陳凌云， 李文兵， 戴文紅， 蔣躍平， 林金昌， 宋垚彬， 董 鳴

(1.杭州師范大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310036； 2.杭州西溪濕地國家公園生態(tài)研究中心，浙江 杭州 310013)

?

杭州城西和睦與西溪濕地沉積物粒度參數(shù)與磷含量的比較

陳凌云1， 李文兵1， 戴文紅1， 蔣躍平2， 林金昌2， 宋垚彬1， 董 鳴1

(1.杭州師范大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)杭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310036； 2.杭州西溪濕地國家公園生態(tài)研究中心，浙江 杭州 310013)

文章基于取樣調(diào)查數(shù)據(jù)，通過比較西溪濕地與和睦濕地池塘和河道沉積物的粒度特征、顆粒組成和磷含量，分析了濕地利用方式和水流方式及其交互作用對杭州城西濕地上述指標(biāo)的影響.結(jié)果表明，水流方式對沉積物粒度分布的峰度有顯著影響，西溪濕地與和睦濕地的沉積物粒徑分布參數(shù)有一定的差異，但未達(dá)到顯著效應(yīng).利用方式顯著影響了總磷含量，但對有效磷含量沒有影響，池塘的總磷和有效磷含量均小于河道，細(xì)粒徑的比例與總磷和有效磷含量具有很強(qiáng)負(fù)相關(guān).由于西溪濕地與和睦濕地利用方式分化的時(shí)間相對較短，隨著時(shí)間的變化和生態(tài)系統(tǒng)管理方式的進(jìn)一步分化，很有可能會加劇兩塊濕地沉積物粒徑分布和磷含量的分化，從而影響其生態(tài)系統(tǒng)過程、功能和服務(wù).

沉積物；城市濕地；杭州城西濕地；粒度參數(shù)；水流方式；磷含量

0 引 言

沉積物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是重要的物質(zhì)和能量的匯集地.粒度作為沉積物最重要的物理參數(shù)和動(dòng)力環(huán)境指標(biāo)[1]，受到氣候環(huán)境、搬運(yùn)介質(zhì)、地形地貌等地球表面外力和內(nèi)力的共同影響，是各種因子綜合作用的結(jié)果[2-3]，反映了其礦物組成、表面物理化學(xué)性質(zhì)、比表面積和表面自由能的差異[4].因此，粒度分析可作為沉積物來源、形成過程以及沉積歷史等研究的手段，在濕地、湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要的作用[5-8].水動(dòng)力學(xué)特征影響著沉積物的粒徑分布[8-9].因此，河道中水的相對動(dòng)力條件較好，對于沉積物的搬運(yùn)作用也可能較大；池塘中水體流速緩慢，水的動(dòng)力條件較差，對沉積物的搬運(yùn)作用可能更小，從而形成河道和池塘沉積物粒度參數(shù)的差異.同時(shí)，沉積物的粒度分布特征，特別是濕地沉積物，對人類活動(dòng)[10-11]、土地利用變化[12]有較強(qiáng)的敏感響應(yīng).

城市濕地是城市景觀的重要組成部分[13]，其生態(tài)功能對城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展具有顯著的作用[14].城市濕地可以為城市居民提供水資源，為城市本身提供防洪蓄水等功能，還能補(bǔ)充地下水，提高水質(zhì)[15].另外，城市濕地在調(diào)節(jié)城市區(qū)域氣候、降低城市熱島效應(yīng)、降解水體污染物、保護(hù)生物多樣性等方面具有重要的作用[16].但城市濕地承受著更為劇烈的人類干擾，也是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的匯集地[17]，面臨著生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化等嚴(yán)重的生態(tài)問題[18-19].磷的積累是城市濕地目前面臨的主要問題之一[16,20]，而沉積物是磷的主要源和匯，影響著濕地磷的生物地球化學(xué)循環(huán)[21]，從而直接影響著生態(tài)系統(tǒng)功能和健康.沉積物顆粒大小對水體污染物和營養(yǎng)物質(zhì)的吸附-釋放等過程有顯著的影響[22-23]，是控制表層沉積物各形態(tài)磷含量分布的重要因素[24].因此,研究比較沉積物粒徑參數(shù)和磷含量有助于了解城市濕地的健康診斷及保護(hù)利用.

杭州城西濕地位于浙江省杭州主城區(qū)西側(cè)，是較少見、尚未經(jīng)現(xiàn)代城市化開發(fā)的“原生態(tài)”濕地，為河網(wǎng)水系，主要由河港、池塘和水田等多種濕地要素組成，對改善杭州的生態(tài)環(huán)境和提高城市環(huán)境質(zhì)量具有非常重要的作用[25].西溪濕地與和睦濕地是杭州城西濕地重要的組成部分，兩塊濕地經(jīng)歷著不同的利用模式.其中，和睦濕地有大量的居民區(qū)分布，居民的生產(chǎn)生活會對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生相對較大的人為干擾；而西溪濕地早在2003年開始建立國家濕地公園并加以綜合保護(hù)[26]，十多年來沒有如和睦濕地一樣的生產(chǎn)生活方式，受到的人為干擾相對較小.本文旨在通過比較兩個(gè)不同利用方式的濕地的池塘和河道沉積物粒徑分布特征及磷含量的差異，探討影響城市濕地沉積物粒度特征的主要因素.

1 方 法

1.1 研究區(qū)域

圖1 和睦濕地與西溪濕地的位置概況Fig. 1 Locations of Hemu Wetland and Xixi Wetland

杭州城西濕地位于杭州主城區(qū)西側(cè)，三面環(huán)山，屬于杭州主城區(qū)西部低山丘陵地形向杭嘉湖平原過渡的區(qū)域(N30°14′07.61″～N30°26′21.23″，E119°51′40.04″～E120°06′55.59″)[25]，是典型的城市濕地群.屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛，光照充足，夏季濕潤多雨，冬季溫和少雨，年平均降雨量為1 421.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為758 mm，多年平均氣溫16.2 ℃；平均海拔20～40 m；平均相對濕度75%～85%，年日照時(shí)數(shù)為1 765 h，無霜期約為240 d.土壤以紅壤、巖性土和水稻土等為主，濕地植被類型以人工及半人工植物群落為主，同時(shí)也有自然形成的植物群落[27].西溪濕地(N30°15′23.40″～N30°17′96.60″，E120°02′16.60″～E120°16′56.04″)與和睦濕地(N30°14′31.94″～N30°15′5.32″，E119°58′54.53″～E119°59′52.59″)是其中保存較為完好、保護(hù)程度不同的兩塊濕地，以河道和池塘為主，水面面積均超過70%.西溪濕地自2003年來通過濕地公園建設(shè)，結(jié)合現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)管理方法，并開展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游，濕地生態(tài)系統(tǒng)得以修復(fù)，生態(tài)多樣性逐步增加，同時(shí)西溪的濕地文脈也得以延續(xù)，實(shí)現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的雙贏[28].和睦濕地與西溪濕地相距6 km，面積約10 km2，是浙江省內(nèi)罕見的“原生態(tài)”濕地，其利用方式為“傳統(tǒng)水鄉(xiāng)”的農(nóng)業(yè)生活型，主要以?；⑹粱刃问降亩嗷~塘為主，缺乏科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)管理措施(圖1).

1.2 樣品獲取與測定

1.3 數(shù)據(jù)分析

參照狄增超等[32]的分級方法，將杭州城西濕地沉積物分為細(xì)黏粒(<1 μm)、粗黏粒(1～2 μm)、細(xì)粉粒(2～5 μm)、中粉粒(5～10 μm)、粗粉粒(10～50 μm)、細(xì)砂粒(50～250 μm)、粗砂粒(250～1 000 μm)7個(gè)粒級.兩因素方差分析用于檢驗(yàn)濕地利用方式(濕地公園和傳統(tǒng)水鄉(xiāng))和水流方式(池塘和河道)對各粒級組分含量和磷含量的效應(yīng)，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化以滿足方差分析的假設(shè).Pearson相關(guān)用于分析不同粒徑比例與磷含量的相關(guān)程度.所有的分析使用SPSS 17.0完成.

2 結(jié) 果

表1 不同利用方式和水流方式對杭州城西濕地粒度參數(shù)的影響

*:P<0.05.

2.1 粒徑分布

杭州城西濕地4種類型沉積物平均粒徑的均值為6.79 μm(范圍為4.08～7.67 μm)，分選系數(shù)的均值為1.542(范圍為1.185～2.651)，偏態(tài)的均值為1.026(范圍為0.350～1.893)，峰度的均值為3.358(范圍為2.516～5.050).4個(gè)參數(shù)的變異系數(shù)分別為7.39%、9.85%、40.18%和11.30%.沉積物顆粒類型以粗粉粒和中粉粒為主，細(xì)粉粒次之.由表1可見，濕地利用方式和水流方式對平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)均無顯著影響，水流方式顯著影響了峰度(P<0.05)，利用方式、水流方式的交互作用對分選系數(shù)、偏態(tài)和峰度都沒有顯著影響，但對平均粒徑有顯著影響(P<0.05).

2.2 顆粒組成

利用方式對杭州城西濕地沉積物中細(xì)黏粒、細(xì)粉粒、中粉粒以及粗粉粒的組分含量有顯著影響，水流方式對細(xì)黏粒、中粉粒、粗粉粒以及細(xì)砂粒的組分含量有顯著影響.細(xì)黏粒、粗黏粒、細(xì)粉粒受到濕地利用方式與水流方式的交互作用影響(表2，圖2).

表2 利用方式和水流方式對杭州城西濕地沉積物各粒級組分含量的影響

*:P<0.05;**:P<0.01.

圖2 不同利用方式和水流方式下杭州城西濕地沉積物各粒級組分含量Fig. 2 Sediment particle main size fraction content of different usage types and flow patterns

圖3 不同利用方式和水流方式下杭州城西濕地沉積物總磷和有效磷含量Fig. 3 Total phosphate and available phosphate content in sediments of different usage types and flow patterns

2.3 不同形態(tài)P含量比較

水流方式、利用方式與水流方式的交互作用顯著影響了總磷和有效磷含量(表3)，河道中的總磷和有效磷含量高于池塘，且這種效應(yīng)在和睦濕地更明顯(圖3).利用方式顯著影響了總磷含量，但對有效磷含量沒有影響(表3)，西溪濕地總磷顯著低于和睦濕地(圖3).

表3 利用方式和水流方式對杭州城西濕地沉積物總磷(TP)和有效磷(AP)含量的影響

*:P<0.05;**:P<0.01.

2.4 P含量與粒徑分布的相關(guān)性

由表4可見，細(xì)粒徑(<2 μm)的比例與總磷和有效磷含量具有很強(qiáng)負(fù)相關(guān)，即細(xì)粒徑組分越多，沉積物中總磷和有效磷含量越少.隨著粒徑的增大，沉積物粒徑與總磷和有效磷含量的相關(guān)性變差，除了細(xì)砂粒(<250 μm)的比例與有效磷呈正相關(guān)，粗砂粒(<1 000 μm)的比例與總磷呈正相關(guān).

表4 不同粒徑含量與總磷和有效磷含量的相關(guān)性

*:P<0.05;**:P<0.01.

3 討論

沉積物的粒徑特征主要受到沉積物來源物質(zhì)的粒徑分布和搬運(yùn)介質(zhì)的動(dòng)力條件這兩個(gè)因素的影響[33].西溪濕地與和睦濕地相距約6 km，中間為正逐漸退化的五常濕地，在西溪濕地與和睦濕地保護(hù)利用前，這些濕地均連成一片組成了杭州城西濕地群，可以認(rèn)為和睦與西溪濕地沉積物的母質(zhì)來源一致.因此，影響西溪濕地與和睦濕地沉積物粒徑特征的主要因素可能是人類活動(dòng)(利用方式)和水力條件.

池塘相比于河道，缺乏水動(dòng)力條件，因此池塘和河道沉積物粒徑分布的峰度上顯示出了差異，池塘積累了較細(xì)的沉積物.然而池塘和河道在其他的粒度參數(shù)上沒有差異，表明水動(dòng)力作用有限，筆者在調(diào)查時(shí)也發(fā)現(xiàn)，西溪濕地與和睦濕地河道的水流都較為緩慢.一般認(rèn)為沉積物的N、P含量越高，粒度分布更細(xì)[34-35]，但這種關(guān)系與磷的形態(tài)有關(guān)，特別是有機(jī)磷和各種吸附態(tài)的磷.有研究發(fā)現(xiàn)無機(jī)磷含量與<5 μm的顆粒含量呈負(fù)相關(guān)，這是由于無機(jī)磷不僅僅存在于顆粒表面，其含量與沉積物的比表面積無關(guān)[36].本研究也發(fā)現(xiàn)磷含量與黏粒比例呈負(fù)相關(guān)，但濕地類型和水動(dòng)力學(xué)特征間粒徑參數(shù)無顯著差異，且黏粒組分含量差異不大(圖2).這可能是由于除了粒徑分布外，還有其他因素影響了磷含量.此外，本研究發(fā)現(xiàn)池塘的總磷和有效磷含量均小于河道，這可能是由于河道的徑流面積比池塘大，更容易累積營養(yǎng)物質(zhì)；另一方面，這些河道多位于濕地的邊緣，除了受濕地本身的影響外，還要承受城市生產(chǎn)生活的影響，加上河道本身較為緩慢的流速，造成了營養(yǎng)物質(zhì)在河道沉積物中的沉降.河道對池塘雖然沒有直接的影響，但在極端天氣(如干旱或暴雨)和人類活動(dòng)(如池塘清塘后的補(bǔ)水)下，河道與池塘的水體具有較大的交換量.因此，維持河道的生態(tài)系統(tǒng)健康除了對城市生態(tài)系統(tǒng)本身具有重要意義外，對西溪濕地與和睦濕地的池塘也具有重要影響.對于西溪濕地與和睦濕地的河道來說，有必要進(jìn)行底泥疏浚，降低營養(yǎng)負(fù)荷.

兩種利用方式下西溪濕地與和睦濕地池塘沉積物的粒度參數(shù)差異大多不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.這可能是由于西溪濕地從2003年開始才被以濕地公園的形式綜合保護(hù)[26]，截至2016年僅13年，沉積物沉積速率較慢，暫未達(dá)到顯著差異.分選系數(shù)代表顆粒大小分布的均勻程度[37]，從分選系數(shù)的數(shù)據(jù)來看，利用方式的效應(yīng)已接近顯著(P= 0.077).西溪濕地池塘具有更多大粒徑的顆粒，而和睦濕地細(xì)粒徑的比例更大，這一結(jié)果與總磷和有效磷含量的結(jié)果一致.雖然粒徑參數(shù)的差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上未達(dá)到顯著效應(yīng)，但這一差異足以影響了磷含量，進(jìn)而可能影響其他的生態(tài)系統(tǒng)過程和功能.其主要原因可能與人類活動(dòng)強(qiáng)度(利用方式)有關(guān).西溪濕地自2003年來進(jìn)行封閉管理，逐步減少人類活動(dòng)對濕地的影響(如生態(tài)移民)，并開展有效的生態(tài)修復(fù)和恢復(fù)工程(如清淤、營造水生植被)，降低了沉積物中磷含量，也改變了沉積物的粒徑參數(shù).如果兩種利用方式不再改變，這一差異將繼續(xù)加大.因此，對于和睦濕地來說，應(yīng)借鑒西溪濕地的成功經(jīng)驗(yàn)，逐步改變當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活方式，采取截污納管、雨污分流等有效措施，避免生活污水對池塘的污染；減少農(nóng)藥化肥的使用量，回歸生態(tài)農(nóng)業(yè)模式.

本文的研究結(jié)果表明，西溪濕地與和睦濕地在管理、保護(hù)、利用方式上的不同導(dǎo)致了沉積物粒徑分布具有一定的差異，雖然兩者的差異不具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但總磷和有效磷含量已有顯著差異，隨著兩塊濕地不同生態(tài)系統(tǒng)管理方式的持續(xù)，沉積物粒徑分布上的差異可能會更大，從而會進(jìn)一步影響兩塊濕地的生態(tài)系統(tǒng)過程、功能和服務(wù).

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Sediment Grain Size Parameters and P Content in Hemu and Xixi Wetlands in the West of Hangzhou

CHEN Lingyun1, LI Wenbing1, DAI Wenhong1, JIANG Yueping2,LIN Jinchang2, SONG Yaobin1, DONG Ming1

(1. Key Laboratory of Hangzhou City for Ecosystem Protection and Restoration, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036,China; 2. Hangzhou Xixi National Wetland Park Research Center for Ecological Sciences, Hangzhou 310013, China)

The effects of the usage type and water flow pattern on the sediment grain size characteristics and phosphorus content in Xixi Wetland and Hemu Wetland are analyzed. The results show that water flow pattern has significant effect on the grain size distribution of sediments, the grain size distribution parameters have certain differences between the two wetlands, which are not so significant. The usage type has significant effect on total phosphorus contents, but has no effect on available phosphorus contents. Phosphorus contents in ponds are lower than that in stream. Fine size fraction contents have negative relationship with phosphorus contents. Along with the time of differentiation of ecosystem management in the two wetlands, the differentiaton of the sediments size distribution and phosphorus contents will be intensified, so that the ecosystem processes, functions and services will be affected.

sediment; urban wetland; western Hangzhou wetland; grain size parameters; water flow patterns; phosphorus content

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31261120580，41401556)；杭州師范大學(xué)攀登工程項(xiàng)目(201203)；杭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(20140533B08).

董 鳴(1957—)，男，教授，主要從事生態(tài)學(xué)研究與教學(xué).E-mail:dongming@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.06.005

Q948.1

A

1674-232X(2016)06-0583-06