拉魯濕地沉積物碳氮磷分布及污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

任靜雯,王佳俊,周 磊,徐德福①,張建偉

(1.大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)數(shù)理與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210044)

濕地是地球上陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)間的一種重要生態(tài)系統(tǒng)[1]，它承載了碳、氮和磷的源匯功能，且對其具有較強(qiáng)的截留和過濾功能[2]。而濕地沉積物對氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)具有儲(chǔ)存功能，一方面可以存儲(chǔ)上層水中的污染物，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。另一方面，它還會(huì)將污染物中的養(yǎng)分再次釋放到水體中，造成二次污染[3]，加劇水體富營養(yǎng)化和有機(jī)污染現(xiàn)象。近年來，氣候因素、人類活動(dòng)等都不同程度地威脅著濕地生態(tài)系統(tǒng)，從而導(dǎo)致濕地破壞、生物多樣性銳減、土壤有機(jī)質(zhì)含量下降等問題[4]，因此有必要研究濕地沉積物中碳、氮、磷的含量與分布情況，以期改善濕地環(huán)境質(zhì)量[5]。

拉魯濕地位于西藏自治區(qū)拉薩市的西北部，其平均海拔為3 645 m，占地面積超過1 000 hm2，是全球海拔最高、面積最大的城市內(nèi)部天然濕地，植被以高寒草甸為主[6]。拉魯濕地所在的拉薩河谷屬藏南高原高寒半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。陽光充足日照長，空氣干燥蒸發(fā)大，降雨量少氣壓低，東風(fēng)最多，西風(fēng)大，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，靜風(fēng)頻率低，雨旱兩季分明，全年降雨量大多集中在6—9月，熱量水平不高，氣溫低[7]。拉魯濕地具有多種生態(tài)服務(wù)功能，例如凈化水源、調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂?、為科學(xué)研究和文化教育提供素材，尤其是對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有巨大的作用[8]。拉魯濕地的水源主要是流沙河、拉薩河和堆龍河，相關(guān)的渠系主要包括南干渠、北干渠和中干渠[9]。

碳、氮、磷是按照不同比例存在于生物體中的3個(gè)主要的生源要素，它們之間的比率的動(dòng)態(tài)變化決定著生物和生態(tài)系統(tǒng)的主要特性[10]。我國學(xué)者對一般濕地沉積物碳、氮和磷污染進(jìn)行了大量研究[11]，但是對于高寒濕地的研究較少。作為高寒濕地，拉魯濕地系統(tǒng)更具有全球變化的敏感性，其沉積物中碳、氮、磷的含量與分布也必有特殊性。目前對拉魯濕地的研究多集中在拉魯濕地水質(zhì)評價(jià)[12]、植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性[13]、濕地中水源中重金屬元素的分布等[14]，對拉魯濕地沉積物碳、氮、磷的研究鮮見報(bào)道。為此，筆者研究了枯水期和豐水期拉魯濕地沉積物的總氮(TN)、總磷(TP)和有機(jī)質(zhì)(OM)的分布特征，并對其污染等級進(jìn)行評價(jià)，旨在系統(tǒng)闡明拉魯濕地沉積物的污染現(xiàn)狀，從而為拉魯濕地的水資源管理與保護(hù)及水體富營養(yǎng)化的源頭防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

拉魯濕地呈東西帶狀分布，東北地勢較高，西南地勢較低。魯定北路由南向北橫穿濕地，將其分為東西兩片濕地，濕地的北面為高山，南面緊靠拉薩市城區(qū)，以中干渠和拉薩河的丹格路為界，西面直至加油站，以北面高山和新建的二環(huán)路交接處為界，東面與疆覺曲米林卡及拉薩市城關(guān)區(qū)拉魯鎮(zhèn)居民區(qū)接壤[15]，東北面和流沙河相連，流沙河是一條典型的季節(jié)性河流，其徑流量大多集中在4—11月。拉魯濕地多年平均氣溫7.13 ℃，最高29.4 ℃，最低-16.5 ℃；多年平均降水量428.1 mm，多集中在6—9 月，約占全年的89%；多年平均蒸發(fā)量2 306.5 mm，平均相對濕度44%。拉魯濕地的來水主要通過南干渠、中干渠、北干渠(三渠)引取獻(xiàn)多水電站尾水，另外一部分來水來源于流沙河。3月進(jìn)入拉魯濕地的水量最低，約為5.8 m3·s-1，8月進(jìn)入拉魯濕地的水量最高，為9.31 m3·s-1。由于拉魯濕地東北高西南低，海拔相差8 m左右，因此在枯水期拉魯濕地的東北部分區(qū)域缺水，未有地表水覆蓋，存在明顯的干濕交替。

于2018年12月(枯水期)和2019年5月(豐水期)進(jìn)行采樣，沿濕地邊緣且有水域地帶分別設(shè)置了59和48個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。根據(jù)拉魯濕地的地勢和水文特點(diǎn)，將枯水期采樣點(diǎn)分為西部(1～13樣點(diǎn))、中西部(14～16、58～59樣點(diǎn))、北部(17～25樣點(diǎn))、東部(26～34樣點(diǎn))、南部(35～57樣點(diǎn))5個(gè)區(qū)域；將豐水期的采樣點(diǎn)分為西部(1～11樣點(diǎn))、中西部(12～16、47樣點(diǎn))、北部(17～26樣點(diǎn))、東部(27～35樣點(diǎn))、南部(36～46、48樣點(diǎn))。

1.2 樣品采集與分析

采集表層沉積物樣品，裝入儲(chǔ)存袋中帶回實(shí)驗(yàn)室分析。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后去除動(dòng)植物殘?bào)w和砂石等雜質(zhì)，研磨過0.15 mm孔徑篩并裝入聚乙烯封口袋備用。沉積物中TN含量采用凱氏法測定；沉積物中TP含量采用NaOH堿熔-鉬銻抗分光光度法測定；沉積物中OM含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

1.3 污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)

綜合污染指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法是評價(jià)濕地沉積物污染狀況的常用方法，但是單一方法并不能全面評價(jià)拉魯濕地沉積物的污染狀況。為此，將綜合污染指數(shù)法[16]中TN與TP的評價(jià)參數(shù)與有機(jī)污染指數(shù)法[17]中有機(jī)氮(ON)、有機(jī)質(zhì)(OM)含量相結(jié)合，用于評價(jià)拉魯濕地沉積物的污染狀況，具體評價(jià)過程如下：

(1)綜合污染指數(shù)評價(jià)

采用TN和TP的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(0.55和0.60 g·kg-1)，與加拿大安略省環(huán)境和能源部發(fā)布指南中沉積物中能引起最低級別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)的TN和TP含量一致[18]，單向污染指數(shù)計(jì)算公式為[19]

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Si為單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Si>1表明含量超過評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Ci為評價(jià)因子i的實(shí)測值，g·kg-1；Cs為評價(jià)因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，g·kg-1，TN的Cs為0.55 g·kg-1，TP為0.60 g·kg-1[20]；FF為綜合污染指數(shù)；F為n項(xiàng)污染物TN和TP污染指數(shù)(STN和STP)平均值；Fmax為最大單項(xiàng)污染指數(shù)(STN和STP的最大值)。沉積物氮、磷污染程度分級見表1。

(2)有機(jī)污染指數(shù)評價(jià)

由于綜合污染指數(shù)法中的局限性，無法對OM指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，因此采用有機(jī)污染指數(shù)法完善對拉魯濕地沉積物中的有機(jī)污染評價(jià)，沉積物有機(jī)污染評價(jià)公式及標(biāo)準(zhǔn)見公式(3)～(5)及表2。

IO=COC×CON,

(3)

COC=COM/1.724 ，

(4)

CON=CTN× 0.95 。

(5)

式(3)～(5)中，IO為有機(jī)污染指數(shù)，%；COC、COM、CON和CTN分別為有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)氮和總氮含量，%。

表1 沉積物綜合污染程度分級[21]Table 1 Classification of comprehensive pollution degree of sediments

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2017軟件對拉魯濕地沉積物中含量空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；使用ArcGIS 10.7軟件反距離權(quán)重插值法(IDW分析法)對拉魯濕地TN、TP和OM含量以及污染指數(shù)進(jìn)行空間分析；使用SPSS 22.0軟件對拉魯濕地沉積物中TN、TP和OM含量及其化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析。

表2 沉積物有機(jī)氮和有機(jī)指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]Table 2 Criteria for evaluation of organic nitrogen and organic index of sediments

2 結(jié)果與討論

2.1 枯水期和豐水期沉積物TN、TP和OM的含量分布特征

圖2為拉魯濕地枯水期和豐水期的TN、TP和OM含量?？菟诔练e物TN含量在0.18～6.35 g·kg-1之間，平均值為1.78 g·kg-1。西部平均值(1.36 g·kg-1)和北部平均值(0.85 g·kg-1)顯著低于中西部(3.43 g·kg-1)(P<0.05)。豐水期沉積物TN含量在0.10～3.95 g·kg-1之間，平均值為1.37 g·kg-1，不同區(qū)域TN含量差異顯著。沉積物中TN含量最高值(3.95 g·kg-1)出現(xiàn)在南部地區(qū)，北部平均值(0.59 g·kg-1)最低且顯著低于其他區(qū)域(P<0.05)。

枯水期沉積物TP含量在0.33～2.88 g·kg-1之間，平均值為1.33 g·kg-1(圖4)。西部平均值(1.78 g·kg-1)顯著高于北部(1.15 g·kg-1)、東部(1.22 g·kg-1)和南部平均值(1.23 g·kg-1)(P<0.05)。豐水期沉積物TP含量在0.31～1.26 g·kg-1之間，平均值為0.74 g·kg-1，空間分布差異較明顯。沉積物中TP含量最高值出現(xiàn)在中西部地區(qū)，為1.26 g·kg-1，TP含量最低值出現(xiàn)在南部地區(qū)，為0.31 g·kg-1。北部平均值(0.67 g·kg-1)顯著低于中西部(0.90 g·kg-1)(P<0.05)。

有機(jī)質(zhì)(OM)對營養(yǎng)元素在沉積物中的遷移、轉(zhuǎn)化過程有重要的作用[23]。已有研究表明，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的原因之一就是沉積物中的OM在礦化過程中釋放大量的碳、氮、磷等營養(yǎng)元素[24]?？菟贠M含量在27.18～268.98 g·kg-1之間，平均值為98.11 g·kg-1，不同區(qū)域差異顯著，中西部(187.37 g·kg-1)和東部平均值(141.76 g·kg-1)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05)。豐水期OM含量在9.65～279.17 g·kg-1之間，平均值為68.43 g·kg-1，不同區(qū)域存在差異。

枯水期不同區(qū)域OM和TN含量變化規(guī)律一致，均為中西部>東部>南部>西部>北部，說明TN與OM相互影響，且濕地中植物對TN和OM含量的影響較大。此外，趙海超等[25]研究表明，洱海表層沉積物中OM含量在25.70～148.90 g·kg-1之間，平均值為52.00 g·kg-1。魏偉偉等[26]報(bào)道太湖竺山灣緩沖帶內(nèi)濕地表層沉積物中OM含量在11.60～60.70 g·kg-1之間，平均值為29.80 g·kg-1，可見枯水期和豐水期拉魯濕地沉積物中OM含量都較高，潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)較高。

2.2 枯水期和豐水期沉積物TN、TP和OM的空間分布特征

由圖3可知，拉魯濕地枯水期N含量較豐水期高?？菟贜含量高的區(qū)域主要集中在中西部和東部，豐水期主要集中在中西部和東南部?？菟诤拓S水期北部N含量均較低。TP的空間分布與TN一致，枯水期P含量較豐水期高?？菟赑含量高的區(qū)域主要集中在西部、中西部和東部，而豐水期則主要集中在西部和東部。綜上可知，枯水期和豐水期拉魯濕地沉積物TN和TP含量存在差異，且枯水期大于豐水期，其原因可能與枯水期和豐水期的降水量、地表徑流量的不同有關(guān)。另外濕地的生物量也影響了污染物的積累[27]?？菟谥参飻?shù)量少，對水體的凈化功能減弱，從而導(dǎo)致污染物的累積；豐水期水質(zhì)自凈能力較好，污染物含量比枯水期低。此外，枯水期和豐水期北部沉積物TN和TP含量均比較低，因其靠近流沙河進(jìn)水口，上游來水所受阻力小，流速較快，水質(zhì)比較好，污染物沉積作用較弱。而下游地區(qū)(南部和西部)污染物易沉積，且靠近人類活動(dòng)區(qū)，容易受到外源污染，因此沉積物中TN和TP含量較高。

枯水期OM含量高的區(qū)域主要集中在中西部和東部，豐水期則主要集中在南部和中西部。沉積物中OM一部分來源于生活污水，另一部分來源于水生動(dòng)物和植物殘?bào)w的沉積，這類有機(jī)殘?bào)w在水體營養(yǎng)鹽交換過程中起著極其重要的作用[28]，它們在濕地生物的分解和礦化作用下不斷與上覆水發(fā)生交換，最終沉積并埋藏在沉積物中。由上可知，枯水期OM含量總體上高于豐水期，且枯水期和豐水期中西部和南部沉積物OM含量都顯著高于其他區(qū)域(P<0.05)，這可能與有機(jī)質(zhì)的長期沉降和積累、水體流速和區(qū)域人類活動(dòng)等有關(guān)。豐水期水流速度較快，污染物不易沉積積累，枯水期植物大多死亡，植物殘?bào)w較多，易造成有機(jī)質(zhì)的積累，所以枯水期OM含量高于豐水期。另外，南部和中西部植物生物量較高，其下部根莖多而粗壯，交織在一起，因此水流速度較慢，且植物枯落后殘?bào)w經(jīng)過微生物分解和礦化逐步積累在沉積物中，因此南部和中西部沉積物OM含量比較高。

2.3 拉魯濕地沉積物TN、TP和OM相關(guān)性

拉魯濕地沉積物中TN、TP和OM的相關(guān)性分析如表3所示，枯水期沉積物OM、TN和TP之間都呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明C、N和P具有同源性。植物在生長過程中從土壤中吸收N和P，并且從大氣中吸收C進(jìn)行光合作用，所以土壤中的C、N和P普遍存在顯著正相關(guān)性[29]。而到了豐水期，OM和TP無相關(guān)性，說明枯水期和豐水期拉魯濕地沉積物中的N、P污染來源有差異。

表3 拉魯濕地沉積物TN、TP、OM含量的相關(guān)性Table 3 Correlation of TN, TP and OM in sediments of Lhalu wetland

2.4 拉魯濕地不同區(qū)域的C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征

拉魯濕地枯水期和豐水期沉積物C、N、P化學(xué)計(jì)量比在不同區(qū)域間存在顯著差異(P<0.05)(圖4)。整體而言，枯水期C/N比為15.04～85.31，均值為37.22，北部顯著高于其他區(qū)域(P<0.05)。沉積物C/P比為11.34～168.29，均值為44.41，中西部最高，西部最低。沉積物N/P比為0.19～3.66，均值為1.32，中西部最高，西部最低。

豐水期沉積物C/N比為3.09～97.46，均值為25.86，西部顯著低于其他區(qū)域(P<0.05)。C/P比為4.5～184.99，均值為42.22，南部顯著高于其他區(qū)域(P<0.05)。沉積物N/P比為0.11～12.63，均值為2.04，東部和南部較高，北部最低且顯著低于其他區(qū)域(P<0.05)。

C/N比可以反映沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源，一般認(rèn)為C/N比大于10時(shí)沉積物中有機(jī)質(zhì)以外源為主；C/N比為10時(shí)內(nèi)源和外源有機(jī)質(zhì)基本平衡；C/N比小于10時(shí)沉積物中有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源為主[30]。由上可知，枯水期和豐水期沉積物主要以外源有機(jī)質(zhì)為主。另外，C/N比還是氮礦化能力的重要指標(biāo)，通過C/N比可知有機(jī)質(zhì)在分解過程是礦化還是微生物固持，C/N比較低有利于氮的礦化養(yǎng)分釋放，一般認(rèn)為C/N比低于25～30會(huì)出現(xiàn)礦化過程，因此豐水期拉魯濕地沉積物具有礦化作用。

2.5 拉魯濕地沉積物污染評價(jià)

2.5.1拉魯濕地沉積物綜合污染指數(shù)評價(jià)

拉魯濕地枯水期不同區(qū)域沉積物TN單向污染指數(shù)的最小值為1.36，最大值為3.74，平均值為2.47(表4)，西部和北部均為中度污染，其他區(qū)域均為重度污染。TP單向污染指數(shù)的最小值為1.68，最大值為2.66，平均值為2.19，所有區(qū)域均為重度污染。綜合污染指數(shù)從大到小依次為東部(4.46)>南部(4.45)>中西部(3.53)>西部(2.97)>北部(1.86)，北部為中度污染，其余區(qū)域均為重度污染。

表4 拉魯濕地沉積物綜合污染評價(jià)Table 4 Evaluation of comprehensive pollution of sediments in Lhalu Wetland

豐水期不同區(qū)域沉積物TN單向污染指數(shù)的最小值為0.71，最大值為3.21，平均值為2.16，北部為輕度污染，西部為中度污染，其余區(qū)域都為重度污染；TP單向污染指數(shù)的最小值為1.11，最大值為1.50，平均值為1.27，除了中西部為重度污染，其他區(qū)域均為中度污染。綜合污染指數(shù)從大到小依次為南部(4.21)>東部(3.78)>中西部(3.15)>西部(1.87)>北部(1.25)，且北部屬于輕度污染，西部屬于中度污染，其他區(qū)域都屬于重度污染。

2.5.2拉魯濕地沉積物有機(jī)污染指數(shù)評價(jià)

拉魯濕地不同區(qū)域沉積物有機(jī)污染狀況存在差異(表5)，枯水期有機(jī)氮污染指數(shù)大小分布為中西部(0.33)>東部(0.22)>南部(0.15)>西部(0.13)>北部(0.08)，有機(jī)污染指數(shù)大小分布為中西部(3.54)>東部(1.43)>南部(0.78)>西部(0.48)>北部(0.24)。

北部有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)最低，西部較低，均屬于中度污染，其余區(qū)域有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)較高，屬于重度污染，有機(jī)污染狀況較為嚴(yán)重。

豐水期有機(jī)氮污染指數(shù)分布為東部(0.18)>南部(0.17)>中西部(0.15)>西部(0.12)>北部(0.06)，有機(jī)污染指數(shù)由大到小為南部(1.03)>東部(0.69)>中西部(0.61)>西部(0.38)>北部(0.08)。其中北部有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)都最低，介于1級與2級標(biāo)準(zhǔn)之間，屬于較清潔狀態(tài)；西部有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)也較低，屬于中度污染狀態(tài)；中西部、東部和南部有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)都較高，達(dá)到4級標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)污染狀況較為嚴(yán)重。

表5 拉魯濕地沉積物的有機(jī)污染評價(jià)Table 5 Evaluation of organic pollution of sediments in Lhalu wetland

比較枯水期和豐水期的有機(jī)氮和有機(jī)污染指數(shù)空間分布(圖5)，可知枯水期污染程度較嚴(yán)重，豐水期污染程度較輕，且枯水期和豐水期有機(jī)污染都主要集中在中西部、東部和南部，北部較為清潔。對比2種評價(jià)結(jié)果可知，拉魯濕地沉積物綜合污染和有機(jī)污染水平基本處于中度污染和重度污染之間，富營養(yǎng)化現(xiàn)象和有機(jī)污染較為嚴(yán)重，這可能與人類活動(dòng)特別是放牧和污染物排放有關(guān)。此外，枯水期的污染評價(jià)指數(shù)相對豐水期較高，整體來說枯水期污染程度更為嚴(yán)重。張紫霞等[31]認(rèn)為普者黑不同類型濕地沉積物TN、TP和OM含量在干、濕季下的變化特征不一致，干季氮磷污染程度比濕季嚴(yán)重；王書錦等[32]發(fā)現(xiàn)洱海流域入湖河口濕地干、濕季的沉積物氮、磷和有機(jī)質(zhì)含量存在差異，各指標(biāo)含量為干季大于濕季，干季沉積物營養(yǎng)鹽潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)大。與上述研究結(jié)果相一致，拉魯濕地枯水期TN、TP和OM含量總體高于豐水期，呈中度-重度污染，后期在拉魯濕地的管理中應(yīng)關(guān)注沉積物污染。

3 結(jié)論

(1)枯水期拉魯濕地沉積物TN、TP和OM含量分別為0.18～6.35、0.33～2.88和27.18～268.98 g·kg-1；豐水期沉積物TN、TP和OM含量分別為0.10～3.95、0.31～1.26和9.65～279.17 g·kg-1，枯水期TN、TP和OM含量總體高于豐水期。

枯水期沉積物OM、TN和TP之間都呈極顯著正相關(guān)。

(2)枯水期北部C/N比顯著高于其他區(qū)域，中西部C/P比和N/P比均最高，西部則最低；豐水期西部C/N比顯著低于其他區(qū)域，南部C/P比顯著高于其他區(qū)域。北部N/P比最低且顯著低于其他區(qū)域。枯水期和豐水期沉積物都是以外源為主，且豐水期沉積物具有礦化作用。

(3)北部和西部污染指數(shù)較低，屬于輕度-中度污染，其余區(qū)域污染情況較為嚴(yán)重，屬于重度污染。為此，針對污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，可以通過植物收割的方式從濕地系統(tǒng)中去除N和P，同時(shí)也降低植物枯落物在人工濕地中的積累，進(jìn)而增加C、N和P含量。

致謝：拉魯濕地現(xiàn)場調(diào)查得到了拉魯濕地國家自然保護(hù)區(qū)管理局梁劍豫和尼瓊的支持,在此一并表示感謝。