《武汉工程大学学报》  2014年12期 27-33   出版日期：2014-12-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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红枫湖流域消落带及其沉积物营养盐含量的分布特征


０ 引 言红枫湖水库地处贵州中部乌江主要支流猫跳河的上游，在东经１０６°１９′～１０６°２８′和北纬２６°２６′～２６°３６′之间，蓄水面积５７．２ ｋｍ２［１～３］. 建库５０年来，在库区两岸形成特殊的生态环境区域（消落带），它具有显著的环境因子、生态过程和植物群落梯度，能有效的缓冲和过滤水土流失、养分循环和非点源污染，是生态环境较为脆弱的敏感地带. 长期以来，消落带土壤受水位重力侵蚀、水浪冲击及降雨冲刷胁迫作用，对土壤中营养元素分布产生重要的影响［４～６］. 土壤是植被生存的基础，营养盐是土壤性质的重要组成部分，通过其含量综合分析对保障水库安全具有重要作用［７～８］. 本研究以红枫湖水库消落带及沉积物为研究对象，研究了营养元素含量的空间分布规律，并通过相关分析方法着重探讨了消落带土壤营养盐的内在相关关系，旨在为红枫湖沿岸植被恢复和生态环境治理改善提供科学依据. 图１ 红枫湖水库采样点示意图Ｆｉｇ．１ Ｍａｐ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｔｅｓ ｉｎ Ｈｏｎｇｆｅｎｇ Ｒｅｓｅｒｖｉｏｒ图２ 红枫湖库区消落带点样带剖面简图Ｆｉｇ． ２ Ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｌｅｖｅｌ－ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ ｏｆ ｈｏｎｇｆｅｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ１ 实验部分１．１ 样品采集２０１１年５月，正值红枫湖枯水期，水体受气候影响较小. 沉积带的采样布点为沿北湖至南湖湖心的Ｌ１～Ｌ１０，每个点位取表层５ ｃｍ有以下样品１个，如图１所示，图中阴影区代表岛屿. 消落带和对照带分别以北湖至南湖沿岸１０个布点Ｓ１～Ｓ１０沿高程取样，如图１，２所示. 消落带采样的3个高程区为１ ２３６～１ ２３８ ｍ、１ ２３８～１ ２４０ ｍ、１ ２４０～１ ２４２ ｍ，共计采集表层土样３０个. 对照带采样高程为１２４４ ｍ，共采集表层土样１０个. 为研究消落带营养盐的垂直分布，随机选取Ｓ７和Ｓ１０为代表样点，垂直５ ｃｍ取样一次，每个取样点取３个样品（表层样除外），共计２４个样品. 土壤及沉积物在实验室环境下自然风干、研磨，过孔径100 mm筛备用. １．２ 样品分析方法总氮：半微量凯氏定氮法（ＧＢ ７１７３?蛳１９８７）；总磷：硫酸－高氯酸酸溶－钼锑抗比色法（ＧＢ ７８５２?蛳１９８７）；有机质：重铬酸钾酸氧化－外加热法（ＧＢ ７８５７?蛳１９８７）；土壤ｐＨ：电位法（ＧＢ ７８５９?蛳１９８７）. １．３ 数据分析 采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ工作表作图和ＳＰＳＳ１８．０软件进行数据统计. ２ 结果与分析２．１ 红枫湖水库消落带及沉积物营养盐含量特征红枫湖水库消落带、对照带及沉积带营养盐含量如表１所示. 表 1 不同采样带营养盐含量统计表Table 1 The statistics of nutrition salt contents in the three different sampled zone从表１可知，库区不同采样带土壤的ＴＮ、ＴＰ和ＯＭ的含量总体变化趋势均呈现沉积带＞对照带＞消落带，表明这３种水体污染物经过长期的反季节淹水、淘蚀使营养盐得到释放，并由消落带迁移至沉积带，并沉积于水库底沉中，可见库区沉积物是一个庞大的贮存库. 底泥记录着湖（库）区环境变化的丰富信息，营养盐含量是湖泊（水库）富营养化过程的标志［９－１１］. 对照带土壤营养盐含量＞消落带土壤营养盐含量，主要是由于农业生产大量施用化肥有关. ２．２ 消落带营养盐分布特征分析２．２．１ 消落带营养盐空间分布特征 消落带营养盐均值含量随着海拔梯度的升高，大致呈现递增的趋势. 可见人为干扰将会增加对照带的总氮、总磷和有机质的含量. 同时，红枫湖水库消落带由于长期的反季节淹水、水浪的淘蚀，消落带内土壤营养盐释放到水中，随着水淹时间的延长，营养盐含量具有明显降低. 不同点位，总氮、总磷和有机质含量空间分布如图３（ａ）（ｂ）（ｃ）所示. 由图可知，各布点在消落带的营养盐含量随海拔梯度大致呈现正相关趋势，个别点除外. Ｓ７点消落带１ ２３８～１ ２４０ ｍ总氮、总磷及有机质均明显偏高，可能原因是此段区域草坪覆盖度达到９０％，而对照带为杂草地覆盖度仅为５０％，无人为营养盐的输入. 同时，由图３（ｃ）还可以看出，Ｓ１～Ｓ４有机质含量总体低于Ｓ５～Ｓ１０，表明南湖消落带有机质含量要高于北湖，原因在于南湖多为农业耕作区，农户为增加土壤肥力，提高作物亩产，大量增施有机肥料. 北湖周边土地多为林地，人为活动干预少，土壤中的有机质主要来源于枯枝落叶的腐败.2.2.２ 消落带营养盐垂直分布特征 选取土壤Ｓ７和Ｓ１０进行分层采样，不同海拔、不同层深总氮、总磷和有机质含量变化如图４所示. 总体来看，红枫湖水库消落带总氮、总磷和有机质含量在垂直方向上具有大致相似的规律，均为随着深度的增加呈现递减趋势，表层有着明显的富集现象，这主要与表层受人类活动影响有关. （１）总氮：两个采样点不同海拔梯度下，土壤总氮含量都随土壤深度加深呈降低趋势. 地表土壤有机质最多，垂直深度越大，土壤中有机质含量越少，通过分解有机物产生的氮素就越低. 另外，表层土壤中氧气较为充足，固氮菌较为活跃，通过硝化作用能有效的固定氮素. 随着土壤深度增加，氧气含量越低，厌氧菌通过反硝化作用将氮素还原为氮气. （２）总磷：两个采样点不同海拔梯度下，土壤总磷含量都随土壤深度加深而呈降低的趋势，土壤中的磷素向下垂直迁移的过程中，土壤中的粘土矿物、铁铝氧化物、碳酸钙等矿物颗粒对磷酸根的专属性吸附使得磷素被固定下来，其中尤其是铁铝氧化物的吸附作用最为强烈［１２］，离基岩越近的土壤，得不到基岩风化补充磷素，导致总磷含量自土壤表层随深度衰减. Ｓ１０随着深度的下降趋势没有Ｓ７明显，原因可能是土壤中总磷含量的变化主要与成土母质有关，Ｓ７点靠近菜园地，菜园地由于磷肥的使用，导致了其一带土壤中磷素的积累，且随深度的加深变化趋势大；而Ｓ１０点为受人类生产活动干扰影响轻微的灌丛地，土壤层之间的扰动不明显，且不受磷肥的影响，所以Ｓ１０随深度的下降趋势不大. （３） 有机质：两个采样点不同海拔梯度下，土壤有机质含量都随土壤深度加深而呈降低的趋势，表层有着明显的富集现象，究其原因可能是植被地上部分大量的掉落物及根系在表土多年积累，加上无人为扰动，因而易于表土有机质富集.图３ 消落带不同海拔梯度总氮、总磷和有机质含量分布Ｆｉｇ． ３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｌｏｎｇ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ图４ 消落带Ｓ７和Ｓ１０点不同海拔梯度总氮、总磷和有机质含量垂直分布Ｆｉｇ．４ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｌｏｎｇ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ Ｓ７ ａｎｄ Ｓ１０ ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ－ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ２．２．３ 消落带土壤营养盐相关性分析（1） 消落带土壤ｐＨ与营养盐相关性分析ｐＨ是反映土壤肥力的重要指标，影响矿物质风化、盐基淋溶、养分形态转化等一系列过程，直接决定着植物生长的有效元素形态，它还制约着微生物的群落数量、构成及活性［１３］. 土壤酸碱度根据ｐＨ大小分为强酸性土（ｐＨ＜４．５）、酸性土（ｐＨ５．０～６．５）、中性土（ｐＨ６．５～７．５）、碱性土（ｐＨ７．５～８．５）、强碱性土（ｐＨ＞８．５）. 消落带土壤ｐＨ值变幅大，从强酸（ＰＨ＜４．５）至微碱性（ｐＨ７．５～８．５）土壤均存在，平均ｐＨ为６．７３. ｐＨ值之所以差异很大，可能主要是由于土地利用模式，如工作制度、种植模式等外界因素干扰的影响. 表２是通过ＳＰＳＳ分析ｐＨ与消落带表层土壤总氮、总磷和有机质之间的相关性，从表２中可以看出：ｐＨ与消落带表层土壤总氮、总磷和有机质呈正相关关系，且均不显著，说明总氮、总磷和有机质含量变化很大程度上受到其他因素的影响. 表2 土壤pH (x)与土壤营养盐含量(y)相关性回归方程Table 2 Correlation regression equation between pH and nutrition salt contents in soil（２） 消落带土壤有机质与总氮、总磷相关性分析土壤氮素主要存在于土壤有机质中，而表层土壤高达８０％～９７％，因此，土壤有机质累积和分解的速度直接决定总氮大小［１４］. 由图５（ａ）可知，消落带土壤有机质含量与总氮含量呈线性相关，结果表明，消落带土壤中有机质含量与总氮质量含量呈现极显著相关性（相关系数为０．７５９，Ｐ＜０．０１）. 由图５（ｂ）可知，消落带土壤有机质含量与总磷质量含量也呈线性相关，结果表明，消落带土壤中有机质含量与总磷含量呈现极显著相关性（相关系数为０．５６５，Ｐ＜０．０１）. 因此土壤中有机质含量的升高会增加氮磷营养元素的累积.图５ 消落带表层土壤有机质与总氮、总磷回归分析结果Ｆｉｇ．５ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ－ｌｅｖｅｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ２．３ 库区表层沉积物营养盐含量空间分布特征 库区１０个点位，Ｌ１～Ｌ４位于南湖，Ｌ５～Ｌ１０位于北湖. 库区沉积物总氮、总磷和有机质含量的空间分布如图６所示. 在库区表层沉积物样品中，其总氮含量均在１ １５９．７９～４ １４４．７７ ｍｇ／ｋｇ之间，最大值出现在Ｌ５点处，最小值出现在Ｌ８，最大值与最小值相差约４倍，平均为３ １６５．５４ ｍｇ／ｋｇ. 总氮质量含量总体趋势为北湖高于南湖，这主要是北湖Ｌ１点上游贵州化肥厂、贵州铁合金厂的工业废水、家属区生活污水排入北湖，造成北湖一带沉积物总氮高于南湖，使北湖呈现出氮素污染特征. 总磷质量含量在８７０．２９～２ ３６４．８１ ｍｇ／ｋｇ之间，且总体趋势为南湖高于北湖，最大值出现在Ｌ１０点处，最小值出现在Ｌ２，最大值与最小值相差约３倍，平均为１ ５９４．７２ ｍｇ／ｋｇ. Ｌ１０点位于羊昌河、麻线河和后六河三条河流进入红枫湖的交汇处，羊昌河污染最严重，因其上游有一重要点源污染源－贵州天峰化工有限责任公司，每年入库总磷量高达１８８ 吨／年［１５］. 同时三条河流（主要是羊昌河）将平坝县城富含营养盐的生活污水及雨水对原天峰化工有限公司磷矿石堆积区淋溶污水带入湖库，造成Ｌ１０点总磷含量显著高于其它点，形成南湖总磷较高的污染特征，这与梁小洁等人对红枫湖水源污染源主要营养元素及污染物调查结果相一致［１６］. 沉积物中有机质来源于动植物残体、浮游生物、微生物及水循环携带的其他有机物等的沉积，对氮、磷等营养元素的迁移及转化行为发挥着重要作用. 有机质矿化释放大量的碳、氮、磷等营养盐，造成水生植物疯长，使水体呈现缺氧状态，导致水质恶化，即为水体富营养化. 红枫湖水库库区沉积物中有机质质量分数在５．１８％～１４．１７％之间，且总体趋势为北湖高于南湖，最大值出现在Ｌ１，最小值出现在Ｌ９，最大值与最小值相差约３倍，平均９．５２％. Ｌ１点最高，可能是因为沉积物中的氮主要以有机氮的形态存在为主. Ｌ９最低，主要是因为输入的磷大部分可能以无机磷的结合形态存在于沉积物中，而有机磷的结合形态很低，所以有机质含量最低. 图 ６ 库区表层沉积物总氮、总磷和有机质含量的空间分布Ｆｉｇ．６ Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｉｎ ｌａｋｅ３ 结 语a. 红枫湖水库流域土壤、沉积物中ＴＮ、ＴＰ和ＯＭ的含量总体变化趋势为库区沉积物＞对照带土壤＞消落带土壤. b. 消落带土壤营养盐均值含量随着海拔梯度的升高，呈现递增的趋势，总氮质量含量在１ ６２６．９５～２ ９２６．１３ ｍｇ／ｋｇ之间，总磷质量含量在５４８．７９～７１４．０６ ｍｇ／ｋｇ之间，有机质质量含量在４．１０～６．７９ ｍｇ／ｋｇ之间. 流域土壤营养盐垂直分布规律：流域土壤中总氮、总磷和有机质含量在垂直方向上具有大致相似的规律，均为随着深度的增加呈现递减趋势，表层有着明显的富集现象，这主要与表层土壤受人类生产活动干扰影响较大有关. c. ｐＨ与消落带表层土壤总氮、总磷和有机质呈正相关关系，且均不显著，说明总氮、总磷和有机质含量变化很大程度上受到其他因素的影响. 消落带土壤中有机质含量与总氮含量呈现极显著正相关性（相关系数为０．７５９，Ｐ＜０．０１），有机质含量与总磷质量含量呈现极显著正相关性（相关系数为０．５６５，Ｐ＜０．０１），说明土壤中有机质含量的升高会增加氮磷营养元素的累积. d. 库区表层沉积物样品中，总氮含量总体趋势为北湖高于南湖，质量含量在１ １５９．７９～４ １４４．７７ ｍｇ/ｋｇ之间. 总磷质量含量总体趋势为南湖高于北湖，质量含量在８７０．２９～２ ３６４．８１ ｍｇ／ｋｇ之间. 有机质含量总体趋势为北湖高于南湖，质量分数在５．１８%～１４．１７％. 致 谢感谢贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室水土污染控制与生态修复课题组全体成员的支持与帮助！