模拟不同水位梯度对湖滨湿地底泥碳氮磷化学计量特征的影响

李丹蕾, 呼 唤, 刘云根,2, 王玉莹, 王 妍,2

(1.西南林业大学生态与环境学院；2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南 昆明 650224)

湖滨湿地是指水域生态系统与陆地生态系统之间的生态过渡带[1].其底泥作为污染物的主要蓄积场所，通过水—沉积物—植物系统的拦截、沉积、吸附、降解等物理、化学和生物过程，控制水体和湖滨湿地之间的物质交换，缓解污染物产生的不利影响.湿地生态系统大多常年处于积水状态，积累了较多的土壤活性有机碳[2]，同时对底泥氮、磷等营养元素具有较强的截留和过滤作用，因此也是湿地生态系统中碳、氮、磷的最终归宿.湖泊水位受季节性降水等原因的影响，导致湖滨湿地在不同时间段内淹水深度和持续时间发生周期性变化，影响湖滨湿地的结构、功能[3]以及生物的生长、繁殖和分布[1]，同时也显著影响湿地底泥的生态化学计量特征.

化学计量学是分析元素质量平衡和其对生态交互作用影响的一种理论[4].土壤生态化学计量学对于揭示养分的可获得性以及碳、氮、磷(C、N、P)等元素的循环和平衡机制具有重要作用[5].同时化学计量比作为评估生态环境的重要影响因素，不仅对湿地生态系统的修复起到理论指导的作用，而且对判断全球环境变化情况以及碳循环过程有着重要意义.然而，遗憾的是国内研究多集中于探究陆生植物叶片、根茎等C、N、P 的分布特征、变化规律及其驱动因子[6-8]，对土壤C、N、P 化学计量学特征的研究相对较少[9]，特别是高原湖滨湿地不同水位梯度下底泥C、N、P的生态化学计量特征研究.虽然近年来不同水位条件下湿地土壤C、N、P化学计量比的分布特征也得到了一定关注[10-12]，但主要集中于国内各大湖滨湿地原位采样及测定[10-14]，其研究发现不同水位梯度下土壤化学计量比存在显著差异，植物群落[10]及水位梯度[13]是影响土壤C/N、C/P、N/P分布的关键因素，但水文条件对淡水湿地土壤碳氮磷化学计量比分布特征的影响及其与环境因子的关系尚无定论.因此，本研究基于盆栽试验方法，通过模拟湖滨湿地中3种不同水位梯度，对比分析在在植物生长的同一采样期不同水位条件下湖滨湿地土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)、全氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus, TP)分布规律和生态化学计量学特征，以及同一水位梯度，底泥碳、氮、磷含量在植物不同生长期的特征差异，以期阐明湖滨湿地土壤生态化学计量学特征对不同水位梯度的响应和同一水位梯度不同生长期的具体含量差异，其对研究湿地生态系统碳氮磷含量及其循环特征具有重要意义，同时也为同类型湿地修复提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验设置

2019年5月初在云南省昆明市城区典型类湖滨湿地(25°3′37″N—102°45′35″E)进行原位采样，采集湿地淹水区地面以下10～20 cm处底泥，去除植物根茎及石块等杂质，混合均匀，将采集背景底泥装入黑色聚乙烯材质桶(高32 cm，口径48 cm，30 cm)内，每桶底泥高度均为12 cm，质量约25 kg，待装好后，自然放置平衡7 d后用于试验.

盆栽试验在西南林业大学露天试验区进行，试验区内环境条件为自然状态，无人为干扰.该地区气候温和，年平均气温15 ℃，年降水量1 450 mm.试验于2019年5月7日进行幼苗状态窄叶香蒲的栽种，所供试植株购自昆明市花卉市场1年生的香蒲幼苗，筛选生物量及高度基本一致、长势良好的用于试验.移栽7 d，待香蒲植株稳定后，以研究区自然环境香蒲分布的水位梯度进行等比例盆栽试验模拟，水位梯度分别设置为0、7、15 cm，每种水位设置3组平行[21-22]，每种处理同时设置无植物对照.为维持水位，隔1～2 d进行间歇性加水[21]，加水取自当地的原位湖水，水体溶解氧(dissolved oxygen, DO)为(2.75±0.57)mg·L-1、电导率(electrical conductivity, EC)为(605.13±143.75)μs·cm-1，氧化还原电位(oxidation-reduction potential, Eh)为(8.68±52.70)mV，pH为7.73±0.06，待香蒲状态稳定2个月后，进行试验底泥样本采样.

1.2 样品采集与处理

分别于7、9、11月对试验桶内底泥及植物进行破坏性采样.将盆内香蒲植株从土壤中取出，用纯净水冲洗，待干净后，用吸水纸将植物表面的水分吸干，分离植株的根茎叶，称取不同水位梯度下的全部根茎叶的鲜重并对株高进行记录(表1)，将根茎和叶放入烘箱中，105 ℃杀青后，在80 ℃下烘干至恒重状态，并称取其干重，将烘干后的根茎和叶粉碎，过0.5 mm筛后，保存备用，待试验时对其营养元素进行测定.本试验主要集中于底泥中碳氮磷元素的分析，对植物中营养元素不做讨论.桶中剩余淹水采用虹吸式排水方式抽出，对剩余带有根系的底泥进行分拣并混匀，每种淹水及无植物对照条件均随机挖取3个平行作为重复，装入自封袋带回实验室，去除杂质，经自然风干后研磨，过160目孔筛，试验待用.

1.3 测定方法

SOC含量测定采用重铬酸钾氧化—外加热法(LY/T 1237—1999)；TN含量测定采用凯氏定氮法(LY/T 1228—1999)；TP含量测定采用酸熔—钼锑抗比色法(LY/T 1232—1999)；土壤pH、Eh、Ec以及DO采用哈希水质分析仪(HQ40D，苏州中昂仪器有限公司)测定.

表1 不同生长期下香蒲生长状况的基本参数1)Table 1 Basic parameters of cattail grown in different growth periods

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件处理、整理数据；利用SPSS 23.0统计分析软件，对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和对不同水位条件及生长期下的底泥SOC、TN、TP含量及生态化学计量特征进行方差分析和正态性检验；对底泥中SOC、TN、TP和其计量比及pH、Eh和DO运用R(Version 3.6.3)进行回归分析及相关性分析；采用Origin 2018 Pro软件绘图.

2 结果与分析

2.1 不同水位梯度及生长期变化对湿地底泥有机碳、氮、磷含量的影响

方差分析表明(表2)，湖滨湿地不同水位梯度及植物不同生长阶段均对底泥中SOC、TN、TP含量存在显著影响(P<0.01).

表2 不同水位条件及植物生长期对湿地底泥SOC、TN、TP含量影响方差分析Table 2 Variance analysis on the effects of different water levels and plant growth periods on SOC, TN and TP contents of wetland sediments

湿地底泥中土壤SOC、TN、TP的含量分别为7.39～20.50、1.01～1.64和1.12～1.74 g·kg-1.不同淹水处理显著影响湖滨湿地底泥营养元素的累积，底泥中SOC和TP含量随采样时间逐渐减小，TN含量逐渐增加(图1).湿地底泥SOC含量随植物生长期逐渐减少，在0 cm水位，底泥中SOC含量相对呈缓慢降低趋势，从采样初期到植物生长末期，SOC变化量8.42～20.50 mg·kg-1，变化率58.93%，而在7 cm和15 cm水位条件时，SOC含量分别为：7.39～16.24和8.28～15.75 mg·kg-1，变化率分别为54.49%和47.43%，说明水位7 cm时，SOC的释放风险更高.根据同水位条件所设置的无植物对照分析，无植物条件下底泥SOC的变化量低于同水平有植物条件下底泥SOC的变化量.在植物生长末期(图1)，底泥中SOC含量在有植物与无植物条件下的SOC含量均值分别是8.03和12.35 mg·kg-1，差量在35%左右；TN随植物生长期含量逐渐增加，各水位梯度之间存在显著差异(P<0.05)，水位为0、7以及15 cm的含量分别在：1.01～2.38、1.26～2.16和1.22～1.95 mg·kg-1之间，其增长率分别为：57.64%、41.45%和37.37%，TN在水位0 cm的增长率更高，表明较为干旱的湿地环境更容易引起TN释放.底泥中TN含量随香蒲生长期从1.16升高至2.16 mg·kg-1，增长率为46%，无植物条件下，在生长初期至末期其含量从1.42升高至2.29 mg·kg-1，增长率下降至38%；底泥TP随采样时间呈递减趋势，0 cm水位，底泥TP从1.74降低到1.12 mg·kg-1，变化率为35.72%，水位在7 cm，其含量变化为1.28～1.48 mg·kg-1，变化率为13.09%，水位在15 cm，TP含量为1.12～1.63 mg·kg-1，增长率达到31.16%，在7 cm水位，TP变化率更低，释放风险更小.对比无植物条件，底泥中TP变化量相对较低，在香蒲生长初期，在有植物与无植物条件下，底泥中TP含量均值分别为1.61和1.52 mg·kg-1，差量为4%，在枯落期则TP含量分别为1.17和1.40 mg·kg-1，其差值增长到16%.

Y：有植物；W：无植物对照.不同大写字母表示湖滨湿地底泥在同一采样时期上差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示湖滨湿地底泥在同一水位梯度上差异显著(P<0.05).图1 不同水位条件及生长期下湿地底泥土壤有机碳、全氮、总磷含量Fig.1 Contents of SOC, TN and TP in wetland sediment under different water levels and growth periods

2.2 湿地底泥化学计量比随不同水位梯度及生长期的变化

方差分析表明(表3)，湖滨湿地不同水位及植物不同生长阶段均对底泥化学计量比存在显著影响(P<0.01).

表3 不同水位梯度及植物生长期对湿地底泥化学计量比的影响Table 3 Variance analysis on the effects of different water level conditions and plant growth periods on the stoichiometric ratio of wetland sediments

不同水位条件下湖滨湿地化学计量比之间存在显著差异(P<0.05).各采样阶段C/N、C/P和N/P的比值分别为3.39～16.23，6.59～13.89和0.58～2.12(图2).随采样时间，C/N逐渐减小，在香蒲生长初期，在0和7 cm水位，C/N差异性不显著，与15 cm水位条件之间差异性显著(P<0.05)，在生长旺盛阶段，不同水位条件之间存在显著差异(P<0.05)，在枯落期，不同水位梯度之间差异性不显著；在全部采样阶段，湿地底泥C/P呈递减趋势，在香蒲生长旺盛期及枯落期，7 cm水位条件下，其值均处于最高值，与其他水位条件之间存在显著差异(P<0.05)，在香蒲生长枯落期则趋于稳定，不同水位梯度之间差异性不显著性；而N/P在全部采样期其值逐渐增加，在7、9月采样期不同水位之间差异性不显著，7 cm水位条件值最大，0 cm水位条件值最小，在采样末期，0 cm水位条件下，N/P增加至最大值，在7 cm和15 cm水位条件下，则差异性相对较小.

2.3 底泥物理化学性质对SOC、TN、TP含量及化学计量比的影响

环境因子通过影响植物的生长和演替，进而影响土壤中各元素的含量及其分布[15].从图3可知，每个方格中分别代表因子之间的相关性系数，左下角表示各因子之间正负相关性，右上角圆形大小代表其显著性.在0 cm水位条件，DO与底泥SOC、TP、C/N以及C/P呈显著负相关(P<0.01)，与TN、N/P呈显著正相关(P<0.01)，pH、Eh与其他因子之间存在相关性，但不显著；水位为7 cm时，底泥Eh与SOC、C/N、C/P呈显著负相关(P<0.05)，与TN呈显著正相关(P<0.05)，底泥其他环境因子与各元素含量之间相关性不显著；15 cm水位条件，底泥pH与SOC、TP、C/N、C/P呈显著负相关(P<0.01)，与TN、N/P呈显著正相关(P<0.01)，而底泥DO、Eh与其他因子之间相关性不显著.在0 cm水位下，引起底泥中SOC、TN、TP含量及化学计量比变化的主控因子是底泥DO，而水位为7 cm时，Eh更容易引起底泥营养元素的变化，与其相关性更显著，水位15 cm，则引起底泥中各元素的含量变化的主要环境因子是pH，总体而言，底泥SOC与其他碳氮磷化学计量特征均具有极显著相关性(P<0.01) ；TP与SOC、C/N、N/P和C/P具极显著正相关(P<0.01)，与TN相关性不显著；TN仅与N/P呈显著正相关(P<0.01).

不同大写字母表示湖滨湿地底泥在同一采样时期上差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示湖滨湿地底泥在同一水位条件上差异显著(P<0.05).图2 不同水位条件及生长期下湿地底泥化学计量比Fig.2 Stoichiometric ratio of wetland sediment under different water level conditions and growth periods

a：0 cm水位；b：7 cm水位；c：15 cm 水位.图3 不同水位梯度底泥SOC、TN、TP含量及化学计量比与底泥物理化学性质之间的相关性分析Fig.3 Correlation analysis between SOC, TN, TP contents and stoichiometric ratio of sediment in different water level conditions and sediment physiochemical parameters environmental factors

3 结论与讨论

3.1 不同水位条件对湿地底泥SOC、TN、TP 含量的影响

碳、氮、磷作为土壤主要养分元素, 在探究生物系统、能量循环以及多元素平衡过程中有着重要意义[16]，同时生态系统中碳、氮、磷的含量在探究限制土壤生产力元素平衡和生物系统能量平衡过程中发挥着关键性的作用[17].本试验探究不同水位对湿地底泥营养元素的影响，采样初期底泥SOC含量较高，是由于原位底泥表层覆盖了大量的枯枝落叶，为土壤提供了丰富的碳源[18-20]，底泥SOC含量在0 cm水位条件与其他水位之间具有显著差异，是由于外界环境扰动引起表层SOC向深层的机械迁移以及植物和微生物残骸未形成泥炭导致[21]，0 cm水位下，底泥土壤SOC降低率大于其他水位，是由于高水位下进入土壤的氧气减少，起分解作用的好氧微生物活动减弱或停止，底泥SOC分解率低，反之，在较为干旱的状态下，通气量增加会导致SOC分解加速[22-23].

各水位梯度下底泥SOC与TN之间均呈显著负相关，证明底泥中碳、氮的来源不同，底泥中SOC的主要来源是原位底泥中动植物残体，而TN来源于一定程度的氮沉降和土壤的氮矿化，也表明底泥中TN含量不受底泥SOC含量的限制[24].而底泥中TN含量随采样时间逐渐增加，由于室外模拟过程中存在一定的氮沉降，同时环境水体中含有一定量的氮，在添加的过程中会导致氮含量累积，并且由于C/N小于25，且随采样时间逐渐减小，氮矿化能力增强，将底泥中蛋白质、腐殖质等有机氮化为无机氮，导致底泥中TN会在一定程度上持续增长[25].同一采样期下TN在7、15 cm水位条件下的含量变化低于0 cm水位，从相关性分析中可知，水位在7 cm时，底泥TN与土壤Eh呈显著正相关(P<0.05)，淹水导致土壤Eh下降，其相应的物理、化学和生物特征也会发生改变[26]，导致土壤氮损失增多[27]，相对0 cm水位条件TN含量更低.

底泥TP含量随植物生长而逐渐降低，说明植物在生长过程中需要消耗大量TP，尤其在9、11月，香蒲生长旺盛及枯落期，吸收大量生物有效磷，TP含量随之减小.研究表明，磷的循环属于沉积型循环[28-29]，底泥中的磷部分来自于深层土壤中磷的释放，部分来自于植物以及微生物，但主要是由土壤本身所决定，在无外源磷添加的情况下，淹水会导致底泥厌氧环境，由于减少了氮素流失、抑制了有机质分解，底泥中TN大量储存，因此植物吸收底泥TP做营养成分，相对于在0 cm水位条件下，底泥TP消耗更高，而且由于泥炭层分解过程中释放出来的有机磷可能对于植物而言具有更高的利用率，所以磷的循环速度更快[30].在高水位条件下，底泥营养元素处于最低值，淹水深度的增加会在一定程度上降低底泥中微生物的生长繁殖以及底泥中土壤酶的活性，导致底泥矿化速率降低.同时也表明了干旱条件更利于增加土壤的通气性和保温性，使底泥与外界物质之间的交换更加透彻，从而会加速其矿化.

3.2 不同水位条件对湿地底泥化学计量比相关性的影响

研究表明，在不同水位条件下湿地底泥C/N、C/P 和N/P之间存在显著差异，湿地不同水位导致底泥的物理、化学和生物特征发生改变[31]，进而影响底泥碳、氮、磷等元素的循环过程.土壤C/N作为土壤环境或者土壤质量变化的敏感指标，可以用来衡量土壤氮矿化能力、有机质分解速率和营养平衡状况[32].C/N小于25，说明底泥中有机质的分解不受氮的限制，有利于分解过程中养分的释放，也表明底泥腐殖化的程度相对较高，底泥的土壤矿化能力较强[33].土壤C/N在12～16之间时，表明有机质被微生物很好地分解[34]，另外，土壤C/N与有机质分解过程所释放的有效氮呈反比，C/N越小，有机质分解过程中释放有效氮潜力越大[35]，在盆栽模拟湖滨湿地试验中底泥C/N为3.49～16.23，其有机质被分解，有效氮大量释放.底泥C/P反映的是土壤微生物在土壤有机质中释放磷的潜力，C/P小，表明微生物在碳矿化，土壤有机质更容易释放磷，C/P大则表明土壤微生物对土壤有效磷存在同化趋势，具有较强的固磷潜力[36].土壤C/P与有机质分解过程所释放的有效磷量呈反比，C/P越大有机质分解过程中释放有效磷的潜力越小[36].模拟环境中C/P变化范围6.59～13.83，C/P在初期采样时较高，由于初期底泥中微生物对底泥有效磷存在同化性，而随采样时间推移，C/P逐渐减小，说明随着植物生长期的变化，微生物影响底泥固磷能力也逐渐减弱.土壤N/P常被用来判断限制性的养分元素[37]，底泥N/P最高值仅为2.12，C/P与N/P均小于14，说明氮、磷元素均是影响植物生长的限制性因素，且受氮素限制高于磷素[38]，有研究表明高纬度区域的植被更易受氮素限制，低纬度植被更易缺磷[39]，这与本研究结果相同.C∶N∶P比值是预测土壤养分的限制性和有机质分解速率的重要指标[40].本研究结果表明，在0、7和15 cm水位条件下的底泥C∶N∶P均值分别为127∶16∶15、136∶16∶13和112∶15∶13，表明水位为15 cm时，更有利于底泥中生态系统的稳定，而相对7 cm水位条件下，元素之间的耦合关系以及稳定性更低.

综上可知，短期盆栽试验中，在高水位条件下，底泥中SOC、TN、TP含量均处于最小值，为了减少生态环境中营养元素带来的风险，可以适量控制湖滨湿地中淹水高度，同时控制底泥pH，根据其与SOC、TP之间呈显著负相关，与底泥TN显著正相关的研究结果，可知在中性偏碱的底泥状态下，碳氮磷带来的释放风险会更低，同时研究表明，在植物生长末期，碳、磷含量被大量吸收，底泥中营养元素减少，可适当种植香蒲等植物吸收底泥中营养元素，减少污染风险.