不同類型巖溶濕地表層沉積物碳氮磷生態化學計量學特征時空分布

張紫霞, 劉 鵬, 王 妍, 劉云根,2, 張 超

(1.西南林業大學 生態與環境學院, 昆明 650224; 2.云南省山地農村生態環境演變與污染控制重點實驗室, 昆明 650224; 3.西南林業大學 林學院, 昆明 650224)

沉積物是濕地生態系統中重要的環境要素之一[1-2]，也是水中營養物質的儲存庫，碳、氮和磷元素是濕地沉積物中重要的營養組分，對提高濕地生態系統的生產力，維持濕地生態系統的功能具有重要作用[3]，研究碳氮磷營養物質在濕地沉積物中的分布特征，是了解濕地生態系統環境生態凈化功能的重要基礎。生態化學計量學結合了生態學和化學計量學的基本原理[4]，主要研究生態系統中相互作用的能量和多重元素(特別是碳、氮和磷元素)的平衡問題[5]，它是分析多重化學元素的質量平衡及其對生態交互作用影響的一種理論[6]。一般來說，沉積物具有相對穩定的生態化學計量比[7-9]，但是會受到土壤理化性質、水文過程、植物群落類型和環境變化等多種因素的影響[10-12]。因此，研究濕地沉積物碳、氮和磷的平衡關系，對于認識濕地生態系統碳匯潛力和生態系統對環境變化的響應具有重要意義[13-14]。沉積物生態化學計量學是預測養分限制性和有機質分解速率的重要指標[15]，對于認識碳、氮和磷元素的循環和平衡機制具有重要意義[16]。目前，生態化學計量學的研究主要是在水生和陸地生態系統方面[17-19]，沉積物作為濕地生態系統的重要組成部分，其元素生態化學計量學的研究對揭示養分的可獲得性以及碳、氮、磷等元素的循環和平衡機制具有重要意義，但鮮有相關研究成果[20]，同時巖溶濕地是一類地質條件較為特殊的濕地類型，與其他區域的濕地相比，研究基礎也相對比較薄弱。因此鑒于巖溶濕地形成與發育過程的特殊性，開展巖溶濕地沉積物碳、氮、磷的生態化學計量學研究有助于促進薄弱研究領域研究，本研究以普者黑巖溶流域為研究區，以流域內4種不同類型濕地的表層沉積物為研究對象，探析不同水期4種類型濕地表層沉積物中有機碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)的空間分布及生態化學計量學特征，以期為普者黑巖溶濕地的生態環境保護及治理提供一定的理論參考和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

普者黑巖溶流域位于丘北縣境內(103°55′—104°13′E，24°05′—24°12′N)，距縣城約11 km，是中國西南地區最大的巖溶流域，流域面積為388 km2，屬珠江流域西江水系，地處珠江源頭和長江、紅河上游，流域內分布有54個湖泊、312座孤峰、83個溶洞、15條河流和120 km的地下暗河，是由湖泊、孤峰、峰林等構成的巖溶濕地復合生態系統，既是滇東南水域面積最大的巖溶流域，亦是當地重要飲用水源地。

研究區地處云貴高原向桂西平原的斜坡地帶，位于普者黑巖溶盆地，地貌景觀為國內罕見的高原喀斯特峰林、峰叢、湖群組合，地形平坦，海拔1 446～1 462 m。普者黑巖溶濕地中的水主要來源于擺龍湖和落水洞的巖溶地下水，其下游進入清水江后流入南盤江，最終匯入珠江。該區屬南亞熱帶高原季風氣候，多年平均氣溫16.4℃，多年平均降雨量1 206.8 mm。據調查，流域內濕地類型主要包括沼澤濕地、庫塘濕地、河流濕地和湖泊濕地4種。

1.2 樣點布設與樣品分析

圖1 采樣點分布

1.3 數據分析

采用Excel 2010對數據進行初步處理，運用SPSS 21計算沉積物及水質各指標之間的相關系數，采用ArcGIS 10.0和Origin 2017完成圖形制作。

2 結 果

2.1 不同類型濕地表層沉積物有機碳、全氮、全磷時空分布特征

2.1.1 表層沉積物有機碳含量及分布特征 由圖2可知，普者黑不同類型濕地表層沉積物SOC含量在不同時期的變化規律不一致，總體上看，不同類型濕地表層沉積物SOC含量在平水期最高，在豐水期最低。在枯水期，沼澤濕地SOC含量最高，為27.13 g/kg，庫塘濕地SOC含量最低，為14.28 g/kg。在豐水期，河流濕地SOC含量最高，為23.41 g/kg，沼澤濕地SOC含量最低，為12.77 g/kg。在平水期，庫塘濕地SOC含量最高，為47.81 g/kg，湖泊濕地SOC含量最低，為26.20 g/kg。從圖2可以看出，河流濕地與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地沉積物SOC含量在不同時期存在顯著差異，在枯水期，沼澤濕地沉積物SOC含量高于其他3種濕地(p<0.05)；在豐水期，河流濕地沉積物SOC含量與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而沼澤濕地與庫塘濕地沉積物SOC含量無顯著差異(p>0.05)；在平水期，庫塘濕地沉積物SOC含量與河流濕地、湖泊濕地及沼澤濕地有顯著差異(p<0.05)，而河流濕地、湖泊濕地及沼澤濕地之間無顯著差異(p>0.05)。

注：不同字母表示不同濕地間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖2 不同類型濕地表層沉積物有機碳含量在不同季節下的變化特征

2.1.2 表層沉積物全氮含量及分布特征 由圖3可知，普者黑不同類型濕地表層沉積物TN-S含量在不同時期的變化規律不一致，總體上看，不同類型濕地表層沉積物TN-S含量在枯水期最高，在豐水期最低。在枯水期，沼澤濕地TN-S含量最高，為2.93 g/kg，庫塘濕地TN-S含量最低，為1.44 g/kg。在豐水期，湖泊濕地TN-S含量最高，為2.22 g/kg，庫塘濕地TN-S含量最低，為1.22 g/kg。在平水期，沼澤濕地TN-S含量最高，為2.35 g/kg，湖泊濕地TN-S含量最低，為1.73 g/kg。

從圖3可以看出，河流濕地與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地沉積物TN-S含量在不同時期存在顯著差異，在枯水期，沼澤濕地沉積物TN-S含量高于其他3種濕地(p<0.05)，而河流濕地與湖泊濕地TN-S含量無顯著差異(p>0.05)；在豐水期，河流濕地與湖泊濕地與沼澤濕地、庫塘濕地TN-S含量有顯著差異(p<0.05)，而河流濕地與湖泊濕地、沼澤濕地與庫塘濕地沉積物TN-S含量無顯著差異(p>0.05)；在平水期，沼澤濕地沉積物TN-S含量與河流濕地、湖泊濕地及庫塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而河流濕地、湖泊濕地及庫塘濕地之間無顯著差異(p>0.05)。

圖3 不同類型濕地表層沉積物全氮含量在不同季節下的變化特征

2.1.3 表層沉積物全磷含量及分布特征 由圖4可知，普者黑不同類型濕地表層沉積物TP-S含量在不同時期的變化規律不一致，總體上看，不同類型濕地表層沉積物TP-S含量在枯水期最高，在平水期最低。在枯水期，河流濕地TP-S含量最高，為1.32 g/kg，庫塘濕地TP-S含量最低，為0.63 g/kg。在豐水期，河流濕地TP-S含量最高，為1.06 g/kg，沼澤濕地TP-S含量最低，為0.43 g/kg。在平水期，河流濕地TP-S含量最高，為0.85 g/kg，庫塘濕地TP-S含量最低，為0.51 g/kg。

從圖4可以看出，河流濕地與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地沉積物TP-S含量在不同時期存在顯著差異，在枯水期，河流濕地沉積物TP-S含量高于其他3種濕地(p<0.05)，而湖泊濕地與沼澤濕地TP-S含量無顯著差異(p>0.05)；在豐水期，河流濕地與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地TP-S含量有顯著差異(p<0.05)，而沼澤濕地與庫塘濕地沉積物TP-S含量無顯著差異(p>0.05)；在平水期，河流濕地沉積物TP-S含量與湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地之間無顯著差異(p>0.05)。

圖4 不同類型濕地表層沉積物全磷含量在不同季節下的變化特征

2.2 不同類型濕地表層沉積物碳氮磷生態計量學特征

由圖5可知，不同類型濕地表層沉積物C/N-S，C/P-S在不同時期下的變化規律基本一致，從枯水期、豐水期至平水期均呈上升趨勢；N/P-S在不同時期下的變化規律不一致，除湖泊濕地外，從枯水期、豐水期至平水期也呈上升趨勢。在枯水期，湖泊濕地C/N-S最高，為10.50，河流濕地C/N-S最低，為9.17；沼澤濕地C/P-S最高，為29.29，河流濕地C/P-S最低，為14.85；沼澤濕地N/P-S最高，為3.16，河流濕地N/P-S最低，為1.62。在豐水期，庫塘濕地C/N-S最高，為11.93，湖泊濕地C/N-S最低，為9.45；湖泊濕地C/P-S最高，為31.72，河流濕地C/P-S最低，為22.05；湖泊濕地N/P-S最高，為3.36，河流濕地N/P-S最低，為2.05。在平水期，庫塘濕地C/N-S最高，為25.43，沼澤濕地C/N-S最低，為11.93；庫塘濕地C/P-S最高，為94.49，河流濕地C/P-S最低，為32.36；沼澤濕地N/P-S最高，為4.04，河流濕地N/P-S最低，為2.31。

圖5 不同類型濕地表層沉積物C/N，C/P，N/P在不同時期下的變化特征

2.3 不同類型濕地表層沉積物有機碳、全氮、全磷的影響因素分析

表1 不同類型濕地表層沉積物有機碳、全氮、全磷與水質指標的相關性分析

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關，*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，下表同。

2.4 不同類型濕地表層沉積物C/N-S，C/P-S，N/P-S的影響因素分析

由表2可知，普者黑流域不同類型濕地表層沉積物C/N-S，C/P-S，N/P-S與SOC，TN-S，TP-S及水質C/N-W，C/P-W，N/P-W之間的相關性不同，在枯水期，河流濕地C/N-S與TP-S呈顯著正相關(p<0.05)，C/P-S與TN-S呈極顯著正相關(p<0.01)；湖泊濕地C/P-S與N/P-W呈極顯著正相關(p<0.01)，N/P-S與N/P-W呈顯著正相關(p<0.05)。在豐水期，湖泊濕地C/P-S與N/P-W呈顯著正相關(p<0.05)，N/P-S與N/P-W呈顯著正相關(p<0.05)。在平水期，河流濕地C/N-S與N/P-W呈顯著正相關(p<0.05)。

表2 不同類型濕地表層沉積物C/N，C/P，N/P與有機碳、全氮、全磷及水質C/N，C/P，N/P的相關性分析

3 討 論

3.1 表層沉積物有機碳、全氮、全磷的時空差異性

本文的研究結果顯示，在普者黑巖溶流域中，不同類型濕地沉積物中的TN-S，TP-S及SOC的含量在不同時期下的變化規律不同，其主要原因是不同時期的降雨量、地表徑流量以及水動力均不相同以及不同類型濕地有其獨特的特點，如濕地內的植物量不同、濕地接收污染源的面積和量不同及流速不同[21]。不同類型濕地沉積物中的SOC的含量在平水期最高，豐水期最低，TN-S的含量在枯水期最高，豐水期最低，TP-S的含量在枯水期最高，平水期最低，均屬于在降雨量最小的時候TN-S，TP-S及SOC的含量高，而在降雨量最大的時候TN-S，TP-S及SOC的含量低；降雨量大會使得地表徑流也較多，外源污染較多，而降雨量小，外源輸入量小，因此，普者黑不同類型濕地受內源污染比受外源污染的影響大[22]。

地表徑流、濕地中的微生物分解以及動植物殘體的歸還與分解等是濕地沉積物碳、氮和磷的主要來源[23]。河流濕地的采樣點大部分位于流域的上游和中游，而流域上游周圍大多是山地及農田及部分農村污水的排水口，河流濕地沉積物TP-S含量在枯、豐、平3個時期均比其他3種濕地高，是因為枯水期TP-S含量來源于內源，而豐水期降雨量大，地表徑流也大，進入濕地的外源污染物較多，使得TP-S含量也較高，平水期，降雨量減少，徑流量也少，有少量的外源污染物進入濕地，因此平水期TP-S含量較高是因為內源與外源綜合影響造成的。湖泊濕地主要位于流域下游且水域寬廣，水體流速相對較小，易于污染物沉積，湖泊濕地TN-S含量在豐水期高于其他濕地，在豐水期降雨量大，使得水流量也較大，會把上游濕地中的動植物殘體沖刷到湖泊濕地中，且自然沉積物中的氮主要來自動植物殘體和生物固氮，因此TN-S含量較高。沼澤濕地中水生植物較多，其下部根莖交織，導致水流速度緩慢，且沼澤濕地中隨時間推移產生許多植物殘體[24]，從而使得TN-S含量在枯水期及平水期較高。庫塘濕地中TN-S，TP-S及SOC的含量基本較低，是由于庫塘濕地在枯水期，來水量少，攜帶的污染物較少，在豐水期及平水期，降雨量大，來水量也大，會沖刷濕地中的沉積物，使沉積物中的營養鹽釋放到上覆水中，造成沉積物中營養鹽含量較低[25-26]。不同類型濕地沉積物SOC與TN-S間存在正相關關系(表1)，與閆玉琴等[7]的研究結果類似，其中河流濕地沉積物SOC與TN-S在枯、豐、平3個時期均存在極顯著相關關系，在豐水期，4類濕地沉積物SOC與TN-S間均存在極顯著相關關系，即河流濕地沉積物SOC與TN-S來源相同[27]。

3.2 表層沉積物碳、氮、磷比的時空差異性

濕地生態系統中碳、氮、磷等元素的循環是相關聯的，在相對穩定的情況下，系統內元素的含量及化學計量特征是以質量守恒定律為基礎[28]，隨氮、磷等元素的變化而變化。巖溶濕地具有獨特的地貌特征，有特有的水文環境，產生了不同的濕地類型。不同類型濕地由于濕地內部環境和地表徑流作用及其導致的水環境特征的差異，且在人類活動干擾方式和程度的變化下，使得不同類型濕地的表層沉積物碳、氮、磷元素的循環過程更為復雜[29]，相對應的元素比也發生變化。普者黑巖溶流域不同類型濕地中，沼澤濕地和庫塘濕地的表層沉積物C/N-S，C/P-S，N/P-S較高，與張仲勝等[30]對濕地研究結果相似，可能是因為，沼澤濕地和庫塘濕地生態系統容易受到P的限制[31]，且自然狀態下沉積物中的C，N，P等營養元素大部分來自于濕地中植物的生物量返還，而沼澤濕地和庫塘濕地較其他兩種濕地水生植物較多，且物種豐富度較高，因此碳、氮、磷元素之間的比值較高[32-33]；此外，湖泊濕地雖然植物較少，但是植物生長需要足夠的營養鹽，特別是氮磷，因此在部分時期會導致沉積物中氮磷含量降低[34]，從而使C/N-S，C/P-S，N/P-S值升高。不同類型濕地的碳、氮、磷元素之間的比值在枯水期、豐水期和平水期呈逐步上升的趨勢，除湖泊濕地的N/P-S值在豐水期最高外，其他3類濕地均在平水期碳、氮、磷元素之間的比值最高；可能是因為，在平水期外源污染物易于沉積到底泥中，但由于濕地中的植物吸收氮磷較多，導致外源輸入沉積物中的氮磷含量減少，從而使C/N-S，C/P-S，N/P-S值升高。

4 結 論

(1) 普者黑不同類型濕地表層沉積物SOC，TN-S，TP-S含量在不同時期的變化規律不一致，SOC含量在平水期的庫塘濕地最高，為47.81 g/kg，豐水期的沼澤濕地最低，為12.77 g/kg；TN-S含量在枯水期的沼澤濕地最高，為2.93 g/kg，豐水期的庫塘濕地最低，為1.22 g/kg；TP-S含量在河流濕地最高，為1.32 g/kg，豐水期的沼澤濕地最低，分別為0.43 g/kg。

(2) 不同類型濕地表層沉積物C/N-S，C/P-S和N/P-S在不同時期下的變化規律基本一致，從枯水期、豐水期至平水期除湖泊濕地外均呈上升趨勢。C/N-S在平水期的庫塘濕地最高，為25.43，在枯水期的河流濕地最低，為9.17；C/P-S在平水期的庫塘濕地最高，為94.49，在枯水期的河流濕地最低，為14.85；N/P-S在平水期的沼澤濕地最高，為4.04，在枯水期的河流濕地最低，為1.62。

(3) Pearson相關系數表明，普者黑流域不同類型濕地表層沉積物SOC，TN-S，TP-S之間呈顯著正相關(p<0.05)，與各水質指標之間在平水期有相關性(p<0.05)，不同類型濕地表層沉積物C/N-S，C/P-S，N/P-S與TN-S，TP-S及水質N/P-W之間呈顯著正相關(p<0.05)。