黃河中下游流域典型濕地沉積物中不同形態(tài)磷的分布特征

張家洋，藺 芳，趙琬璐，陳恩希，毛鑫羽

（新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

營(yíng)養(yǎng)元素在不同界面間的遷移轉(zhuǎn)化過程是進(jìn)行濕地研究的熱點(diǎn)和核心［1］。在不同類型的濕地（如紅樹林、巖沼濕地、淡水濕地）中，C、N、P的遷移轉(zhuǎn)化與循環(huán)等方面的研究已較為深入［2-4］。其中，磷是濕地水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的重要因子，同時(shí)也是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的營(yíng)養(yǎng)限制因子［5］。沉積物中磷的形態(tài)主要為有機(jī)磷和無機(jī)磷，無機(jī)磷又包括弱吸附態(tài)磷、可還原態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和鈣結(jié)合態(tài)磷等［6］。濕地沉積物中不同形態(tài)磷的含量可顯著影響水體營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。因此，研究濕地沉積物中不同形態(tài)磷的分布特征，對(duì)于理解沉積物中的磷在水體富營(yíng)養(yǎng)化中的作用具有重要意義。

現(xiàn)有研究表明，湖濱濕地不同植被類型對(duì)磷的截留效果存在差異［7-9］，磷在湖濱濕地底泥中呈不同的分布規(guī)律［10-12］。李寶等［13］研究了山東省南四湖夏、冬兩個(gè)季節(jié)的沉積物和間隙水中各形態(tài)磷的分布特征，結(jié)果表明沉積物中的磷在夏季向上覆水釋放的潛力更大。聶麗娟等［14］研究了武漢市湖泊上層沉積物中各形態(tài)磷的組成，結(jié)果顯示隨著水質(zhì)變差，沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷和總磷的含量總體呈上升趨勢(shì)。

習(xí)近平總書記在河南視察指導(dǎo)工作時(shí)指出“加強(qiáng)對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)”，可見，黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是目前重大的國(guó)家戰(zhàn)略之一。黃河流域新鄉(xiāng)段沼澤濕地因鹽性底質(zhì)的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，在外源污染源輸入的情況下，其對(duì)底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸附和釋放的動(dòng)力學(xué)過程及影響機(jī)制方面研究尚不清楚?；诖耍狙芯吭谶x定新鄉(xiāng)市黃河濕地典型研究樣地的基礎(chǔ)上，采用典型樣帶布點(diǎn)法，在空間尺度上開展?jié)竦氐啄嘀袪I(yíng)養(yǎng)鹽的監(jiān)測(cè)，通過檢測(cè)底泥中各形態(tài)磷含量，初步揭示了新鄉(xiāng)市黃河濕地底泥界面磷素的分布特性。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河南省新鄉(xiāng)市封丘縣陳橋濕地（34°55＇48″N，114°30＇0″E），占地面積約267 hm2。陳橋濕地水域、灘涂廣闊，野生動(dòng)植物資源豐富，鳥類眾多，是黃河中下游流域典型濕地。

2021年11月，在陳橋濕地內(nèi)選擇了11個(gè)最有代表性的樣地，樣地簡(jiǎn)稱L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11。其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7為緩沖區(qū)（核心區(qū)外圍區(qū)域，多種植有林木或農(nóng)作物），L8、L9、L10、L11為核心區(qū)（濕地水域地帶），具體分布位置見圖1。

圖1 各采樣點(diǎn)在濕地的分布情況

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集和預(yù)處理 在選定的11個(gè)樣地中，將每個(gè)樣地按“S”形設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，用鏟刀去掉沉積物表面的雜質(zhì)后，在各個(gè)定好的取樣點(diǎn)用取土器分土層（0～20 cm和20～40 cm）取土，并把在3個(gè)取樣地點(diǎn)同一土層深度采到的泥土加以混勻，去除土中明顯的動(dòng)植物殘?bào)w、雜草、石塊等雜物，裝入自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、過篩、稱重。

1.2.2 沉積物中4種無機(jī)態(tài)磷含量的測(cè)定 采用四步連續(xù)法和鉬銻抗比色法［15］測(cè)定弱吸附態(tài)磷、可還原態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和鈣結(jié)合態(tài)磷的含量。測(cè)定流程：①弱吸附態(tài)磷。稱取沉積物樣品1.0 g，放入離心管中，添加1 mol/L的NH4Cl溶液50 mL，調(diào)整pH至7.0，25℃恒溫振蕩2 h，10 000 r/min離心20 min，用玻璃纖維濾膜（0.45 μm）將上清液過濾，用鉬銻抗比色法測(cè)定弱吸附態(tài)磷的含量。②可還原態(tài)磷。測(cè)定完弱還原態(tài)磷后，在殘?jiān)刑砑语柡蚇aCl溶液10 mL，加入0.5 mol/L的NaHCO3溶液50 mL，40℃恒溫振蕩1 h，5 000 r/min離心20 min，用玻璃纖維濾膜（0.45 μm）將上清液過濾，用鉬銻抗比色法測(cè)定可還原態(tài)磷的含量。③鐵鋁結(jié)合態(tài)磷。測(cè)定完可還原態(tài)磷后，加入0.1 mol/L的NaOH溶液50 mL，25℃恒溫振蕩16 h，10 000 r/min離心20 min，用玻璃纖維濾膜（0.45 μm）將上清液過濾，用鉬銻抗比色法測(cè)定可還原態(tài)磷的含量。④鈣結(jié)合態(tài)磷。測(cè)定完鐵鋁結(jié)合態(tài)磷后，加入1 mol/L的HCl溶液50 mL，25℃恒溫振蕩16 h，10 000 r/min離心20 min，用鉬銻抗比色法測(cè)定鈣結(jié)合態(tài)磷的含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次平行取得的平均值。采用Excel 2021軟件進(jìn)行整理，使用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樣地沉積物不同層次弱吸附態(tài)磷含量分析

由圖2可知，在0～20 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地沉積物中所含弱吸附態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)4>L9>L8=L1>L10>L6>L11>L2=L5>L7>L3，其中，L4樣地沉積物中的弱吸附態(tài)磷含量最高，為15.3 mg/kg，顯著高于其他樣地（P＜0.05）；在20～40 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地沉積物中所含弱吸附態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)5>L4>L3>L1=L7=L11>L6=L9=L10=L2>L8，其中，L5樣地沉積物中弱吸附態(tài)磷含量最高，為6.9 mg/kg，顯著高于其他樣地（P＜0.05），L8樣地最低，僅0.3 mg/kg。

圖2 各樣地沉積物中弱吸附態(tài)磷含量

各樣地沉積物中弱吸附態(tài)磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土層分別為4.8 mg/kg和2.1 mg/kg，在核心區(qū)和緩沖區(qū)分別為3.5 mg/kg和3.4 mg/kg。在0～20 cm土層，核心區(qū)沉積物中弱吸附態(tài)磷的平均含量為6.1 mg/kg，緩沖區(qū)為4.1 mg/kg，二者相差2.0 mg/kg；在20～40 cm的土層，核心區(qū)沉積物中弱吸附態(tài)磷的平均含量為0.9 mg/kg，緩沖區(qū)為2.8 mg/kg，二者相差1.9 mg/kg。

2.2 各樣地沉積物不同層次可還原態(tài)磷含量分析

由圖3可知，在0～20 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地沉積物中的可還原態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)8>L10>L6>L5=L7=L2>L1=L4=L11>L9=L3，其中，L8土壤中可還原態(tài)磷含量最大，為8.9 mg/kg，顯著高于其他樣地（P＜0.05），可還原態(tài)磷含量最小的是L9和L3，僅1.8 mg/kg；在20～40 cm的深度范圍內(nèi)，其可還原態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)8>L4>L3>L1>L10=L5>L9>L11>L2>L6>L7，其中，L8樣地最高，為43.7 mg/kg，顯著高于其他樣地（P＜0.05），L7樣地最低，僅1.8 mg/kg。

圖3 各樣地沉積物中可還原態(tài)磷含量

各樣地沉積物中可還原態(tài)磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土 層 中 分 別 為3.9 mg/kg和15.3 mg/kg，在核心區(qū)和緩沖區(qū)分別為11.6 mg/kg和8.6 mg/kg。在0～20 cm土層，核心區(qū)沉積物中可還原態(tài)磷的平均含量為4.9 mg/kg，緩沖區(qū)為3.4 mg/kg，二者相差1.5 mg/kg；在20～40 cm土層，核心區(qū)沉積物中可還原態(tài)磷的平均含量為18.2 mg/kg，緩沖區(qū)為13.8 mg/kg，二者相差4.4 mg/kg。

2.3 各樣地沉積物不同層次鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量分析

由圖4可知，11種樣地的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量差異較大，在0～20 cm的土壤深度范圍內(nèi)，其排序?yàn)長(zhǎng)1>L11>L8>L10>L7>L6>L5>L3>L2>L4>L9，其 中，L1最大，為874.7 mg/kg，L9最小，為0.8 mg/kg，變化幅度極大；在20～40 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)8>L2>L3>L10>L7>L5>L11>L9>L1>L6>L4，其中，L8最大，為857.3 mg/kg，L4最小，為158.0 mg/kg。

圖4 各樣地沉積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量

各樣地沉積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的平均含量0～20 cm、20～40 cm土 層 分 別 為94.1 mg/kg和432.8 mg/kg，在核心區(qū)和緩沖區(qū)分別為276.9 mg/kg和255.7 mg/kg。在0～20 cm土層，核心區(qū)沉積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的平均含量為25.5 mg/kg，緩沖區(qū)為133.2 mg/kg；在20～40 cm土層，核心區(qū)積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的平均含量為528.3 mg/kg，緩沖區(qū)為378.2 mg/kg。

2.4 各樣地沉積物不同層次鈣結(jié)合態(tài)磷含量分析

由圖5可知，在0～20 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地所含的鈣結(jié)合態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)4>L1>L3>L6>L11>L2>L10>L9>L7>L5>L8，其中，L4樣地最高，為235.6 mg/kg，L8樣地最低，僅88.6 mg/kg；在20～40 cm的土壤深度范圍內(nèi)，11種樣地所含的鈣結(jié)合態(tài)磷含量表現(xiàn)為L(zhǎng)7>L1>L6>L4>L5>L9>L3>L2>L11>L10>L8，其中，L7樣地鈣結(jié)合態(tài)磷含量最高，為255.0 mg/kg，L8最低，為160.0 mg/kg。

圖5 各樣地沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷含量

各種樣地沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土 層 分 別 為174.5 mg/kg和205.1 mg/kg，在核心區(qū)和緩沖區(qū)分別為165.2 mg/kg和203.9 mg/kg。在0～20 cm土層，核心區(qū)沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷的平均含量為148.6 mg/kg，緩沖區(qū)為189.4 mg/kg，與核心區(qū)相差40.8 mg/kg；在20～40 cm土層，核心區(qū)沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷的平均含量為181.7 mg/kg，緩 沖 區(qū) 為218.4 mg/kg，二 者 相 差36.7 mg/kg。

3 討論

弱吸附態(tài)磷是指一類結(jié)合力較弱的無機(jī)磷，主要吸附于沉積物表面，其活性較高，易于釋放出來。本研究中，各樣地的弱吸附態(tài)磷含量在不同層次內(nèi)分布不均，大都集中于沉積物淺層（0～20 cm）。與其他3種無機(jī)磷相比，弱吸附態(tài)磷含量占比最低。在11種樣地中，L4和L9樣地弱吸附態(tài)磷含量較高。其中，L4樣地（緩沖區(qū)，為白蠟林林地）沉積物淺層弱吸附態(tài)磷含量遠(yuǎn)高于深層，這可能是因?yàn)橹参锏母祵?duì)磷有一定的吸收能力，吸收掉了一部分土壤深層的弱吸附態(tài)磷［16］。L9樣地（核心區(qū)，水體中央）沉積物中弱吸附態(tài)磷含量也較高，且由于其吸附能力較弱，因此極易容易被釋放出來，增加了L9樣地水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。種植有香蒲和蘆葦?shù)臉拥兀↙11），其沉積物中弱吸附態(tài)磷含量較低，這可能是由于植物正值生長(zhǎng)高峰期，弱吸附態(tài)磷被植物根系吸收利用了一部分［17］。由此可見，種植水生植物對(duì)緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化有一定效果，周楠楠等［18］研究了金魚藻和狐尾藻對(duì)沉積物中無機(jī)磷含量的降低效果，結(jié)果表明植物對(duì)降低沉積物中磷含量具有顯著效果。

可還原態(tài)磷在一定條件下極易被釋放、轉(zhuǎn)化。本研究中，11種樣地的可還原態(tài)磷含量整體比弱吸附態(tài)磷含量高，且大體上均集中于沉積物深層，淺層含量較低，且核心區(qū)和緩沖區(qū)的可還原態(tài)磷含量相差不大。此外，本研究中，L8樣地（核心區(qū)，水體中央）可還原態(tài)磷含量在沉積物淺層和深層中含量最高，顯著高于其他樣地（P＜0.05），且主要集中在沉積物下層。下層沉積物土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)緊實(shí)，磷不易被吸附，因此易被釋放到水體中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。L4樣地（白蠟林林地）沉積物中可還原態(tài)磷含量也較高，且也集中于沉積物下層，容易被釋放出來再轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，然后再被植物吸收，對(duì)植物生長(zhǎng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)的改善很有利。

鐵鋁結(jié)合態(tài)磷主要來源于一些具有污染性的人類活動(dòng)（例如工業(yè)廢水和生活污水等的排放），與人類活動(dòng)聯(lián)系緊密。本研究中，核心區(qū)沉積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量高于緩沖區(qū)，表明核心區(qū)沉積物可能受人類活動(dòng)影響較大。此外，L4樣地（白蠟林林地）的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷含量較小，進(jìn)一步說明白蠟林林地土壤質(zhì)量狀況較好。

鈣結(jié)合態(tài)磷是一種穩(wěn)定性較強(qiáng)、一般不容易被轉(zhuǎn)化的磷，且這種磷比較難釋放，對(duì)土壤肥力和水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的影響均較小。本研究中，11種樣地的鈣結(jié)合態(tài)磷含量均較高，且樣地沉積物淺層和深層的鈣結(jié)合態(tài)磷含量除L7樣地（荒地）、L5樣地（水體周圍）以及L8、L9（核心區(qū)，水體中央）外均相差不大。其中，L1（農(nóng)田）樣地鈣結(jié)合態(tài)磷含量較高，磷元素難以被釋放至土壤中，植物體容易缺磷，尤其是對(duì)于生長(zhǎng)處于旺季的植物，缺磷將使其生長(zhǎng)發(fā)育受限，進(jìn)而影響濕地的景觀效果以及植物生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮。

4 小結(jié)

本研究選擇河南省新鄉(xiāng)市陳橋濕地中11種具有代表性的樣地（4種為核心區(qū)，7種為緩沖區(qū)）作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)分析，對(duì)各樣地不同土層不同形態(tài)磷的分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，核心區(qū)沉積物中弱吸附態(tài)磷的平均含量為3.5 mg/kg、可還原態(tài)磷的平均含量為11.6 mg/kg、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的平均含量為276.9 mg/kg、鈣結(jié)合態(tài)磷的平均含量為165.2 mg/kg，緩沖區(qū)弱吸附態(tài)磷的平均含量為3.4 mg/kg、可還原態(tài)磷的平均含量為8.6 mg/kg、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的平均含量為255.7 mg/kg，鈣結(jié)合態(tài)磷的平均含量為203.9 mg/kg；弱吸附態(tài)磷大部分集中在沉積物淺層，還原態(tài)磷和鐵鋁結(jié)合態(tài)磷大部分集中在沉積物深層，而鈣結(jié)合態(tài)磷在沉積物淺層和深層均勻分布；11種樣地的無機(jī)磷含量表現(xiàn)為鐵鋁結(jié)合態(tài)磷＞鈣結(jié)合態(tài)磷＞可還原態(tài)磷＞弱吸附態(tài)磷。