2019, Vol. 39
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2. 西南林业大学, 石漠化研究院, 昆明 650224;
3. 西南林业大学, 林学院, 昆明 650224;
4. 西南林业大学, 水科学与工程中心, 昆明 650224
2. Rocky Desertification Research Institute, Southwest Forestry University, Kunming 650224;
3. Forestry Institute, Southwest Forestry University, Kunming 650224;
4. Center of Water Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224
近年来, 我国湖泊水体富营养化程度日趋严重, 其主要原因是由于湖泊水体中营养盐含量不断升高(Batayneh, 2012；张永生等, 2015), 造成湖泊水体中营养盐含量升高主要有两方面, 即内源释放和外源输入.沉积物既是湖泊生态系统的重要成分, 也是水中营养物质的储存库, 在外界水动力、气温等条件的影响下会释放营养物质到水体中, 从而影响水体环境(Ting et al., 1996；Von et al., 1997；Zhou et al., 2001；Zhang et al., 2004；伍钧等, 2005；吴艳宏等, 2006；薛滨等, 2007；朱元荣等, 2011；郑阳华等, 2018；李克永等, 2018).云贵高原受东亚和南亚季风的共同影响, 形成冬干、夏湿, 干湿季节较为分明的区域降水季节特征.且目前国内对沉积物营养物质的研究多为沉积物营养物质的空间分布、形态组成及机理转化等方面(王书锦等, 2016), 对沉积物干湿季的分布特征的研究较少, 因此研究沉积物干湿季的空间分布及污染评价具有重要意义.我国岩溶地层面积约占国土面积的1/3, 西南地区岩溶地貌具有孤峰多、土层薄、洼地广等特点, 因而岩溶湖泊及湿地数量众多(周忠发等, 2016).在岩溶洼地和盆地内散布着一种特殊的湿地——岩溶湿地(喀斯特湿地), 因岩溶地貌独特的二元水文结构, 其形成与演化不仅受到区域自然环境变化因素的制约, 还受到区域内人类活动的强烈影响, 因此岩溶地区湿地的形成较为困难(张寿越等, 2018；湛亚礼, 2018).普者黑地处珠江源头和长江、红河上游, 既是滇东南水域面积最大的岩溶湖泊, 亦是当地重要饮用水源地, 独特的地形地貌和特殊的岩溶湖泊生态系统, 具有较高的研究及保护价值(刘云根等, 2016).
本研究以普者黑岩溶流域为研究区, 以流域内不同类型湿地中的表层沉积物为研究对象, 探析干、湿季下不同类型湿地表层沉积物中TN、TP和OM的空间分布特征, 并运用单因子指数、有机氮和有机指数法对沉积物营养盐进行污染风险评价, 以期为普者黑流域富营养化的控制与治理提供参考和依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况普者黑岩溶流域位于丘北县境内(103°55′~104°13′E, 24°05′~24°12′N), 距县城约11 km, 是中国西南地区最大的岩溶流域, 流域面积为388 km2, 属珠江流域西江水系, 地处珠江源头和长江、红河上游, 流域内分布有54个湖泊, 312座孤峰, 83个溶洞, 15条河流和120 km的地下暗河, 是由湖泊、孤峰、峰林等构成的岩溶湿地复合生态系统, 既是滇东南水域面积最大的岩溶流域, 亦是当地重要饮用水源地.研究区地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带, 位于普者黑岩溶盆地, 地貌景观为国内罕见的高原喀斯特峰林、峰丛、湖群组合, 地形平坦, 海拔1446~1462 m.普者黑岩溶湿地中的水主要来源于摆龙湖和落水洞的岩溶地下水, 其下游进入清水江后流入南盘江, 最终汇入珠江.该区属南亚热带高原季风气候, 多年平均气温为16.4 ℃, 多年平均降雨量为1206.8 mm.湿地类型包括沼泽湿地、库塘湿地、河流湿地、湖泊湿地4种.
2.2 样点布设与样品分析由于流域内存在不同的湿地类型, 故根据整个流域的湿地类型并结合流域的汇流及分流情况, 分别采集河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地下的表层沉积物(0~15 cm), 其中河流湿地设有8个采样点, 湖泊湿地设有4个采样点, 沼泽湿地设有4个采样点, 库塘湿地设有4个采样点；采样时间为2018年4月(干季)和2018年7月(湿季), 利用抓斗式底泥采样器采取表层沉积物, 取样后放入便携式冷恒温箱带回实验室分析沉积物TN、TP和OM含量.沉积物TN、TP和OM指标分析方法分别采用凯氏定氮法(LY/T 1228—1999)、酸熔—钼锑抗比色法(LY/T 1232—1999)和重铬酸钾氧化-外加热法(LY/T1237—1999), 采样点分布图见图 1.
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| 图 1 云南普者黑4种湿地沉积物采集点的分布情况(RW表示河流湿地, RPW表示库塘湿地, MW表示沼泽湿地, LW表示湖泊湿地) Fig. 1 Distribution of four wetland sediment collection sites in Puzhehei, Yunnan |
单因子指数法常被用于评价污染物的污染状况, 本研究采用单因子指数法对普者黑不同类型湿地沉积物TP的污染状况进行评价, 计算公式如下所示(邱祖凯等, 2016).
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(1) |
式中, PI为单项评价指数或标准指数, PI大于1表明含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值(g·kg-1)；Cs为评价因子i的评价标准值(g·kg-1).本研究采用TP的评价标准(TP=0.60 g·kg-1)(Leivuori, 1995), 与加拿大安略省环境和能源部发布的指南中沉积物中能引起最低级别生态风险效应的TP的含量相一致.沉积物单因子指数评价标准见表 1.
| 表 1 沉积物单因子指数评价标准 Table 1 Evaluation criteria of sediment single factor index |
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单因子指数法忽略了OM指标, 因此本研究用有机污染指数法对普者黑不同类型湿地沉积物污染现状进一步评价, 使评价结果更完善.有机指数法常被用于评价沉积物的营养状况, 而有机氮则是评价沉积物所受氮污染程度的重要指标.计算公式(2)~(4)和评价标准(表 2)如下所示(孙顺才等, 1993；苗慧等, 2017；李芬芳等, 2018).
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(2) |
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(3) |
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(4) |
| 表 2 沉积物有机指数、有机氮评价标准 Table 2 Evaluation criteria of organic index and organic nitrogen in sediments |
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式中, ON为有机氮；OC为有机碳；OI为有机指数, 其中TN换算成质量分数形式, 即1.000 g·kg-1=0.1%
2.4 数据分析数据统计采用Excel 2010；作图采用Arcgis 10.0和Origin 2017.
3 结果(Results) 3.1 沉积物中TN含量及分布特征由图 2可知, 普者黑不同类型湿地沉积物TN含量在干、湿季下的变化规律不一致, 在干季, TN含量表现为沼泽湿地>湖泊湿地>河流湿地>库塘湿地, 其中沼泽湿地TN的最大值为3.70 g·kg-1, 最小值为1.60 g·kg-1, 均值为2.93 g·kg-1, 库塘湿地TN的最大值为2.29 g·kg-1, 最小值为0.91 g·kg-1, 均值为1.44 g·kg-1.在湿季, TN含量表现为湖泊湿地>河流湿地>沼泽湿地>库塘湿地, 其中湖泊湿地TN的最大值为6.16 g·kg-1, 最小值为0.79 g·kg-1, 均值为2.22 g·kg-1, 库塘湿地TN的最大值为2.30 g·kg-1, 最小值为0.63 g·kg-1, 均值为1.22 g·kg-1.
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| 图 2 普者黑4种湿地沉积物TN含量在干、湿季下的变化特征(图柱上上标不同字母表示不同湿地间差异显著(p < 0.05), 同下) Fig. 2 Characteristics of TN contents in sediments of four types of wetland in the Puzhehei, Yunnan, during dry and wet seasons |
从图 2可以看出, 河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物TN含量在干、湿季存在显著差异, 在干季, 沼泽湿地沉积物TN含量高于其他3种湿地(p < 0.05), 而河流湿地和湖泊湿地沉积物TN含量差异不显著(p>0.05).在湿季, 河流湿地沉积物TN含量与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地有显著差异(p < 0.05), 而沼泽湿地与库塘湿地沉积物TN含量无显著差异(p>0.05).
3.2 沉积物中TP含量及分布特征由图 3显示, 普者黑不同类型湿地沉积物TP含量在干、湿季下的变化趋势不一致, 在干季, TP含量表现为河流湿地>沼泽湿地>湖泊湿地>库塘湿地, 其中河流湿地TP的最大值为2.47 g·kg-1, 最小值为0.42 g·kg-1, 均值为1.18 g·kg-1, 库塘湿地TP的最大值为1.16 g·kg-1, 最小值为0.34 g·kg-1, 均值为0.63 g·kg-1.在湿季, TP含量表现为河流湿地>湖泊湿地>库塘湿地>沼泽湿地, 其中河流湿地TP的最大值为1.80 g·kg-1, 最小值为0.20 g·kg-1, 均值为0.95 g·kg-1, 沼泽湿地TP的最大值为0.59 g·kg-1, 最小值为0.31 g·kg-1, 均值为0.42 g·kg-1.
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| 图 3 普者黑4种湿地沉积物TP含量在干、湿季下的变化特征 Fig. 3 Characteristics of TP contents in sediments of four types of wetland in the Puzhehei, Yunnan, during dry and wet seasons |
从图 3可以看出, 河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物TP含量在干、湿季存在差异性, 在干季, 河流湿地沉积物TP含量与库塘湿地有显著差异(p < 0.05), 而河流湿地与沼泽湿地、湖泊湿地与库塘湿地沉积物TP含量差异不显著(p>0.05).在湿季, 河流湿地沉积物TP含量与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地有显著差异(p < 0.05), 而沼泽湿地与库塘湿地沉积物TP含量无显著差异性(p>0.05).
3.3 沉积物中有机质含量及分布特征由图 4可知, 普者黑不同类型湿地沉积物OM含量在干、湿季下的变化特征相反, 在干季, OM含量表现为沼泽湿地>湖泊湿地>河流湿地>库塘湿地, 其中沼泽湿地OM的最大值为3.75 g·kg-1, 最小值为1.50 g·kg-1, 均值为2.71 g·kg-1, 库塘湿地OM的最大值为2.24 g·kg-1, 最小值为0.57 g·kg-1, 均值为1.43 g·kg-1.在湿季, OM含量表现为河流湿地>湖泊湿地>库塘湿地>沼泽湿地, 其中河流湿地OM的最大值为4.21 g·kg-1, 最小值为0.92 g·kg-1, 均值为2.16 g·kg-1, 沼泽湿地OM的最大值为1.64 g·kg-1, 最小值为0.80 g·kg-1, 均值为1.28 g·kg-1.
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| 图 4 普者黑4种湿地沉积物OM含量在干、湿季下的变化特征 Fig. 4 Characteristics of OM contents in sediments of four types of wetland in the Puzhehei, Yunnan, during dry and wet seasons |
从图 4可以看出, 河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物OM含量在干、湿季有显著差异, 在干季, 沼泽湿地沉积物OM含量高于其他3种湿地(p < 0.05), 而河流湿地和湖泊湿地沉积物OM含量差异不显著(p>0.05).在湿季, 河流湿地和湖泊湿地沉积物OM含量与沼泽湿地、库塘湿地差异显著(p < 0.05), 而河流湿地和湖泊湿地沉积物OM含量无显著差异(p>0.05).
3.4 沉积物氮、磷、有机质污染风险评价 3.4.1 单因子(PI)指数评价结果根据表 3干、湿季沉积物单因子指数评价结果可知, 在干季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度为中度-重度污染, 污染程度最高的湿地为河流湿地, 平均值为1.97；PI的最小值出现在库塘湿地, 为0.56, 最大值出现在河流湿地, 为4.12.在湿季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度有轻度、中度、重度污染, 其中污染程度最严重的也是河流湿地, 平均值为1.58；PI的最小值和最大值均出现在河流湿地中, 分别为0.33和3.00.
| 表 3 干、湿季沉积物单因子指数评价结果 Table 3 Evaluation results of single factor indices of dry and wet season sediments |
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由表 4干、湿季沉积物有机氮指数评价结果可以看出, 在干季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度为重度污染, 污染程度最高的湿地是沼泽湿地, 平均值为0.28；ON的最小值出现在河流湿地和库塘湿地中, 均为0.09, 最大值出现在河流湿地, 为0.40.在湿季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度为中度-重度污染, 污染程度最高的湿地为湖泊湿地, 平均值为0.21；ON的最小值出现在库塘湿地中, 为0.06, 最大值出现在湖泊湿地, 为0.59.
| 表 4 干、湿季沉积物有机氮指数评价结果 Table 4 Evaluation results of organic nitrogen index in dry and wet season sediments |
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根据表 5干、湿季沉积物OI评价结果可以看出, 在干季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度为轻度-中度污染, 污染程度最高的湿地为沼泽湿地, 平均值为0.47；OI的最小值出现在河流湿地中, 为0.02, 最大值出现在沼泽湿地, 为0.76.在湿季, 普者黑不同类型湿地沉积物的污染程度有轻度、中度、重度污染, 其中污染程度最严重的是湖泊湿地, 平均值为0.54；OI的最小值和最大值均出现在湖泊湿地中, 分别为0.02和2.05.
| 表 5 干、湿季沉积物OI评价结果 Table 5 Result of organic index evaluation in sediments of dry and wet seasons |
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普者黑岩溶流域是中国西南地区最大的岩溶流域, 亦是当地重要饮用水源地.湖泊表层沉积物中TN、TP和OM的含量, 是直接反映湖泊生态系统污染程度的营养盐(李芬芳等, 2018).而OM主要来源于流域内生物残体的迁移以及湿地内水生植物残体的沉积, 在年复一年的时间趋势下, 植物枯枝残体在湿地生物的不断分解下, 逐步沉积和埋藏于沉积物中(刘新等, 2016).有学者认为表层沉积物中氮磷富集, 主要是由于外源污染输入增加(韩志伟等, 2017；朱翔等, 2018), 也有研究显示这种现象还有可能是由于氮磷在生物地球化学作用下迁移至沉积物表层所致(司霞莉等, 2018).
4.1 沉积物氮、磷、有机质含量的影响因素分析本文的研究结果显示, 在普者黑岩溶流域中, 不同类型湿地沉积物中的TN、TP及OM的含量在干湿季下的变化规律不同, 其主要原因是干湿季的降雨量、地表径流量以及水动力均不相同以及不同类型湿地有其独特的特点, 如湿地内的植物量不同、湿地接收污染源的面积和量不同及流速不同.
在干季, 不同类型湿地沉积物营养盐中, TN和OM的含量变化规律一致, 都呈现出沼泽湿地>湖泊湿地>河流湿地>库塘湿地, 一方面说明了TN和OM会相互影响(余辉等, 2010), 另一方面说明了湿地中的植物对TN和OM的含量的影响较大；沼泽湿地中, 水生植物较多, 其下部根茎交织, 导致水流速度缓慢, 且沼泽湿地中随时间推移产生许多植物残体(王丽婷等, 2014), 而湿地表层沉积物中OM的来源主要是湿地中水生植物死亡后残体分解, 而相对于库塘湿地来说, 是4种湿地中水生植物最少的湿地, 因此积物中OM的含量也较少.而沉积物中OM的含量对N影响较大, 因此TN和OM的含量在不同类型湿地中的变化趋势一致.不同类型湿地的地理位置及区域范围不同, 且水流流量、流速以及外源污染进入量等变化的影响(王雁等, 2016), 河流湿地的采样点大部分位于流域的上游和中游, 而流域上游周围大多是山地及农田, 还有部分农村污水的排水口, 而这个时期是农民准备种植农作物的季节, 因此部分化肥、农药会进入流域中(谢润婷, 2017), 而水量较少, 水流较缓, 造成污染物沉积到底泥中, 而中游河流湿地水面较宽, 且属于旅游区和居住区, 人类活动频繁, 生活污水排放较多, 且水流相对缓慢, 营养物质易于沉积(卓海华等, 2017), 从而使底泥营养盐含量增高；而库塘湿地中来水量少, 携带的污染物较少, 使底泥营养盐含量也较少.
在湿季, 降雨量较大, 地表径流也较多, 进入流域中的污染物也较多, 但是水流较急, 使部分污染物无法沉积到底泥中, 而沉积物中营养盐含量表现为湖泊湿地及河流湿地较多, 库塘湿地和沼泽湿地较少.湖泊湿地水域宽广, 水体流速相对较小, 易于污染物沉积；而河流湿地虽水域较窄, 流速较快, 污染物沉积较慢, 但流经地域较广, 接收的污染物较多, 因此沉积物中的营养盐含量也较高.库塘湿地在湿季水量较大, 水动力也较大, 使沉积物中的部分营养盐释放到上覆水中(Jiang et al., 2008；Wang et al., 2009), 造成沉积物中营养盐含量较低；沼泽湿地中, 虽然植物较多, 但在水流的冲刷下, 使植物残体随水流流走, 底泥在水动力的干扰下也释放出部分营养盐到上覆水中, 从而使沉积物中营养盐含量降低.总体上看, TN和TP含量均表现为干季高于湿季, 而OM含量干湿季变化不明显, 其原因是TN和TP主要受外源影响, OM主要受内源影响, 且湿季以外源为主, 干季以内源为主(王书锦等, 2016).
4.2 季节对沉积物氮、磷、有机质污染风险的影响分析根据表 3、表 4和表 5可知, 单因子指数(PI)、有机氮指数(ON)和有机指数(OI)的评价结果较为一致, 即干季的评价指数较高, 湿季较低, 且整体表现为干季的污染程度较严重, 湿季的污染程度较轻.与洱海入湖河口湿地(王书锦等, 2016)和太湖流域(杨洋等, 2014)沉积物相比, 普者黑流域不同类型湿地营养盐污染处于中等水平.
干湿季TP污染程度最高的湿地均为河流湿地.一般而言, 在一年内, 干季河流的自净能力最小, 水质应最差, 沉积物污染应不严重；湿季则自净能力最大, 相应水质应较好(Al et al., 2008), 但是普者黑岩溶湿地点源问题不严重, 而面源污染比较突出, 因此出现湿季的水质最差的情况(贾海峰等, 2001), 而根据图 3可知, 干季的沉积物TP含量总体上比湿季的TP含量高, 其主要原因是干季沉积物TP含量来源于沉积物本身, 而湿季沉积物TP含量来源于地表径流带来的面源污染, 因此, 总体上看, 普者黑岩溶湿地受内源污染比受外源污染的影响大(王书锦等, 2016).
干湿季TN和OM的污染程度在不同类型湿地中规律基本一致, 主要是因为OM的含量对N影响较大(余辉等, 2010), 但OM的污染程度没有TN的污染程度严重, 是由于N的来源大部分来自于OM(魏伟伟等, 2018), 在干季, 沼泽湿地污染程度最高, 是因为沼泽湿地中, 水生植物较多, 其下部根茎交织, 且这个时期植物已经发出新芽, 而植物老叶及部分植株残体经过一个冬天的腐蚀后沉积到底泥中, 使沉积物中的TN及OM含量增高, 污染程度也高.而湿季, 湖泊湿地污染程度最高, 是因为湖泊湿地主要分布在流域下游, 该区水域辽阔, 水流流速相对较小, 接收的污染物较多, 且污染物容易沉积到底泥中, 使沉积物中的TN及OM含量增高.
5 结论(Conclusions)1) 普者黑不同类型湿地沉积物TN、TP、OM含量在干、湿季下的变化特征不一致, 在干季, 河流湿地TP含量最高, 为1.18 g·kg-1, 沼泽湿地TN和OM含量最高, 分别为2.93、2.71 g·kg-1, 库塘湿地TN、TP和OM含量最低, 分别为1.44、0.63、1.43 g·kg-1.在湿季, 河流湿地TP和OM含量最高, 分别为0.95、2.16 g·kg-1, 湖泊湿地TN含量最高, 为2.22 g·kg-1, 沼泽湿地TP和OM含量最低, 分别为0.42、1.28 g·kg-1, 库塘湿地TN含量最低, 为1.22 g·kg-1.
2) 根据单因子指数、有机指数及有机氮指数表明, 普者黑不同类型湿地沉积物TN、TP、OM在干、湿季下的污染程度不同.在干季, 河流湿地和沼泽湿地沉积物磷污染均为重度污染, 4种湿地沉积物氮污染均为重度污染, 有机污染除库塘湿地属于轻度污染外, 其他3种湿地均为中度污染.在湿季, 河流湿地沉积物磷污染为重度污染, 河流湿地和湖泊湿地沉积物氮污染均为重度污染, 湖泊湿地沉积物有机污染属于重度污染.
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