張紫霞, 劉 鵬, 王 妍, 劉云根,2, 張 超

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224; 2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650224; 3.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 昆明 650224)

沉積物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境要素之一[1-2]，也是水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)，碳、氮和磷元素是濕地沉積物中重要的營(yíng)養(yǎng)組分，對(duì)提高濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能具有重要作用[3]，研究碳氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在濕地沉積物中的分布特征，是了解濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境生態(tài)凈化功能的重要基礎(chǔ)。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合了生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原理[4]，主要研究生態(tài)系統(tǒng)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(wèn)題[5]，它是分析多重化學(xué)元素的質(zhì)量平衡及其對(duì)生態(tài)交互作用影響的一種理論[6]。一般來(lái)說(shuō)，沉積物具有相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比[7-9]，但是會(huì)受到土壤理化性質(zhì)、水文過(guò)程、植物群落類型和環(huán)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(guān)系，對(duì)于認(rèn)識(shí)濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有重要意義[13-14]。沉積物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是預(yù)測(cè)養(yǎng)分限制性和有機(jī)質(zhì)分解速率的重要指標(biāo)[15]，對(duì)于認(rèn)識(shí)碳、氮和磷元素的循環(huán)和平衡機(jī)制具有重要意義[16]。目前，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究主要是在水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)方面[17-19]，沉積物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究對(duì)揭示養(yǎng)分的可獲得性以及碳、氮、磷等元素的循環(huán)和平衡機(jī)制具有重要意義，但鮮有相關(guān)研究成果[20]，同時(shí)巖溶濕地是一類地質(zhì)條件較為特殊的濕地類型，與其他區(qū)域的濕地相比，研究基礎(chǔ)也相對(duì)比較薄弱。因此鑒于巖溶濕地形成與發(fā)育過(guò)程的特殊性，開(kāi)展巖溶濕地沉積物碳、氮、磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究有助于促進(jìn)薄弱研究領(lǐng)域研究，本研究以普者黑巖溶流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以流域內(nèi)4種不同類型濕地的表層沉積物為研究對(duì)象，探析不同水期4種類型濕地表層沉積物中有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)的空間分布及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，以期為普者黑巖溶濕地的生態(tài)環(huán)境保護(hù)及治理提供一定的理論參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

普者黑巖溶流域位于丘北縣境內(nèi)(103°55′—104°13′E，24°05′—24°12′N)，距縣城約11 km，是中國(guó)西南地區(qū)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(zhǎng)江、紅河上游，流域內(nèi)分布有54個(gè)湖泊、312座孤峰、83個(gè)溶洞、15條河流和120 km的地下暗河，是由湖泊、孤峰、峰林等構(gòu)成的巖溶濕地復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，既是滇東南水域面積最大的巖溶流域，亦是當(dāng)?shù)刂匾嬘盟吹亍?/p>

研究區(qū)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(guó)內(nèi)罕見(jiàn)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(lái)源于擺龍湖和落水洞的巖溶地下水，其下游進(jìn)入清水江后流入南盤江，最終匯入珠江。該區(qū)屬南亞熱帶高原季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.4℃，多年平均降雨量1 206.8 mm。據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)濕地類型主要包括沼澤濕地、庫(kù)塘濕地、河流濕地和湖泊濕地4種。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與樣品分析

圖1 采樣點(diǎn)分布

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，運(yùn)用SPSS 21計(jì)算沉積物及水質(zhì)各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，采用ArcGIS 10.0和Origin 2017完成圖形制作。

2 結(jié) 果

2.1 不同類型濕地表層沉積物有機(jī)碳、全氮、全磷時(shí)空分布特征

2.1.1 表層沉積物有機(jī)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(shí)期的變化規(guī)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(kù)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(kù)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(kù)塘濕地沉積物SOC含量在不同時(shí)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(kù)塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而沼澤濕地與庫(kù)塘濕地沉積物SOC含量無(wú)顯著差異(p>0.05)；在平水期，庫(kù)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(wú)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(jī)碳含量在不同季節(jié)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(shí)期的變化規(guī)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(kù)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(kù)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(kù)塘濕地沉積物TN-S含量在不同時(shí)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(wú)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(kù)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(kù)塘濕地沉積物TN-S含量無(wú)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(kù)塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而河流濕地、湖泊濕地及庫(kù)塘濕地之間無(wú)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(jié)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(shí)期的變化規(guī)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(kù)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(kù)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(kù)塘濕地沉積物TP-S含量在不同時(shí)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(wú)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(kù)塘濕地TP-S含量有顯著差異(p<0.05)，而沼澤濕地與庫(kù)塘濕地沉積物TP-S含量無(wú)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(kù)塘濕地有顯著差異(p<0.05)，而湖泊濕地、沼澤濕地及庫(kù)塘濕地之間無(wú)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(jié)下的變化特征

2.2 不同類型濕地表層沉積物碳氮磷生態(tài)計(jì)量學(xué)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(shí)期下的變化規(guī)律基本一致，從枯水期、豐水期至平水期均呈上升趨勢(shì)；N/P-S在不同時(shí)期下的變化規(guī)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(shì)。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(kù)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(kù)塘濕地C/N-S最高，為25.43，沼澤濕地C/N-S最低，為11.93；庫(kù)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(shí)期下的變化特征

2.3 不同類型濕地表層沉積物有機(jī)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(jī)碳、全氮、全磷與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，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(zhì)C/N-W，C/P-W，N/P-W之間的相關(guān)性不同，在枯水期，河流濕地C/N-S與TP-S呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，C/P-S與TN-S呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；湖泊濕地C/P-S與N/P-W呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，N/P-S與N/P-W呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。在豐水期，湖泊濕地C/P-S與N/P-W呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，N/P-S與N/P-W呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。在平水期，河流濕地C/N-S與N/P-W呈顯著正相關(guān)(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(jī)碳、全氮、全磷及水質(zhì)C/N，C/P，N/P的相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 表層沉積物有機(jī)碳、全氮、全磷的時(shí)空差異性

本文的研究結(jié)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(shí)期下的變化規(guī)律不同，其主要原因是不同時(shí)期的降雨量、地表徑流量以及水動(dòng)力均不相同以及不同類型濕地有其獨(dú)特的特點(diǎn)，如濕地內(nèi)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(shí)候TN-S，TP-S及SOC的含量高，而在降雨量最大的時(shí)候TN-S，TP-S及SOC的含量低；降雨量大會(huì)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(nèi)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(dòng)植物殘?bào)w的歸還與分解等是濕地沉積物碳、氮和磷的主要來(lái)源[23]。河流濕地的采樣點(diǎn)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(nóng)田及部分農(nóng)村污水的排水口，河流濕地沉積物TP-S含量在枯、豐、平3個(gè)時(shí)期均比其他3種濕地高，是因?yàn)榭菟赥P-S含量來(lái)源于內(nèi)源，而豐水期降雨量大，地表徑流也大，進(jìn)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(jìn)入濕地，因此平水期TP-S含量較高是因?yàn)閮?nèi)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?qū)拸V，水體流速相對(duì)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(huì)把上游濕地中的動(dòng)植物殘?bào)w沖刷到湖泊濕地中，且自然沉積物中的氮主要來(lái)自動(dòng)植物殘?bào)w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(dǎo)致水流速度緩慢，且沼澤濕地中隨時(shí)間推移產(chǎn)生許多植物殘?bào)w[24]，從而使得TN-S含量在枯水期及平水期較高。庫(kù)塘濕地中TN-S，TP-S及SOC的含量基本較低，是由于庫(kù)塘濕地在枯水期，來(lái)水量少，攜帶的污染物較少，在豐水期及平水期，降雨量大，來(lái)水量也大，會(huì)沖刷濕地中的沉積物，使沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽釋放到上覆水中，造成沉積物中營(yíng)養(yǎng)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(guān)關(guān)系(表1)，與閆玉琴等[7]的研究結(jié)果類似，其中河流濕地沉積物SOC與TN-S在枯、豐、平3個(gè)時(shí)期均存在極顯著相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系，即河流濕地沉積物SOC與TN-S來(lái)源相同[27]。

3.2 表層沉積物碳、氮、磷比的時(shí)空差異性

濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷等元素的循環(huán)是相關(guān)聯(lián)的，在相對(duì)穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)內(nèi)元素的含量及化學(xué)計(jì)量特征是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)[28]，隨氮、磷等元素的變化而變化。巖溶濕地具有獨(dú)特的地貌特征，有特有的水文環(huán)境，產(chǎn)生了不同的濕地類型。不同類型濕地由于濕地內(nèi)部環(huán)境和地表徑流作用及其導(dǎo)致的水環(huán)境特征的差異，且在人類活動(dòng)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(huán)過(guò)程更為復(fù)雜[29]，相對(duì)應(yīng)的元素比也發(fā)生變化。普者黑巖溶流域不同類型濕地中，沼澤濕地和庫(kù)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(duì)濕地研究結(jié)果相似，可能是因?yàn)椋訚蓾竦睾蛶?kù)塘濕地生態(tài)系統(tǒng)容易受到P的限制[31]，且自然狀態(tài)下沉積物中的C，N，P等營(yíng)養(yǎng)元素大部分來(lái)自于濕地中植物的生物量返還，而沼澤濕地和庫(kù)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(zhǎng)需要足夠的營(yíng)養(yǎng)鹽，特別是氮磷，因此在部分時(shí)期會(huì)導(dǎo)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(shì)，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?yàn)?，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(dǎo)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(jié) 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(shí)期的變化規(guī)律不一致，SOC含量在平水期的庫(kù)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(kù)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(shí)期下的變化規(guī)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(shì)。C/N-S在平水期的庫(kù)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(kù)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(guān)系數(shù)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(guān)(p<0.05)，與各水質(zhì)指標(biāo)之間在平水期有相關(guān)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(zhì)N/P-W之間呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。