物柱狀樣，現(xiàn)場將樣品按1cm分層，裝入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，帶回實驗室.樣品采回后，于陰涼干燥通風處自然風干，剔除雜質(zhì)，研磨、過篩（孔徑2mm和0.15mm），保存于干凈的封口塑料袋中備用.

表1 太湖湖濱濕地采樣點概況Table 1 General conditions in the sampling sites

1.3 樣品分析方法

1.3.1210Pb測定 分析樣品為一定量的研磨至過100 目孔篩的干沉積物樣品.210Pb放射性比活度通過γ譜分析系統(tǒng)直接分析γ射線能譜得到.分析儀器為美國EG&G Ortec公司生產(chǎn)的由高純鍺井型探測器（Ortec HPGe GWL）與Ortec 919型譜控制器和IBM微機構(gòu)成的16k道多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng).226Ra標準樣品由中國原子能研究院提供，210Pb標準樣品由英國利物浦大學做比對標準.

1.3.2 粒度測定 樣品粒度分析測量儀器為英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度分析儀，粒徑測量范圍為0.02～2000 μm，可提供每一粒度組分的百分含量、頻率曲線、累積曲線及其它各種粒度參數(shù).每個樣品取0.5g左右進行前期處理，首先加入蒸餾水和10%的過氧化氫去除樣品中的有機質(zhì)，加10%的鹽酸去除無機碳（主要是鈣質(zhì)膠結(jié)物），靜置24h，然后加入六偏磷酸鈉分散劑，搖勻，置超聲振蕩器中振蕩15min，使顆粒充分分散.利用激光粒度儀的測量軟件直接輸出分析所需的各參數(shù).

1.3.3 碳氮磷測定 總有機碳、總氮使用元素分析儀（Elementar Vario EL， 德國）測定，總磷使用等離子發(fā)射光譜儀（ICP， 德國）測定.

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理及其相關(guān)分析用Excel 2007與SPSS 13.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 自然湖濱濕地沉積物計年結(jié)果

東太湖自然湖濱濕地沉積物柱芯中210Pbex的垂直分布如圖2所示.210Pbex的比活度隨深度衰減，考慮到湖濱濕地沉積物中210Pb主要來源于表層侵蝕產(chǎn)物，因此采用CIC計算模式.CIC模式的計年公式為［24］:

式中:t為沉積物年代，C0、Cx分別為沉積物表層和深度為x處210Pbex比活度，λ為210Pb的衰變常數(shù)，取0.03114a-1.

由此算得東太湖自然湖濱濕地沉積物的平均沉積速率為:蘆葦群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.

2.2 自然湖濱濕地沉積物粒度組成與分布

從圖3可以看出，沉積物粒度變化較為穩(wěn)定，組分以粉砂粒為主，其中黏粒組分（≤0.002mm占3.95%～13.38%，粉砂粒組分（0.002～0.05mm）占53.84%～89.38%，砂粒組分（0.05～2mm）占1.00%～39.90%.

圖2 東太湖自然湖濱濕地沉積物柱芯中210Pbex的垂直分布Fig.2 Vertical profiles of210Pbexin natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

圖3 東太湖自然湖濱濕地沉積物柱粒度組成的垂直分布Fig.3 Vertical profiles of grain-size in natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

粒度組成是表述沉積物特征的重要指標之一，可以追溯沉積物形成的水動力學性質(zhì)、物質(zhì)來源、輸送介質(zhì)和沉積環(huán)境等［25-29］.不同粒徑的百分含量反映不同的沉積環(huán)境，砂粒的含量高說明沉積環(huán)境不穩(wěn)定，水動力條件強；細顆粒的含量高表示沉積環(huán)境穩(wěn)定，水動力條件較弱［29］.

本研究顯示，自然湖濱濕地的顆粒組成以粉砂粒為主，這是因為在湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)中，扎根于底泥中的水生植物能夠改變湖水的動力學狀態(tài)和減小湖水對底泥的沖刷強度［30］，使細顆粒沉降下來.在東太湖自然湖濱濕地沉積物柱中，粒度組分變化大致保持穩(wěn)定，反映了其沉積過程主要受自然因素（如降水和洪水等）控制，受人類干擾較小，為自然沉積過程.

2.3 自然湖濱濕地沉積物碳氮磷垂直分布

圖4 東太湖自然湖濱濕地沉積物柱碳氮磷的垂直分布Fig.4 Vertical profiles of TOC， TN， TP in natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

由圖4可知，東太湖自然湖濱濕地不同植被沉積物中總有機碳含量隨深度增加，表現(xiàn)出明顯的降低趨勢；總氮含量變化沒有有機碳顯著，但總體也呈現(xiàn)出隨深度遞減的變化趨勢；總磷含量在荷群落沉積物中逐層遞減，而在其他植被沉積物中則沒有明顯的變化規(guī)律.

結(jié)合各柱狀沉積物的平均沉積速率，可得東太湖自然湖濱濕地沉積物中碳氮磷的平均蓄積量（表2）.

東太湖在20世紀60年代未開發(fā)前，水生植被的群落處于原生演替階段，此后由于圍湖造田和漁業(yè)生產(chǎn)等人為干預，水生植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，處于受擾動后的次生演替.東太湖開發(fā)利用40a來，水生高等植物現(xiàn)存量持續(xù)增加，由1960年的504g/m2增加到1997年的3816g/m2，植被覆蓋率達91%［23］.東太湖周圍多為出湖河流［31］，因此受生活污水影響較小，大量水生植物殘體成為湖濱濕地沉積物碳氮磷的主要來源.本研究表明，近40a來，東太湖自然湖濱濕地單位面積（cm2）沉積物中碳氮磷的蓄積量平均為:總有機碳1408.0mg，總氮138.2mg，總磷14.31mg.

2.4 修復湖濱濕地沉積物粒度分布與碳氮磷含量

從表3可以看出，0～25cm深度范圍修復湖濱濕地沉積物顆粒組分以粉砂粒為主，其中東部濱岸區(qū)湖濱濕地沉積物中，黏粒組分平均占14.17%，粉砂粒組分平均占79.49%，砂粒組分平均占6.35%；竺山灣湖濱濕地沉積物中，黏粒組分平均占12.49%，粉砂粒組分平均占81.30%，砂粒組分平均占6.21%.0～25cm修復湖濱濕地沉積物中碳氮磷的平均含量與東太湖自然湖濱濕地沉積物底層含量相近，其中東部濱岸區(qū)湖濱濕地沉積物中，總有機碳含量平均為30.7g/kg，總氮含量平均為3.5g/kg，總磷含量平均為0.195g/kg；竺山灣湖濱濕地沉積物中，總有機碳含量平均為39.0g/kg，總氮含量平均為4.1g/kg，總磷含量平均為0.954g/kg.

表3 修復湖濱濕地沉積物粒度分布與碳氮磷含量Table 3 Grain-size distribution and TOC， TN， TP contents in restored lakeside wetlands of Lake Taihu

對于修復湖濱濕地而言，其表層沉積物碳氮磷含量接近于自然湖濱濕地沉積物底層含量，這說明太湖湖濱濕地沉積物中營養(yǎng)元素本底值相近.隨著植物群落的發(fā)育演替，營養(yǎng)元素在修復湖濱濕地系統(tǒng)內(nèi)可以不斷累積，其沉積物庫的蓄積量潛力很大，在控制外源污染輸入的前提下，湖濱濕地具有凈化水質(zhì)的長期環(huán)境效應.

3 結(jié)論

3.1 太湖自然湖濱濕地與修復湖濱濕地沉積物的顆粒組成均以粉砂粒為主.在東太湖自然湖濱濕地沉積物柱中，粒度組分變化大致保持穩(wěn)定，反映了其沉積過程主要受自然因素控制，受人類干擾較小，為自然沉積過程.

3.2 利用210Pb計年法CIC模式計算得到東太湖自然湖濱濕地沉積物的平均沉積速率為:蘆葦群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.近40a來，東太湖自然湖濱濕地單位面積（cm2）沉積物中碳氮磷的蓄積量平均為:總有機碳1408.0mg，總氮138.2mg，總磷14.31mg.對于修復湖濱濕地而言，隨著植物群落的發(fā)育演替，營養(yǎng)元素在修復湖濱濕地系統(tǒng)內(nèi)可以不斷累積，其沉積物庫的蓄積量潛力很大，在控制外源污染輸入的前提下，湖濱濕地具有凈化水質(zhì)的長期環(huán)境效應.

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Nutrients distribution characteristics and their environmental significance of Taihu lakeside wetland sediments.

WANG Ying*， HU Wei-ping （Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：204～210

Lakeside wetland is an important transition zone between the aquatic ecosystem and the adjacent terrestrial ecosystem. In recent years， extensive lakeside wetland restoration projects of Lake Taihu have been carried out. However，the long-term function and sustainability of lakeside wetland restorations remain largely unexplored. Taking the natural lakeside wetland in Dongtaihu Bay， the restored lakeside wetland in the Eastern Shoreline and Zhushan Bay as a case， this paper calculated sedimentation rates with high-resolution radionuclide timing （210Pb-date to age-depth profile translation），and combined with grain-size and vertical distribution characteristics of TOC， TN， TP to analyze accumulations of TOC，TN， TP in the natural lakeside wetland sediments. The results showed that the sediments were mainly compromised of silt in either natural lakeside wetland or restored one. The average sedimentation rates of natural lakeside wetland in Dongtaihu Bay were: 0.74cm/a of Phragmites communis， 0.69cm/a of Zizania caduciflora， 1.24cm/a of Typha orientalis，1.27cm/a of Hemarthria altissima， 0.81cm/a of Nelumbo nucifera. In recent 40years， the accumulations of TOC， TN， TP（per cm2） in natural lakeside wetland sediments of Dongtaihu Bay were: TOC 1408.0mg， TN 138.2mg， TP 14.31mg. For the restored lakeside wetland， with development of vegetation， the accumulations of nutrients in the restored lakeside wetland would be increasing. There is a large potential in sediment pool. As the external pollution under control， the lakeside wetland has a long-term function of purifying water.

lakeside wetland；sediment；grain-size distribution；TOC；TN；TP

X171.5

A

1000-6923（2015）01-0204-07

王 瑩（1981-），女，山東濟寧人，博士，主要從事濕地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)研究.發(fā)表論文6篇.

2014-04-23

太湖西岸湖濱濕地生態(tài)重建技術(shù)研究與示范（TH2011209）；國家自然科學基金（31170417）

* 責任作者， 博士， yingwang1020@hotmail.com