北固山湿地土壤氮磷的空间分布特征.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除北固山湿地土壤氮磷的空间分布特征赵如金，李潜，吴春笃，储金宇，缪红云江苏大学环境学院，江苏 镇江 212013摘要：镇江北固山湿地是一以芦苇（Phragmites australis）和虉草（Phalaris arundinacea L.）为优势植物的滨江湿地，土壤中氮磷空间分布对了解湿地水体的富营养化具有重要意义。在北固山湿地的典型区域内布点采样，对土壤中氮磷进行分析，研究了湿地土壤氮磷水平变异性及氮磷在不同植被区土壤中的空间分布规律。结果表明：北固山湿地全氮主要分布在060 cm土壤层，表层土壤中全磷质量分数显著高于下层土壤。土壤各层次全磷的水平变异性普遍高于全氮，尤其在2040 cm土壤层全磷的变异系数达到52.34%，说明氮素在各层次分布相对均匀。植被类型对土壤中氮磷的空间分布有较大影响，虉草区各土壤层全氮、全磷质量分数均高于芦苇区，其020 cm和2040 cm土壤层全磷质量分数亦高于空地。受污水排放、内江水冲洗等作用，污染空地及三个排污口全氮、全磷质量分数分别呈现不同的空间变化规律。研究结果为湿地生态恢复和生态清淤提供参考。关键词：北固山湿地；全氮；全磷；空间分布中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）01-0273-05此文档仅供学习与交流湿地生态系统是人类重要的自然资源，被称为“自然之肾”，在调节气候、净化水质、保护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1,2。湿地在地球上广布于各气候带从赤道到极地均有分布3。目前随着大量氮磷等营养盐和生物残体的排入，大多数湿地遭受不同程度的破坏，水体受到污染，生物多样性降低4。湿地水体中的污染物易转移到土壤中去，而受污染的土壤对氮磷等营养盐和其他污染物的富集作用更加明显。当土壤层氧化还原环境发生变化时，土壤中的营养物质和污染物质会重新释放进入水体，成为水体富营养化的主要营养源5。作为湿地生态系统的主要环境要素之一，土壤是湿地中营养物质的重要蓄积库，在沉淀和释放污染物方面起着重要作用，是形成湿地富营养化的关键因素之一。土壤中氮磷分布特征已被证实与内源负荷有直接关系。研究北固山湿地氮磷等营养盐空间分布不仅能从理论上阐明内江内源问题，对于了解北固山湿地水体的富营养化也具有重要意义。关于湿地土壤中氮磷空间分布特征，国内外学者进行了相关研究。张斌亮等6通过2月枯季和8月洪季样品的采集、分析，对滨岸带潮滩沉积物中NH4+-N和NO3-N等营养盐的分布、迁移和扩散通量进行了初步研究，得出营养盐的空间分布规律，并分析了影响空间分布特征的因素；彭佩钦等7以洞庭湖3类典型湿地的8个土壤剖面为代表，研究了氮磷等在湖草洲滩地、垦殖水田等土壤中的空间分布特征；Grunwald S等8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，并验证变异性与多样的生物地球化学土壤特征之间的关系；目前对北固山湿地土壤营养盐空间分布的研究仅限于金属元素9，对以芦苇（Phragmites australis）和虉草（Phalaris arundinacea Linn）为优势植物的湿地土壤氮磷空间分布规律及其与周围环境之间关系等方面的研究还未见报道。本文研究了北固山湿地土壤中氮磷的空间分布特征，分析了其潜在的环境影响，为该区域的生态恢复和生态清淤提供参考。 1 材料与方法1.1 研究区概况北固山湿地为一天然滨江湿地，位于长江中下游平原的镇江北固山脚下，属于东部季风湿润区，湿地植物以芦苇和虉草为主。受长江水位影响，最大水位出现在每年的59月；14月处于枯水期，湿地露出水面；1012月为平水期。1.2 样品采集在北固山湿地选择的典型区域内随机布点，以每份多小区、多点混合的方法随机采集土壤样品，并按020 cm，2040 cm，4060 cm，6080 cm，80100 cm，100120 cm等6个层次进行采集。表层土壤样品采集：采用蚌式抓斗采样器，用塑料勺挖取芯部样品，在广口瓶中封存，运回实验室后进行测定，采样深度在020 cm内。柱状样品采集：使用自行设计的开启式柱状采样器，从地表向下取0120 cm共6个层次的土样。1.3 样品分析土壤全氮质量分数测定采用半微量开氏法；全磷质量分数采用氢氧化钠碱融-钼锑抗比色法。2 结果与分析2.1 湿地土壤氮磷水平分布表1 北固山湿地土壤氮磷水平变异性Table 1 The horizontal variability of nitrogen and phosphorus in the soil of Mount Beigu wetland项目土层/cmw范围/(mgkg-1)w平均值/(mgkg-1)标准差/(mgkg-1)变异系数/%TP020791.252010.761420.12450.0431.692040472.081862.981072.59561.3952.344060363.16864.82673.13170.7725.376080470.58838.10642.08120.3918.7580100370.89803.72646.09151.4423.44100120338.16987.85652.32210.7632.31TN020216.08479.83406.1597.9224.112040482.97805.16598.80118.4319.784060378.15628.87483.1490.4318.726080185.23464.97382.26102.9426.9380100314.16440.68362.1844.8312.38100120298.62393.25345.0733.189.62测定结果（表1）表明，北固山湿地土壤中的全氮主要分布在060 cm层。天然湿地土壤中的氮素主要来源于动植物残体和生物固氮，也有少量来源于降水。大气天然库是其最终来源，但大气中的氮素必须通过湿地土壤中固氮细菌和蓝绿藻的活动才能进入生物体，所以氮素主要分布于生物活动区，尤其是植物根系分布区。北固山湿地芦苇根系主要分布在060 cm，虉草根系主要分布于040 cm，造成全氮集中于060 cm土壤层。而自然土壤中的磷素主要来源于成土母质和动植物残体归还，湿地土壤全磷含量较高，这与土壤发育过程和含磷废水的流经有关。此外，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，再加上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。土壤各层次全磷的水平变异性除6080 cm层外均高于全氮，尤其是在2040 cm，达到了52.34%，这可能与磷素淋失及含磷污水流经部分区域有关。氮素在各层次的变异性较弱，最高只有26.93%，表明氮素在各层次分布相对均匀。2.2 氮磷在不同植被区土壤中的空间分布图1 湿地不同区域土壤全氮的分布规律Fig. 1 The distribution law of TN in the soil of different area of wetland图1显示了北固山湿地四个典型区域土壤全氮的空间分布规律。其中，虉草区和芦苇区全氮质量分数的消长趋势大体相同，但虉草区各层的全氮质量分数高于芦苇区，这主要是湿地对氮素的持留作用所致。虉草区和芦苇区对氮素的持留机制主要包括沉积作用和植物吸收作用。氮的沉积作用在北固山湿地中是非常重要的，主要是由于死亡的浮游生物及大型植物残体沉积的结果。此外在生长季节，湿地植物和附生藻类会吸收土壤和水中的氮素，经过一定时期后，其残体与吸收的氮素会一起沉降到土壤中，所以植物吸收对氮素也是一种持留机制。但不同植被类型对土壤氮素的吸收持留能力不同，芦苇作为湿地大型植物对湿地脱氮作用比虉草更显著。芦苇的生产力比虉草更大且其凋落物较难分解，所以可给脱氮细菌提供更多的有机质促进湿地脱氮作用的进行。Romero等10发现在以芦苇为优势种的恢复湿地中，芦苇对输入的无机氮吸收量高达66%100%。Kang等11也曾报道了在湿地生态系统中，芦苇对氮具有较强的吸收能力。因此芦苇区土壤全氮的质量分数低于虉草区。图中污染空地曾是污水流经区域，其土壤中全氮空间分布与空地(未污染)相比，质量分数消长趋势大体相同，只有表层土壤高于空地，可归结为含氮污水对表层土壤的影响。北固山湿地不同区域土壤全磷的空间分布规律如图2所示。除空地外，其他三个区域的表层土壤全磷质量分数均高于下层土壤，尤其是污染空地表层土壤全磷质量分数高达2011.32 mgkg-1，这些高值区的土壤磷素有向水体流失的风险，并有可能成为内江磷素污染的重点控制区。因为虉草区和芦苇区的植物根系对氧的传递释放，其周围的微环境中依次出现好氧、缺氧和厌氧状态，使水和土壤中的磷能被植物及微生物吸收；同时植物、微生物对土壤中的磷还有过量积累作用。虉草区由于植物及微生物的吸收作用小于累积作用，加上虉草凋落物易分解，导致在020 cm和2040 cm土壤层虉草区全磷质量分数高于芦苇区和空地。而芦苇区芦苇生产力大，其与微生物对磷的吸收作用大于积累作用，且芦苇凋落物难分解，导致该区除表层土壤外全磷质量分数均低于虉草区和空地。而污染空地020 cm和2040 cm土壤层的全磷质量分数显著高于其他层和区域，主要受大东沟和江滨泵站溢流口污水排放的影响。图2 湿地不同区域全磷的分布规律Fig. 2 The distribution law of TP in the soil of different area of wetland图4 排污口土壤全磷空间分布Fig. 4 The spatial distribution law of TP in the soil of wastewater outfalls湿地植被不仅能吸收同化污水中氮磷等污染物，同时还能提高整个湿地生态系统微生物数量，调整其组成结构12-16。以上分析表明，植被对调整湿地氮磷的空间分布有一定的作用，因此选择适当的湿地植物对改善湿地氮磷空间分布、控制水体污染和富营养化具有重要的意义。2.3 排污口土壤氮磷空间分布北固山湿地有三个主要的排污口，污水排放对排污口土壤中氮磷的空间分布有较大影响。当污水流经湿地时，土壤通过吸附、离子交换及络合反应等途径净化除去污水中的氮磷。其中，NH4+和有机氮易被土壤颗粒所吸附，部分有机氮又会靠湿地系统中微生物的矿化作用转化为NH4+，在碱性土壤中NH4+易转化为气态的NH3而挥发；可溶性的无机磷化物很容易与土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等发生吸附和沉淀反应，而磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到Fe3+和Al3+的表面。排污口全氮、全磷的空间分布如图3和图4所示。受污水排放影响，大东沟排污口表层土壤全氮、全磷质量分数均最高，随着深度增加，质量分数逐渐降低。由此可见，土壤对氮磷的吸附主要发生在表层，随深度增加，吸附能力下降，这是由于表层土壤处于好氧状态，铁、铝呈非定性的氧化态形式，吸附能力强。交通公司排污口土壤全氮、全磷质量分数的最高值并没有出现在表层土壤中，而在6080 cm处，该层以上随深度增加而升高，该层以下则降低，这可能与排污口表层土壤长期受内江水的冲洗作用，导致氮磷淋失或与地质沉积作用有关。而江滨泵站溢流口过去曾是污水排放经过之地，近几年受雨水及内江水的冲洗淋溶，导致该处全氮、全磷质量分数的最大值出现在2040 cm处，而表层土壤氮磷质量分数并不高。 图3 排污口土壤全氮空间分布Fig. 3 The spatial distribution law of TN in the soil of wastewater outfalls研究表明，氮磷在三个排污口、污染空地及虉草区均有不同程度的富集。在适宜的条件下，土壤中富集的氮磷会随地表径流和渗漏流失，而污染内江水和地下水，是一个潜在的威胁。因此，可以考虑湿地植物定期收割及湿地部分区域生态清淤。3 结论北固山湿地土壤中全氮主要分布在060 cm土壤层，表层土壤中全磷质量分数显著高于下层土壤。土壤各层次全磷的水平变异性除6080 cm层外均高于全氮，尤其是在2040 cm层，变异系数达52.34%。氮素在各层次的水平变异性较弱，说明氮素在各层次分布相对均匀。虉草区和芦苇区的全氮质量分数消长趋势大体相同，但虉草区各层的全氮质量分数普遍高于芦苇区，反映了不同植被类型对土壤氮素的持留影响不同。芦苇区、虉草区和污染空地表层土壤的全磷质量分数均高于下层土壤，尤其是污染空地表层土壤全磷质量分数达2011.32 mgkg-1，可能成为内江磷素污染的重点控制区。虉草区各土壤层全磷质量分数均高于芦苇区。大东沟排污口表层土壤全氮、全磷质量分数均最高，随着深度增加而降低。交通公司排污口和江滨泵站溢流口土壤全氮、全磷质量分数的最高值分别在6080 cm和2040 cm处。湿地土壤富集的氮磷对内江及地下水体是一个潜在的威胁，可以考虑湿地植物定期收割及湿地部分区域生态清淤。参考文献：1 Beverly S, Rebecca R, Daniel P. Elemental composition of Native Wetland Plants in constructed mesocosm Treatment WetlandsJ. Bioresource Technology, 2005, 96(8): 937-948.2 Ehrenfeld J G. Evaluating wetlands within an urban contextJ. Ecological Economics, 2000, 15(3): 253-265.3 Jurmu M C. A morphological comparison of narrow, low-gradient streams traversing wetland environments to alluvial streamsJ. Environmental Management, 2002, 30(6): 831-852.4 田应兵, 熊明标, 宋光煜. 若尔盖高原湿地土壤的恢复演替及其水分与养分变化J. 生态学杂志, 2005, 24(1): 21-25.Tian Yingbing, Xiong Mingbiao, Song Guangyu. Restoration succession of wetland soils and their changes of water and nutrient in Ruoergai PlateauJ. Chinese Journal of Ecology, 2005, 24(1): 21-25. 5 白军红, 欧阳华, 邓伟, 等. 湿地氮素传输过程研究进展J. 生态学报, 2005, 25(2): 326-331.Bai Junhong, Ou Yanghua, Deng Wei, et al. A review on nitrogen transmission processes in natural wetlandJ. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(2): 326-331.6 张斌亮, 刘云翔, 刘敏. 潮滩沉积物-水界面营养盐N、P分布及交换特征J. 上海环境科学, 2003, 22(10): 677-681.Zhang Binliang, Liu Yunxiang, Liu Min. Distribution and exchanging characteristics of porewater nutrients in tidal sediments-water interfaceJ. Shanghai Environmental Science, 2003, 22(10): 677-681.7 彭佩钦, 张文菊, 童成立, 等. 洞庭湖湿地土壤碳、氮、磷及其与土壤物理性状的关系J. 应用生态学报, 2005, 16(10): 1872-1878.Peng Peiqin, Zhang Wenju, Tong Chengli, et al. Soil C, N and P contents and their relationships with soil physical properties in wetlands of Dongting Lake floodplainJ. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(10): 1872-1878.8 Grunwald S, Reddy K R, Prenger J.P, et al. Modeling of the spatial variability of biogeochemical soil properties in a freshwater ecosystemJ. Ecological Modelling, 2007, 201(3): 521-535.9 吴沿友, 郝建朝, 李萍萍, 等. 北固山湿地土壤金属元素空间分布与变化J. 江苏大学学报(自然科学版), 2005, 26(4): 340-344.Wu Yanyou, Hao Jianchao, Li Pingping, et al. Spatial distribution and change of metal elements in soil in Mount Beigu wetlandJ. Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition), 2005, 26(4): 340-344.10 Romero J A, Comin F A, Garcia C. Restored wetlands as filters to remove nitrogenJ. Chemosphere, 1999, 39(2): 323-332.11 Kang S, Kang H, Ko D, et al. Nitrogen removal from a reverie wetland: a field survey and simulation study of Phragmites japonicaJ. Ecological Engineering, 2002, 18: 467-475.12 成水平, 吴振斌, 况琪军. 人工湿地植物研究J. 湖泊科学, 2002, 14(2): 179-184.Cheng Shuiping, Wu Zhenbin, Kuang Qijun. Macrophytes in artificial wetlandJ. Journal of Lake Sciences, 2002, 14(2): 179-184.13 种云霄, 胡洪营, 钱易. 大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展J. 环境污染治理技术与设备, 2003, 4(2): 36-40.Zhong Yunxiao, Hu Hongying, Qian Yi. Advances in utilization of macrophytes in water pollution controlJ. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2003, 4(2): 36-40.14 Gopal B. Natural and constructed wetlands for wastewater treatment: potential and problemsJ. Water Science and Technology, 1999, 40(3): 27-35.15 Huang J, Reneau J R B, Hagedorn C. Nitrogen removal in constructed wetlands employed to treat domestic wastewaterJ. Water Research, 2000, 34(9): 2582-2588.16 Nairn R W, Mitsch W J. Phosphorus removal in created wetland ponds receiving river overflowJ. Ecological Engineering, 2000, 14: 107-126.Spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorusin the soil of Mount Beigu wetlandZhao Rujin, Li Qian, Wu Chundu, Chu Jinyu, Miao HongyunSchool of Environment, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, ChinaAbstract: The Mount Beigu wetland is nearby Yangtze River, in which the dominant plants are Phragmites australis and Phalaris arundinacea Linn. The spatial distribution of nitrogen and phosphorus in the soil of Mount Beigu wetland is important to know the eutrophication of water body. Nitrogen and phosphorus contents were measured using the samples collected from the soil of Mount Beigu wetland. The horizontal variability and spatial distribution in the soil of different area of wetland about the total nitrogen (TN) and the total phosphorus (TP) were researched. The results showed that TN mainly concentrated