太湖湖滨湿地沉积物氮磷与2种挺水植物氮磷的关系

王 磊，李冬林，丁晶晶，梁珍海

江苏省林业科学研究院，江苏 南京 211153

湖滨湿地是水生态系统与陆地生态系统之间一种非常重要的生态过渡带，由相邻的水陆两个生态系统相互作用而成[1]。湖滨湿地是湖泊生态系统一道重要的生态保护屏障，可有效拦截和吸收来自地表径流的N、P等污染物[2-3]，同时又具有美化环境、维持生物多样性的重要功能，湖滨湿地的结构变化将直接引起湖泊生态系统的一系列变化。

太湖是我国长江中下游地区五大淡水湖之一，位于长江三角洲南翼坦荡的太湖平原上，水面面积2338 km2，流域面积36500 km，平均水深1.9 m，最大水深2.6 m，是典型的浅水湖泊。自上世纪80年代以来，太湖富营养化程度不断加重，局部水域达到重富营养水平，直接影响该地区环境与经济的可持续发展和用水安全[4-6]。为控制太湖富营养化，我国已在环太湖实施了水生植被修复工程，对太湖水体净化与环境改善起到了重要作用。关于湖泊湿地大型水生植物N、P质量分数及分布以及水生植被重建对水体氮磷营养水平的影响在国内外已有报道[7-10]。但是，湖滨湿地水生植被修复对湖泊沉积物N、P空间分布的影响，以及水生植物N、P与沉积物N、P之间的关系研究报道较少[11-12]。

本文通过对西太湖湖滨湿地的植被及沉积物调查，比较了湖滨生态修复湿地与硬质护坡生态系统在植物生物量、水体和沉积物中N、P质量分数的变化，并分析了水生植物和沉积物中N、P质量分数的关系，为太湖湖滨湿地生态系统的修复重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地自然概况

研究区域位于江苏无锡新区太湖治理湿地生态保护与修复国家示范区(31°27′ N，120°22′ E)。该区西起梅梁湖水域的亮河湾，东至贡湖水域的大溪港，主体位于贡湖的环湖带，堤岸线长24 km，宽150～450 m，总面积近3000×104m2。湿地生态修复工程于2008年2月开工建设，2009年初完成。

1.2 样点布设与样品采集

在示范区的林庄河口布置3条样带(编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，其中Ⅰ、Ⅱ为湿地生态修复区；Ⅲ为硬质护坡区。每条样带按陆向辐射区(A)-水位变幅区(B)-水向辐射区(C)布置样区(图1)，多点采样，4次重复。

图1 太湖湖滨湿地样区设置示意图Fig.1 Schematic map of sampling areas of Taihu Lake wetland

外业调查于2010年5月进行。用GPS定位，共设置采样点 36个。首先对样区生境进行全面调查，测定水深、植物种类、高度、盖度、单位面积株数、株高等，并全株采集标准株 5～10株，带入实验室分析；同步采集水样，装入收集瓶保存于野外便携式冷箱中；用柱状采样器采集沉积物，自上而下分3层采样(0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm)，装入袋中，放入便携式冷箱带到实验室分析。

1.3 分析方法

水样的污染物测定采用美国哈希公司生产的DR2700分光光度计(表1)。沉积物样品经自然风干后，磨细过100目筛待用。w(全氮)采用凯氏法，w(全磷)测采用酸溶-钼锑抗比色法[13]；植物样品经H2SO4-H2O2消煮后，w(全氮)采用凯氏氮自动分析仪，w(全磷)采用钼锑抗分光光度计法[14-15]。

1.4 数据分析

利用Excel进行作图，应用SAS612进行数据统计和方差分析，多重比较采用t检验法。

2 结果与分析

2.1 太湖湖滨湿地植物群落的变化

从调查结果来看，生态修复区(样带Ⅰ与Ⅱ)植物种类虽然单调，但个体生长良好，分枝多，冠形大。芦苇(Phragmites australis(Cav.) Trin.)的单位面积株数为220～368株，鲜质量11.25～49.93 kg·m-2，株高2.5～4.2 m。而茭白(Zizania latifolia(Griseb.)Turcz.)的单位面积株数为 109～284株，鲜质量15.02～17.51 kg·m-2，株高 2.35～2.80 m(表 2)。从水平分布来看，由于陆向辐射区(A)内水位浅，植物低矮，生物量相应较小，而水向辐射区(C)由于水位深，受人为干扰较小，芦苇生长较好。水位变幅区(B)内植物种类均为茭白，其高度为2.35～2.80 m，但2样带单位面积株数差异较大(样带Ⅰ284株·m-2；样带Ⅱ109株·m-2)，相应鲜质量差异也较大(样带Ⅰ17.51 kg·m-2；样带Ⅱ15.02 kg·m-2)。样带Ⅲ由于是人工硬质护坡，目前没有挺水植物分布。

表2 3条样带湿地植物群落比较Table 2 The comparison of plant community in three sample lines

2.2 太湖湖滨湿地沉积物N、P质量分数的空间变化

2.2.1 沉积物N、P质量分数的水平变化

太湖湖滨湿地沉积物N、P质量分数的水平变化规律见图2。生态修复区(样带Ⅰ与Ⅱ)沉积物TN的变化规律明显，均按陆向辐射区(A)-水位变幅区(B)-水向辐射区(C)依次递减变化，即A>B>C。如样带Ⅰ，A区表层沉积物(0～5 cm)TN质量分数为7.89 mg·g-1，是 B 区(6.35 mg·g-1)的 1.24 倍，C 区(4.51 mg·g-1)的 1.75倍；样带ⅠA 区表层沉积物(5～10 cm)TN 质量分数为 7.56 mg·g-1是 B 区(5.88 mg·g-1)的1.29倍，C区(4.87 mg·g-1)的1.55倍。方差分析表明，生态修复区各层沉积物TN的水平变化均呈极显著差异(P<0.01)。

表1 太湖湖滨湿地不同水位梯度下水质状况Table 1 The water quality in different water lines in Taihu Lake wetland

图2 太湖湖滨湿地沉积物w(TN)的水平变化Fig.2 Horizontal changes of total N(TN) mass fraction of sediments in Taihu Lake wetland

样带Ⅲ由于是水泥硬质驳岸，沉积物中N的水平变化与前者截然不同，表层沉积物均按陆向辐射区(A)-水位变幅区(B)-水向辐射区(C)依次递增变化，即C>B>A。表层沉积物(0～5 cm)C区TN质量分数略高(6.82 mg·g-1)，与 A 区(5.59 mg·g-1)、B 区(5.47 mg·g-1)间差异较大，但A、B区之间相差较小；表层沉积物(5～10 cm)各点 TN质量分数变化在5.21～5.63 mg·g-1，10～15 cm 变化在 4.08～4.99 mg·g-1。方差分析表明，硬质护坡区各层沉积物TN的质量分数也呈极显著差异(P<0.01)。

生态修复区(Ⅰ与Ⅱ)沉积物P的变化规律与N相似，均按陆向辐射区(A)-水位变幅区(B)-水向辐射区(C)依次递减变化(图 3)，而且样带Ⅱ表层沉积物TP质量分数高于样带Ⅰ。表层沉积物TP的质量分数 0～5 cm 变化在 0.532～0.83 mg·g-1，5～10 cm 为0.497～0.835 mg·g-1，10～15 cm 为 0.471～0.674 mg·g-1。方差分析表明，生态修复区各层沉积物TP的质量分数均呈极显著变化(P<0.01)。

与生态修复区相比，硬质护坡区(样带Ⅲ)表层沉积物中TP的水平变化变化趋势略有不同，表层0～5 cm沉积物中TP的变化按陆向辐射区(A)-水向辐射区(C)-水位变幅区(B)依次递增变化，即A>C>B。而其余2层沉积物中TP的变化按陆向辐射区(A)-水位变幅区(B)-水向辐射区(C)依次递增变化，即 A>B>C。总的趋势来看，沉积物以水岸边的陆向辐射区(A)TP质量分数最高，并依次向湖心地区递减。

2.2.2 沉积物N、P质量分数的垂直变化

N、P质量分数的纵向垂直变化见图4。生态修复区(Ⅰ与Ⅱ)表层沉积物均以表层最高，并依次向下层递减，尤以TN的变化突出；TP的变化略微缓和，但仍以表层质量分数最高，并依次向下递减。硬质护坡区(Ⅲ)表层沉积物P的垂直变化也呈现相同的趋势，但N的垂直变化却相反。方差分析表明，表层沉积物 TN、TP的垂直变化均呈极显著差异(P<0.01)。

2.3 2种挺水植物N、P质量分数的变化

2种挺水植物N、P分析表明，N的质量分数普遍较高。芦苇地上部分w(TN)的变化在31.75～42.61 mg·g-1，地下部分w(TN)在 13.57～18.21 mg·g-1；而茭白地上部分w(TN)变化在14.78～23.57 mg·g-1，地下部分w(TN)13.57～18.21 mg·g-1。芦苇除了对N有较强的吸收和同化作用外，对P的吸收和同化量也较大(地上部分为3.62～5.08 mg·g-1)；而茭白对 P的吸收和同化量相应较小(地上部分1.42～1.93 mg·g-1，地下部分 0.35～0.57 mg·g-1)。对 2种挺水植物的分析还表明，地上部分N、P质量分数远远大于地下部分。可见，2种植物凭借其地上部分茂密的枝叶对水体中的N、P具有显著的吸附与固定作用。

图3 太湖湖滨湿地沉积物w(TP)水平变化Fig.3 Horizontal changes of TP mass fraction in sediments in Taihu Lake wetland

图4 太湖湖滨湿地沉积物w(TN)、w(TP)的垂直变化Fig.4 Vertical changes of both TN and TP mass fraction of sediments in Taihu Lake wetland

图5 太湖湖滨湿地2种水生植物TN、TP质量分数Fig.5 TN and TP mass fraction of two aquatic plants in Taihu Lake wetland

2.4 2种水生植物与沉积物 w(N)、w(P)的相关性分析

2种挺水植物与沉积物w(N)、w(P)的相关性分析见表 3。芦苇地上部分w(TN)、w(TP)与沉积物w(TN)、w(TP)均呈负相关，但相关性不显著。地下部分w(TN)与沉积物w(TN)也呈负相关，相关性不显著，但地下部分w(TP)与沉积物w(TP)(5～10 cm)呈显著正相关(P＜0.05，r=0.9448)，而与沉积物w(TP)(0～5 cm)、w(TP)(10～15 cm)呈极显著正相关(P<0.01，r=0.9821；P<0.01，r=0.9704)；茭白与沉积物w(N)、w(P)的相关性与芦苇相似，但除了地上部分w(TP)与沉积物w(TP)(10～15 cm)呈显著变化(P<0.05，r=-0.9982)外，其余相关性均不显著。

3 讨论

(1)湖滨湿地沉积物中的N、P是湿地水生植物和食物链中基础元素的重要来源，同时对湿地营养盐的收支及其生物地球化学循环有着极其重要的作用。太湖湖滨湿地生态修复区沉积物N、P质量分数的水平变化规律明显，均按陆向辐射区-变幅区-水向辐射区依次递减变化，这与俞海桥等[16]和田志强等[17]的研究结果基本相似。从垂直变化来看，2种护坡表层沉积物中w(P)均以表层最高，并依次向下层递减，这与此前对太湖、滇池等湖泊的研究结果基本一致[17-20]，说明太湖沉积物N、P负荷仍在逐年增加，湖泊初级生产力仍在大幅提高，加速了湖泊富营养化。缺少大型挺水植物的硬质护坡区沉积物中N的水平变化与生态修复区截然不同，表层沉积物按陆向辐射区-水位变幅区-水向辐射区依次递增变化，即近湖岸的陆向辐射区N的质量分数最低，N的垂直分布呈现表层最低，并依次向下层递增变化。两种护坡类型N素分配显著不同应该与2种挺水植物对沉积物、湖水中N素吸收调节作用有关。

表3 太湖2种挺水植物N、P与沉积物N、P质量分数的相关性Table 3 Correlation of N and P mass fraction between two emerged plants and sediments in Taihu Lake wetland

(2)太湖湖滨湿地生态修复区植物种类虽然单调，但整体生长良好，生物量大。芦苇由于其自身生物学特性的缘故，个体鲜质量及株高远远高于茭白。从水平分布状况来看，2种植物的株高及单株生物量均随水位的深度增加而渐趋增加，这也是 2种植物适应湖泊环境的结果。测定结果表明，芦苇除了对N有较强的吸收和同化作用外，对P的吸收和同化作用也较大。因此，芦苇作为一种乡土水生植物，凭借其繁殖容易、种植简单、吸收污染物能力强的特点，对湖滨湿地水质净化具有举足轻重的作用，应加以重视。尽管茭白对P的吸收和同化量较小，但其作用也不容忽视。实验结果还表明，2种植物地上部分对N、P的吸收量远远大于地下部分吸收量，因此可根据植物的生长周期特点，对相应的地上部分进行及时收割移出，避免生物体内的营养物质通过活体释放或死亡体腐烂释放到水体，造成N、P对湖水的二次污染。

(3)相关性分析表明，芦苇与茭白地上部分w(N)、w(P)与沉积物w(N)、w(P)均呈负相关，而地下部分w(TN)与沉积物w(TN)也呈负相关。2种植物地下部分w(TP)与沉积物w(TP)均呈正相关，说明2种植物部位不同对沉积物及水体中N、P的吸收富集能力不同，而芦苇根系对含P量高的沉积物具有强烈吸附作用。Azcon等[21](2003)发现植物体内的N、P质量分数在高浓度环境中反而下降，而较高的营养盐浓度，对水生植物会产生伤害[22]。本研究表明，2种植物地下部分w(N)与沉积物中w(N)呈负相关，这暗示沉积物中过高的N含量可能会对水生植物产生抑制胁迫作用。

(4)太湖湖滨湿地生态恢复区沉积物中w(N)显著高于硬质护坡，表明水生植物的存在对沉积物N、P的分配有重要影响。水生植物同化的N主要经过生物沉积进入底层。水生植物由此将湖水中的N传输到沉积物中，使其进人地球生物化学循环，虽然提高了沉积物中N与有机质的含量，但这对于降低湖水中的N和有机碳质量分数，防止水体富营养化具有积极意义[23-25]。生态恢复区湖体沉积物中P的质量分数均较硬质护坡显著降低，而湖水和沉积物中这些消失的P则可能被水生植物有效地吸附与同化。因此，水生植物的存在可以起到减轻水体和沉积物中的营养富集，从而有效缓解水体富营养化。

4 结论

(1)太湖湖滨湿地生态修复区表层沉积物w(N)、w(P)的水平变化规律一致，按陆向辐射区-水位变幅区-水向辐射区依次递减，从垂直变化来看，表层沉积物w(N)、w(P)均以表层最高，并依次向下层递减；硬质护坡区表层沉积物w(P)的变化与修复区一致，但w(N)的变化却相反，水平分布按陆向辐射区-水位变幅区-水向辐射区依次递增，垂直分布呈现表层最低，并依次向下层递增变化。

(2)2种挺水植物w(N)、w(P)，芦苇个体对N、P的吸收量明显高于茭白。芦苇除了对N具有较强的吸收和同化作用外，对P的吸收和同化作用也较大。2种挺水植物地上部分吸收量远远大于地下部分吸收量；

(3)相关性分析表明，2种植物地下部分w(P)与沉积物中w(P)均呈正相关，而芦苇地下部分w(P)与沉积物w(P)相关性显著(P<0.05)，说明芦苇根系对沉积物中P具有强烈吸附作用；

(4)2种植物对太湖沉积物N、P的分配有显著影响，生态恢复区沉积物中w(N)显著高于硬质护坡，而P的质量分数较硬质护坡显著降低，适度恢复水生植被可有效缓解水体的富营养化。

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