崇明东滩修复湿地水域有机物与营养盐的主要来源解析

张嘉陆 董浩宇 梅文萱 刘浩廷 冯雪松 鲁冰花 吴 巍 王 磊,*

（1 同济大学环境科学与工程学院，长江水环境教育部重点实验室，上海 200092；2 崇明东滩自然保护区管理事务中心，上海 202183; 3 长沙环境保护职业技术学院，环境资源学院，湖南 长沙 410004 ）

崇明东滩湿地位于长江入海口，是全球生物多样性保护的关键区域（曹世伟等，2019）。在上世纪70年代，因互花米草（Spartina alterniflora）在促淤造陆和消浪护堤方面作用显著，其被研究人员引入崇明东滩湿地（韩定定, 2018）。随着互花米草的快速繁衍、扩散，本地植物不断受到排挤，如海三棱藨草（Scirpus mariqueter）逐渐消失等，导致鸟类栖息地大量丧失，使得东滩湿地鸟类的种类和数量大量降低。此外，互花米草会堵塞湿地中的潮沟，使大量鱼类和底栖动物丧失栖息地，对湿地生态环境造成了严重破坏（汤臣栋, 2016）。针对以上问题，上海市崇明东滩自然保护区于2011年建设了“互花米草生态控制与鸟类栖息地优化工程”，以控制并消除入侵物种互花米草，对鸟类栖息地进行修复（王思凯等, 2020）。通过构建带有涵闸的大坝，将崇明东滩2 200 hm2互花米草区全部圈围，并对圈围区域内的互花米草采取刈割、水淹等措施，基本上消灭了圈围区内的互花米草。该生态修复工程使2 200 hm2修复湿地的水环境由天然潮汐转变为通过涵闸来调控水位的半封闭水环境（Wu et al., 2018），修复区域内水体存在水深较浅（Xu et al., 2018）和水动力较差（Pethick, 1994）等问题，容易造成修复区域内水体中污染物的积累（吴悦琦，2021; Wang et al., 2023）。

目前，关于崇明东滩修复湿地的研究大多聚焦于湿地实施生态修复工程后对沉积地貌、植被和生物多样性等方面的影响（丁文慧, 2016; 马金妍, 2010; 邹业爱, 2014; 郑鑫, 2020; 王苗勋,2022），修复湿地区水环境状况尚缺乏系统的研究。崇明东滩修复湿地的有机物和营养盐的现状、主要来源及其贡献权重，目前均未有明确的结论。鉴于此，本研究选择东滩修复湿地作研究对象，研究修复湿地区有机物和营养盐的现状及变化规律，并探究其主要来源和贡献权重，研究结果将为强化崇明东滩修复湿地的管理、维持和提升水质标准提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

崇明东滩湿地（31°25′—31°38′ N, 121°50′—122°05′ E）位于长江入海口，是长江口地区最大的河口型潮汐滩涂湿地，属于亚热带海洋性气候，气候四季分明且温和潮湿，年平均气温为15.3℃，降雨主要集中在4—9月，年平均降水量为1 022 mm（曹牧等, 2018）。崇明东滩保护区实施了互花米草生态控制和鸟类栖息地优化工程，该工程在崇明东滩湿地北部地区修筑了新大堤，堤坝上修建了3个联通内外水文的水闸，该水闸可调控生态修复区的水位，区域内原有潮沟也因蓄水变成河道。堤坝外区域为天然潮滩，以光滩和海三棱藨草湿地为主，有天然的潮汐涨落。

1.2 采样点及采样方法

在崇明东滩修复湿地内选取最大的开阔水面作为采样区域（31°31′9″ N, 121°57′42″ E），样区内采取梅花桩布点法，设置5个采样样点（图1），并于修复湿地圩堤外（31°32′11″ N,121°58′23″ E）采集潮汐水样作为对照。此外，在修复湿地区采集植物样品和底泥样品。

图1 修复湿地内及天然潮汐采样位点Fig.1 Sampling sites of the restored wetland and natural tidal

1）水样采集。于2021年10月28日至2023年4月1日共采样8次，4次处于高水位时期，4次属于低水位时期。采水器采水后倒入1000 mL聚乙烯瓶中。采集的水样加硫酸使其pH＜2，并放于4℃冰箱冷藏保存。

2）植物采集。在样区内使用剪刀采集植物，包括根、茎、叶部分，将所采集的植物混合在一起装入采集袋中，作为1个样点。采集的植物常温避光保存。

3）底泥采集。使用锹式采样器采取底泥样品（深度为0～10 cm），随机取3个样点的底泥混合均匀作为该采样点的样品，于4℃冰箱冷藏保存。

1.3 水质指标分析方法

总有机碳（TOC）、总氮(TN)、硝氮(NO-3-N)、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）的测定均采用GB 17378.4-2007《海洋监测规范-海水分析》中的标准方法。

1.4 有机碳和营养盐释放模拟实验

模拟实验中采用修复湿地区水样作为空白对照，并分别设置加入植物、加入底泥、加入植物和底泥组。所采用的容器为2 000 mL大烧杯，其底面积为133 cm2；由于目前实际修复湿地主要植物为芦苇(Phragmites australis)，并结合实际环境中植物和底泥所占比例，选择所加植物为芦苇，添加量为15 g，铺设底泥厚度约1.5 cm，体积约200 cm3。于特定时间对烧杯内水中C、N、P相关水质指标（检测方法同1.3）进行测定。

1.5 植物、底泥和水样的δ13C含量分析方法

将经过冷冻干燥处理的水样以及干燥粉碎处理的植物和底泥样品在锡箔帽中称量处理。采用MAT-253稳定同位素质谱仪（Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA）检测样品的δ13C（反映同位素的组成特征），并根据二元混合模型公式计算得出崇明东滩修复湿地水体中有机物来自底泥释放或植物腐烂的强度和相对比例。以下是二元混合模型公式（Millard et al, 2008; Phillips,2001）：

式中：δ13CW表示水体中稳定同位素δ13C值，ƒ表示不同来源的碳对水体中13C的贡献比例。Cp、CS分别表示水样中碳的植物来源和底泥来源。

1.6 数据分析

使用SPSS中spearman相关性分析的方法对季节、水位对于有机物和营养盐含量的影响进行分析。

2 结果与分析

2.1 修复湿地水体中有机物与营养盐含量与变化规律

2.1.1 修复湿地水体中有机物与营养盐含量 由表1可知：修复湿地水体中TOC含量为14.20 mg/L，高于天然潮汐水体中的5.80 mg/L。修复湿地内外水体中TN含量分别为1.89 mg/L和1.94 mg/L，其中，修复湿地水体中NH4+-N含量为0.67 mg/L，略高于修复湿地外天然潮汐水体的0.57 mg/L；NO3--N含量为0.27 mg/L，远低于修复湿地外天然潮汐水体的0.74 mg/L。此外，修复湿地水体中TP含量（0.14 mg/L）略高于修复湿地外天然潮汐水体（0.12 mg/L）。

表1 修复区内外水体中有机碳和营养盐的年平均值Table 1 The annual average of organic carbon and nutrients in the water inside and outside the restoration wetland.

表2 修复湿地水体中有机碳和营养盐含量变化与水位和季节的spearman相关性分析Table 2 The spearman correlation analysis of the changes of organic carbon and nutrient content in the water of the restored wetland with the water level and season

2.1.2 修复湿地水体中有机物与营养盐的变化规律 根据上海市崇明东滩自然保护区管理事务中心所提供的修复湿地内生境管理记录中的水位情况（2.5 m为线），利用SPSS软件对数据作相关性分析。结果表明：修复湿地水体中TOC含量仅与季节变化有关（r=0.501,p＜0.05）；NO3--N含量变化和水位有较强相关性（r=0.655,p＜0.05）（图2a、2b），在低水位时期NO3--N含量较低，在高水位时NO3--N含量较高（图2g、2h)；TP含量变化与季节和水位均有一定相关性（r分别为0.451和-0.436,p＜0.05）（图2I、2J）；TN（图2c、2d）和NH4+-N（图2e、2f）含量随季节变化和水位变化均无明显规律。

图2 修复湿地和天然潮汐水体中有机物及营养盐含量的季节变化Fig.2 Seasonal variation of organic matter and nutrient content in the water inside the restoration wetland and from natural tidal

2.2 修复湿地水体中植物与底泥的有机碳模拟释放规律

由2.1的结果可初步推测湿地水体中有机物不是外源输入，而可能与植物腐烂降解和底泥释放有关，为进一步探究水体中有机物的主要来源和权重，开展了实验室模拟释放实验。结果表明：修复湿地水体中加入植物、底泥、底泥+植物后TOC的含量随时间均有一定的改变。在仅加入底泥组中TOC含量变化较小，与空白较为接近；仅加入植物组和加入底泥+植物组的TOC含量变化趋势较接近，在3—7 d达到第一个峰值，TOC含量分别为105.65 mg/L和159.19 mg/L，表明有机碳的主要来源是植物腐烂降解释放（图3）。

图3 模拟实验中TOC释放的时间变化规律Fig.3 Variation of TOC release in simulation experiments

2.3 水样、植物及底泥中13C分析结果

为进一步验证2.2所得结论，并探究植物和底泥对水样区域碳增量的贡献比例，采用稳定同位素示踪法对有机物来源进行溯源（表3）。根据2.1中所知修复湿地水体中有机物主要来源于内源输入，设定本研究修复湿地水体中的δ13C全部来自于底泥释放和植物（芦苇）降解。将表3中稳定同位素测定结果代入式（1）中计算得到以下结果：湿地水体中有机碳来源于植物和底泥的占比分别为72.3%和27.7%。结果表明修复湿地有机碳来源于植物的比例远高于底泥，可认为修复湿地的有机物主要来源与植物腐烂释放有机物有关（王荣欣等，2018）。

表3 植物、底泥与水体有机碳中13C稳定同位素测定结果Table 3 Results of 13C stable isotope organic carbon in plant,sediment and water

2.4 修复湿地水体中植物与底泥的营养盐模拟释放规律

采用实验室模拟释放实验进一步探究氮磷营养盐的主要来源及归趋（图4）。从图4可看出：修复湿地水体加入底泥后TN的含量随时间变化较小，几乎和空白一致，可推测底泥释放不是含氮营养盐的主要来源。加入植物和加入底泥+植物组TN释放量均有显著的提高，且在第3—7 d达到释放的峰值，可认为植物腐烂降解释放是含氮营养盐的主要来源。

图4 模拟修复湿地内水环境实验中氮磷营养盐释放的时间变化规律Fig.4 Variation of nitrogen and phosphorus nutrient release in simulation experiments about the water of the restored wetland

NH4+-N的释放趋势与TN相似，湿地水体中加入底泥后NH4+-N的含量随时间变化较小，几乎和空白一致，但在加入植物十底泥和植物的水体中NH4+-N浓度显著提高，加入底泥十植物的水体中NH4+-N浓度在第7天达到峰值，加入植物的在第40天达到峰值，NH4+-N浓度分别为25.79 mg/L和11.04 mg/L，且释放量占TN释放量的较大比例（分别占93.65%和81.30%）（图4）。以上结果表明：NH4+-N是植物腐烂降解释放含氮营养盐的主要形态。对于NO-3-N，加入植物、底泥和底泥+植物与空白相对比，均无明显差异，表明NO3-N不是植物腐烂降解释放含氮营养盐的主要形态。加入底泥后TP随时间变化规律和空白一致，而在加入植物和加入底泥+植物后，TP释放量有显著的提高，故认为植物腐烂降解释放是含磷营养盐的主要来源（图4）。

3 讨论

3.1 东滩修复湿地水体中有机物的主要来源与影响因素

修复湿地水体中TOC含量高于天然潮汐，且修复湿地水体中的TOC含量仅与季节变化有关（r=0.501,p＜0.05），可以确定潮汐输入不是修复湿地水体中有机碳的主要来源。结合模拟释放实验和13C测定结果可知修复湿地有机碳主要来源于植物腐烂降解释放。此外，通过进一步对比仅加入植物组和加入底泥+植物组的后期实验结果（图3），发现第一个峰值后底泥+植物组中TOC降解较快，这与底泥的加入增加了水体中微生物种群多样性有关，微生物既可促进植物腐烂降解释放TOC，又可促进水体中TOC去除。该结论与蒋玲燕（2007）研究所得的结论相似，其研究发现在湿地系统中微生物多样性与有机物去除率的关系呈正相关。基于以上结论，通过对修复湿地水体中枯萎植物及时收割的措施来降低水体中TOC含量。

3.2 东滩修复湿地水体中营养盐的主要来源及其影响因素

由于修复湿地水体中NO3--N含量（0.27 mg/L）远低于湿地外水体（0.74 mg/L），且NO3-N的含量与水位变化有较强相关性（r=0.655,p＜0.05），可认为潮汐输入（外源输入）是NO3--N的主要来源。由模拟释放实验结果可知植物腐烂降解释放（内源输入）是NH4+-N的主要来源。内外源输入N的主要形态不同，与水体中溶解氧含量有关：修复湿地水体属于半封闭水体，其含氧量较低导致氨的硝化作用不强烈，而天然潮汐中含氧量较高使得硝化作用进行得更彻底（李金荣等, 2012）。

此外，对比模拟释放实验中加入植物和加入底泥+植物组（图3），TN浓度在第64 d时比峰值分别降低了13.27%和65.07%，说明底泥+植物组中含氮营养盐的去除速度大于仅有植物组，这是因为底泥具有吸附和增加水体中微生物量的作用,可促进含氮营养盐的去除。该结果与邬淑婷（2021）研究所得结论一致，其研究证明了水体中微生物量和底泥的吸附与截留作用对净化富营养化水体中的含氮营养盐起着重要作用。但目前修复湿地水体中TN含量与天然潮汐水体中的含量相似，表明修复湿地水体中植物腐烂释放N，但湿地生态系统对氮有较强的去除能力，两者基本保持了动态平衡

结合修复湿地水体中含磷营养盐含量略高于天然潮汐的现状和模拟释放实验结果可知，植物腐烂降解释放是含磷营养盐的主要来源。在模拟释放实验中植物组和底泥+植物组的TP含量在第47 d前呈波动上升趋势，第47 d后开始缓慢下降，由此可看出所释放的磷在水体中存在较为稳定。基于以上结论，可采取对修复湿地水体中枯萎植物及时收割的措施来降低水体中TP含量（苏云华等, 2018）。

4 结论

1）崇明东滩湿地修复区内水体中有机物浓度显著高于湿地修复区域外水体，营养盐含量基本相同或略低于湿地修复区域外潮汐水体；有机物的主要来源为植物腐烂降解释放，其所占比例为72.3%。

2）含氮营养盐的主要来源是植物腐烂降解释放，释放的主要形态为NH4+-N，还有部分来源于潮汐输入，其主要形态为NO3--N。含磷营养盐的主要来源也为植物腐烂降解释放，且所释放的磷在水体中存在较为稳定。

3）修复湿地水体中有机物和氮磷营养盐的主要来源均与枯落植物的降解释放有关，通过适时收割修复湿地中即将枯落的植物，可显著降低修复湿地水体中TOC含量，也对降低氮磷营养盐含量有一定的贡献。