白洋淀湿地不同植物群落区表层沉积物碳氮磷化学计量特征*

2022-03-05尹德超王雨山祁晓凡安永会王旭清徐蓉桢

湖泊科学 2022年2期

尹德超，王雨山，祁晓凡,2，安永会，王旭清，徐蓉桢

(1:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051) (2:中国地质调查局地质环境监测院，北京 100081)

白洋淀位于河北省中部，是华北地区最具代表性的湖泊湿地，发挥着调节气候、蓄水兴利、旅游景观等多种重要生态功能[1]. 近半个世纪以来，受气候变化和人类活动共同影响，白洋淀面临水源不足、湿地萎缩、水体污染、泥沙淤积等生态环境问题[2-3]. 2017年，中共中央、国务院决定成立河北雄安新区，白洋淀作为其核心生态功能区，其生态环境状况受到各界的广泛关注. 表层沉积物是湖泊湿地的重要组成部分，是C、N、P营养元素的重要蓄积库，在湖泊湿地生物地球化学元素循环中扮演着十分重要的角色[4-9]，查明表层沉积物C、N、P赋存规律对白洋淀生态保护与修复具有重要意义.

化学计量学作为一种新的生态学研究工具已经被广泛应用于生物个体、群落以及生态系统的各个层次[10-11]，为研究C、N、P等元素的生物地球化学循环提供了一种新思路[12-14]. 近年来研究表明，全球土壤具有相对稳定的C∶N∶P比例(摩尔比，下同)，为60∶7∶1[15]，我国表层0～10 cm土壤C∶N∶P为134∶9∶1[16]，湿地土壤的C∶N∶P比例平均值为245∶13.6∶1[17]，植被、气候、水文情势等因素均会影响沉积物的C、N、P化学计量特征. 例如，Hu等[18]研究东洞庭湖地区3种挺水植物覆盖下沉积物的C、N、P计量化学特征，Zhang等[19]研究了三江平原沙枣和毛果苔草湿地沉积物的C、N、P计量化学特征等，均表明植物群落会影响湿地表层沉积物C、N、P化学计量特征.

已有学者对白洋淀表层沉积物N、P的内源释放、垂向分布、污染评价等开展研究[20-23]，研究结果表明，白洋淀表层沉积物N、P污染负荷较高，内源N、P负荷已成为加剧白洋淀富营养化的重要污染源，严重威胁到白洋淀水环境质量. 但是，目前对白洋淀表层沉积物碳氮磷化学计量特征及其影响因素的研究较少. 白洋淀水生植物类型多样，不同类型植物群落C、N、P化学计量特征存在差异[24-27]，而植被枯落物又是沉积物C、N、P的主要来源. 根据水文资料，1997年至今白洋淀年均入淀水量(2.4×108m3)仅为1951—1965年平均入淀水量(21.7×108m3)的11%，来水量少且淀内围埝纵横，阻碍了地表水对表层沉积物的搬运堆积作用. 由此推测，白洋淀表层沉积物C、N、P化学计量特征主要受植物群落类型影响，不同植物群落区表层沉积物C、N、P含量应存在显著差异.

基于此，笔者在白洋淀不同水生植物群落区采集多个表层沉积物样品，试图回答2个科学问题：(1)白洋淀表层沉积物C、N、P是否符合我国土壤C、N、P化学计量特征，是否存在相对稳定的比值？(2)白洋淀表层沉积物C、N、P化学计量特征是否与植被类型有关，主要受哪些因素影响？希望研究结果能初步揭示白洋淀表层沉积物C、N、P分布规律，为了解白洋淀C、N、P生物地球化学循环过程提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀(38°43′～40°0′N，115°45′～116°7′E)地处太行山东麓滹沱河冲洪积平原和永定河冲洪积平原夹持的低洼地带，面积360 km2，是河北平原最大的湖泊湿地. 入淀河流有8条，自南向北分别为潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河及白沟引河[1]，东侧枣林庄水利枢纽为出水口，经赵王新河汇入大清河，东流入海. 白洋淀143个淀泊星罗棋布[28]，主要淀泊包括藻苲淀、烧车淀、小白洋淀、捞王淀、池鱼淀和泛鱼淀等.

白洋淀生态环境类型多样，水生植物主要包括挺水植物、浮水植物和沉水植物，其中浮水植物种类和数量较少[29]. 按照湿地植物群落类型和生态功能差异，分为挺水植物群落区、沉水植物群落区、水田区、航道区4种类型. 其中，挺水植物区水深多为0.5～2 m，芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲(TyphaorientalisPresl)、荷(Nelumbonucifera)等挺水植物为优势物种，兼有菹草(Potamogetoncrispus)、金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)、篦齿眼子菜(Stuckeniapectinata)等沉水植物；沉水植物区水面开阔，水深多>2 m，以菹草、金鱼藻、篦齿眼子菜等沉水植物为主；航道位于围埝或台田之间，沟通连接各淀泊，是淀内主要行水通道，且受往来船只影响，水动力较强，植物类型主要为沉水植物；水田分布于淀区周边，四周围埝圈闭，主要为人工藕田，局部分布有少量稻田.

1.2 样品采集及测试

2020年4-6月，在白洋淀采集表层沉积物样品96组，采样深度10 cm，采样设备为Corer 60 mm柱状采泥器，每组样品为20 m×20 m范围内的4次取样混合样. 表层沉积物样品采集后放入自封袋中，置于保温箱中冷藏. 表层沉积物样品采集的同时，调查记录取样点周边优势植物类型等环境信息. 根据统计，挺水植物区、沉水植物区、水田区和航道内采集样品分别为22、40、11、23组. 取样点分布及各取样点所处植物群落类型如图1所示.

图1 白洋淀表层沉积物取样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in surface sediments in Lake Baiyangdian

样品测试工作由河北省地质实验测试中心实验室完成，测试项目包括总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)及其他组分，其中TOC含量测定采用高频红外碳硫仪[30]，TN含量测定采用凯氏自动定氮仪[31]，TP含量测定采用X荧光光谱仪[32].

1.3 数据处理及图件编制

采用SPSS 19.0进行测试数据处理及统计分析：利用描述统计功能对样品测试结果进行均值、极大值、极小值、标准差、变异系数统计；采用相关分析功能对C、N、P含量及元素比值等变量进行相关性分析；利用单因素方差分析(One-way ANOVA)、LSD多重比较功能对比不同植被环境区表层沉积物C、N、P含量及比值差异.

采用ArcGIS 10.5软件绘制采样点分布图及白洋淀表层沉积物C、N、P含量分布图，采用Excel 2016和Origin 8.5绘制不同植物群落区表层沉积物碳氮磷含量对比直方图.

2 结果

2.1 白洋淀表层沉积物C、N、P化学计量特征

白洋淀表层沉积物TOC含量为14.4～136.82 g/kg，均值为39.64 g/kg，变异系数为51.50%. TOC含量大于75 g/kg的取样点主要分布于北部烧车淀，个别零散分布于捞王淀、池鱼淀和泛鱼淀. 藻苲淀、小白洋淀及泛鱼淀取样点TOC含量小于50 g/kg. 表层沉积物TN含量为0.72～10.57 g/kg，均值为2.62 g/kg，变异系数为56.53%(表1, 图2). 沉积物TN含量分布特征与TOC含量分布有一定的相似性，含量大于4.0 g/kg的取样点主要分布于烧车淀，其他个别零星分布于捞王淀、池鱼淀和泛鱼淀. 藻苲淀、小白洋淀及泛鱼淀沉积物TN含量小于3 g/kg. 表层沉积物TP含量为0.46～1.38 g/kg，均值为0.75 g/kg，变异系数为22.47%. 沉积物TP含量分布与TOC和TN分布存在较大差异，TP含量大于0.9 g/kg的采样点主要分布于藻苲淀西部、安新县城南部和东部以及泛鱼淀南部等淀区. 表层沉积物TOC、TN和TP含量变异系数由大到小表现为TN>TOC>TP，表明白洋淀表层沉积物TP含量在空间分布上比TN和TOC更为均一.

表层沉积物C∶N比值为11.35～35.31，平均值为18.73，高值点主要分布于东部枣林庄、池鱼淀、泛鱼淀等淀区. C∶P比值为50.31～482.63，平均值为141.00，高值点主要分布于烧车淀、捞王淀、池鱼淀及泛鱼淀北部等淀区. N∶P比值为2.60～20.55，平均值为7.79，高值点分布区域与C∶P比值相近. C∶N、C∶P和N∶P比值变异系数从大到小表现为C∶P(56.0%)>N∶P(53.2%)>C∶N(25.6%)，表明白洋淀表层沉积物C∶N比值空间分布相对稳定，C∶P和N∶P比值空间异质性较大.

表1 白洋淀及我国东部主要湖泊表层沉积物C、N、P化学计量特征Tab.1 Stoichiometric characteristics of C, N and P in surface sediments of Lake Baiyangdian and the main lakes in eastern China

图2 白洋淀表层沉积物C、N、P含量及比值分布Fig.2 Distribution of C, N and P contents and their ratios in surface sediments of Lake Baiyangdian

Pearson相关性分析结果表明(表2)，表层沉积物TN含量与TP、TOC和N∶P比值均呈显著正相关(P<0.01)，与C∶N比值呈显著负相关(P<0.01)；TP含量与C∶P比值呈显著负相关(P<0.01)，与TOC和N∶P比值没有相关性(P>0.05)；TOC含量与C∶P比值呈显著正相关(P<0.01)，与C∶N比值没有相关性(P>0.05). 由此可见，白洋淀表层沉积物TN含量变异对C、N、P比值变化起主导作用.

表2 白洋淀表层沉积物C、N、P含量及比值间的相关性分析Tab.2 Correlation between contents and ratios of C, N and P in surface sediments of Lake Baiyangdian

本次研究表层沉积物氮、磷含量与杜奕衡等[20]2017年取样测试结果基本一致，表明近3年白洋淀表层沉积物氮磷含量基本稳定. 与张国锋等[33]1995年表层沉积物C、N、P研究成果相比，白洋淀表层沉积物TOC含量有明显升高，TN和TP含量则略有升高；受TOC含量明显升高影响，C∶N和C∶P比值显著上升，N∶P 比值则略有下降. 与我国东部主要湖泊表层沉积物C、N、P平均含量[34-39]相比，白洋淀表层沉积物C、N、P含量均处于较高水平，TN含量在我国东部主要湖泊最高，TOC和TP含量仅低于衡水湖.

2.2 不同植物群落区表层沉积物C、N、P化学计量特征

按照取样点植物群落类型，统计表层沉积物C、N、P化学计量特征(表3). 单因素方差分析(One-way ANOVA)结果显示，不同植物群落区TN、TOC、C∶N、C∶P、N∶P存在显著差异(P<0.01)，TP含量在各分区之间不存在显著差异(P>0.05). LSD多重比较结果显示，挺水植物群落区表层沉积物TOC含量显著高于其他各区(P<0.01)，沉水植物区、航道区、水田区TOC含量无显著性差异(P>0.05). 挺水植物区TN含量均值为61.63 g/kg，沉水植物区、航道区、水田区表层沉积物TN均值分别为35.39、31.01和29.18 g/kg. 各植物类型区表层沉积物TN含量特征与TOC相近，挺水植物区显著高于其他各区(P<0.01)，沉水植物区、航道区、水田区间TN含量无显著性差异(P>0.05). 挺水植物区表层沉积物TN含量均值为4.38 g/kg，沉水植物区、航道区、水田区TN含量均值分别为2.13、2.03和2.13 g/kg. 挺水植物区、沉水植物区、航道区、水田区4种分区表层沉积物TP含量不存在显著差异，水田区表层沉积物TP含量均值略高(0.85 g/kg)，其次为航道区(0.76 g/kg)和挺水植物区(0.75 g/kg)，沉水植物群落区TP含量均值最低(0.73 g/kg).

表3 白洋淀不同植物群落区沉积物C、N、P化学计量特征Tab.3 Stoichiometric characteristics of C, N and P in surface sediments of different plant community areas in Lake Baiyangdian

图3 白洋淀不同植物群落区表层沉积物C、N、P化学计量特征对比Fig.3 Comparison of C, N and P stoichiometric characteristics of surface sediments in different plant communities in Lake Baiyangdian

沉水植物群落区表层沉积物C∶N比值最大，均值为19.35，显著高于挺水植物区(16.42)和水田区(16.46)，与航道区沉积物C∶N比值(18.71)无明显差异. 挺水植物群落区表层沉积物C∶P比值显著高于其他各分区(P<0.01)，均值为212.41，沉水植物区、航道区、水田区表层沉积物C∶P比值无显著差异(P>0.05)，均值分别为125.15、109.71和88.47. 表层沉积物N∶P值分布特征与C∶P比值相近，挺水植物区表层沉积物N∶P比值显著高于其他各分区(P<0.01)，均值为12.93，沉水植物区、航道区、水田区N∶P比值无显著差异(P>0.05)，均值分别为6.47、6.02和5.47(图3).

3 讨论

3.1 白洋淀表层沉积物C、N、P化学计量特征与我国土壤平均水平对比

白洋淀表层沉积物C∶N、C∶P和N∶P比值分别为18.73、141.00和7.79，C∶N∶P比值近似为141∶8∶1，与我国表层富含有机质土壤C、N、P化学计量特征[16]基本一致(图4)又略有不同：其中C∶N比值高于中国表层土壤C∶N比值(14.4)，N∶P比值低于中国表层土壤N∶P比值(9.3)，C∶P比值与中国表层土壤C∶P比值(136.0)相近. 对比表明，与全国表层土壤相比，白洋淀表层沉积物具有富C、P而少N的特点，当然，此处N元素少是相对于C、P元素而言.

与中国湿地土壤C、N、P化学计量特征[17]相比，白洋淀表层沉积物C∶N比值与中国湿地土壤C∶N比值(18.22)基本一致，但C∶P和N∶P比值均小于中国湿地土壤C∶P比值(245.22)和N∶P比值(13.60)，仅为全国湿地C∶P比值和N∶P比值的57%. 表明与全国湿地土壤相比，白洋淀表层沉积物具有富P而少C、N的特点. 考虑到白洋淀表层沉积物C、N、P含量均高于我国东部大多数湖泊的现实，化学计量特征对比表明，相比国内其他湿地，白洋淀P元素富集更为严重，具有更高的污染风险.

图4 白洋淀表层沉积物C∶N∶P 化学计量特征与全球及中国土壤比较[15-17]Fig.4 Comparison of C∶N∶P stoichiometry characteristics of surface sediments in Lake Baiyangdian with global and Chinese soils[15-17]

以上统计分析表明，白洋淀表层沉积物C∶N∶P比例基本符合中国表层土壤C、N、P化学计量特征，总体具有富P少N的特征，P元素污染风险更大. 白洋淀表层沉积物TN与TOC、TP在0.01水平(双侧)上显著相关，而TOC与TP二者之间不相关，又考虑C∶N、C∶P和N∶P三者变异系数差异，认为白洋淀表层沉积物 C∶N 具有相对稳定的比值，而C∶P和N∶P比值不稳定，空间分异性较大.

3.2 不同植被群落区表层沉积物C、N、P化学计量特征差异原因分析

通过对比发现，不同水生植物群落区表层沉积物C、N、P化学计量特征存在差异，挺水植物区和沉水植物区C∶N∶P比值分别近似为222∶13∶1和129∶6.5∶1，表明表层沉积物C、N、P化学计量特征与植被类型有关. 根据不同分区表层沉积物调查测试数据及前人白洋淀水生植物C、N、P组成的研究成果，分析不同植被类型区表层沉积物C、N、P化学计量特征存在差异的原因.

首先从不同植物群落C、N、P含量来看. 芦苇是白洋淀挺水植物的典型代表，暂以芦苇群落生物量及N、P含量代替白洋淀挺水植物群落生物量及N、P含量. 刘存歧等2012年研究成果[24]显示，白洋淀挺水植物优势物种芦苇在8月份生长旺盛期生物量为7.2 kg/m2，植物体N、P含量分别为9.31和0.69 g/kg，则单位面积芦苇群落N、P含量分别为67.02和4.97 g/m2. 王亚琼等2017年调查结果[25]显示，白洋淀沉水植物N、P平均含量分别为23.81和4.59 g/kg，均高于芦苇. 然而，白洋淀沉水植物群落生物量远低于芦苇群落[26]，生物量最高的篦齿眼子菜群落为1.22 kg/m2，仅为芦苇群落生物量的1/6. 暂以篦齿眼子菜生物量作为白洋淀沉水植物群落的生物量，则单位面积沉水植物群落最大N、P含量分别为29.05和5.60 g/m2. C是生物体干物质的主要成分，夏成星研究显示[27]，我国东部内陆水域挺水植物C含量为392.29 g/kg，沉水植物的C含量为336.64 g/kg，以此作为白洋淀芦苇群落和沉水植物群落的C含量. 则白洋淀单位面积芦苇群落和沉水植物群C含量分别为2824.49和410.7 g/m2. 根据以上计算结果，白洋淀单位面积挺水植物群落生物体C、N含量分别是沉水植物群落的6.88倍和2.31倍，而P含量基本相同(图5a)，C、N、P元素含量相对大小与相应区域表层沉积物的C、N、P含量(图5b)具有一致性.

图5 不同植物群落与相应分区表层沉积物C、N、P含量和化学计量特征对比Fig.5 Comparison of C, N and P contents and stoichiometric characteristics of different plant communities and the surface sediments of corresponding regions

从不同植物群落C、N、P比值来看(图5c)，以芦苇为代表的挺水植物C∶N(49.16)、C∶P(1468.72)和N∶P(29.88)比值均高于沉水植物(分别为16.50、189.47和11.49). 各分区表层沉积物C、N、P比值对比显示(图5d)，挺水植物区表层沉积物C∶P和N∶P比值均大于沉水植物区表层沉积物，与植物群落一致；而挺水植物区表层沉积物C∶N比值却小于沉水植物区沉积物C∶N比值，与挺水植物沉水植物C∶N比值大小关系不同. 前人通过实验对比发现，植物分解速率与C∶N比值、C∶P比值、木质素呈显著负相关[40]. 沉水植物 C∶N 比值、C∶P比值均低于挺水植物，故沉水植物凋亡后分解速率大于挺水植物. 王傅研究发现[41]，沉水植物分解后部分N元素以气体形式溢出水体，而C、P大部分进入到底泥中. 因此，植物凋亡后枯落物分解速率的差异导致沉水植物区表层沉积物C∶N比值大于挺水植物区沉积物C∶N比值.

航道区植物群落类型与沉水植物区相同，二者表层沉积物C、N、P化学计量特征有一定相似性. 但航道区沉积物TOC和TN含量略低于沉水植物区，TP含量略高于沉水植物区，C∶N比值介于沉水植物区和挺水植物区之间，表明航道较强的水动力条件对物质沉积过程产生了一定影响. 对于水田区，由于农作物定期收割外运，枯落物较少，导致表层沉积物TOC平均含量最低；而沉积物中TP含量高于其他各分区，推测是受水田区农业施肥影响.

由此表明，白洋淀植被枯落物是表层沉积物C、N、P的主要来源，挺水植物区和沉水植物区表层沉积物C、N、P化学计量特征受植物群落生物量、C、N、P化学计量特征以及枯落物分解速率等多个因素影响. 航道区和水田区人类活动较强，表层沉积物C、N、P化学计量特征除受植物类型影响外，还受农业施肥、作物收割等人类活动影响.