不同紅樹林濕地水環(huán)境—沉積物分布特征及其相關(guān)性研究

曾德華，麥志通，洪文君，黃永平，劉 俊

（三亞市林業(yè)科學(xué)研究院，海南 三亞 572000）

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶潮間帶的木本植物群落，是全世界熱帶和亞熱帶地區(qū)獨(dú)特而重要的沿海濕地類型生態(tài)系統(tǒng)［1］。紅樹林濕地生態(tài)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)由沉積物、水體和植被相互作用共同維持。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對紅樹林污染研究主要集中在沉積物和水環(huán)境。沉積物碳埋藏量受其分布區(qū)域和根系深度的影響，熱帶紅樹林沉積物碳儲量明顯高于亞熱帶［2］，且根系深度越大的儲碳量就越高［3］，主要集中在有機(jī)碳含量特征、重金屬空間分布特征、污染來源判斷等［4-5］。紅樹林內(nèi)的水質(zhì)能夠直接反映紅樹林的污染狀況，是紅樹林環(huán)境質(zhì)量評價中的重要因子［6-7］。

目前，關(guān)于紅樹林污染研究多數(shù)為獨(dú)立于沉積物或水質(zhì)中的單個方向，但尚未見紅樹林濕地水環(huán)境—沉積物相結(jié)合分析。間隙水是水土環(huán)境物質(zhì)交換的重要媒介，因此，開展紅樹林沉積物和間隙水理化性質(zhì)及其變化的研究可很好地反映紅樹林的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性［8］，對揭示紅樹林生態(tài)及環(huán)境功能具有重要的科學(xué)意義。

本研究以鐵爐港紅樹林自然保護(hù)區(qū)、亞龍灣青梅港紅樹林保護(hù)區(qū)、三亞河紅樹林保護(hù)區(qū)和榆林河4個典型的紅樹林保護(hù)區(qū)為研究對象，分析其不同紅樹林濕地沉積物和間隙水理化性質(zhì)，探討不同紅樹林濕地差異性及變化規(guī)律，以期為紅樹林濕地保護(hù)和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

研究地位于三亞市鐵爐港紅樹林自然保護(hù)區(qū)、亞龍灣青梅港紅樹林自然保護(hù)區(qū)、三亞河紅樹林自然保護(hù)區(qū)（上游、下游）、榆林河，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，長夏無冬，春秋緊接；陽光充足，蒸發(fā)量大；全年氣溫較高。年平均氣溫為25.4℃，各月平均氣溫都在20℃以上，氣溫在4～9月份較高，平均為27.7℃。潮汐表現(xiàn)為不規(guī)則半日潮屬性，其土壤以砂土、砂質(zhì)粘土為主。鐵爐港紅樹林自然保護(hù)區(qū)、青梅港紅樹林自然保護(hù)區(qū)和三亞河紅樹林自然保護(hù)區(qū)均為市級紅樹林保護(hù)區(qū)，主要分布著正紅樹（Rhizophora apiculata）、白骨壤（Avicennia marina）、木欖（Bruguiera gymnorhiza）、海蓮（Bruguiera sexangula）、海桑（Sonneratia caseolaris）等紅樹植物；榆林河主要樹種分布為正紅樹、木果楝（Xylocarpus granatum）、白骨壤等（表1）。

表1 調(diào)查地基本情況Tab.1 The basic situation of the survey sample

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 樣品采集

本研究于2021年6月在鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)、亞龍灣青梅港紅樹林自然保護(hù)區(qū)等樣地進(jìn)行表層沉積物的采集。每個區(qū)域設(shè)3個采樣點(diǎn)，通過五點(diǎn)混合法使用PVC管和抓取式采樣器采集土壤樣品并混合，以0～20 cm土壤層混勻作為分析樣。采樣時保證上下均勻，每個樣品質(zhì)量不少于500 g，采集的樣品裝入聚乙烯塑封袋做好標(biāo)記，密封存于4℃恒溫箱，快速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，剔撿出其中的根系、砂石及動植物殘體等雜物，研磨過100目篩，儲存?zhèn)溆?。在每個區(qū)域的水質(zhì)樣地采集，水質(zhì)采樣點(diǎn)水深20 cm，放入瓶子中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理后待測。

1.2.2 測定

沉積物有機(jī)碳（Total organic carbon， TOC）、總氮（Total nitrogen， TN）、總磷（Total phosphours， TP）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）測定［9］：沉積物樣品經(jīng)真空冷凍干燥機(jī)（CoolSafe55-4） 風(fēng)干，剔除其中的動植物殘體，用研缽和研杵將其研磨粉碎后過 100 目篩，裝入新的封口袋中貼標(biāo)簽，于干燥處保存待測。將沉積物樣品用1 mol·L-1的鹽酸酸化過夜，以去除無機(jī)碳對TOC含量測定的影響，然后用超純水沖洗至溶液 pH為中性后，將沉積物樣品于40 ℃ 烘干，取處理完成的沉積物樣品10 mg用元素分析儀（Flash EA 3000 Thermo Scientific） 進(jìn)行測定。硫化物含量采用亞甲基藍(lán)分光光度法測定。

水質(zhì)測定指標(biāo)參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》［10］，化學(xué)需氧量（Chemical oxygen demand， COD）采用酸性高錳酸鉀鉀測定；溶解氧（Dissolved oxygen， DO）采用儀測定；懸浮物（Suspended solides，SS）含量測定采用重量法測定；亞硝酸鹽（NO2--N）采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽（NO3--N）采用鋅-鎘還原法，氨氮（NH4+-N）采用次溴酸鹽氧化法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用SPSS 24.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（One-way ANOVA），統(tǒng)計檢驗(yàn)的顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 比較不同紅樹林濕地沉積物含量

檢測結(jié)果顯示，各樣地沉積物的有機(jī)碳TOC、TP、TN和硫化物含量存在差異（圖1）。TLG樣地有機(jī)碳TOC含量最高，為1.75%，YLH樣地次之，SYHS樣地含量最低，為0.30%。各樣地沉積物TP含量在0.009%～0.057%之間，以SYHX樣地含量最高；TN含量在0.025%～0.097%，以TLG樣地含量最高；硫化物含量在12.43～33.67 mg·kg-1，以YLH樣地含量最高。方差分析結(jié)果表明，TLG、YLH和SYHX樣地有機(jī)碳含量顯著高于其它樣地，SYHX樣地TP含量顯著高于其它樣地，TLG、YLH和SYHX樣地TN含量顯著高于其它兩個樣地，YLH和SYHS樣地硫化物含量顯著高于其它樣地。

圖1 不同紅樹林濕地沉積物含量的比較Fig.1 Comparison of sediment content in different mangrove wetlands

2.2 紅樹林濕地沉積物C/N、C/P、N/P變化

沉積物（C/N）是判斷沉積物有機(jī)質(zhì)來源進(jìn)而對其進(jìn)行來源解析的重要指標(biāo)。各樣地的表層沉積物 中 C/N、C/P、N/P 分 別 在 12.07～22.29、18.53～173.75和1.53～9.71之間。方差分析結(jié)果表明，QMG樣地的C/N比值顯著高于YLH、SYHX和SYHS，TLG和QMG樣地C/P顯著高于其它樣地，TLG樣地N/P顯著高于其它樣地（表2）。

表2 紅樹林濕地沉積物C/N、C/P、N/P比較Tab.2 Comparison of C/N， C/P and N/P in mangrove wetland sediments

2.3 紅樹林濕地水質(zhì)含量分析

溶解氧（DO）是維持水體生態(tài)環(huán)境動態(tài)平衡和水生生物生存的必備條件［11］。由表3可知，各樣地化學(xué)需氧量COD和DO含量分別在3.13～10.61 mg·L-1和1.70～9.56 mg·L-1，COD含量屬于地表水I～I(xiàn)I類，除SYHX樣地DO含量為地表水V類外，其余樣地屬于地表水I～I(xiàn)V類。TLG樣地的COD和DO含量顯著高于其它樣地，TLG和QMG樣地海水懸浮物SS含量顯著高于其它樣地，其可能原因?yàn)槌绷鞯臄_動，進(jìn)而影響表層水體懸浮物含量。樣地?zé)o機(jī)磷TP含量以SYHS樣地最高，QMG和YLH樣地次之，TLG樣地最低。TLG樣地TP含量為地表水I類，其它樣地超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，表明這些樣地存在較為富營養(yǎng)化問題。

表3 紅樹林濕地水質(zhì)含量分析Tab.3 Analysis of water quality in mangrove wetland

2.4 紅樹林濕地間隙水 DIN的組成分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同紅樹林樣地間隙水中溶解無機(jī)氮（Dissolved inorganic nitrogen，DIN）的組成存在差異。TLG樣地NH4+-N是總氮的主要賦存形式，NO3--N所占比例相對較低，為26.17%，NO2--N所占比較最低，僅為3.21%。QMG、YLH、SYHX和SYHS樣地的氮元素的各種形態(tài)所占比例均表現(xiàn)為NO3--N＞NH4+-N＞NO2--N，而SYHS樣地NO2--N和NO3--N所占比例顯著高于NH4+-N。由此可見，其凈化能力從大到小依次排序?yàn)镾YHS＞YLH＞SYHX＞QMG＞TLG。

圖2 紅樹林濕地間隙水DIN的組成分析Fig.2 Composition analysis of DIN in porewater of mangrove wetland

2.5 紅樹林濕地沉積物與水質(zhì)相關(guān)性分析

將各樣地紅樹林濕地的沉積物因子和水質(zhì)因子相關(guān)性結(jié)果表明（表4），有機(jī)碳TOC含量與化學(xué)需氧量COD、溶解氧DO呈顯著正相關(guān)，沉積物TP與COD、NH4+-N呈極顯著負(fù)相關(guān)，與懸浮物SS，沉積物TN與NH4+-N呈極顯著正相關(guān)，硫化物與DO呈顯著負(fù)相關(guān)，與NO2--N呈顯著正相關(guān)，沉積物N/P與COD、SS呈極顯著正相關(guān)，與DO呈顯著正相關(guān)，C/N與SS呈顯著正相關(guān)，其它因子間呈不顯著相關(guān)。

表4 紅樹林濕地沉積物與水質(zhì)相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between mangrove wetland sediment and water-quality

3 討論

3.1 三亞紅樹林濕地沉積物與其它地區(qū)相比

本研究結(jié)果顯示，三亞主要紅樹林濕地鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)等5個區(qū)域沉積物的有機(jī)碳TOC、TP、TN和硫化物含量存在差異。鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)的有機(jī)碳TOC含量最高，在0.30～1.75%，淇澳島紅樹林濕地［12、廣西珍珠灣紅樹林濕地［13］、廣西大冠沙紅樹林濕地［14］、九龍江口紅樹林濕地［15］的沉積物TOC含量相對較低，但接近于深圳福田紅樹林濕地［16］，高于長江口濕地［17］，說明本研究紅樹林濕地有機(jī)質(zhì)含量相較于我國其它類型濕地較高。

沉積物是碳的重要埋藏地，Meyers［18］研究揭示陸地植物有機(jī)質(zhì)物C/N（≥20）高于海洋植物有機(jī)質(zhì)C/N（4～10）。福建漳江口秋茄（Kandelia candel）等4種紅樹成熟葉的C/N值為21.11～69.39，C/P值為310.96～735.87，N/P 值為 11.11～34.86［19］。本研究紅樹林濕地沉積物中C/N的比值范圍（12.07～22.29）介于紅樹林植物和海洋植物的C/N值之間，C/P（18.53～173.75）和 N/P（1.53～9.71）的比值范圍小于福建漳江口紅樹植物，表明沉積物中有機(jī)質(zhì)可能為紅樹林植物和海洋浮游植物碎屑的混合來源。

硫化物是影響沉積物重金屬行為的主要因子之一。本研究三亞不同紅樹林濕地的硫化物含量在12.43～36.33 mg·kg-1，以三亞河上游最高，但均顯著低于汕頭灣表層沉積物硫化物含量（84.0～1 319 mg·kg-1）［20］。相關(guān)性分析結(jié)果顯示硫化物與溶解氧DO、水質(zhì)的NO2--N呈顯著正/負(fù)相關(guān)，反映硫化物也影響著紅樹林濕地沉積物和水質(zhì)的重要因子。

3.2 三亞紅樹林濕地水質(zhì)與其它地區(qū)相比

水環(huán)境問題表現(xiàn)為湖泊和河道富營養(yǎng)化，其中水質(zhì)中化學(xué)需氧量COD、溶解氧DO、TP、NH4+-N、NO3--N和NO2--N等均是評價排污系數(shù)。本研究結(jié)果顯示，鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)等5個樣地的COD含量屬于地表水I～I(xiàn)I類，DO含量為地表水I～I(xiàn)V類，均以鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)含量最高，反映該樣地群落中淤泥稀爛，存在枯枝落葉未完全分解和較多垃圾，導(dǎo)致 COD含量和 DO含量較高。與 Li et al［21］和謝海偉等［21］研究結(jié)果相近，但本研究中這些紅樹林濕地水體污染程度低于深圳福田紅樹［21-22］。與覃盈盈等［23］研究蝦塘養(yǎng)殖對紅樹林水質(zhì)含量相比，反映了當(dāng)前三亞紅樹林濕地水質(zhì)質(zhì)量較好。

研究表明，缺氧狀態(tài)下紅樹林沉積物中的有機(jī)物硝化作用只能停留在NH4+-N的階段［24］。NH4+-N和NO3--N是紅樹林下可溶性無機(jī)氮（DIN）的主要組成成分。本研究結(jié)果顯示，5個紅樹林樣地的氮元素的各種形態(tài)所占比例均表現(xiàn)為NO3--N＞NH4+-N＞NO2--N，鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)以NH4+-N所占的比例高。牛志遠(yuǎn)等［7］研究深圳灣福田紅樹林區(qū)間隙水結(jié)果表明，還原態(tài)氨氮比例較高，氧化態(tài)硝氮比例較低；覃盈盈等［23］研究也表明NH4+-N是紅樹林下間隙水可溶性無機(jī)氮（DIN）的主要組成形式。反映了這些紅樹林濕地的水體質(zhì)量變化趨勢越來越好。

沉積物和間隙水的理化性質(zhì)變化是一個協(xié)同作用的過程。相關(guān)性結(jié)果表明，沉積物與水質(zhì)因子之間存在一定的相關(guān)性，表明了沉積物和水質(zhì)的理化性質(zhì)可作為評價紅樹林濕地生境變化的主要因子。