黄河中下游流域典型湿地沉积物中不同形态磷的分布特征

张家洋，蔺 芳，赵琬璐，陈恩希，毛鑫羽

（新乡学院生命科学与基础医学学院，河南 新乡 453003）

营养元素在不同界面间的迁移转化过程是进行湿地研究的热点和核心［1］。在不同类型的湿地（如红树林、岩沼湿地、淡水湿地）中，C、N、P的迁移转化与循环等方面的研究已较为深入［2-4］。其中，磷是湿地水体出现富营养化的重要因子，同时也是水生生态系统中重要的营养限制因子［5］。沉积物中磷的形态主要为有机磷和无机磷，无机磷又包括弱吸附态磷、可还原态磷、铁铝结合态磷和钙结合态磷等［6］。湿地沉积物中不同形态磷的含量可显著影响水体营养化进程。因此，研究湿地沉积物中不同形态磷的分布特征，对于理解沉积物中的磷在水体富营养化中的作用具有重要意义。

现有研究表明，湖滨湿地不同植被类型对磷的截留效果存在差异［7-9］，磷在湖滨湿地底泥中呈不同的分布规律［10-12］。李宝等［13］研究了山东省南四湖夏、冬两个季节的沉积物和间隙水中各形态磷的分布特征，结果表明沉积物中的磷在夏季向上覆水释放的潜力更大。聂丽娟等［14］研究了武汉市湖泊上层沉积物中各形态磷的组成，结果显示随着水质变差，沉积物中钙结合态磷和总磷的含量总体呈上升趋势。

习近平总书记在河南视察指导工作时指出“加强对黄河流域生态保护和高质量发展的领导”，可见，黄河流域的生态保护和高质量发展是目前重大的国家战略之一。黄河流域新乡段沼泽湿地因盐性底质的特点受到广泛关注，在外源污染源输入的情况下，其对底质营养盐的吸附和释放的动力学过程及影响机制方面研究尚不清楚。基于此，本研究在选定新乡市黄河湿地典型研究样地的基础上，采用典型样带布点法，在空间尺度上开展湿地底泥中营养盐的监测，通过检测底泥中各形态磷含量，初步揭示了新乡市黄河湿地底泥界面磷素的分布特性。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区域位于河南省新乡市封丘县陈桥湿地（34°55＇48″N，114°30＇0″E），占地面积约267 hm2。陈桥湿地水域、滩涂广阔，野生动植物资源丰富，鸟类众多，是黄河中下游流域典型湿地。

2021年11月，在陈桥湿地内选择了11个最有代表性的样地，样地简称L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11。其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7为缓冲区（核心区外围区域，多种植有林木或农作物），L8、L9、L10、L11为核心区（湿地水域地带），具体分布位置见图1。

图1 各采样点在湿地的分布情况

1.2 研究方法

1.2.1 样品的采集和预处理 在选定的11个样地中，将每个样地按“S”形设置3个取样点，用铲刀去掉沉积物表面的杂质后，在各个定好的取样点用取土器分土层（0～20 cm和20～40 cm）取土，并把在3个取样地点同一土层深度采到的泥土加以混匀，去除土中明显的动植物残体、杂草、石块等杂物，装入自封袋中，带回实验室进行风干、过筛、称重。

1.2.2 沉积物中4种无机态磷含量的测定 采用四步连续法和钼锑抗比色法［15］测定弱吸附态磷、可还原态磷、铁铝结合态磷和钙结合态磷的含量。测定流程：①弱吸附态磷。称取沉积物样品1.0 g，放入离心管中，添加1 mol/L的NH4Cl溶液50 mL，调整pH至7.0，25℃恒温振荡2 h，10 000 r/min离心20 min，用玻璃纤维滤膜（0.45 μm）将上清液过滤，用钼锑抗比色法测定弱吸附态磷的含量。②可还原态磷。测定完弱还原态磷后，在残渣中添加饱和NaCl溶液10 mL，加入0.5 mol/L的NaHCO3溶液50 mL，40℃恒温振荡1 h，5 000 r/min离心20 min，用玻璃纤维滤膜（0.45 μm）将上清液过滤，用钼锑抗比色法测定可还原态磷的含量。③铁铝结合态磷。测定完可还原态磷后，加入0.1 mol/L的NaOH溶液50 mL，25℃恒温振荡16 h，10 000 r/min离心20 min，用玻璃纤维滤膜（0.45 μm）将上清液过滤，用钼锑抗比色法测定可还原态磷的含量。④钙结合态磷。测定完铁铝结合态磷后，加入1 mol/L的HCl溶液50 mL，25℃恒温振荡16 h，10 000 r/min离心20 min，用钼锑抗比色法测定钙结合态磷的含量。

1.3 数据分析

试验数据均为3次平行取得的平均值。采用Excel 2021软件进行整理，使用SPSS 21.0软件进行数据分析，使用Duncan检验进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 各样地沉积物不同层次弱吸附态磷含量分析

由图2可知，在0～20 cm的土壤深度范围内，11种样地沉积物中所含弱吸附态磷含量表现为L4>L9>L8=L1>L10>L6>L11>L2=L5>L7>L3，其中，L4样地沉积物中的弱吸附态磷含量最高，为15.3 mg/kg，显著高于其他样地（P＜0.05）；在20～40 cm的土壤深度范围内，11种样地沉积物中所含弱吸附态磷含量表现为L5>L4>L3>L1=L7=L11>L6=L9=L10=L2>L8，其中，L5样地沉积物中弱吸附态磷含量最高，为6.9 mg/kg，显著高于其他样地（P＜0.05），L8样地最低，仅0.3 mg/kg。

图2 各样地沉积物中弱吸附态磷含量

各样地沉积物中弱吸附态磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土层分别为4.8 mg/kg和2.1 mg/kg，在核心区和缓冲区分别为3.5 mg/kg和3.4 mg/kg。在0～20 cm土层，核心区沉积物中弱吸附态磷的平均含量为6.1 mg/kg，缓冲区为4.1 mg/kg，二者相差2.0 mg/kg；在20～40 cm的土层，核心区沉积物中弱吸附态磷的平均含量为0.9 mg/kg，缓冲区为2.8 mg/kg，二者相差1.9 mg/kg。

2.2 各样地沉积物不同层次可还原态磷含量分析

由图3可知，在0～20 cm的土壤深度范围内，11种样地沉积物中的可还原态磷含量表现为L8>L10>L6>L5=L7=L2>L1=L4=L11>L9=L3，其中，L8土壤中可还原态磷含量最大，为8.9 mg/kg，显著高于其他样地（P＜0.05），可还原态磷含量最小的是L9和L3，仅1.8 mg/kg；在20～40 cm的深度范围内，其可还原态磷含量表现为L8>L4>L3>L1>L10=L5>L9>L11>L2>L6>L7，其中，L8样地最高，为43.7 mg/kg，显著高于其他样地（P＜0.05），L7样地最低，仅1.8 mg/kg。

图3 各样地沉积物中可还原态磷含量

各样地沉积物中可还原态磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土 层 中 分 别 为3.9 mg/kg和15.3 mg/kg，在核心区和缓冲区分别为11.6 mg/kg和8.6 mg/kg。在0～20 cm土层，核心区沉积物中可还原态磷的平均含量为4.9 mg/kg，缓冲区为3.4 mg/kg，二者相差1.5 mg/kg；在20～40 cm土层，核心区沉积物中可还原态磷的平均含量为18.2 mg/kg，缓冲区为13.8 mg/kg，二者相差4.4 mg/kg。

2.3 各样地沉积物不同层次铁铝结合态磷含量分析

由图4可知，11种样地的铁铝结合态磷含量差异较大，在0～20 cm的土壤深度范围内，其排序为L1>L11>L8>L10>L7>L6>L5>L3>L2>L4>L9，其 中，L1最大，为874.7 mg/kg，L9最小，为0.8 mg/kg，变化幅度极大；在20～40 cm的土壤深度范围内，11种样地的铁铝结合态磷含量表现为L8>L2>L3>L10>L7>L5>L11>L9>L1>L6>L4，其中，L8最大，为857.3 mg/kg，L4最小，为158.0 mg/kg。

图4 各样地沉积物中铁铝结合态磷含量

各样地沉积物中铁铝结合态磷的平均含量0～20 cm、20～40 cm土 层 分 别 为94.1 mg/kg和432.8 mg/kg，在核心区和缓冲区分别为276.9 mg/kg和255.7 mg/kg。在0～20 cm土层，核心区沉积物中铁铝结合态磷的平均含量为25.5 mg/kg，缓冲区为133.2 mg/kg；在20～40 cm土层，核心区积物中铁铝结合态磷的平均含量为528.3 mg/kg，缓冲区为378.2 mg/kg。

2.4 各样地沉积物不同层次钙结合态磷含量分析

由图5可知，在0～20 cm的土壤深度范围内，11种样地所含的钙结合态磷含量表现为L4>L1>L3>L6>L11>L2>L10>L9>L7>L5>L8，其中，L4样地最高，为235.6 mg/kg，L8样地最低，仅88.6 mg/kg；在20～40 cm的土壤深度范围内，11种样地所含的钙结合态磷含量表现为L7>L1>L6>L4>L5>L9>L3>L2>L11>L10>L8，其中，L7样地钙结合态磷含量最高，为255.0 mg/kg，L8最低，为160.0 mg/kg。

图5 各样地沉积物中钙结合态磷含量

各种样地沉积物中钙结合态磷的平均含量在0～20 cm、20～40 cm土 层 分 别 为174.5 mg/kg和205.1 mg/kg，在核心区和缓冲区分别为165.2 mg/kg和203.9 mg/kg。在0～20 cm土层，核心区沉积物中钙结合态磷的平均含量为148.6 mg/kg，缓冲区为189.4 mg/kg，与核心区相差40.8 mg/kg；在20～40 cm土层，核心区沉积物中钙结合态磷的平均含量为181.7 mg/kg，缓 冲 区 为218.4 mg/kg，二 者 相 差36.7 mg/kg。

3 讨论

弱吸附态磷是指一类结合力较弱的无机磷，主要吸附于沉积物表面，其活性较高，易于释放出来。本研究中，各样地的弱吸附态磷含量在不同层次内分布不均，大都集中于沉积物浅层（0～20 cm）。与其他3种无机磷相比，弱吸附态磷含量占比最低。在11种样地中，L4和L9样地弱吸附态磷含量较高。其中，L4样地（缓冲区，为白蜡林林地）沉积物浅层弱吸附态磷含量远高于深层，这可能是因为植物的根系对磷有一定的吸收能力，吸收掉了一部分土壤深层的弱吸附态磷［16］。L9样地（核心区，水体中央）沉积物中弱吸附态磷含量也较高，且由于其吸附能力较弱，因此极易容易被释放出来，增加了L9样地水体富营养化的风险。种植有香蒲和芦苇的样地（L11），其沉积物中弱吸附态磷含量较低，这可能是由于植物正值生长高峰期，弱吸附态磷被植物根系吸收利用了一部分［17］。由此可见，种植水生植物对缓解水体富营养化有一定效果，周楠楠等［18］研究了金鱼藻和狐尾藻对沉积物中无机磷含量的降低效果，结果表明植物对降低沉积物中磷含量具有显著效果。

可还原态磷在一定条件下极易被释放、转化。本研究中，11种样地的可还原态磷含量整体比弱吸附态磷含量高，且大体上均集中于沉积物深层，浅层含量较低，且核心区和缓冲区的可还原态磷含量相差不大。此外，本研究中，L8样地（核心区，水体中央）可还原态磷含量在沉积物浅层和深层中含量最高，显著高于其他样地（P＜0.05），且主要集中在沉积物下层。下层沉积物土壤团粒结构紧实，磷不易被吸附，因此易被释放到水体中，造成水体富营养化。L4样地（白蜡林林地）沉积物中可还原态磷含量也较高，且也集中于沉积物下层，容易被释放出来再转化为无机磷，然后再被植物吸收，对植物生长和湿地生态系统的改善很有利。

铁铝结合态磷主要来源于一些具有污染性的人类活动（例如工业废水和生活污水等的排放），与人类活动联系紧密。本研究中，核心区沉积物中铁铝结合态磷含量高于缓冲区，表明核心区沉积物可能受人类活动影响较大。此外，L4样地（白蜡林林地）的铁铝结合态磷含量较小，进一步说明白蜡林林地土壤质量状况较好。

钙结合态磷是一种稳定性较强、一般不容易被转化的磷，且这种磷比较难释放，对土壤肥力和水体富营养化程度的影响均较小。本研究中，11种样地的钙结合态磷含量均较高，且样地沉积物浅层和深层的钙结合态磷含量除L7样地（荒地）、L5样地（水体周围）以及L8、L9（核心区，水体中央）外均相差不大。其中，L1（农田）样地钙结合态磷含量较高，磷元素难以被释放至土壤中，植物体容易缺磷，尤其是对于生长处于旺季的植物，缺磷将使其生长发育受限，进而影响湿地的景观效果以及植物生态效应的发挥。

4 小结

本研究选择河南省新乡市陈桥湿地中11种具有代表性的样地（4种为核心区，7种为缓冲区）作为研究对象，通过室内分析，对各样地不同土层不同形态磷的分布特征进行了分析，结果显示，核心区沉积物中弱吸附态磷的平均含量为3.5 mg/kg、可还原态磷的平均含量为11.6 mg/kg、铁铝结合态磷的平均含量为276.9 mg/kg、钙结合态磷的平均含量为165.2 mg/kg，缓冲区弱吸附态磷的平均含量为3.4 mg/kg、可还原态磷的平均含量为8.6 mg/kg、铁铝结合态磷的平均含量为255.7 mg/kg，钙结合态磷的平均含量为203.9 mg/kg；弱吸附态磷大部分集中在沉积物浅层，还原态磷和铁铝结合态磷大部分集中在沉积物深层，而钙结合态磷在沉积物浅层和深层均匀分布；11种样地的无机磷含量表现为铁铝结合态磷＞钙结合态磷＞可还原态磷＞弱吸附态磷。