模擬不同水位梯度對湖濱濕地底泥碳氮磷化學計量特征的影響

李丹蕾, 呼 喚, 劉云根,2, 王玉瑩, 王 妍,2

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

湖濱濕地是指水域生態系統與陸地生態系統之間的生態過渡帶[1].其底泥作為污染物的主要蓄積場所，通過水—沉積物—植物系統的攔截、沉積、吸附、降解等物理、化學和生物過程，控制水體和湖濱濕地之間的物質交換，緩解污染物產生的不利影響.濕地生態系統大多常年處于積水狀態，積累了較多的土壤活性有機碳[2]，同時對底泥氮、磷等營養元素具有較強的截留和過濾作用，因此也是濕地生態系統中碳、氮、磷的最終歸宿.湖泊水位受季節性降水等原因的影響，導致湖濱濕地在不同時間段內淹水深度和持續時間發生周期性變化，影響湖濱濕地的結構、功能[3]以及生物的生長、繁殖和分布[1]，同時也顯著影響濕地底泥的生態化學計量特征.

化學計量學是分析元素質量平衡和其對生態交互作用影響的一種理論[4].土壤生態化學計量學對于揭示養分的可獲得性以及碳、氮、磷(C、N、P)等元素的循環和平衡機制具有重要作用[5].同時化學計量比作為評估生態環境的重要影響因素，不僅對濕地生態系統的修復起到理論指導的作用，而且對判斷全球環境變化情況以及碳循環過程有著重要意義.然而，遺憾的是國內研究多集中于探究陸生植物葉片、根莖等C、N、P 的分布特征、變化規律及其驅動因子[6-8]，對土壤C、N、P 化學計量學特征的研究相對較少[9]，特別是高原湖濱濕地不同水位梯度下底泥C、N、P的生態化學計量特征研究.雖然近年來不同水位條件下濕地土壤C、N、P化學計量比的分布特征也得到了一定關注[10-12]，但主要集中于國內各大湖濱濕地原位采樣及測定[10-14]，其研究發現不同水位梯度下土壤化學計量比存在顯著差異，植物群落[10]及水位梯度[13]是影響土壤C/N、C/P、N/P分布的關鍵因素，但水文條件對淡水濕地土壤碳氮磷化學計量比分布特征的影響及其與環境因子的關系尚無定論.因此，本研究基于盆栽試驗方法，通過模擬湖濱濕地中3種不同水位梯度，對比分析在在植物生長的同一采樣期不同水位條件下湖濱濕地土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)、全氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus, TP)分布規律和生態化學計量學特征，以及同一水位梯度，底泥碳、氮、磷含量在植物不同生長期的特征差異，以期闡明湖濱濕地土壤生態化學計量學特征對不同水位梯度的響應和同一水位梯度不同生長期的具體含量差異，其對研究濕地生態系統碳氮磷含量及其循環特征具有重要意義，同時也為同類型濕地修復提供依據.

1 材料與方法

1.1 試驗設置

2019年5月初在云南省昆明市城區典型類湖濱濕地(25°3′37″N—102°45′35″E)進行原位采樣，采集濕地淹水區地面以下10～20 cm處底泥，去除植物根莖及石塊等雜質，混合均勻，將采集背景底泥裝入黑色聚乙烯材質桶(高32 cm，口徑48 cm，30 cm)內，每桶底泥高度均為12 cm，質量約25 kg，待裝好后，自然放置平衡7 d后用于試驗.

盆栽試驗在西南林業大學露天試驗區進行，試驗區內環境條件為自然狀態，無人為干擾.該地區氣候溫和，年平均氣溫15 ℃，年降水量1 450 mm.試驗于2019年5月7日進行幼苗狀態窄葉香蒲的栽種，所供試植株購自昆明市花卉市場1年生的香蒲幼苗，篩選生物量及高度基本一致、長勢良好的用于試驗.移栽7 d，待香蒲植株穩定后，以研究區自然環境香蒲分布的水位梯度進行等比例盆栽試驗模擬，水位梯度分別設置為0、7、15 cm，每種水位設置3組平行[21-22]，每種處理同時設置無植物對照.為維持水位，隔1～2 d進行間歇性加水[21]，加水取自當地的原位湖水，水體溶解氧(dissolved oxygen, DO)為(2.75±0.57)mg·L-1、電導率(electrical conductivity, EC)為(605.13±143.75)μs·cm-1，氧化還原電位(oxidation-reduction potential, Eh)為(8.68±52.70)mV，pH為7.73±0.06，待香蒲狀態穩定2個月后，進行試驗底泥樣本采樣.

1.2 樣品采集與處理

分別于7、9、11月對試驗桶內底泥及植物進行破壞性采樣.將盆內香蒲植株從土壤中取出，用純凈水沖洗，待干凈后，用吸水紙將植物表面的水分吸干，分離植株的根莖葉，稱取不同水位梯度下的全部根莖葉的鮮重并對株高進行記錄(表1)，將根莖和葉放入烘箱中，105 ℃殺青后，在80 ℃下烘干至恒重狀態，并稱取其干重，將烘干后的根莖和葉粉碎，過0.5 mm篩后，保存備用，待試驗時對其營養元素進行測定.本試驗主要集中于底泥中碳氮磷元素的分析，對植物中營養元素不做討論.桶中剩余淹水采用虹吸式排水方式抽出，對剩余帶有根系的底泥進行分揀并混勻，每種淹水及無植物對照條件均隨機挖取3個平行作為重復，裝入自封袋帶回實驗室，去除雜質，經自然風干后研磨，過160目孔篩，試驗待用.

1.3 測定方法

SOC含量測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法(LY/T 1237—1999)；TN含量測定采用凱氏定氮法(LY/T 1228—1999)；TP含量測定采用酸熔—鉬銻抗比色法(LY/T 1232—1999)；土壤pH、Eh、Ec以及DO采用哈希水質分析儀(HQ40D，蘇州中昂儀器有限公司)測定.

表1 不同生長期下香蒲生長狀況的基本參數1)Table 1 Basic parameters of cattail grown in different growth periods

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件處理、整理數據；利用SPSS 23.0統計分析軟件，對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和對不同水位條件及生長期下的底泥SOC、TN、TP含量及生態化學計量特征進行方差分析和正態性檢驗；對底泥中SOC、TN、TP和其計量比及pH、Eh和DO運用R(Version 3.6.3)進行回歸分析及相關性分析；采用Origin 2018 Pro軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同水位梯度及生長期變化對濕地底泥有機碳、氮、磷含量的影響

方差分析表明(表2)，湖濱濕地不同水位梯度及植物不同生長階段均對底泥中SOC、TN、TP含量存在顯著影響(P<0.01).

表2 不同水位條件及植物生長期對濕地底泥SOC、TN、TP含量影響方差分析Table 2 Variance analysis on the effects of different water levels and plant growth periods on SOC, TN and TP contents of wetland sediments

濕地底泥中土壤SOC、TN、TP的含量分別為7.39～20.50、1.01～1.64和1.12～1.74 g·kg-1.不同淹水處理顯著影響湖濱濕地底泥營養元素的累積，底泥中SOC和TP含量隨采樣時間逐漸減小，TN含量逐漸增加(圖1).濕地底泥SOC含量隨植物生長期逐漸減少，在0 cm水位，底泥中SOC含量相對呈緩慢降低趨勢，從采樣初期到植物生長末期，SOC變化量8.42～20.50 mg·kg-1，變化率58.93%，而在7 cm和15 cm水位條件時，SOC含量分別為：7.39～16.24和8.28～15.75 mg·kg-1，變化率分別為54.49%和47.43%，說明水位7 cm時，SOC的釋放風險更高.根據同水位條件所設置的無植物對照分析，無植物條件下底泥SOC的變化量低于同水平有植物條件下底泥SOC的變化量.在植物生長末期(圖1)，底泥中SOC含量在有植物與無植物條件下的SOC含量均值分別是8.03和12.35 mg·kg-1，差量在35%左右；TN隨植物生長期含量逐漸增加，各水位梯度之間存在顯著差異(P<0.05)，水位為0、7以及15 cm的含量分別在：1.01～2.38、1.26～2.16和1.22～1.95 mg·kg-1之間，其增長率分別為：57.64%、41.45%和37.37%，TN在水位0 cm的增長率更高，表明較為干旱的濕地環境更容易引起TN釋放.底泥中TN含量隨香蒲生長期從1.16升高至2.16 mg·kg-1，增長率為46%，無植物條件下，在生長初期至末期其含量從1.42升高至2.29 mg·kg-1，增長率下降至38%；底泥TP隨采樣時間呈遞減趨勢，0 cm水位，底泥TP從1.74降低到1.12 mg·kg-1，變化率為35.72%，水位在7 cm，其含量變化為1.28～1.48 mg·kg-1，變化率為13.09%，水位在15 cm，TP含量為1.12～1.63 mg·kg-1，增長率達到31.16%，在7 cm水位，TP變化率更低，釋放風險更小.對比無植物條件，底泥中TP變化量相對較低，在香蒲生長初期，在有植物與無植物條件下，底泥中TP含量均值分別為1.61和1.52 mg·kg-1，差量為4%，在枯落期則TP含量分別為1.17和1.40 mg·kg-1，其差值增長到16%.

Y：有植物；W：無植物對照.不同大寫字母表示湖濱濕地底泥在同一采樣時期上差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示湖濱濕地底泥在同一水位梯度上差異顯著(P<0.05).圖1 不同水位條件及生長期下濕地底泥土壤有機碳、全氮、總磷含量Fig.1 Contents of SOC, TN and TP in wetland sediment under different water levels and growth periods

2.2 濕地底泥化學計量比隨不同水位梯度及生長期的變化

方差分析表明(表3)，湖濱濕地不同水位及植物不同生長階段均對底泥化學計量比存在顯著影響(P<0.01).

表3 不同水位梯度及植物生長期對濕地底泥化學計量比的影響Table 3 Variance analysis on the effects of different water level conditions and plant growth periods on the stoichiometric ratio of wetland sediments

不同水位條件下湖濱濕地化學計量比之間存在顯著差異(P<0.05).各采樣階段C/N、C/P和N/P的比值分別為3.39～16.23，6.59～13.89和0.58～2.12(圖2).隨采樣時間，C/N逐漸減小，在香蒲生長初期，在0和7 cm水位，C/N差異性不顯著，與15 cm水位條件之間差異性顯著(P<0.05)，在生長旺盛階段，不同水位條件之間存在顯著差異(P<0.05)，在枯落期，不同水位梯度之間差異性不顯著；在全部采樣階段，濕地底泥C/P呈遞減趨勢，在香蒲生長旺盛期及枯落期，7 cm水位條件下，其值均處于最高值，與其他水位條件之間存在顯著差異(P<0.05)，在香蒲生長枯落期則趨于穩定，不同水位梯度之間差異性不顯著性；而N/P在全部采樣期其值逐漸增加，在7、9月采樣期不同水位之間差異性不顯著，7 cm水位條件值最大，0 cm水位條件值最小，在采樣末期，0 cm水位條件下，N/P增加至最大值，在7 cm和15 cm水位條件下，則差異性相對較小.

2.3 底泥物理化學性質對SOC、TN、TP含量及化學計量比的影響

環境因子通過影響植物的生長和演替，進而影響土壤中各元素的含量及其分布[15].從圖3可知，每個方格中分別代表因子之間的相關性系數，左下角表示各因子之間正負相關性，右上角圓形大小代表其顯著性.在0 cm水位條件，DO與底泥SOC、TP、C/N以及C/P呈顯著負相關(P<0.01)，與TN、N/P呈顯著正相關(P<0.01)，pH、Eh與其他因子之間存在相關性，但不顯著；水位為7 cm時，底泥Eh與SOC、C/N、C/P呈顯著負相關(P<0.05)，與TN呈顯著正相關(P<0.05)，底泥其他環境因子與各元素含量之間相關性不顯著；15 cm水位條件，底泥pH與SOC、TP、C/N、C/P呈顯著負相關(P<0.01)，與TN、N/P呈顯著正相關(P<0.01)，而底泥DO、Eh與其他因子之間相關性不顯著.在0 cm水位下，引起底泥中SOC、TN、TP含量及化學計量比變化的主控因子是底泥DO，而水位為7 cm時，Eh更容易引起底泥營養元素的變化，與其相關性更顯著，水位15 cm，則引起底泥中各元素的含量變化的主要環境因子是pH，總體而言，底泥SOC與其他碳氮磷化學計量特征均具有極顯著相關性(P<0.01) ；TP與SOC、C/N、N/P和C/P具極顯著正相關(P<0.01)，與TN相關性不顯著；TN僅與N/P呈顯著正相關(P<0.01).

不同大寫字母表示湖濱濕地底泥在同一采樣時期上差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示湖濱濕地底泥在同一水位條件上差異顯著(P<0.05).圖2 不同水位條件及生長期下濕地底泥化學計量比Fig.2 Stoichiometric ratio of wetland sediment under different water level conditions and growth periods

a：0 cm水位；b：7 cm水位；c：15 cm 水位.圖3 不同水位梯度底泥SOC、TN、TP含量及化學計量比與底泥物理化學性質之間的相關性分析Fig.3 Correlation analysis between SOC, TN, TP contents and stoichiometric ratio of sediment in different water level conditions and sediment physiochemical parameters environmental factors

3 結論與討論

3.1 不同水位條件對濕地底泥SOC、TN、TP 含量的影響

碳、氮、磷作為土壤主要養分元素, 在探究生物系統、能量循環以及多元素平衡過程中有著重要意義[16]，同時生態系統中碳、氮、磷的含量在探究限制土壤生產力元素平衡和生物系統能量平衡過程中發揮著關鍵性的作用[17].本試驗探究不同水位對濕地底泥營養元素的影響，采樣初期底泥SOC含量較高，是由于原位底泥表層覆蓋了大量的枯枝落葉，為土壤提供了豐富的碳源[18-20]，底泥SOC含量在0 cm水位條件與其他水位之間具有顯著差異，是由于外界環境擾動引起表層SOC向深層的機械遷移以及植物和微生物殘骸未形成泥炭導致[21]，0 cm水位下，底泥土壤SOC降低率大于其他水位，是由于高水位下進入土壤的氧氣減少，起分解作用的好氧微生物活動減弱或停止，底泥SOC分解率低，反之，在較為干旱的狀態下，通氣量增加會導致SOC分解加速[22-23].

各水位梯度下底泥SOC與TN之間均呈顯著負相關，證明底泥中碳、氮的來源不同，底泥中SOC的主要來源是原位底泥中動植物殘體，而TN來源于一定程度的氮沉降和土壤的氮礦化，也表明底泥中TN含量不受底泥SOC含量的限制[24].而底泥中TN含量隨采樣時間逐漸增加，由于室外模擬過程中存在一定的氮沉降，同時環境水體中含有一定量的氮，在添加的過程中會導致氮含量累積，并且由于C/N小于25，且隨采樣時間逐漸減小，氮礦化能力增強，將底泥中蛋白質、腐殖質等有機氮化為無機氮，導致底泥中TN會在一定程度上持續增長[25].同一采樣期下TN在7、15 cm水位條件下的含量變化低于0 cm水位，從相關性分析中可知，水位在7 cm時，底泥TN與土壤Eh呈顯著正相關(P<0.05)，淹水導致土壤Eh下降，其相應的物理、化學和生物特征也會發生改變[26]，導致土壤氮損失增多[27]，相對0 cm水位條件TN含量更低.

底泥TP含量隨植物生長而逐漸降低，說明植物在生長過程中需要消耗大量TP，尤其在9、11月，香蒲生長旺盛及枯落期，吸收大量生物有效磷，TP含量隨之減小.研究表明，磷的循環屬于沉積型循環[28-29]，底泥中的磷部分來自于深層土壤中磷的釋放，部分來自于植物以及微生物，但主要是由土壤本身所決定，在無外源磷添加的情況下，淹水會導致底泥厭氧環境，由于減少了氮素流失、抑制了有機質分解，底泥中TN大量儲存，因此植物吸收底泥TP做營養成分，相對于在0 cm水位條件下，底泥TP消耗更高，而且由于泥炭層分解過程中釋放出來的有機磷可能對于植物而言具有更高的利用率，所以磷的循環速度更快[30].在高水位條件下，底泥營養元素處于最低值，淹水深度的增加會在一定程度上降低底泥中微生物的生長繁殖以及底泥中土壤酶的活性，導致底泥礦化速率降低.同時也表明了干旱條件更利于增加土壤的通氣性和保溫性，使底泥與外界物質之間的交換更加透徹，從而會加速其礦化.

3.2 不同水位條件對濕地底泥化學計量比相關性的影響

研究表明，在不同水位條件下濕地底泥C/N、C/P 和N/P之間存在顯著差異，濕地不同水位導致底泥的物理、化學和生物特征發生改變[31]，進而影響底泥碳、氮、磷等元素的循環過程.土壤C/N作為土壤環境或者土壤質量變化的敏感指標，可以用來衡量土壤氮礦化能力、有機質分解速率和營養平衡狀況[32].C/N小于25，說明底泥中有機質的分解不受氮的限制，有利于分解過程中養分的釋放，也表明底泥腐殖化的程度相對較高，底泥的土壤礦化能力較強[33].土壤C/N在12～16之間時，表明有機質被微生物很好地分解[34]，另外，土壤C/N與有機質分解過程所釋放的有效氮呈反比，C/N越小，有機質分解過程中釋放有效氮潛力越大[35]，在盆栽模擬湖濱濕地試驗中底泥C/N為3.49～16.23，其有機質被分解，有效氮大量釋放.底泥C/P反映的是土壤微生物在土壤有機質中釋放磷的潛力，C/P小，表明微生物在碳礦化，土壤有機質更容易釋放磷，C/P大則表明土壤微生物對土壤有效磷存在同化趨勢，具有較強的固磷潛力[36].土壤C/P與有機質分解過程所釋放的有效磷量呈反比，C/P越大有機質分解過程中釋放有效磷的潛力越小[36].模擬環境中C/P變化范圍6.59～13.83，C/P在初期采樣時較高，由于初期底泥中微生物對底泥有效磷存在同化性，而隨采樣時間推移，C/P逐漸減小，說明隨著植物生長期的變化，微生物影響底泥固磷能力也逐漸減弱.土壤N/P常被用來判斷限制性的養分元素[37]，底泥N/P最高值僅為2.12，C/P與N/P均小于14，說明氮、磷元素均是影響植物生長的限制性因素，且受氮素限制高于磷素[38]，有研究表明高緯度區域的植被更易受氮素限制，低緯度植被更易缺磷[39]，這與本研究結果相同.C∶N∶P比值是預測土壤養分的限制性和有機質分解速率的重要指標[40].本研究結果表明，在0、7和15 cm水位條件下的底泥C∶N∶P均值分別為127∶16∶15、136∶16∶13和112∶15∶13，表明水位為15 cm時，更有利于底泥中生態系統的穩定，而相對7 cm水位條件下，元素之間的耦合關系以及穩定性更低.

綜上可知，短期盆栽試驗中，在高水位條件下，底泥中SOC、TN、TP含量均處于最小值，為了減少生態環境中營養元素帶來的風險，可以適量控制湖濱濕地中淹水高度，同時控制底泥pH，根據其與SOC、TP之間呈顯著負相關，與底泥TN顯著正相關的研究結果，可知在中性偏堿的底泥狀態下，碳氮磷帶來的釋放風險會更低，同時研究表明，在植物生長末期，碳、磷含量被大量吸收，底泥中營養元素減少，可適當種植香蒲等植物吸收底泥中營養元素，減少污染風險.