陳橋濕地土壤和沉積物碳、氮、磷分布及沉積物污染評價*

周會萍，周君麗，蔡祖國，黃艷麗，莊靜靜

(1.新鄉學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉 453003；2.河南科技學院 園藝園林學院，河南 新鄉 453003)

濕地處于水—陸生態系統過渡位置，其土壤和沉積物作為各種營養物質的源和匯，在全球碳(C)、氮(N)、磷(P)轉化和平衡方面具有重要意義[1-2]。濕地生態系統具有較高的生產力[3-4]，碳儲量高于農業和森林生態系統[5]。濕地C 儲量取決于其土壤和植被C 輸入和分解的速率，其含量小幅度變化即有可能引起全球氣候變化[6-7]。N 和P 是濕地植物生長的必需大量元素，影響著濕地生產力和生態凈化功能[8]。近年來，大量使用化學肥料、燃燒化石燃料、排放生活污水等使得隨著大氣沉降和地表徑流進入濕地生態系統的N、P 增多，引起水體富營養化和濕地生態服務功能下降[9]。研究濕地土壤和沉積物C、N、P 含量和化學計量特征以及沉積物污染狀況，可深入認識濕地生態系統物質循環對人類活動與全球氣候變化的響應結果。目前，對濕地土壤和沉積物C、N、P 分布狀況、化學計量特征及污染狀況研究較多[10-11]，且主要集中于對天然湖泊濕地[12]、鹽沼濕地[13]、紅樹林濕地[14]、高寒濕地[15]、河流與水庫[16]以及人工濕地[17]，對介于人工濕地和天然濕地之間的半人工濕地研究較少。半人工濕地連接著農田及田外水系，不僅是農田水體排放的初級匯合段，也是下游水體和物質的外輸口，起著蓄水、節流、過濾、凈化等多種功能。由于其特殊的水文和多樣的植被生態特征，研究其C、N、P 含量也更為復雜和迫切。

陳橋濕地位于河南省新鄉市封丘縣陳橋鎮境內黃河背河洼地灘涂地帶，是國家級濕地鳥類自然保護區，南依黃河大堤，北面是基本農田。陳橋濕地內灘涂和水域面積較大，動植物種類豐富，對科學研究、生態旅游和生物多樣性保護具有重要意義。近年來，陳橋濕地呈快速恢復態勢，評估其養分含量是科學實施濕地恢復和管理的基礎。為此，本研究分析了陳橋濕地水體區域沉積物和非水體(泥灘區)土壤有機質(organic matter，OM)，總氮(total nitrogen，TN)、總無機態氮(total inorganic nitrogen，TIN)、銨態氮(NH4+)、硝態氮(NO3-)、亞硝態氮(NO2-)和總磷(total phosphorus，TP)的含量及化學計量特征，并對沉積物污染水平進行評價，以期為陳橋濕地的生態功能和環境質量評價及保護管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃河北岸背洼地的陳橋濕地(34°53 ′13 ″～35°06 ′21N，114°13 ′53 ″～114°52 ′30 ″E)，南面距黃河河道約700 m，土壤為褐土，pH 整體呈堿性。氣候四季分明，年均氣溫14.1 ℃，年均降雨量604 mm[18]，為典型溫帶大陸性季風氣候；鳥類資源豐富，棲息著黑鸛(Ciconia nigra)、青頭潛鴨(Aythya baeri)、蒼鷺(Ardea cinerea)等多種瀕危珍稀鳥類，是國家級鳥類自然保護區。濕地內主要植物有油菜(Brassica napus)、蘆葦(Phragmites australis)、荷花(Nelumbo nucifera)、菖蒲(Acorus calamus)、異形莎草(Cyperus difformis)等。

1.2 樣品采集

于2021 年10 月在非水體(泥灘區)區域選擇代表性采樣點10 個進行采樣，記為L1～L10(圖1)。用鐵鍬采集各采樣點0～20 cm 土層土樣，平行采集3 次且每次所取土量大致相同，去掉石塊、雜物等，等量混合后按四分法保留1 000 g，帶回實驗室風干、研磨過篩備用。在水體區域選擇6 個代表性采樣點，記為W1～W6 (圖1)，用底泥采樣器采集各樣點表層沉積物，平行采集3 次，混勻，放入塑料自封袋，帶回實驗室分成2 份，一份新鮮樣品用于測定銨態氮(NH4+)、硝態氮(NO3-)和亞硝態氮(NO2-)含量；另一份風干去雜，研磨過0.15 mm 孔徑土壤篩后保存備用。

圖1 采樣點分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of sample points

1.3 樣品分析

土壤和沉積物的OM 含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；TN 含量采用凱氏定氮法測定；TP 含量采用堿熔—鉬銻抗比色法測定；用2 mol/L KCl 溶液浸提樣品后用流動分析儀測定NH4+、NO3-和NO2-含量，三者之和即為TIN 含量。

1.4 沉積物污染評價

水體沉積物污染常用的評價方法包括綜合污染指數法和有機污染指數法[19]，綜合污染指數法忽略了OM 指標，而有機物污染指數法未考慮P 的污染狀況?？紤]到近年來引起水體富營養化的因素為N、P 和OM 的增加[10]，為了較全面地評價陳橋濕地水體沉積物的污染狀況，本研究結合綜合污染指數法和有機污染指數法進行評價。

(1)綜合污染指數法

以加拿大安略省環境和能源部發布指南中能引起沉積物最低級別生態風險效應的TN 和TP含量為參考(標準值分別為550 和600 mg/kg)，單項和綜合污染指數計算公式為[20]：

式中：Si為單項評價指數或標準指數，當Si＞1 時表明含量超過評價標準；Ci為評價因子i實測值，mg/kg；Cs為評價因子i標準值，mg/kg；FF為綜合污染指數；F為n項污染物的污染指數平均值，即TN 評價指數（STN）和TP 評價指數（STP）的平均值；Fmax為最大單項污染指數，即STN和STP的最大值。沉積物氮磷污染評價分級結果見表1。

表1 沉積物污染評價標準[20]Tab.1 Standard of pollution for sediments

(2) 有機污染指數評價

有機污染指數將TN 和TP 含量單項評價參數綜合成1 個指數反應沉積物污染狀況。根據以下公式和表1 對陳橋濕地水體沉積物有機污染狀況進行評價：

式中：OI 為有機污染指數；OC 為有機碳含量，%；ON 為有機氮含量，%。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 進行基本數據處理；采用SPSS 21 進行數據統計與分析；采用Origin 2019 進行C、N、P 化學計量特征制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤和沉積物的氮、磷和有機質含量特征

陳橋濕地OM、TN 和TP 含量整體表現為沉積物大于土壤(表2)。沉積物OM 含量在(1.84±0.02)%～(13.88±1.98)%間，均值為(5.00±4.26)%，樣點間差異較大；土壤OM 含量在(1.51±0.02)%～(2.43±0.05)%間，均值為(1.82±0.28)%，樣點間差異較小。沉積物TN 含量均值為土壤TN 含量均值的4.05 倍，且樣點間差異較大，最高的W3樣點達到(4 940.24±1 258.11) mg/kg。沉積物TP含量均值為土壤TP 含量均值的1.17 倍，且樣點間差異較小。沉積物OM 和TN 含量高且樣點間差異大，可能是由于各樣點水體環境均質性不高，水流速度、流量及水體中植物種類和數量均有較大差異，加之水體厭氧環境更有利于有機物積累；而沉積物和土壤各樣點間的TP 含量差異較小，考慮研究區TP 含量受母質影響更大，受OM 和外源污染輸入影響較小。

表2 陳橋濕地水體沉積物和非水體土壤的有機質和氮磷含量Tab.2 Contents of organic matters,nitrogen,and phosphorus in water sediment and non-water soil of Chenqiao wetland

由表2 還可知：陳橋濕地沉積物TIN 含量在(28.41±5.32)～(126.11±35.08) mg/kg 之間，均值為(61.35±38.97) mg/kg，其中NH4+含量占比最高(97.60%)，均值為(59.88±38.50) mg/kg，表明研究區水體可能存在較為強烈的反硝化作用；土壤TIN 含量均值為(17.10±4.33) mg/kg，遠低于沉積物TIN 含量，同樣以NH4+為主。分析其原因可能是兩類樣地TN 含量差異較大，再加上非水體區域充足的氧氣會引起更多NH4+轉化為NO3-隨水淋溶。

2.2 水體沉積物污染評價

由表3 可知：陳橋濕地各樣點水體沉積物均有一定程度污染，TN 單項污染值為1.20～8.98，平均為3.13，其中W3 和W5 樣點TN 單項污染值分別為8.98 和4.38，達到重度污染程度，其余樣點TN 單項污染值為輕度、中度污染，表明研究區大部分水體存在著沉積物內源氮素釋放而引起水質惡化的可能。TP 單項污染值為1.03～1.43，平均為1.26，各樣點均為中度污染。W3 和W5 樣點FF 值較高，分別為7.33 和3.65，為重度污染；其他樣點FF 值為輕度污染，這可能與各樣點水文特征、生物多樣性和外源污染進入量有關，需密切關注W3 和W5 樣點。各樣點OI 值為0.08～3.78，均存在不同程度污染，其中W3 和W5 樣點OI 值較高，分別為3.78 和0.86，該指標受樣點水生植物密度影響較大，水生植物密度高，會限制水流速度，增加沉積物含量，提高有機污染水平，總體而言，陳橋濕地較高的OI 值可能會引起水體溶氧量低，后期需加強管理。

表3 陳橋濕地水體沉積物污染評價Tab.3 Evaluation of sediment pollution in Chenqiao wetland

2.3 土壤和沉積物的C、N、P 化學計量特征

由圖2 可知：陳橋濕地土壤C/N 值較高，平均值為25.31，會影響微生物活動，降低有機物分解速度；C/P 和N/P 值均較低，平均值分別為16.39 和0.66，可能是受母質和TP 含量較高的影響。沉積物C/N 值小于土壤，在12.67～27.92 之間，樣點間差異較大；C/P 值在13.53～97.03 之間，N/P 值在0.83～5.95 之間，二者均值都高于土壤，是因為2 種類型樣地TP 含量雖相差不大，但C、N 含量均以沉積物較高。

圖2 陳橋濕地水體沉積物 (上)和非水體土壤(下)碳(C)、氮(N)、磷(P)化學計量特征Fig.2 Carbon (C),nitrogen (N) and phosphorus (P) stoichiometry in water sediment (above) and non-water soil (below) of Chenqiao wetland

2.4 土壤和沉積物中C、N、P 的相關性

由圖3 可知：陳橋濕地沉積物中OM 含量與TN、NH4+、NO3-、TIN 含量均呈顯著正相關(P＜0.05)；TN 含量與NH4+、NO3-、NO2-、TIN 含量均呈顯著正相關(P＜0.05)；NH4+含量與NO3-、TIN、NO2-含量均呈顯著正相關(P＜0.05)；TP 含量與其他指標均無顯著相關性(P＞0.05)。陳橋濕地土壤OM 含量與TN、NO2-含量呈顯著正相關(P＜0.05)，TN 含量與NO2-含量呈顯著正相關(P＜0.05)，NH4+含量與TIN 含量呈顯著正相關(P＜0.05)。

3 討論

C、N、P 是重要的土壤生源要素，研究區水體沉積物養分含量遠高于非水體土壤，與閆玉琴等[21]和楊羽等[22]的研究結果一致。沉積物TN 含量[(1 723.35±1 562.50) mg/kg]、TP 含量[(754.28±98.94) mg/kg]分別為土壤TN 含量[(425.79±101.83)mg/kg]、TP 含量[(646.85±38.12) mg/kg]的4.05 倍和1.17 倍，可能是由于水體不僅分布有挺水植物，還有大量藻類和沉水植物，凋落物多，增加了N、P 輸入，加之水體厭氧環境不利于有機物礦化，養分釋放少、積累多。陳橋濕地土壤OM含量在(1.51±0.02)%～(2.43±0.05)%之間，均值為(1.82±0.28)%，樣點間差異較小，這與臨汾濕地公園土壤[23]及黑河自然保護區濕地土壤[24]的OM水平相當。水體沉積物中的OM 來自動、植物殘體沉積，礦質化過程中會釋放較多的C、N、P等元素[19]，影響N、P 等營養元素在沉積物中的運移和轉化，故陳橋濕地沉積物OM 平均值較高，為(5.00±4.26)%，且樣點間差異較大，W3 和W5 樣地較高，分別為(13.88±1.98)%和(6.43±0.22)%，遠高于太湖竺山灣緩沖帶濕地[25]和太湖湖濱濕地[26]的沉積物OM 含量，應考慮這些樣點的植物配置和生態修復問題，防止其分解礦化可能帶來的水體富營養化。陳橋濕地沉積物TIN 含量較高，均值為(61.35±38.97) mg/kg，以NH4+為主，占比為97.60%，意味著該區域反硝化作用較為強烈[27]。陳橋濕地沉積物NH4+含量均值為(59.88±38.50) mg/kg，遠高于閩江河口濕地[28]和羅時江河口濕地[29]，這可能與樣點鹽度、pH 值、沉積物機械組成以及缺氧環境對硝化作用的限制有關[30]。陳橋濕地土壤TIN 含量均值為(17.10±4.33) mg/kg，為沉積物TIN 含量的27.87%，但二者NO2-和NO3-含量相差不大，TIN 含量的差異主要是由NH4+含量差異造成的，沉積物NH4+含量是土壤的3.78 倍，一方面可能是因為非水體區域植被對銨態氮的吸收較多，另一方面可能由于非水體區域氧氣相對充足，部分銨態氮經硝化作用轉化為硝態氮，并隨水淋溶至深層。

研究區土壤OM 與TN 呈顯著正相關，TP與OM、各氮素指標無顯著相關性，說明研究區的土壤氮素主要來源于有機質分解，磷素來源于有機物分解的量較少。研究區沉積物TP 與OM、各氮素指標無顯著相關性，但各氮素指標與OM大多兩兩呈正相關關系，其中OM 與TN、NH4+、NO3-、TIN 呈顯著正相關。本研究中沉積物TP 含量可能更多受母質影響，受OM 及外源生活污水排放影響較小，而氮素受OM 影響較大，主要原因可能是由于水體沉積物主要來源于動植物、藻類和微生物的殘體及分解產物，而氮是這些有機物的主要組成部分[31]。作為國家級鳥類自然保護區，水體高蛋白類有機物的分解可能會釋放氮源進入水體，引起污染問題，破壞鳥類棲息環境[20]，在今后可以考慮及時收獲水生植物，控制其殘體分解引起的氮污染。

沉積物TN、TP 和OM 水平可反映濕地污染情況，陳橋濕地水體N、P 和OM 含量均超標，內源負荷嚴重；TN 和TP 含量受外源污染物輸入影響，外源輸入物質在各種水動力作用下發生沉降或再分配[32]。有研究表明：水生植物周期性的衰亡也會對上層水環境造成負面影響[33]。陳橋濕地水體分布有菖蒲、蘆葦等大量挺水植物，TN 均值為(1 723.35 ±1 562.50) mg/kg，雖與拉魯濕地[19]、梅溪湖濕地[34]等城市濕地水平相當，但STN為1.20～8.98，N 單項污染較嚴重，大部分樣點為中度、重度污染，可能會對上層水體水質造成威脅，存在潛在內源氮素釋放的風險，應受到重點關注。陳橋濕地各樣點沉積物TP 均值為(754.28±98.94) mg/kg，高于已有研究結果[10,35-36]，STP為1.03～1.43，屬中度污染。雖然陳橋濕地研究區水體分布有較多挺水植物，會降低沉積物中的TP含量[10]，但水體FF 分析表明W3 和W5 樣點為重度污染，其他樣點為輕度污染，這可能與不同樣點的水流流量、流速、挺水植物數量和外源污染進入量有關。本研究表明：陳橋濕地OI 值為0.08～3.78，屬輕度或重度污染水平，最大值是最小值的48.44 倍，這可能與樣點的水草植物密度有一定關系。水草密度高的采樣點，水流速度慢，沉積物多，根莖錯綜盤結，動、植物殘體豐富，有機質積累較多，有機污染水平較高，而挺水植物和水草較少的采樣點OI 值較小?？傮w而言，陳橋濕地較高的有機污染水平會引起底質溶氧量降低，限制營養物質的分解轉化，今后應加強管理，控制水體內源營養負荷。

陳橋濕地土壤C/N 平均值為25.31，高于全國平均水平(11.94)[37]，這可能與研究區土壤環境偏堿性(pH 8.10)、干旱少雨及微生物活性受限有關。較高的C/N 值會導致微生物因氮素不足而活性受限，進一步降低枯落物分解速度，使C/N值持續加大。陳橋濕地土壤C/P 和N/P 平均值分別為16.39 和0.66，均低于全國濕地土壤水平(分別為61.0 和5.2)[37]，這可能是受母質影響，研究區TP 水平較高，從而使C/P 和N/P 值偏低。陳橋濕地沉積物C/N 平均值為18.08，與全國濕地C/N 值(18.22)相當；C/P 和N/P 值比全國濕地平均水平(分別為245.22 和13.60)低[38]。本研究的沉積物TP 水平雖不及拉魯濕地[19]和吉林東部沼澤濕地[39]，但其C 和TN 含量與吉林東部沼澤濕地相比差距更大，所以C/P 和N/P 值較低，說明有機物礦化釋放有效磷的潛力較大[40]?？傮w而言，研究區沉積物 C/N 值小于土壤，而N/P 和C/P 值則高于土壤，這是因為水體區域和泥灘區域相比雖富有C[2]，其TN含量也高于土壤，但TP 在兩者之間差異較小。

4 結論

陳橋黃河濕地水體沉積物OM、TN、TP 和TIN 含量遠高于非水體土壤，分別為土壤的2.75倍、4.05 倍、1.17 倍和3.19 倍。各樣點沉積物氮單項污染水平較高，STN為1.20～8.98，大部分樣點為中度、重度污染；磷單項污水平STP為1.03～1.43，屬中度污染。各樣點綜合污染指數為輕度或重度污染，有機污染指數為0.08～3.78，也呈輕度或重度污染。沉積物OM 含量與TN、NH4+、NO3-、TIN 含量呈顯著正相關，反映出有機質的分解釋放對水體氮營養鹽有較大影響，可能是造成嚴重氮污染的主要原因，今后應加強管理，關注其內源釋放風險。