贵州草海沉积物中养分的空间分布与评价

周 茜，彭秋萧，张才巧，张进忠，薛晓辉

1. 西南大学 资源与环境学院，重庆 400715； 2. 贵州工程应用技术学院 贵州省典型高原湿地生态保护与修复重点实验室，贵州 毕节 551700

作为湖泊水体的重要环境要素之一，沉积物是湖泊水体中养分的重要蓄积库[1-2]，也是影响水体水质的重要次生污染源．污水排放、 大气沉降、 地表径流注入和湖泊水生生物的死亡堆积，使湖泊沉积物中的养分得以富集．研究表明，滇池草海每年的总磷、 总氮和化学需氧量约有90%储存于沉积物中[3]．在特定的水环境条件下，富集于沉积物中的养分会重新释放进入上覆水体[4-6]，过多的养分释放将导致藻类过度繁殖，并加速湖泊富营养化[7]．因此，沉积物中养分形态与含量是影响上覆水富营养化的重要因素．目前，普遍采用的养分评价方法有主成分分析法、 灰色关联法、 聚类分析法、 模糊综合评价法和高通量测序法等[8-9]，其中模糊综合评价法在参考第二次土壤普查养分分级标准的基础上，结合多个指标综合评价，可以得到较为准确的结果[10]．

草海位于贵州省毕节市威宁彝族回族苗族自治县，是贵州高原最大的天然淡水湖泊，国家Ⅰ级保护动物黑颈鹤的重要越冬栖息地之一[11]，属于国家级自然保护区．杨海全等[12]监测发现，草海沉积物有机碳含量在6.86%～34.85%之间，且来源于藻类和沉水植物； 张家春等[13]研究表明，草海底泥总氮、 总磷含量分别在2.66～18.88 g/kg，0.40～0.86 g/kg间波动．目前，关于草海沉积物养分的空间分布研究较少，缺乏沉积物不同时间养分含量变化和与其他湖泊的比较研究．为此，课题组在草海湖区采集沉积物表层样品，测定样品中的总氮、 总磷、 有机质、 碱解氮、 有效磷和速效钾含量，研究草海沉积物中养分的空间分布特征，评价养分状况，并结合文献分析沉积物中不同时间的养分含量变化，为草海生态环境保护提供科学参考．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

草海位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县县城西南侧(26°49′-26°53′ N，104°10′-104°18′ E)，地势由西南东三面至北面降低，出口位于西北角．湖区面积为25 km2，平均水深仅2 m，最深处为5.13 m[14]．当地属于亚热带半湿润季风气候，昼夜温差较大，年均温度10.6 ℃[15]，年均降水量950.9 mm，5-10月降水占全年降水量的88%．湖区的水生植物主要有竹叶眼子菜、 微齿眼子菜、 水葱、 菹草、 狐尾藻和金鱼藻等[16]，鸟类是草海重要的保护动物，尤其是以黑颈鹤为代表的候鸟群，白肩雕、 白尾海雕、 灰鹤、 白琵鹭等国家Ⅰ，Ⅱ级保护鸟类也有分布．草海周边农作物以玉米、 马铃薯为主．土壤类型主要有黄棕壤、 石质土、 石灰土和沼泽土，沉积物pH值为6.76．

1.2 样品的采集与处理

2016年7月在草海湖区，根据入水口、 出水口、 湖中心和人为活动情况设置采样点11处(图1)，其中点1，2，10，11处于东部区域，点9，3，7，8分布在中部区域，点4，5，6分布在西部区域．用彼得森采泥器采集表层沉积物样品，带回实验室后阴干，研磨过筛后备用．

底图来源于国家地理信息公共服务平台，审图号： GS (2019)1822．图1 草海沉积物采样点分布图

1.3 样品测定方法

采用K2Cr2O7氧化-稀释热法测定有机质含量； 凯氏定氮法测定总氮含量； 碱解扩散法测定碱解氮含量； 酸溶光度法测定总磷含量； NaHCO3浸提法测定有效磷含量； NH4OAc浸提-火焰原子吸收光度法测定速效钾含量[17]．

1.4养分评价方法

采用《全国第二次土壤普查养分分级标准》[18-19]对沉积物养分进行评价(表1)．

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准

采用模糊综合评价法对各采样点进行养分综合评价[20]，具体过程如下：

1) 确定评价因素向量：U={有机质，全氮、 碱解氮、 全磷、 有效磷、 速效钾}；

2) 确定各评价因素的模糊向量R

(1)

式(1)中，r1，r2，r3，r4，r5和r6分别代表有机质、 全氮、 碱解氮、 全磷、 有效磷和速效钾的模糊向量，rij(i=1，…，n，表示n个评价因素；j=1，…，m，表示m个等级)为第i个因素对第j个等级的隶属度，隶属度采用“降半梯形”法确定[20]．评价等级数值参考全国第二次土壤普查养分分级数值[10]．

3) 计算模糊综合评价结果B

B=A×R

(2)

式(2)中，A为土壤养分各参评因素的权重，有机质、 总氮、 碱解氮、 总磷、 有效磷和速效钾的权重分别为0.408，0.204，0.136，0.088，0.097和0.067[20]．

4) 计算模糊综合指数FCI

FCI=B×S

(3)

式(3)中，FCI可划分Ⅰ(<2.0)，Ⅱ(2.0～2.9)，Ⅲ (3.0～3.9)，Ⅳ(4.0～4.9)和Ⅴ( ≥ 5.0)共5级，分别代表综合养分低、 较低、 中等、 较高和高水平；B为模糊综合评价结果；S为等级标准向量，ST={1，2，3，4，5}[21]．

2 结果与讨论

2.1 草海沉积物养分状况

沉积物养分含量影响水生植物的生长发育[22]，草海湖区各采样点的养分含量高低不一(表2)．有机质含量在43.24～415.91 g/kg之间，平均值为251.19 g/kg，变异系数为46.77%．总氮含量在2.65～18.85 g/kg之间，平均值为11.77 g/kg，最大值是最小值的7.11倍，变异系数为41.92%； 碱解氮能够反映土壤的氮供给能力，沉积物碱解氮含量最低仅为186.89 mg/kg，最高可达1672.63 mg/kg，变异系数为43.36%，平均值为910.63 mg/kg，占总氮含量的7.74%．总磷含量在0.14～0.77 g/kg之间，平均值为0.46 g/kg； 有效磷含量在1.15～40.00 mg/kg之间，平均值为19.95 mg/kg； 总磷与有效磷的变异系数分别为34.42%和59.71%，有效磷占到总磷的4.34%．速效钾含量在138.83～857.07 mg/kg之间，平均值为456.67 mg/kg，变异系数为39.83%．

表2 草海沉积物养分含量

样点5沉积物的有机质、 总氮、 总磷和有效磷含量显著高于其他采样点，分别达到415.91 g/kg，18.85 g/kg，0.77 g/kg和40.00 mg/kg．样点1沉积物的有机质和总氮含量最低，分别为43.24 g/kg和2.65 g/kg，这可能是由于其位于入水口河道，沉积物受水流冲刷影响，养分向湖内迁移所致．有效磷含量以样点7处最低，总磷含量在样点2处仅为0.14 g/kg，样点1沉积物的碱解氮含量最低(186.89 mg/kg)，样点11处碱解氮含量最高(1 672.63 mg/kg)，样点7沉积物的速效钾含量为138.83 mg/kg，显著低于其他各采样点，而在样点9处最高(857.07 mg/kg)．

2.2 草海沉积物养分含量的区域差异

草海东部有主要的入水口大中河，而出水口位于西部．根据采样点的位置将草海划分为东、 中、 西3个部分，发现不同区域草海沉积物中养分含量不同(表3)，沉积物有机质、 总氮、 总磷含量以西部最高，分别为283.51 g/kg，13.29 g/kg和0.58 g/kg，并由东至西依次递增，且中、 西部有机质、 总氮和总磷含量显著高于东部，这与杨海全等[12]和郭媛等[23]的研究结果相似．草海中部沉积物的碱解氮和速效钾含量分别为990.63 mg/kg和502.72 mg/kg，显著高于西部和东部； 东部碱解氮和速效钾含量最低，分别为787.40 mg/kg和400.95 mg/kg．中部沉积物的有效磷含量最低，为9.84 mg/kg； 西部有效磷含量最高(26.68 mg/kg)，西部和东部有效磷含量显著高于中部．

表3 草海沉积物不同区域间养分差异

2.3 草海沉积物的养分评价

根据《全国第二次土壤普查养分分级标准》，所有样点的有机质、 总氮和碱解氮含量全为Ⅰ级水平，养分含量高．90.91%的样点速效钾含量达到Ⅰ级水平(表4)，速效钾供给能力强，但总磷含量较低，有效磷含量中等，这是由于沉积物中的磷主要来自母岩，而贵州土壤普遍缺磷所致．草海沉积物81.82%的样点总磷含量在Ⅳ级及以下水平，少部分样点达到Ⅲ级水平，81.82%的样点有效磷含量达到Ⅲ级及以上水平，说明在草海沉积物中，尽管磷素不丰富，但有效磷含量相对较高，磷素的供给能力较强．采用模糊综合评价法可得到11个土样和区域养分模糊综合指数FCI，发现采样点FCI值在4.24～4.90间波动，平均值为4.62，养分水平较高，其中样点5的FCI最高(4.90)，样点7的FCI最低(4.24)，但也属于养分较高等级．

表4 草海各采样点沉积物的养分评价

2.4 草海沉积物养分多年变化

通过查阅文献和资料，搜集到2010年草海沉积物的养分数据(表5)．与2010年相比，2016年有机质和总氮含量变化较小，分别上升了3.26%和1.29%．已有研究表明草海水生维管束植物量近30年呈现出上升趋势[24]，植物通过光合作用将碳、 氮等元素储存在体内，当其死亡时将养分以有机物形式返还给沉积物，造成沉积物中有机质和总氮积累．但是，有机质和总氮含量上升幅度不大，可能是草海沉积物的养分分布不均匀，二者取样点差异所致．与2010年相比，草海沉积物的总磷含量降低31.34%，可能是水生植物数量变化、 磷的来源、 采样季节、 有机磷的分解与释放综合作用的结果．碱解氮含量提高了37.11%，有效磷含量降低了18.87%，主要是因为这2个指标均属于速效养分，受环境影响较大．

表5 草海沉积物养分多年变化

2.5 草海养分与国内类似湖泊比较

与国内类似湖泊比较，草海沉积物中的有机质、 总氮和总磷含量差异较大(表6)．红枫湖位于贵州，是典型的人工湖泊，草海沉积物有机质和总氮含量分别是红枫湖的6.54倍和2.05倍，可能是因为草海的水生植物量高于红枫湖，以浮游植物为例，草海浮游植物的种类和生物量均远高于红枫湖[25-27]，碳、 氮容易积累于沉积物中．但草海沉积物总磷仅为红枫湖的32.86%，可能是红枫湖为人工湖，沉积物养分受人为影响大．草海与乌梁素海同为草型湖泊，其沉积物的有机质和总氮含量分别是乌梁素海的12.00倍和13.69倍，总磷含量是乌梁素海的83.64%．草海、 滇池和青海湖为中国3大高原湖泊，草海沉积物的有机质、 总氮和总磷含量分别是青海湖的7.83，6.76和0.78倍，可能是青海湖为深水湖泊，平均水深达到21.7 m，而草海为浅水湖泊，可以大面积生长水生植物，具有更高的初级生产力[28]，可向沉积物提供更多的有机质和氮素； 草海沉积物的有机质、 总氮和总磷含量分别是滇池的2.81，3.34和0.27倍，表现出较高的有机质和总氮含量，较低的磷含量．

表6 国内相近类型湖泊沉积物中有机质、 总氮和总磷平均含量比较

3 结 论

1) 草海沉积物中有机质、 总氮、 碱解氮、 总磷、 有效磷和速效钾含量平均值分别为251.19 g/kg，11.77 g/kg，910.63 mg/kg，0.46 g/kg，19.95 mg/kg和456.67 mg/kg．且草海有机质、 总氮和总磷含量呈现出由东至西递增的趋势．

2) 草海沉积物养分模糊综合指数为4.62，属较高等级．有机质、 总氮、 碱解氮达Ⅰ级水平，速效钾的绝大部分达Ⅰ级水平，有效磷大部分处于Ⅱ级水平，总磷主要处于Ⅳ级及以下水平，有效磷主要处于Ⅲ级及以上水平．

3) 2010-2016年草海沉积物有机质和总氮含量增加，但变化较小； 碱解氮、 总磷和有效磷含量变化大于有机质和总氮，草海有机质和总氮含量高于红枫湖、 青海湖、 滇池和乌梁素海，而总磷含量低于上述湖泊．