七星湿地土壤磷的时空分布特征研究

2022-11-15方永荟

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年4期

潘俊，方永荟

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168)

湿地生态系统是地球上三大生态系统的重要组成部分[1]。湿地生态系统在净化水体、保障生物多样性和为人类提供生产、生活资源等方面发挥着重要作用[2-3],湿地还具有重要的污水处理和资源恢复的功能[4]。我国湿地面积广阔,但随着经济的快速发展，我国湿地面积逐年减小，湿地被污染现象日趋严重，湿地生态功能也随之退化。磷元素是湿地发生富营养化的重要因子之一[5]。湿地中的磷既可以从水体中迁移转化到土壤中，也能在一定条件下由土壤进入到湿地上覆水体中[6]。因此，在自然条件和人类活动的影响下，湿地不同区域的土壤中总磷的质量分数以及其各形态比例是不同的，湿地土壤中的磷在不同区域的分布情况反过来又会对湿地中微生物群落的分布以及植物的生长状况产生影响[7]。因此，研究磷在湿地的时空分布是研究磷在湿地水体土壤沉积物迁移转化的前提。刘吉平等[8]对三江平原环形湿地的土壤养分的空间分布规律进行了研究，发现湿地土壤中全磷的质量分数自上而下分布的规律会随湿地中优势物种的不同而发生变化。S.Grunwald等[9]在佛罗里达一亚热带湿地中采样，分析了其土壤中全磷的空间变异性及分布规律。谢莹[10]发现在黄河的自然湿地和恢复湿地土壤中的总磷的质量分数并不一致，在土壤各形态磷中，无机磷占比最大。可见国内外研究主要是对湿地水体和沉积物中磷的分布，关于湿地土壤中磷的分布情况的相关探索较少。探究湿地的对象是以河口、湖泊周边形成的湿地为主，缺少由于水库蓄水而产生的湿地。鉴于此，笔者选择七星湿地中土壤磷的时空分布特征进行研究，并分析湿地植被对土壤中磷分布的影响。

1 试验

1.1 样品的采集与处理

七星湿地位于石佛寺水库库区南部，修建的目的是进一步减少下游辽河水体的污染[11]。辽河支流中的西小河、万泉河、长河和羊肠河汇入七星湿地中。石佛寺水库库区内部有黄家水源地和农高科水源地，是沈阳市沈北新区的主要水源地[12](见图1)。一旦七星湿地中磷等污染物质量分数过高，必然会对水源地的水质造成影响。同时，由于水库有在枯水期放水丰水期蓄水的特性，会对磷的分布产生影响。所以选择七星湿地作为研究对象，一方面可以研究磷在七星湿地中迁移转化的规律，另一方面也可以为保障水源地供水安全提供理论支持。

图1 采样地点图

在七星湿地内选取4个采样点来对磷的时空分布进行研究。分别在2020年3月份的枯水期和2020年7月份的丰水期进行取样，两次取样的地点保持一致。采样点区位如表1所示。

表1 采样点具体区位表

取表层和埋深40 cm、80 cm、120 cm、160 cm的土样，表层土样采用蚌式采样器进行采样，其余土样采用柴油土壤取样器进行采样，每一深度需要取3份样品。土样装入自封袋中，在实验室中自然风干，剔除其中的杂质后过筛用于土样中磷质量分数的检测。

为了研究植物对七星湿地土壤磷的时空分布的影响，在植物生长茂盛的采样点B处对湿地中最主要的植物芦苇进行采集。将挖出的芦苇放入保鲜袋中。采集回来的芦苇先用自来水进行冲洗，冲洗掉植物表面的杂质，再用去离子水进行冲洗。

1.2 土壤中磷的测定

(1)土壤中总磷的测定

采用碱熔钼酸盐分光光度法测定土壤中的总磷质量分数。

(2)土壤中无机磷测定

用Reedy化学连续提取法提取土壤中的无机磷。称取0.5 g土样。放到50 mL的离心管中，并在离心管中加入25 mL浓度为1 mol/L HCl溶液。放入到恒温振荡培养箱中以150 r/min振荡3 h，6 000 r/min离心10 min。最后用0.45 μm滤膜进行抽滤，取上清液用钼酸铵分光光度法测定磷质量分数。

(3)土壤中有机磷测定

采用SMT分级法测定土壤中有机磷的质量分数。称量0.2 g土样倒入离心管，加入20 mL浓度为1 mol/L的HCl溶液，在恒温培养箱中在25 ℃以150 r/min振荡16 h。将样品以2 000 r/min离心15 min，将上清液弃置。用12 mL的去离子水清洗离心过后的样品，振荡5 min后用2 000 r/min离心15 min，弃去洗液，洗涤两次后的残渣转入坩埚，将坩埚放入水浴锅中水浴直至样品干燥，再放到马弗炉中450 ℃灼烧3 h。冷却后倾倒至离心管，用20 mL浓度为1 mol/L 的HCl溶液无损地将样品转移，直至全部转入离心管，再将样品于恒温培养箱中在25 ℃以150 r/min恒温振荡16 h，以2 000 r/min离心15 min，测定上清液磷质量分数。

(4)无机磷分级测定

无机磷中以NaOH-P和HCl-P为主，其中NaOH-P是主要包括的是铁、锰、铝等金属氧化物上吸附包裹的磷，容易释放到水体中。HCl-P是指与碳酸钙磷灰石等Ca2+结合的磷，属于稳定的无机磷[13],其余的无机磷占比较少。笔者以NaOH-P和HCl-P的质量分数的测定为主。

①NaOH-P的测定

称量0.2 g土样放入离心管加入20 mL浓度为1 mol/L的NaOH溶液，在恒温培养箱中以25 ℃、150 r/min振荡16 h。移出10 mL上清液至试管中，加入4 mL浓度为 3.5 mol/L的 HCl溶液，剧烈摇晃试管30 s，将其静置16 h，若产生棕色沉淀则以2 000 r/min离心15 min，没有产生棕色沉淀则可以省去这一步骤，直接测量上清液磷质量分数。

②HCl-P的测定

NaOH-P测定后的残渣用12 mL浓度为1 mol/L的NaOH溶液清洗两遍，在恒温培养箱中振荡5 min，2 000 r/min离心15 min，将上清液弃置。重复一遍试验流程。加20 mL浓度为1 mol/L HCl的溶液，恒温培养箱中以25 ℃、150 r/min振荡16 h。结束后立即以2 000 r/min离心15 min，测定上清液磷的质量分数。

1.3 植物对磷吸收的室内模拟试验

将采集回来的土样去掉杂质后放入到长宽高为100 cm、80 cm、50 cm的沙箱中。土样高度为30 cm。将芦苇在沙箱内均匀布置，沙箱里面种植12株芦苇。在实验室培养30 d。对沙箱里土样的总磷、有机磷、无机磷质量分数每5 d测一次。

2 试验结果与分析

2.1 枯水期磷的空间分布特征

2.1.1 枯水期总磷的空间分布特征

图2为4个采样点的表层和垂直方向上总磷的分布情况。湿地的不同区域总磷的质量分数并不相同，总磷的质量分数在380.17～630.95 mg/kg。从入口处到湿地内部再到湿地出口处土壤中的总磷逐渐减少。说明湿地对磷具有一定的净化效果，湿地入口处是3条河流的汇流处，而这3条河流由于受到高新区工厂排放污水的污染，在汇流处污染物的叠加作用导致总磷的质量分数偏高。同处在湿地的下游断面A、B两点中原本是芦苇等挺水植物的生长场所的B点的总磷质量分数高于明水区域A点。原因是：一方面由于枯水期温度低，植物根部的微生物的活性低，吸附磷的能力减弱；另一方面由于枯水期植物尚未生长，植物死亡后的残体中磷又会返还到土壤中,导致枯水期中B点的总磷大于A点。

图2 七星湿地枯水期表层土壤总磷质量分数

2.1.2 枯水期总磷的垂向分布特征

图3为4个采样点中土壤中的总磷随深度变化情况。在湿地的入口处、内部和下游断面中土壤中总磷的质量分数都有随深度的增加而减小的趋势。这是因为不溶态磷酸盐主要累积在土壤表层，可溶态磷酸盐易被土壤胶体所吸附，向下淋失量很小，含磷废水中磷主要被表层土壤所吸附，因此湿地表层土壤中全磷质量分数显著高于下层土壤[14]。七星湿地土壤总磷的质量分数表、底层差异明显，随着土壤深度的增加总磷的质量分数下降趋势减弱。

图3 七星湿地枯水期土壤总磷质量分数垂向分布

2.1.3 枯水期无机磷有机磷的空间分布特征

图4为七星湿地表层土壤中无机磷和有机磷的质量分数情况。在湿地的各个断面上都有无机磷的质量分数大于有机磷质量分数的情况。无机磷部分可被生物利用，可通过矿化释放到水中[15]。七星湿地属于人工湿地，土壤中的有机质质量分数低于天然湿地，有机磷质量分数较少[16]。在湿地的入口处无机磷的占比最高，这是由于C点地处三河汇流处，水体所受污染以无机污染为主，土壤中无机磷质量分数高。而B点处有机磷质量分数高是由于植物死亡后被土壤中的微生物分解成有机质。植物死亡后的磷又回归到环境当中,以有机磷的形式存在[17]。

图4 七星湿地枯水期表层土壤中无机磷和有机磷的质量分数

2.1.4 枯水期不同形态无机磷空间分布特征

图5为枯水期NaOH-P和HCl-P的质量分数变化。图6为枯水期NaOH-P和HCl-P占无机磷的比例。

图5 七星湿地枯水期NaOH-P HCl-P质量分数

图6 七星湿地枯水期NaOH-P和HCl-P占无机磷的比例

从图5发现，在枯水期的湿地中，NaOH-P占据主要地位。NaOH-P和HCl-P质量分数与总磷有相同的变化趋势。湿地下游断面的B点的HCl-P质量分数大于A点可能是在植物衰败季节腐烂的枯叶等植物组织中的有机磷经过微生物作用会部分转化为HCl-P[9]。

从图6可知，NaOH-P占据无机磷的比例最大，所占比例在56.9%～76.9%。HCl-P的比例在16.70%～17.85%,占无机磷比例的变化程度较NaOH-P小。NaOH-P和HCl-P之和小于无机磷总量，说明存在其他形态的无机磷。

2.2 丰水期磷的空间分布特征

2.2.1 磷的空间分布特征

图7为土壤总磷的时空分布规律。丰水期任意采样点的总磷的质量分数都小于枯水期总磷的质量分数。因为：①由于丰水期地表水位上涨和地下水位抬升部分土壤中的磷会进入到水体当中，减少了土壤中总磷的质量分数。②由于丰水期在7、8月份属于植物生长的旺季，植物生长旺盛，会从土壤中吸收磷来供自身的生长，减少了土壤中的总磷质量分数。③湿地内生长的芦苇等植物还能提高整个湿地生态系统微生物数量[18]，微生物也会同化土壤中的磷,从而降低土壤中总磷质量分数。与枯水期的情况相反，B点处的总磷质量分数小于了A点，说明种植植物对改善湿地磷的空间分布减少污染具有重要意义。

图7 七星湿地土壤总磷的时空分布

2.2.2 丰水期总磷的垂向分布特征

图8为4个采样点中土壤中的总磷随深度变化的情况。丰水期土壤总磷的垂向分布规律与枯水期土壤总磷的垂向规律相似，但在D点出现最深层土壤总磷质量分数略高于上一层土壤总磷的质量分数的特殊情况。与枯水期相比，深度40 cm、80 cm处土壤总磷下降的速度变快，这是由于在丰水期植物根部会从土壤中吸收水分和营养物质，微生物活性也较高，导致了土壤中总磷的下降速度加快。