陈桥湿地土壤和沉积物碳、氮、磷分布及沉积物污染评价*

周会萍，周君丽，蔡祖国，黄艳丽，庄静静

(1.新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003；2.河南科技学院 园艺园林学院，河南 新乡 453003)

湿地处于水—陆生态系统过渡位置，其土壤和沉积物作为各种营养物质的源和汇，在全球碳(C)、氮(N)、磷(P)转化和平衡方面具有重要意义[1-2]。湿地生态系统具有较高的生产力[3-4]，碳储量高于农业和森林生态系统[5]。湿地C 储量取决于其土壤和植被C 输入和分解的速率，其含量小幅度变化即有可能引起全球气候变化[6-7]。N 和P 是湿地植物生长的必需大量元素，影响着湿地生产力和生态净化功能[8]。近年来，大量使用化学肥料、燃烧化石燃料、排放生活污水等使得随着大气沉降和地表径流进入湿地生态系统的N、P 增多，引起水体富营养化和湿地生态服务功能下降[9]。研究湿地土壤和沉积物C、N、P 含量和化学计量特征以及沉积物污染状况，可深入认识湿地生态系统物质循环对人类活动与全球气候变化的响应结果。目前，对湿地土壤和沉积物C、N、P 分布状况、化学计量特征及污染状况研究较多[10-11]，且主要集中于对天然湖泊湿地[12]、盐沼湿地[13]、红树林湿地[14]、高寒湿地[15]、河流与水库[16]以及人工湿地[17]，对介于人工湿地和天然湿地之间的半人工湿地研究较少。半人工湿地连接着农田及田外水系，不仅是农田水体排放的初级汇合段，也是下游水体和物质的外输口，起着蓄水、节流、过滤、净化等多种功能。由于其特殊的水文和多样的植被生态特征，研究其C、N、P 含量也更为复杂和迫切。

陈桥湿地位于河南省新乡市封丘县陈桥镇境内黄河背河洼地滩涂地带，是国家级湿地鸟类自然保护区，南依黄河大堤，北面是基本农田。陈桥湿地内滩涂和水域面积较大，动植物种类丰富，对科学研究、生态旅游和生物多样性保护具有重要意义。近年来，陈桥湿地呈快速恢复态势，评估其养分含量是科学实施湿地恢复和管理的基础。为此，本研究分析了陈桥湿地水体区域沉积物和非水体(泥滩区)土壤有机质(organic matter，OM)，总氮(total nitrogen，TN)、总无机态氮(total inorganic nitrogen，TIN)、铵态氮(NH4+)、硝态氮(NO3-)、亚硝态氮(NO2-)和总磷(total phosphorus，TP)的含量及化学计量特征，并对沉积物污染水平进行评价，以期为陈桥湿地的生态功能和环境质量评价及保护管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄河北岸背洼地的陈桥湿地(34°53 ′13 ″～35°06 ′21N，114°13 ′53 ″～114°52 ′30 ″E)，南面距黄河河道约700 m，土壤为褐土，pH 整体呈碱性。气候四季分明，年均气温14.1 ℃，年均降雨量604 mm[18]，为典型温带大陆性季风气候；鸟类资源丰富，栖息着黑鹳(Ciconia nigra)、青头潜鸭(Aythya baeri)、苍鹭(Ardea cinerea)等多种濒危珍稀鸟类，是国家级鸟类自然保护区。湿地内主要植物有油菜(Brassica napus)、芦苇(Phragmites australis)、荷花(Nelumbo nucifera)、菖蒲(Acorus calamus)、异形莎草(Cyperus difformis)等。

1.2 样品采集

于2021 年10 月在非水体(泥滩区)区域选择代表性采样点10 个进行采样，记为L1～L10(图1)。用铁锹采集各采样点0～20 cm 土层土样，平行采集3 次且每次所取土量大致相同，去掉石块、杂物等，等量混合后按四分法保留1 000 g，带回实验室风干、研磨过筛备用。在水体区域选择6 个代表性采样点，记为W1～W6 (图1)，用底泥采样器采集各样点表层沉积物，平行采集3 次，混匀，放入塑料自封袋，带回实验室分成2 份，一份新鲜样品用于测定铵态氮(NH4+)、硝态氮(NO3-)和亚硝态氮(NO2-)含量；另一份风干去杂，研磨过0.15 mm 孔径土壤筛后保存备用。

图1 采样点分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of sample points

1.3 样品分析

土壤和沉积物的OM 含量采用重铬酸钾—外加热法测定；TN 含量采用凯氏定氮法测定；TP 含量采用碱熔—钼锑抗比色法测定；用2 mol/L KCl 溶液浸提样品后用流动分析仪测定NH4+、NO3-和NO2-含量，三者之和即为TIN 含量。

1.4 沉积物污染评价

水体沉积物污染常用的评价方法包括综合污染指数法和有机污染指数法[19]，综合污染指数法忽略了OM 指标，而有机物污染指数法未考虑P 的污染状况。考虑到近年来引起水体富营养化的因素为N、P 和OM 的增加[10]，为了较全面地评价陈桥湿地水体沉积物的污染状况，本研究结合综合污染指数法和有机污染指数法进行评价。

(1)综合污染指数法

以加拿大安略省环境和能源部发布指南中能引起沉积物最低级别生态风险效应的TN 和TP含量为参考(标准值分别为550 和600 mg/kg)，单项和综合污染指数计算公式为[20]：

式中：Si为单项评价指数或标准指数，当Si＞1 时表明含量超过评价标准；Ci为评价因子i实测值，mg/kg；Cs为评价因子i标准值，mg/kg；FF为综合污染指数；F为n项污染物的污染指数平均值，即TN 评价指数（STN）和TP 评价指数（STP）的平均值；Fmax为最大单项污染指数，即STN和STP的最大值。沉积物氮磷污染评价分级结果见表1。

表1 沉积物污染评价标准[20]Tab.1 Standard of pollution for sediments

(2) 有机污染指数评价

有机污染指数将TN 和TP 含量单项评价参数综合成1 个指数反应沉积物污染状况。根据以下公式和表1 对陈桥湿地水体沉积物有机污染状况进行评价：

式中：OI 为有机污染指数；OC 为有机碳含量，%；ON 为有机氮含量，%。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 进行基本数据处理；采用SPSS 21 进行数据统计与分析；采用Origin 2019 进行C、N、P 化学计量特征制图。

2 结果与分析

2.1 土壤和沉积物的氮、磷和有机质含量特征

陈桥湿地OM、TN 和TP 含量整体表现为沉积物大于土壤(表2)。沉积物OM 含量在(1.84±0.02)%～(13.88±1.98)%间，均值为(5.00±4.26)%，样点间差异较大；土壤OM 含量在(1.51±0.02)%～(2.43±0.05)%间，均值为(1.82±0.28)%，样点间差异较小。沉积物TN 含量均值为土壤TN 含量均值的4.05 倍，且样点间差异较大，最高的W3样点达到(4 940.24±1 258.11) mg/kg。沉积物TP含量均值为土壤TP 含量均值的1.17 倍，且样点间差异较小。沉积物OM 和TN 含量高且样点间差异大，可能是由于各样点水体环境均质性不高，水流速度、流量及水体中植物种类和数量均有较大差异，加之水体厌氧环境更有利于有机物积累；而沉积物和土壤各样点间的TP 含量差异较小，考虑研究区TP 含量受母质影响更大，受OM 和外源污染输入影响较小。

表2 陈桥湿地水体沉积物和非水体土壤的有机质和氮磷含量Tab.2 Contents of organic matters,nitrogen,and phosphorus in water sediment and non-water soil of Chenqiao wetland

由表2 还可知：陈桥湿地沉积物TIN 含量在(28.41±5.32)～(126.11±35.08) mg/kg 之间，均值为(61.35±38.97) mg/kg，其中NH4+含量占比最高(97.60%)，均值为(59.88±38.50) mg/kg，表明研究区水体可能存在较为强烈的反硝化作用；土壤TIN 含量均值为(17.10±4.33) mg/kg，远低于沉积物TIN 含量，同样以NH4+为主。分析其原因可能是两类样地TN 含量差异较大，再加上非水体区域充足的氧气会引起更多NH4+转化为NO3-随水淋溶。

2.2 水体沉积物污染评价

由表3 可知：陈桥湿地各样点水体沉积物均有一定程度污染，TN 单项污染值为1.20～8.98，平均为3.13，其中W3 和W5 样点TN 单项污染值分别为8.98 和4.38，达到重度污染程度，其余样点TN 单项污染值为轻度、中度污染，表明研究区大部分水体存在着沉积物内源氮素释放而引起水质恶化的可能。TP 单项污染值为1.03～1.43，平均为1.26，各样点均为中度污染。W3 和W5 样点FF 值较高，分别为7.33 和3.65，为重度污染；其他样点FF 值为轻度污染，这可能与各样点水文特征、生物多样性和外源污染进入量有关，需密切关注W3 和W5 样点。各样点OI 值为0.08～3.78，均存在不同程度污染，其中W3 和W5 样点OI 值较高，分别为3.78 和0.86，该指标受样点水生植物密度影响较大，水生植物密度高，会限制水流速度，增加沉积物含量，提高有机污染水平，总体而言，陈桥湿地较高的OI 值可能会引起水体溶氧量低，后期需加强管理。

表3 陈桥湿地水体沉积物污染评价Tab.3 Evaluation of sediment pollution in Chenqiao wetland

2.3 土壤和沉积物的C、N、P 化学计量特征

由图2 可知：陈桥湿地土壤C/N 值较高，平均值为25.31，会影响微生物活动，降低有机物分解速度；C/P 和N/P 值均较低，平均值分别为16.39 和0.66，可能是受母质和TP 含量较高的影响。沉积物C/N 值小于土壤，在12.67～27.92 之间，样点间差异较大；C/P 值在13.53～97.03 之间，N/P 值在0.83～5.95 之间，二者均值都高于土壤，是因为2 种类型样地TP 含量虽相差不大，但C、N 含量均以沉积物较高。

图2 陈桥湿地水体沉积物 (上)和非水体土壤(下)碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征Fig.2 Carbon (C),nitrogen (N) and phosphorus (P) stoichiometry in water sediment (above) and non-water soil (below) of Chenqiao wetland

2.4 土壤和沉积物中C、N、P 的相关性

由图3 可知：陈桥湿地沉积物中OM 含量与TN、NH4+、NO3-、TIN 含量均呈显著正相关(P＜0.05)；TN 含量与NH4+、NO3-、NO2-、TIN 含量均呈显著正相关(P＜0.05)；NH4+含量与NO3-、TIN、NO2-含量均呈显著正相关(P＜0.05)；TP 含量与其他指标均无显著相关性(P＞0.05)。陈桥湿地土壤OM 含量与TN、NO2-含量呈显著正相关(P＜0.05)，TN 含量与NO2-含量呈显著正相关(P＜0.05)，NH4+含量与TIN 含量呈显著正相关(P＜0.05)。

3 讨论

C、N、P 是重要的土壤生源要素，研究区水体沉积物养分含量远高于非水体土壤，与闫玉琴等[21]和杨羽等[22]的研究结果一致。沉积物TN 含量[(1 723.35±1 562.50) mg/kg]、TP 含量[(754.28±98.94) mg/kg]分别为土壤TN 含量[(425.79±101.83)mg/kg]、TP 含量[(646.85±38.12) mg/kg]的4.05 倍和1.17 倍，可能是由于水体不仅分布有挺水植物，还有大量藻类和沉水植物，凋落物多，增加了N、P 输入，加之水体厌氧环境不利于有机物矿化，养分释放少、积累多。陈桥湿地土壤OM含量在(1.51±0.02)%～(2.43±0.05)%之间，均值为(1.82±0.28)%，样点间差异较小，这与临汾湿地公园土壤[23]及黑河自然保护区湿地土壤[24]的OM水平相当。水体沉积物中的OM 来自动、植物残体沉积，矿质化过程中会释放较多的C、N、P等元素[19]，影响N、P 等营养元素在沉积物中的运移和转化，故陈桥湿地沉积物OM 平均值较高，为(5.00±4.26)%，且样点间差异较大，W3 和W5 样地较高，分别为(13.88±1.98)%和(6.43±0.22)%，远高于太湖竺山湾缓冲带湿地[25]和太湖湖滨湿地[26]的沉积物OM 含量，应考虑这些样点的植物配置和生态修复问题，防止其分解矿化可能带来的水体富营养化。陈桥湿地沉积物TIN 含量较高，均值为(61.35±38.97) mg/kg，以NH4+为主，占比为97.60%，意味着该区域反硝化作用较为强烈[27]。陈桥湿地沉积物NH4+含量均值为(59.88±38.50) mg/kg，远高于闽江河口湿地[28]和罗时江河口湿地[29]，这可能与样点盐度、pH 值、沉积物机械组成以及缺氧环境对硝化作用的限制有关[30]。陈桥湿地土壤TIN 含量均值为(17.10±4.33) mg/kg，为沉积物TIN 含量的27.87%，但二者NO2-和NO3-含量相差不大，TIN 含量的差异主要是由NH4+含量差异造成的，沉积物NH4+含量是土壤的3.78 倍，一方面可能是因为非水体区域植被对铵态氮的吸收较多，另一方面可能由于非水体区域氧气相对充足，部分铵态氮经硝化作用转化为硝态氮，并随水淋溶至深层。

研究区土壤OM 与TN 呈显著正相关，TP与OM、各氮素指标无显著相关性，说明研究区的土壤氮素主要来源于有机质分解，磷素来源于有机物分解的量较少。研究区沉积物TP 与OM、各氮素指标无显著相关性，但各氮素指标与OM大多两两呈正相关关系，其中OM 与TN、NH4+、NO3-、TIN 呈显著正相关。本研究中沉积物TP 含量可能更多受母质影响，受OM 及外源生活污水排放影响较小，而氮素受OM 影响较大，主要原因可能是由于水体沉积物主要来源于动植物、藻类和微生物的残体及分解产物，而氮是这些有机物的主要组成部分[31]。作为国家级鸟类自然保护区，水体高蛋白类有机物的分解可能会释放氮源进入水体，引起污染问题，破坏鸟类栖息环境[20]，在今后可以考虑及时收获水生植物，控制其残体分解引起的氮污染。

沉积物TN、TP 和OM 水平可反映湿地污染情况，陈桥湿地水体N、P 和OM 含量均超标，内源负荷严重；TN 和TP 含量受外源污染物输入影响，外源输入物质在各种水动力作用下发生沉降或再分配[32]。有研究表明：水生植物周期性的衰亡也会对上层水环境造成负面影响[33]。陈桥湿地水体分布有菖蒲、芦苇等大量挺水植物，TN 均值为(1 723.35 ±1 562.50) mg/kg，虽与拉鲁湿地[19]、梅溪湖湿地[34]等城市湿地水平相当，但STN为1.20～8.98，N 单项污染较严重，大部分样点为中度、重度污染，可能会对上层水体水质造成威胁，存在潜在内源氮素释放的风险，应受到重点关注。陈桥湿地各样点沉积物TP 均值为(754.28±98.94) mg/kg，高于已有研究结果[10,35-36]，STP为1.03～1.43，属中度污染。虽然陈桥湿地研究区水体分布有较多挺水植物，会降低沉积物中的TP含量[10]，但水体FF 分析表明W3 和W5 样点为重度污染，其他样点为轻度污染，这可能与不同样点的水流流量、流速、挺水植物数量和外源污染进入量有关。本研究表明：陈桥湿地OI 值为0.08～3.78，属轻度或重度污染水平，最大值是最小值的48.44 倍，这可能与样点的水草植物密度有一定关系。水草密度高的采样点，水流速度慢，沉积物多，根茎错综盘结，动、植物残体丰富，有机质积累较多，有机污染水平较高，而挺水植物和水草较少的采样点OI 值较小。总体而言，陈桥湿地较高的有机污染水平会引起底质溶氧量降低，限制营养物质的分解转化，今后应加强管理，控制水体内源营养负荷。

陈桥湿地土壤C/N 平均值为25.31，高于全国平均水平(11.94)[37]，这可能与研究区土壤环境偏碱性(pH 8.10)、干旱少雨及微生物活性受限有关。较高的C/N 值会导致微生物因氮素不足而活性受限，进一步降低枯落物分解速度，使C/N值持续加大。陈桥湿地土壤C/P 和N/P 平均值分别为16.39 和0.66，均低于全国湿地土壤水平(分别为61.0 和5.2)[37]，这可能是受母质影响，研究区TP 水平较高，从而使C/P 和N/P 值偏低。陈桥湿地沉积物C/N 平均值为18.08，与全国湿地C/N 值(18.22)相当；C/P 和N/P 值比全国湿地平均水平(分别为245.22 和13.60)低[38]。本研究的沉积物TP 水平虽不及拉鲁湿地[19]和吉林东部沼泽湿地[39]，但其C 和TN 含量与吉林东部沼泽湿地相比差距更大，所以C/P 和N/P 值较低，说明有机物矿化释放有效磷的潜力较大[40]。总体而言，研究区沉积物 C/N 值小于土壤，而N/P 和C/P 值则高于土壤，这是因为水体区域和泥滩区域相比虽富有C[2]，其TN含量也高于土壤，但TP 在两者之间差异较小。

4 结论

陈桥黄河湿地水体沉积物OM、TN、TP 和TIN 含量远高于非水体土壤，分别为土壤的2.75倍、4.05 倍、1.17 倍和3.19 倍。各样点沉积物氮单项污染水平较高，STN为1.20～8.98，大部分样点为中度、重度污染；磷单项污水平STP为1.03～1.43，属中度污染。各样点综合污染指数为轻度或重度污染，有机污染指数为0.08～3.78，也呈轻度或重度污染。沉积物OM 含量与TN、NH4+、NO3-、TIN 含量呈显著正相关，反映出有机质的分解释放对水体氮营养盐有较大影响，可能是造成严重氮污染的主要原因，今后应加强管理，关注其内源释放风险。