拉鲁湿地沉积物碳氮磷分布及污染风险评价

2021-03-02任静雯王佳俊徐德福张建伟

生态与农村环境学报 2021年2期

任静雯,王佳俊,周磊,徐德福①,张建伟

(1.大气环境与装备技术协同创新中心/江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室/南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京 210044；2.南京信息工程大学数理与统计学院，江苏南京 210044)

湿地是地球上陆地和水生生态系统间的一种重要生态系统[1]，它承载了碳、氮和磷的源汇功能，且对其具有较强的截留和过滤功能[2]。而湿地沉积物对氮和磷等营养物质具有储存功能，一方面可以存储上层水中的污染物，达到净化水质的目的。另一方面，它还会将污染物中的养分再次释放到水体中，造成二次污染[3]，加剧水体富营养化和有机污染现象。近年来，气候因素、人类活动等都不同程度地威胁着湿地生态系统，从而导致湿地破坏、生物多样性锐减、土壤有机质含量下降等问题[4]，因此有必要研究湿地沉积物中碳、氮、磷的含量与分布情况，以期改善湿地环境质量[5]。

拉鲁湿地位于西藏自治区拉萨市的西北部，其平均海拔为3 645 m，占地面积超过1 000 hm2，是全球海拔最高、面积最大的城市内部天然湿地，植被以高寒草甸为主[6]。拉鲁湿地所在的拉萨河谷属藏南高原高寒半干旱季风气候区。阳光充足日照长，空气干燥蒸发大，降雨量少气压低，东风最多，西风大，主导风向为东南风，静风频率低，雨旱两季分明，全年降雨量大多集中在6—9月，热量水平不高，气温低[7]。拉鲁湿地具有多种生态服务功能，例如净化水源、调节当地气候、为科学研究和文化教育提供素材，尤其是对当地的生态环境有巨大的作用[8]。拉鲁湿地的水源主要是流沙河、拉萨河和堆龙河，相关的渠系主要包括南干渠、北干渠和中干渠[9]。

碳、氮、磷是按照不同比例存在于生物体中的3个主要的生源要素，它们之间的比率的动态变化决定着生物和生态系统的主要特性[10]。我国学者对一般湿地沉积物碳、氮和磷污染进行了大量研究[11]，但是对于高寒湿地的研究较少。作为高寒湿地，拉鲁湿地系统更具有全球变化的敏感性，其沉积物中碳、氮、磷的含量与分布也必有特殊性。目前对拉鲁湿地的研究多集中在拉鲁湿地水质评价[12]、植物群落结构的多样性[13]、湿地中水源中重金属元素的分布等[14]，对拉鲁湿地沉积物碳、氮、磷的研究鲜见报道。为此，笔者研究了枯水期和丰水期拉鲁湿地沉积物的总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)的分布特征，并对其污染等级进行评价，旨在系统阐明拉鲁湿地沉积物的污染现状，从而为拉鲁湿地的水资源管理与保护及水体富营养化的源头防治提供科学依据。

1 研究材料与方法

1.1 采样点布设

拉鲁湿地呈东西带状分布，东北地势较高，西南地势较低。鲁定北路由南向北横穿湿地，将其分为东西两片湿地，湿地的北面为高山，南面紧靠拉萨市城区，以中干渠和拉萨河的丹格路为界，西面直至加油站，以北面高山和新建的二环路交接处为界，东面与疆觉曲米林卡及拉萨市城关区拉鲁镇居民区接壤[15]，东北面和流沙河相连，流沙河是一条典型的季节性河流，其径流量大多集中在4—11月。拉鲁湿地多年平均气温7.13 ℃，最高29.4 ℃，最低-16.5 ℃；多年平均降水量428.1 mm，多集中在6—9 月，约占全年的89%；多年平均蒸发量2 306.5 mm，平均相对湿度44%。拉鲁湿地的来水主要通过南干渠、中干渠、北干渠(三渠)引取献多水电站尾水，另外一部分来水来源于流沙河。3月进入拉鲁湿地的水量最低，约为5.8 m3·s-1，8月进入拉鲁湿地的水量最高，为9.31 m3·s-1。由于拉鲁湿地东北高西南低，海拔相差8 m左右，因此在枯水期拉鲁湿地的东北部分区域缺水，未有地表水覆盖，存在明显的干湿交替。

于2018年12月(枯水期)和2019年5月(丰水期)进行采样，沿湿地边缘且有水域地带分别设置了59和48个采样点(图1)。根据拉鲁湿地的地势和水文特点，将枯水期采样点分为西部(1～13样点)、中西部(14～16、58～59样点)、北部(17～25样点)、东部(26～34样点)、南部(35～57样点)5个区域；将丰水期的采样点分为西部(1～11样点)、中西部(12～16、47样点)、北部(17～26样点)、东部(27～35样点)、南部(36～46、48样点)。

1.2 样品采集与分析

采集表层沉积物样品，装入储存袋中带回实验室分析。样品经自然风干后去除动植物残体和砂石等杂质，研磨过0.15 mm孔径筛并装入聚乙烯封口袋备用。沉积物中TN含量采用凯氏法测定；沉积物中TP含量采用NaOH碱熔-钼锑抗分光光度法测定；沉积物中OM含量采用重铬酸钾-外加热法测定。

1.3 污染风险评价方法及标准

综合污染指数法和有机污染指数法是评价湿地沉积物污染状况的常用方法，但是单一方法并不能全面评价拉鲁湿地沉积物的污染状况。为此，将综合污染指数法[16]中TN与TP的评价参数与有机污染指数法[17]中有机氮(ON)、有机质(OM)含量相结合，用于评价拉鲁湿地沉积物的污染状况，具体评价过程如下：

(1)综合污染指数评价

采用TN和TP的评价标准(0.55和0.60 g·kg-1)，与加拿大安略省环境和能源部发布指南中沉积物中能引起最低级别生态风险效应的TN和TP含量一致[18]，单向污染指数计算公式为[19]

(1)

(2)

式(1)～(2)中，Si为单项评价指数或标准指数，Si>1表明含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值，g·kg-1；Cs为评价因子的评价标准值，g·kg-1，TN的Cs为0.55 g·kg-1，TP为0.60 g·kg-1[20]；FF为综合污染指数；F为n项污染物TN和TP污染指数(STN和STP)平均值；Fmax为最大单项污染指数(STN和STP的最大值)。沉积物氮、磷污染程度分级见表1。

(2)有机污染指数评价

由于综合污染指数法中的局限性，无法对OM指标进行评价，因此采用有机污染指数法完善对拉鲁湿地沉积物中的有机污染评价，沉积物有机污染评价公式及标准见公式(3)～(5)及表2。

IO=COC×CON,

(3)

COC=COM/1.724 ，

(4)

CON=CTN× 0.95 。

(5)

式(3)～(5)中，IO为有机污染指数，%；COC、COM、CON和CTN分别为有机碳、有机质、有机氮和总氮含量，%。

表1 沉积物综合污染程度分级[21]Table 1 Classification of comprehensive pollution degree of sediments

1.4 数据处理

采用Origin 2017软件对拉鲁湿地沉积物中含量空间分布进行统计分析；使用ArcGIS 10.7软件反距离权重插值法(IDW分析法)对拉鲁湿地TN、TP和OM含量以及污染指数进行空间分析；使用SPSS 22.0软件对拉鲁湿地沉积物中TN、TP和OM含量及其化学计量比进行相关性和显著性分析。

表2 沉积物有机氮和有机指数评价标准[22]Table 2 Criteria for evaluation of organic nitrogen and organic index of sediments

2 结果与讨论

2.1 枯水期和丰水期沉积物TN、TP和OM的含量分布特征

图2为拉鲁湿地枯水期和丰水期的TN、TP和OM含量。枯水期沉积物TN含量在0.18～6.35 g·kg-1之间，平均值为1.78 g·kg-1。西部平均值(1.36 g·kg-1)和北部平均值(0.85 g·kg-1)显著低于中西部(3.43 g·kg-1)(P<0.05)。丰水期沉积物TN含量在0.10～3.95 g·kg-1之间，平均值为1.37 g·kg-1，不同区域TN含量差异显著。沉积物中TN含量最高值(3.95 g·kg-1)出现在南部地区，北部平均值(0.59 g·kg-1)最低且显著低于其他区域(P<0.05)。

枯水期沉积物TP含量在0.33～2.88 g·kg-1之间，平均值为1.33 g·kg-1(图4)。西部平均值(1.78 g·kg-1)显著高于北部(1.15 g·kg-1)、东部(1.22 g·kg-1)和南部平均值(1.23 g·kg-1)(P<0.05)。丰水期沉积物TP含量在0.31～1.26 g·kg-1之间，平均值为0.74 g·kg-1，空间分布差异较明显。沉积物中TP含量最高值出现在中西部地区，为1.26 g·kg-1，TP含量最低值出现在南部地区，为0.31 g·kg-1。北部平均值(0.67 g·kg-1)显著低于中西部(0.90 g·kg-1)(P<0.05)。

有机质(OM)对营养元素在沉积物中的迁移、转化过程有重要的作用[23]。已有研究表明，导致水体富营养化的原因之一就是沉积物中的OM在矿化过程中释放大量的碳、氮、磷等营养元素[24]。枯水期OM含量在27.18～268.98 g·kg-1之间，平均值为98.11 g·kg-1，不同区域差异显著，中西部(187.37 g·kg-1)和东部平均值(141.76 g·kg-1)显著高于其他区域(P<0.05)。丰水期OM含量在9.65～279.17 g·kg-1之间，平均值为68.43 g·kg-1，不同区域存在差异。

枯水期不同区域OM和TN含量变化规律一致，均为中西部>东部>南部>西部>北部，说明TN与OM相互影响，且湿地中植物对TN和OM含量的影响较大。此外，赵海超等[25]研究表明，洱海表层沉积物中OM含量在25.70～148.90 g·kg-1之间，平均值为52.00 g·kg-1。魏伟伟等[26]报道太湖竺山湾缓冲带内湿地表层沉积物中OM含量在11.60～60.70 g·kg-1之间，平均值为29.80 g·kg-1，可见枯水期和丰水期拉鲁湿地沉积物中OM含量都较高，潜在释放风险较高。

2.2 枯水期和丰水期沉积物TN、TP和OM的空间分布特征

由图3可知，拉鲁湿地枯水期N含量较丰水期高。枯水期N含量高的区域主要集中在中西部和东部，丰水期主要集中在中西部和东南部。枯水期和丰水期北部N含量均较低。TP的空间分布与TN一致，枯水期P含量较丰水期高。枯水期P含量高的区域主要集中在西部、中西部和东部，而丰水期则主要集中在西部和东部。综上可知，枯水期和丰水期拉鲁湿地沉积物TN和TP含量存在差异，且枯水期大于丰水期，其原因可能与枯水期和丰水期的降水量、地表径流量的不同有关。另外湿地的生物量也影响了污染物的积累[27]。枯水期植物数量少，对水体的净化功能减弱，从而导致污染物的累积；丰水期水质自净能力较好，污染物含量比枯水期低。此外，枯水期和丰水期北部沉积物TN和TP含量均比较低，因其靠近流沙河进水口，上游来水所受阻力小，流速较快，水质比较好，污染物沉积作用较弱。而下游地区(南部和西部)污染物易沉积，且靠近人类活动区，容易受到外源污染，因此沉积物中TN和TP含量较高。

枯水期OM含量高的区域主要集中在中西部和东部，丰水期则主要集中在南部和中西部。沉积物中OM一部分来源于生活污水，另一部分来源于水生动物和植物残体的沉积，这类有机残体在水体营养盐交换过程中起着极其重要的作用[28]，它们在湿地生物的分解和矿化作用下不断与上覆水发生交换，最终沉积并埋藏在沉积物中。由上可知，枯水期OM含量总体上高于丰水期，且枯水期和丰水期中西部和南部沉积物OM含量都显著高于其他区域(P<0.05)，这可能与有机质的长期沉降和积累、水体流速和区域人类活动等有关。丰水期水流速度较快，污染物不易沉积积累，枯水期植物大多死亡，植物残体较多，易造成有机质的积累，所以枯水期OM含量高于丰水期。另外，南部和中西部植物生物量较高，其下部根茎多而粗壮，交织在一起，因此水流速度较慢，且植物枯落后残体经过微生物分解和矿化逐步积累在沉积物中，因此南部和中西部沉积物OM含量比较高。

2.3 拉鲁湿地沉积物TN、TP和OM相关性

拉鲁湿地沉积物中TN、TP和OM的相关性分析如表3所示，枯水期沉积物OM、TN和TP之间都呈极显著正相关(P<0.01)，说明C、N和P具有同源性。植物在生长过程中从土壤中吸收N和P，并且从大气中吸收C进行光合作用，所以土壤中的C、N和P普遍存在显著正相关性[29]。而到了丰水期，OM和TP无相关性，说明枯水期和丰水期拉鲁湿地沉积物中的N、P污染来源有差异。

表3 拉鲁湿地沉积物TN、TP、OM含量的相关性Table 3 Correlation of TN, TP and OM in sediments of Lhalu wetland

2.4 拉鲁湿地不同区域的C、N、P生态化学计量比特征

拉鲁湿地枯水期和丰水期沉积物C、N、P化学计量比在不同区域间存在显著差异(P<0.05)(图4)。整体而言，枯水期C/N比为15.04～85.31，均值为37.22，北部显著高于其他区域(P<0.05)。沉积物C/P比为11.34～168.29，均值为44.41，中西部最高，西部最低。沉积物N/P比为0.19～3.66，均值为1.32，中西部最高，西部最低。

丰水期沉积物C/N比为3.09～97.46，均值为25.86，西部显著低于其他区域(P<0.05)。C/P比为4.5～184.99，均值为42.22，南部显著高于其他区域(P<0.05)。沉积物N/P比为0.11～12.63，均值为2.04，东部和南部较高，北部最低且显著低于其他区域(P<0.05)。

C/N比可以反映沉积物中有机质的来源，一般认为C/N比大于10时沉积物中有机质以外源为主；C/N比为10时内源和外源有机质基本平衡；C/N比小于10时沉积物中有机质以内源为主[30]。由上可知，枯水期和丰水期沉积物主要以外源有机质为主。另外，C/N比还是氮矿化能力的重要指标，通过C/N比可知有机质在分解过程是矿化还是微生物固持，C/N比较低有利于氮的矿化养分释放，一般认为C/N比低于25～30会出现矿化过程，因此丰水期拉鲁湿地沉积物具有矿化作用。

2.5 拉鲁湿地沉积物污染评价

2.5.1拉鲁湿地沉积物综合污染指数评价

拉鲁湿地枯水期不同区域沉积物TN单向污染指数的最小值为1.36，最大值为3.74，平均值为2.47(表4)，西部和北部均为中度污染，其他区域均为重度污染。TP单向污染指数的最小值为1.68，最大值为2.66，平均值为2.19，所有区域均为重度污染。综合污染指数从大到小依次为东部(4.46)>南部(4.45)>中西部(3.53)>西部(2.97)>北部(1.86)，北部为中度污染，其余区域均为重度污染。

表4 拉鲁湿地沉积物综合污染评价Table 4 Evaluation of comprehensive pollution of sediments in Lhalu Wetland

丰水期不同区域沉积物TN单向污染指数的最小值为0.71，最大值为3.21，平均值为2.16，北部为轻度污染，西部为中度污染，其余区域都为重度污染；TP单向污染指数的最小值为1.11，最大值为1.50，平均值为1.27，除了中西部为重度污染，其他区域均为中度污染。综合污染指数从大到小依次为南部(4.21)>东部(3.78)>中西部(3.15)>西部(1.87)>北部(1.25)，且北部属于轻度污染，西部属于中度污染，其他区域都属于重度污染。

2.5.2拉鲁湿地沉积物有机污染指数评价

拉鲁湿地不同区域沉积物有机污染状况存在差异(表5)，枯水期有机氮污染指数大小分布为中西部(0.33)>东部(0.22)>南部(0.15)>西部(0.13)>北部(0.08)，有机污染指数大小分布为中西部(3.54)>东部(1.43)>南部(0.78)>西部(0.48)>北部(0.24)。

北部有机氮和有机污染指数最低，西部较低，均属于中度污染，其余区域有机氮和有机污染指数较高，属于重度污染，有机污染状况较为严重。

丰水期有机氮污染指数分布为东部(0.18)>南部(0.17)>中西部(0.15)>西部(0.12)>北部(0.06)，有机污染指数由大到小为南部(1.03)>东部(0.69)>中西部(0.61)>西部(0.38)>北部(0.08)。其中北部有机氮和有机污染指数都最低，介于1级与2级标准之间，属于较清洁状态；西部有机氮和有机污染指数也较低，属于中度污染状态；中西部、东部和南部有机氮和有机污染指数都较高，达到4级标准，有机污染状况较为严重。

表5 拉鲁湿地沉积物的有机污染评价Table 5 Evaluation of organic pollution of sediments in Lhalu wetland

比较枯水期和丰水期的有机氮和有机污染指数空间分布(图5)，可知枯水期污染程度较严重，丰水期污染程度较轻，且枯水期和丰水期有机污染都主要集中在中西部、东部和南部，北部较为清洁。对比2种评价结果可知，拉鲁湿地沉积物综合污染和有机污染水平基本处于中度污染和重度污染之间，富营养化现象和有机污染较为严重，这可能与人类活动特别是放牧和污染物排放有关。此外，枯水期的污染评价指数相对丰水期较高，整体来说枯水期污染程度更为严重。张紫霞等[31]认为普者黑不同类型湿地沉积物TN、TP和OM含量在干、湿季下的变化特征不一致，干季氮磷污染程度比湿季严重；王书锦等[32]发现洱海流域入湖河口湿地干、湿季的沉积物氮、磷和有机质含量存在差异，各指标含量为干季大于湿季，干季沉积物营养盐潜在释放风险大。与上述研究结果相一致，拉鲁湿地枯水期TN、TP和OM含量总体高于丰水期，呈中度-重度污染，后期在拉鲁湿地的管理中应关注沉积物污染。