滇东南典型岩溶湖滨湿地水体-沉积物-植物总磷分布特征

詹乃才，王 妍,b，刘云根,b，侯 磊,b，王书锦，张慧娟 (西南林业大学 环境科学与工程学院；b 农村污水处理研究所，云南 昆明 650224)

湖滨湿地是湖泊水生生态系统与湖泊流域相邻陆地生态系统间一种十分重要的生态过渡带，是湖泊的最后一道保护屏障[1]，湖滨湿地主要通过植物吸收、土壤吸附和沉淀、微生物固定等作用来实现对污染物磷入湖前的截留[2]。目前，关于磷在湖滨湿地水体-植物-沉积物系统中的含量分布研究多集中在沉水植物方面，且多为室内模拟试验，赵海超等[3]、王立志等[4]、俞振飞[5]、董林林[6]研究表明，外源磷进入到水体后，因受到沉水植物及环境因子的影响，会在上覆水和沉积物间发生迁移转化；然而尹延震等[7]、王福芳等[8]、赵晓峰[9]的研究表明，湖滨湿地水体总磷(TP)质量浓度呈现出明显的时空分异性，TP质量浓度随着离岸的距离越远而逐渐降低，且夏、秋季含量高于冬、春季；陈如海等[10]、王佩等[11]研究表明，湖滨湿地沉积物TP含量以水岸边的陆向辐射区最高，并依次向水向辐射区递减，垂直方向以表层最高，随深度增加向下层递减；王磊等[12]、许国云等[13]研究表明，挺水植物茭草对TP有高的净化效率。这些研究对于湖滨湿地的生境保护提供了重要价值， 而对岩溶湖滨湿地水体-沉积物-挺水植物的总磷分布却鲜有报道。

因此，本研究选取滇东南典型岩溶湿地——普者黑岩溶湖滨湿地为对象，选取受农业面源污染的湖滨湿地为研究区域，探究总磷(TP)在水体-茭草-沉积物系统中的时空分布特征，旨在为普者黑岩溶湖泊的水环境保护和岩溶湖滨湿地的管理提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省文山州丘北县境内的普者黑国家级旅游风景区——普者黑村附近(24°08′N，104°06′E)，该区域属于南亚热带高原季风气候，多年平均气温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；研究区上游存在一定面积的农田，农田面积大约10 hm2，而且以种植水稻为主；区域内主要植被为挺水植物茭草(Zizanialatifolia)，其生长状况良好。

1.2 样点布设与样品采集

选取受农业面源污染的岩溶湖滨湿地区域为研究区域，样点布设采用典型样带法，在研究区内布设3条平行样带(编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，相邻两条样带间隔为30 m，每条样带沿湖岸-湖心方向在湖滨湿地区等比例布置A1、A2、A3、A4、A5、A6 6个采样点，其分别距离湖岸0，16，32，48，64，80 m，同时在每条样带湖心区域各布设1个对照采样点A7，其距离湖岸88 m，因此共21个采样点(图1)。结合水文条件和季节性变化，在2014年10月和2015年1月、4月、7月，对各采样点进行单点采样。利用聚乙烯瓶在水面以下0.5 m处进行水样采集，带回实验室于48 h内进行分析测定；利用柱状底泥分层采样器采集水样采集点对应的沉积物，每个样点至上而下分为表层(0～5 cm)、中层(5～10 cm)、底层(10～15 cm)3层，将采集的沉积物装入自封袋中，放入便携式冷箱带到实验室分析；植物样品采集进行单位面积样方法，在对应每个采样点(湖心点除外)周围量取0.5 m×0.5 m的植物样方，样方内茭草株数约为22株，株高平均约为1.25 m，且鲜质量约为12.40 kg/m2，选取2～3株典型茭草，分别称其茎、叶鲜质量后带回实验室进行预处理。

A1～A7分别为湖岸至湖心的7个采样点，下图同A1-A7 represent the seven sampling points from lake shore to lake center. The same below图1 云南普者黑岩溶湖滨湿地采样点的分布Fig.1 Distribution of sampling points in Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

1.3 样品分析及数据处理

水样总磷(TP)质量浓度采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定。将沉积物样品自然风干后，磨细过孔径0.147 mm筛后采用酸溶-钼锑抗比色法[14]测定沉积物中TP含量；将植物样品于105 ℃杀青10 min后，再于80 ℃烘干24 h，直至质量恒定，磨碎后经过H2SO4-H2O2消煮后,也采用钼锑抗分光光度法[15]测定总磷(TP)含量。

利用SPP19.0软件对数据进行相关性分析，并采用Sufer 12.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 普者黑岩溶湖滨湿地水体TP质量浓度及时空分布

云南普者黑岩溶湖滨湿地不同月份水体TP质量浓度的分布见图2。由图2可以看出，普者黑岩溶湖滨湿地水体TP质量浓度4，1月份高于7，10月份，即冬、春季污染比夏、秋季严重，但无显著性差异。1，4和10月份水体TP质量浓度呈现出沿湖岸辐射区-湖滨湿地区-湖心辐射区方向明显递减变化规律；然而7月份水体TP质量浓度波动较小，无明显变化规律。从季节性污染变化来看，样带Ⅰ水体TP平均质量浓度表现为4月(0.048 mg/L)>1月(0.025 mg/L)>10月(0.022 mg/L )>7月(0.020 mg/L)，样带Ⅱ、Ⅲ也表现出4，1月高于7，10月份。从空间分布来看，1，4和10月份样带Ⅰ湖岸水体TP质量浓度分别为0.036，0.038，0.028 mg/L，湖心水体TP质量浓度分别为0.023，0.027，0.015 mg/L，湖岸TP质量浓度分别为湖心的1.56，1.41和1.86倍；然在7月份时水体TP质量浓度无明显变化规律。1,4和10月份样带Ⅱ湖岸水体TP质量浓度分别为0.049，0.065，0.031 mg/L，湖心水体TP质量浓度分别为0.029，0.031，0.017 mg/L，湖心TP质量浓度相对于湖岸分别减少约40.82%，52.31%和45.16%；7月份水体TP质量浓度变化规律不明显。1，4，10月份样带Ⅲ受农业面源污染更为严重，水体TP质量浓度相对更高，湖岸水体TP质量浓度分别为0.053，0.081，0.038 mg/L，湖心水体TP质量浓度分别为0.033，0.049，0.024 mg/L，湖岸质量浓度分别为湖心的1.60，1.65和1.58倍；7月水体TP质量浓度变化规律不明显。总的变化来看，样带Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ水体TP质量浓度均呈现出沿湖岸辐射区-湖心辐射区递减的趋势，距离湖岸越远TP质量浓度越低，且样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水体TP质量浓度依次递增。

图2 云南普者黑岩溶湖滨湿地不同月份水体TP 质量浓度的分布Fig.2 Distribution of TP concentrations in water at each month in Puzhehei karst lakeside wetland located in Yunnan

2.2 普者黑岩溶湖滨湿地沉积物TP含量及时空分布

2.2.1 表层沉积物TP时空分布 由图3可以看出，岩溶湖滨湿地表层(0～5 cm)沉积物TP含量表现为10月>4月>1月>7月，秋、春季沉积物污染较冬、夏季严重；各月份沉积物TP含量均呈现出湖岸辐射区-湖滨湿地区-湖心辐射区递减的变化规律。从各样带季节性变化可以看出，样带Ⅰ沉积物TP平均含量表现为10月(0.506 g/kg)>4月(0.468 g/kg)>1月(0.446 g/kg)>7月(0.383 g/kg)，样带Ⅱ、Ⅲ中沉积物TP平均含量也表现出同样规律。从各样带空间分布来看，10，4，1，7月份样带Ⅰ湖岸沉积物TP含量分别为0.620，0.557，0.505，0.425 g/kg，湖心沉积物TP含量分别为0.451，0.305，0.323，0.221 g/kg，湖岸TP含量分别为湖心的1.37，1.83，1.56和1.92倍，沉积物TP含量随距湖岸距离越大而呈现出不断降低的趋势，表明岩溶湖滨湿地对于外源磷具有很好的拦截效果。10，4，1，7月样带Ⅱ湖岸沉积物的TP含量分别为0.713，0.544，0.711，0.555 g/kg，湖心沉积物TP含量分别为0.365，0.382，0.402，0.356 g/kg，湖心沉积物TP含量相对于湖岸分别减少48.81%，31.04%，43.45%和35.85%。样带Ⅲ沉积物TP含量与样带Ⅰ、Ⅱ差异均不显著(P>0.05)，10，4，1，7月沉积物TP含量分别为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，湖滨湿地沉积物TP含量从湖岸-湖心总体均呈现递减趋势。

图3 云南普者黑岩溶湖滨湿地表层(0～5 cm)沉积物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 沉积物TP垂直变化 以1月(干季)、7月(湿季)为例，沉积物TP含量垂直变化见图4。由图4可知，岩溶湖滨湿地沉积物TP平均含量均以表层(0～5 cm)最高，随深度向下层递减。方差分析表明，表层沉积物TP含量与中、底层均呈显著差异(P<0.05)。这与前人研究结果一致[16]，符合通常所说的“表层富集”现象，这种表层富集现象是一种普遍存在的现象，一方面是由于外源污染(农药化肥、动植物残体等)严重而导致沉积物表层磷含量的剧增；另一方面，这可能是由于沉积物中磷的地球化学作用而导致其向表层迁移所致。

图柱上标不同小写字母表示同一采样点不同深度沉积物TP含量差异显著(P<0.05) Different small letters represent significant differences at different depths (P<0.05)图4 云南普者黑岩溶湖滨湿地沉积物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 普者黑岩溶湖滨湿地茭草茎、叶TP含量及时空分布

由图5、6可知，岩溶湖滨湿地茭草茎、叶TP含量表现为4，7月高于10，1月，且叶的TP含量高于茎，然而在空间分布上，茭草茎、叶TP含量沿湖岸辐射区-湖心辐射区均无明显变化规律。4月，样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茎中TP平均含量分别为2.705，1.823和2.046 g/kg，可知样带Ⅰ中茭草茎TP含量较高，样带Ⅱ最低，这与外源磷输入量有很大关系；茭草叶TP含量高于茎，样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中茭草叶TP平均含量则分别达到3.178，2.561和2.752 g/kg；茭草茎和叶TP含量受沉积物中TP含量影响很大，分别与中层(R=0.637**，0.546**)、底层沉积物中TP含量(R=0.705**，0.740**)呈现极显著相关性(P<0.01)，表明植物茎、叶部分的磷大部分来源于对沉积物的吸收和富集。与4月相比，7月样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草茎TP含量分别降低了28.88%，41.97%和28.49%，叶TP含量则分别降低了32.42%，45.32%和39.88%。10月茭草茎TP含量表现出最小值，样带Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ茭草茎TP含量分别为1.023，0.767和0.851 g/kg；样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草叶TP含量分别为1.302,1.007和1.111 g/kg。1月茭草叶TP含量表现出最小值，样带Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ茭草叶TP含量则分别为0.907，1.055和1.062 g/kg;样带Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ茭草茎TP含量分别为1.212,1.074和1.063 g/kg。总体结果表明，挺水植物茭草茎、叶TP含量呈现出明显季节性变化特征。

图5 云南普者黑岩溶湖滨湿地茭草茎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 讨论与结论

根据云南文山州环境监测站对普者黑湖的水质监测结果可知，近年来普者黑湖的水体TP质量浓度约为0.05 mg/L。本研究结果表明，湖滨湿地水质的平均TP质量浓度在0.05 mg/L以下，与普者黑湖水质情况不完全一致。这是由于湖滨湿地水深较浅，其水体TP质量浓度变化又与周边污染源、沉积物再悬浮、湿地内水生植物腐烂等有很大关系。本研究区上游农田面积约为10 hm2，4月处于农业生产活动旺季，大量施肥随地表径流排入湖中，造成较严重的农业面源污染[17]，因此可能导致4月份水体TP质量浓度较其他季节较高。同时，沉积物向水体释放TP主要由沉积物表层的间隙水与上覆水之间直接的交换作用产生。秦伯强[18]研究表明，沉积物通过含磷颗粒的沉降与再悬浮、溶解态磷的吸附与解吸、磷酸盐的沉降与溶解等物理、化学、生物过程及其相互作用来实现与上覆水间的交换，是造成内源污染的重要途径。本研究中，1月时，湖滨湿地区上游农业生产活动已经停止，即没有外源污染物输入，但由于1月湿地植物处于枯落、腐烂时期，植物体内的磷素会重新进入到水体中，从而导致1月水体TP污染也比较严重[12,19]，而且1月水体TP质量浓度波动幅度不大。7月与10月降雨量较大，湖滨湿地水位较干季明显上涨，Steinman等[20]研究表明，水位的变化会影响沉积物与水体间的交换过程；李爽[21]通过模拟野外试验研究表明，在连续淹水条件下，水体TP质量浓度呈下降趋势，这与沉积物连续淹水后吸附磷量增加以及落干过程释放磷酸盐有关，可能由于夏季雨量较大引起水位变化，对湿地水体磷存在一定的稀释作用，因此可能使得7，10月水体TP质量浓度表现出较低水平。

图6 云南普者黑岩溶湖滨湿地茭草叶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

沉积物在湖泊循环过程中起着重要的作用，它既可作为湖泊中磷的“源”，也可以为“汇”。本研究中，普者黑岩溶湖滨湿地沉积物TP含量表现出在湖岸点辐射区较高、湖心辐射区较低的现象，这与此前吴春笃等[22]、王磊等[12]、王佩等[11]关于对湖滨湿地带沉积物磷分布特征的研究一致，表明湖滨湿地对外源磷有截留作用。外源污染物随地表径流进入湖滨湿地后，流速被减缓，沉积物能够通过过滤和吸附等作用直接去除污水中的磷素，其去污过程来自离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用等[23-25]。另外湖滨湿地由于其干湿季节交替变化，可以增加沉积物对磷的滞留作用，沉积物不仅为微生物的生长提供稳定依附的表面，而且为水生植物提供载体和营养物质，因此使得沉积物TP含量沿湖岸-湖心方向呈现总体递减趋势。本研究中，10，4月沉积物TP含量较1，7月高，原因可能是：1)4，10月正是当地农业生产旺季，湖滨湿地上游的农业面源污染汇入是其主要来源之一；2)1月份无任何农业生产活动，即湖滨湿地没有外源污染，同时又由于沉积物内源磷的释放，从而可能导致1月沉积物TP含量较低；3)7月是水生植被生长繁殖期，需要从沉积物或水体中富集大量的N、P等营养物质供其生长，会产生磷在水体-植物-沉积物间的迁移过程[26-27]，因此可能导致7月沉积物TP含量最低。

茭草可以凭借发达的根系从沉积物中吸收和富集营养物质供其生长[28]，同时也可以通过自然沉降、拦截、过滤、吸收等作用来实现对水体TP的净化[29]。Jackson等[30]认为，水生植物组织中N、P等营养元素质量浓度的变化，一方面受外在水体环境的影响，另一方面也与季节、植物年龄和生长阶段等因素相关。但本研究发现，普者黑岩溶湖滨湿地水体TP质量浓度与茭草茎、叶TP含量之间无相关性，表明茭草受外在水体环境影响较小。4，7月水位逐渐上涨，涨幅小、速度较慢，气候温暖，茭草生长旺盛，需要从沉积物中吸收大量N、P等营养物质[31]，使得4，7月茭草茎和叶TP含量明显较高；10，1月水位逐渐缓慢下降，茭草也开始死亡，茭草茎、叶中营养物质也会释放到水体中，使得茭草茎和叶TP含量较低。张全军等[32]研究表明，水位的波动也会对湿地植物群落时空分布造成一定的影响，洪枯水位的季节性周期性波动会决定植物群落的生长、发育和繁殖过程，从而使不同的植物群落占领特定的生态位[33]。本研究中，普者黑湖滨湿地优势植物茭草的生长发育情况可能也会受季节性水位变化的影响，从而使其营养器官中TP含量产生变化。

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