詹乃才，王 妍,b，劉云根,b，侯 磊,b，王書錦，張慧娟 (西南林業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院；b 農(nóng)村污水處理研究所，云南 昆明 650224)

湖濱濕地是湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)與湖泊流域相鄰陸地生態(tài)系統(tǒng)間一種十分重要的生態(tài)過渡帶，是湖泊的最后一道保護屏障[1]，湖濱濕地主要通過植物吸收、土壤吸附和沉淀、微生物固定等作用來實現(xiàn)對污染物磷入湖前的截留[2]。目前，關(guān)于磷在湖濱濕地水體-植物-沉積物系統(tǒng)中的含量分布研究多集中在沉水植物方面，且多為室內(nèi)模擬試驗，趙海超等[3]、王立志等[4]、俞振飛[5]、董林林[6]研究表明，外源磷進入到水體后，因受到沉水植物及環(huán)境因子的影響，會在上覆水和沉積物間發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化；然而尹延震等[7]、王福芳等[8]、趙曉峰[9]的研究表明，湖濱濕地水體總磷(TP)質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出明顯的時空分異性，TP質(zhì)量濃度隨著離岸的距離越遠而逐漸降低，且夏、秋季含量高于冬、春季；陳如海等[10]、王佩等[11]研究表明，湖濱濕地沉積物TP含量以水岸邊的陸向輻射區(qū)最高，并依次向水向輻射區(qū)遞減，垂直方向以表層最高，隨深度增加向下層遞減；王磊等[12]、許國云等[13]研究表明，挺水植物茭草對TP有高的凈化效率。這些研究對于湖濱濕地的生境保護提供了重要價值， 而對巖溶湖濱濕地水體-沉積物-挺水植物的總磷分布卻鮮有報道。

因此，本研究選取滇東南典型巖溶濕地——普者黑巖溶湖濱濕地為對象，選取受農(nóng)業(yè)面源污染的湖濱濕地為研究區(qū)域，探究總磷(TP)在水體-茭草-沉積物系統(tǒng)中的時空分布特征，旨在為普者黑巖溶湖泊的水環(huán)境保護和巖溶湖濱濕地的管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省文山州丘北縣境內(nèi)的普者黑國家級旅游風景區(qū)——普者黑村附近(24°08′N，104°06′E)，該區(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒Ц咴撅L氣候，多年平均氣溫16.4 ℃，雨季多集中在5～10月，平均降雨量1 206.8 mm，海拔1 436～1 499 m；研究區(qū)上游存在一定面積的農(nóng)田，農(nóng)田面積大約10 hm2，而且以種植水稻為主；區(qū)域內(nèi)主要植被為挺水植物茭草(Zizanialatifolia)，其生長狀況良好。

1.2 樣點布設與樣品采集

選取受農(nóng)業(yè)面源污染的巖溶湖濱濕地區(qū)域為研究區(qū)域，樣點布設采用典型樣帶法，在研究區(qū)內(nèi)布設3條平行樣帶(編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，相鄰兩條樣帶間隔為30 m，每條樣帶沿湖岸-湖心方向在湖濱濕地區(qū)等比例布置A1、A2、A3、A4、A5、A6 6個采樣點，其分別距離湖岸0，16，32，48，64，80 m，同時在每條樣帶湖心區(qū)域各布設1個對照采樣點A7，其距離湖岸88 m，因此共21個采樣點(圖1)。結(jié)合水文條件和季節(jié)性變化，在2014年10月和2015年1月、4月、7月，對各采樣點進行單點采樣。利用聚乙烯瓶在水面以下0.5 m處進行水樣采集，帶回實驗室于48 h內(nèi)進行分析測定；利用柱狀底泥分層采樣器采集水樣采集點對應的沉積物，每個樣點至上而下分為表層(0～5 cm)、中層(5～10 cm)、底層(10～15 cm)3層，將采集的沉積物裝入自封袋中，放入便攜式冷箱帶到實驗室分析；植物樣品采集進行單位面積樣方法，在對應每個采樣點(湖心點除外)周圍量取0.5 m×0.5 m的植物樣方，樣方內(nèi)茭草株數(shù)約為22株，株高平均約為1.25 m，且鮮質(zhì)量約為12.40 kg/m2，選取2～3株典型茭草，分別稱其莖、葉鮮質(zhì)量后帶回實驗室進行預處理。

A1～A7分別為湖岸至湖心的7個采樣點，下圖同A1-A7 represent the seven sampling points from lake shore to lake center. The same below圖1 云南普者黑巖溶湖濱濕地采樣點的分布Fig.1 Distribution of sampling points in Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

1.3 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

水樣總磷(TP)質(zhì)量濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)測定。將沉積物樣品自然風干后，磨細過孔徑0.147 mm篩后采用酸溶-鉬銻抗比色法[14]測定沉積物中TP含量；將植物樣品于105 ℃殺青10 min后，再于80 ℃烘干24 h，直至質(zhì)量恒定，磨碎后經(jīng)過H2SO4-H2O2消煮后,也采用鉬銻抗分光光度法[15]測定總磷(TP)含量。

利用SPP19.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，并采用Sufer 12.0進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 普者黑巖溶湖濱濕地水體TP質(zhì)量濃度及時空分布

云南普者黑巖溶湖濱濕地不同月份水體TP質(zhì)量濃度的分布見圖2。由圖2可以看出，普者黑巖溶湖濱濕地水體TP質(zhì)量濃度4，1月份高于7，10月份，即冬、春季污染比夏、秋季嚴重，但無顯著性差異。1，4和10月份水體TP質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出沿湖岸輻射區(qū)-湖濱濕地區(qū)-湖心輻射區(qū)方向明顯遞減變化規(guī)律；然而7月份水體TP質(zhì)量濃度波動較小，無明顯變化規(guī)律。從季節(jié)性污染變化來看，樣帶Ⅰ水體TP平均質(zhì)量濃度表現(xiàn)為4月(0.048 mg/L)>1月(0.025 mg/L)>10月(0.022 mg/L )>7月(0.020 mg/L)，樣帶Ⅱ、Ⅲ也表現(xiàn)出4，1月高于7，10月份。從空間分布來看，1，4和10月份樣帶Ⅰ湖岸水體TP質(zhì)量濃度分別為0.036，0.038，0.028 mg/L，湖心水體TP質(zhì)量濃度分別為0.023，0.027，0.015 mg/L，湖岸TP質(zhì)量濃度分別為湖心的1.56，1.41和1.86倍；然在7月份時水體TP質(zhì)量濃度無明顯變化規(guī)律。1,4和10月份樣帶Ⅱ湖岸水體TP質(zhì)量濃度分別為0.049，0.065，0.031 mg/L，湖心水體TP質(zhì)量濃度分別為0.029，0.031，0.017 mg/L，湖心TP質(zhì)量濃度相對于湖岸分別減少約40.82%，52.31%和45.16%；7月份水體TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律不明顯。1，4，10月份樣帶Ⅲ受農(nóng)業(yè)面源污染更為嚴重，水體TP質(zhì)量濃度相對更高，湖岸水體TP質(zhì)量濃度分別為0.053，0.081，0.038 mg/L，湖心水體TP質(zhì)量濃度分別為0.033，0.049，0.024 mg/L，湖岸質(zhì)量濃度分別為湖心的1.60，1.65和1.58倍；7月水體TP質(zhì)量濃度變化規(guī)律不明顯?？偟淖兓瘉砜?，樣帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ水體TP質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出沿湖岸輻射區(qū)-湖心輻射區(qū)遞減的趨勢，距離湖岸越遠TP質(zhì)量濃度越低，且樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水體TP質(zhì)量濃度依次遞增。

圖2 云南普者黑巖溶湖濱濕地不同月份水體TP 質(zhì)量濃度的分布Fig.2 Distribution of TP concentrations in water at each month in Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

2.2 普者黑巖溶湖濱濕地沉積物TP含量及時空分布

2.2.1 表層沉積物TP時空分布 由圖3可以看出，巖溶湖濱濕地表層(0～5 cm)沉積物TP含量表現(xiàn)為10月>4月>1月>7月，秋、春季沉積物污染較冬、夏季嚴重；各月份沉積物TP含量均呈現(xiàn)出湖岸輻射區(qū)-湖濱濕地區(qū)-湖心輻射區(qū)遞減的變化規(guī)律。從各樣帶季節(jié)性變化可以看出，樣帶Ⅰ沉積物TP平均含量表現(xiàn)為10月(0.506 g/kg)>4月(0.468 g/kg)>1月(0.446 g/kg)>7月(0.383 g/kg)，樣帶Ⅱ、Ⅲ中沉積物TP平均含量也表現(xiàn)出同樣規(guī)律。從各樣帶空間分布來看，10，4，1，7月份樣帶Ⅰ湖岸沉積物TP含量分別為0.620，0.557，0.505，0.425 g/kg，湖心沉積物TP含量分別為0.451，0.305，0.323，0.221 g/kg，湖岸TP含量分別為湖心的1.37，1.83，1.56和1.92倍，沉積物TP含量隨距湖岸距離越大而呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，表明巖溶湖濱濕地對于外源磷具有很好的攔截效果。10，4，1，7月樣帶Ⅱ湖岸沉積物的TP含量分別為0.713，0.544，0.711，0.555 g/kg，湖心沉積物TP含量分別為0.365，0.382，0.402，0.356 g/kg，湖心沉積物TP含量相對于湖岸分別減少48.81%，31.04%，43.45%和35.85%。樣帶Ⅲ沉積物TP含量與樣帶Ⅰ、Ⅱ差異均不顯著(P>0.05)，10，4，1，7月沉積物TP含量分別為0.699～0.451，0.645～0.362，0.740～0.310和0.678～0.408 g/kg。以上分析表明，湖濱濕地沉積物TP含量從湖岸-湖心總體均呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖3 云南普者黑巖溶湖濱濕地表層(0～5 cm)沉積物TP含量的分布Fig.3 Distribution of TP concentration in surface sediment at (0-5 cm) in Puzheshi karst lakeside wetland located in Yunnan

2.2.2 沉積物TP垂直變化 以1月(干季)、7月(濕季)為例，沉積物TP含量垂直變化見圖4。由圖4可知，巖溶湖濱濕地沉積物TP平均含量均以表層(0～5 cm)最高，隨深度向下層遞減。方差分析表明，表層沉積物TP含量與中、底層均呈顯著差異(P<0.05)。這與前人研究結(jié)果一致[16]，符合通常所說的“表層富集”現(xiàn)象，這種表層富集現(xiàn)象是一種普遍存在的現(xiàn)象，一方面是由于外源污染(農(nóng)藥化肥、動植物殘體等)嚴重而導致沉積物表層磷含量的劇增；另一方面，這可能是由于沉積物中磷的地球化學作用而導致其向表層遷移所致。

圖柱上標不同小寫字母表示同一采樣點不同深度沉積物TP含量差異顯著(P<0.05) Different small letters represent significant differences at different depths (P<0.05)圖4 云南普者黑巖溶湖濱濕地沉積物TP含量垂向分布Fig.4 Vertical distribution of TP concentration in sediment of Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

2.3 普者黑巖溶湖濱濕地茭草莖、葉TP含量及時空分布

由圖5、6可知，巖溶湖濱濕地茭草莖、葉TP含量表現(xiàn)為4，7月高于10，1月，且葉的TP含量高于莖，然而在空間分布上，茭草莖、葉TP含量沿湖岸輻射區(qū)-湖心輻射區(qū)均無明顯變化規(guī)律。4月，樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ莖中TP平均含量分別為2.705，1.823和2.046 g/kg，可知樣帶Ⅰ中茭草莖TP含量較高，樣帶Ⅱ最低，這與外源磷輸入量有很大關(guān)系；茭草葉TP含量高于莖，樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中茭草葉TP平均含量則分別達到3.178，2.561和2.752 g/kg；茭草莖和葉TP含量受沉積物中TP含量影響很大，分別與中層(R=0.637**，0.546**)、底層沉積物中TP含量(R=0.705**，0.740**)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(P<0.01)，表明植物莖、葉部分的磷大部分來源于對沉積物的吸收和富集。與4月相比，7月樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草莖TP含量分別降低了28.88%，41.97%和28.49%，葉TP含量則分別降低了32.42%，45.32%和39.88%。10月茭草莖TP含量表現(xiàn)出最小值，樣帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ茭草莖TP含量分別為1.023，0.767和0.851 g/kg；樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草葉TP含量分別為1.302,1.007和1.111 g/kg。1月茭草葉TP含量表現(xiàn)出最小值，樣帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ茭草葉TP含量則分別為0.907，1.055和1.062 g/kg;樣帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草莖TP含量分別為1.212,1.074和1.063 g/kg?？傮w結(jié)果表明，挺水植物茭草莖、葉TP含量呈現(xiàn)出明顯季節(jié)性變化特征。

圖5 云南普者黑巖溶湖濱濕地茭草莖TP含量分布Fig.5 Distribution of TP concentration in stems of Zizania aquatica of Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

3 討論與結(jié)論

根據(jù)云南文山州環(huán)境監(jiān)測站對普者黑湖的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果可知，近年來普者黑湖的水體TP質(zhì)量濃度約為0.05 mg/L。本研究結(jié)果表明，湖濱濕地水質(zhì)的平均TP質(zhì)量濃度在0.05 mg/L以下，與普者黑湖水質(zhì)情況不完全一致。這是由于湖濱濕地水深較淺，其水體TP質(zhì)量濃度變化又與周邊污染源、沉積物再懸浮、濕地內(nèi)水生植物腐爛等有很大關(guān)系。本研究區(qū)上游農(nóng)田面積約為10 hm2，4月處于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動旺季，大量施肥隨地表徑流排入湖中，造成較嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染[17]，因此可能導致4月份水體TP質(zhì)量濃度較其他季節(jié)較高。同時，沉積物向水體釋放TP主要由沉積物表層的間隙水與上覆水之間直接的交換作用產(chǎn)生。秦伯強[18]研究表明，沉積物通過含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態(tài)磷的吸附與解吸、磷酸鹽的沉降與溶解等物理、化學、生物過程及其相互作用來實現(xiàn)與上覆水間的交換，是造成內(nèi)源污染的重要途徑。本研究中，1月時，湖濱濕地區(qū)上游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動已經(jīng)停止，即沒有外源污染物輸入，但由于1月濕地植物處于枯落、腐爛時期，植物體內(nèi)的磷素會重新進入到水體中，從而導致1月水體TP污染也比較嚴重[12,19]，而且1月水體TP質(zhì)量濃度波動幅度不大。7月與10月降雨量較大，湖濱濕地水位較干季明顯上漲，Steinman等[20]研究表明，水位的變化會影響沉積物與水體間的交換過程；李爽[21]通過模擬野外試驗研究表明，在連續(xù)淹水條件下，水體TP質(zhì)量濃度呈下降趨勢，這與沉積物連續(xù)淹水后吸附磷量增加以及落干過程釋放磷酸鹽有關(guān)，可能由于夏季雨量較大引起水位變化，對濕地水體磷存在一定的稀釋作用，因此可能使得7，10月水體TP質(zhì)量濃度表現(xiàn)出較低水平。

圖6 云南普者黑巖溶湖濱濕地茭草葉TP含量的分布Fig.6 Distribution of TP concentrations in leaf of Zizania aquatica at each month in the karst lakeside wetland located in Yunnan

沉積物在湖泊循環(huán)過程中起著重要的作用，它既可作為湖泊中磷的“源”，也可以為“匯”。本研究中，普者黑巖溶湖濱濕地沉積物TP含量表現(xiàn)出在湖岸點輻射區(qū)較高、湖心輻射區(qū)較低的現(xiàn)象，這與此前吳春篤等[22]、王磊等[12]、王佩等[11]關(guān)于對湖濱濕地帶沉積物磷分布特征的研究一致，表明湖濱濕地對外源磷有截留作用。外源污染物隨地表徑流進入湖濱濕地后，流速被減緩，沉積物能夠通過過濾和吸附等作用直接去除污水中的磷素，其去污過程來自離子交換、專性與非專性吸附、螯合作用等[23-25]。另外湖濱濕地由于其干濕季節(jié)交替變化，可以增加沉積物對磷的滯留作用，沉積物不僅為微生物的生長提供穩(wěn)定依附的表面，而且為水生植物提供載體和營養(yǎng)物質(zhì)，因此使得沉積物TP含量沿湖岸-湖心方向呈現(xiàn)總體遞減趨勢。本研究中，10，4月沉積物TP含量較1，7月高，原因可能是：1)4，10月正是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)旺季，湖濱濕地上游的農(nóng)業(yè)面源污染匯入是其主要來源之一；2)1月份無任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，即湖濱濕地沒有外源污染，同時又由于沉積物內(nèi)源磷的釋放，從而可能導致1月沉積物TP含量較低；3)7月是水生植被生長繁殖期，需要從沉積物或水體中富集大量的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)供其生長，會產(chǎn)生磷在水體-植物-沉積物間的遷移過程[26-27]，因此可能導致7月沉積物TP含量最低。

茭草可以憑借發(fā)達的根系從沉積物中吸收和富集營養(yǎng)物質(zhì)供其生長[28]，同時也可以通過自然沉降、攔截、過濾、吸收等作用來實現(xiàn)對水體TP的凈化[29]。Jackson等[30]認為，水生植物組織中N、P等營養(yǎng)元素質(zhì)量濃度的變化，一方面受外在水體環(huán)境的影響，另一方面也與季節(jié)、植物年齡和生長階段等因素相關(guān)。但本研究發(fā)現(xiàn)，普者黑巖溶湖濱濕地水體TP質(zhì)量濃度與茭草莖、葉TP含量之間無相關(guān)性，表明茭草受外在水體環(huán)境影響較小。4，7月水位逐漸上漲，漲幅小、速度較慢，氣候溫暖，茭草生長旺盛，需要從沉積物中吸收大量N、P等營養(yǎng)物質(zhì)[31]，使得4，7月茭草莖和葉TP含量明顯較高；10，1月水位逐漸緩慢下降，茭草也開始死亡，茭草莖、葉中營養(yǎng)物質(zhì)也會釋放到水體中，使得茭草莖和葉TP含量較低。張全軍等[32]研究表明，水位的波動也會對濕地植物群落時空分布造成一定的影響，洪枯水位的季節(jié)性周期性波動會決定植物群落的生長、發(fā)育和繁殖過程，從而使不同的植物群落占領特定的生態(tài)位[33]。本研究中，普者黑湖濱濕地優(yōu)勢植物茭草的生長發(fā)育情況可能也會受季節(jié)性水位變化的影響，從而使其營養(yǎng)器官中TP含量產(chǎn)生變化。

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