不同类型岩溶湿地表层沉积物碳氮磷生态化学计量学特征时空分布

张紫霞, 刘 鹏, 王 妍, 刘云根,2, 张 超

(1.西南林业大学 生态与环境学院, 昆明 650224; 2.云南省山地农村生态环境演变与污染控制重点实验室, 昆明 650224; 3.西南林业大学 林学院, 昆明 650224)

沉积物是湿地生态系统中重要的环境要素之一[1-2]，也是水中营养物质的储存库，碳、氮和磷元素是湿地沉积物中重要的营养组分，对提高湿地生态系统的生产力，维持湿地生态系统的功能具有重要作用[3]，研究碳氮磷营养物质在湿地沉积物中的分布特征，是了解湿地生态系统环境生态净化功能的重要基础。生态化学计量学结合了生态学和化学计量学的基本原理[4]，主要研究生态系统中相互作用的能量和多重元素(特别是碳、氮和磷元素)的平衡问题[5]，它是分析多重化学元素的质量平衡及其对生态交互作用影响的一种理论[6]。一般来说，沉积物具有相对稳定的生态化学计量比[7-9]，但是会受到土壤理化性质、水文过程、植物群落类型和环境变化等多种因素的影响[10-12]。因此，研究湿地沉积物碳、氮和磷的平衡关系，对于认识湿地生态系统碳汇潜力和生态系统对环境变化的响应具有重要意义[13-14]。沉积物生态化学计量学是预测养分限制性和有机质分解速率的重要指标[15]，对于认识碳、氮和磷元素的循环和平衡机制具有重要意义[16]。目前，生态化学计量学的研究主要是在水生和陆地生态系统方面[17-19]，沉积物作为湿地生态系统的重要组成部分，其元素生态化学计量学的研究对揭示养分的可获得性以及碳、氮、磷等元素的循环和平衡机制具有重要意义，但鲜有相关研究成果[20]，同时岩溶湿地是一类地质条件较为特殊的湿地类型，与其他区域的湿地相比，研究基础也相对比较薄弱。因此鉴于岩溶湿地形成与发育过程的特殊性，开展岩溶湿地沉积物碳、氮、磷的生态化学计量学研究有助于促进薄弱研究领域研究，本研究以普者黑岩溶流域为研究区，以流域内4种不同类型湿地的表层沉积物为研究对象，探析不同水期4种类型湿地表层沉积物中有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)的空间分布及生态化学计量学特征，以期为普者黑岩溶湿地的生态环境保护及治理提供一定的理论参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

普者黑岩溶流域位于丘北县境内(103°55′—104°13′E，24°05′—24°12′N)，距县城约11 km，是中国西南地区最大的岩溶流域，流域面积为388 km2，属珠江流域西江水系，地处珠江源头和长江、红河上游，流域内分布有54个湖泊、312座孤峰、83个溶洞、15条河流和120 km的地下暗河，是由湖泊、孤峰、峰林等构成的岩溶湿地复合生态系统，既是滇东南水域面积最大的岩溶流域，亦是当地重要饮用水源地。

研究区地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带，位于普者黑岩溶盆地，地貌景观为国内罕见的高原喀斯特峰林、峰丛、湖群组合，地形平坦，海拔1 446～1 462 m。普者黑岩溶湿地中的水主要来源于摆龙湖和落水洞的岩溶地下水，其下游进入清水江后流入南盘江，最终汇入珠江。该区属南亚热带高原季风气候，多年平均气温16.4℃，多年平均降雨量1 206.8 mm。据调查，流域内湿地类型主要包括沼泽湿地、库塘湿地、河流湿地和湖泊湿地4种。

1.2 样点布设与样品分析

图1 采样点分布

1.3 数据分析

采用Excel 2010对数据进行初步处理，运用SPSS 21计算沉积物及水质各指标之间的相关系数，采用ArcGIS 10.0和Origin 2017完成图形制作。

2 结 果

2.1 不同类型湿地表层沉积物有机碳、全氮、全磷时空分布特征

2.1.1 表层沉积物有机碳含量及分布特征 由图2可知，普者黑不同类型湿地表层沉积物SOC含量在不同时期的变化规律不一致，总体上看，不同类型湿地表层沉积物SOC含量在平水期最高，在丰水期最低。在枯水期，沼泽湿地SOC含量最高，为27.13 g/kg，库塘湿地SOC含量最低，为14.28 g/kg。在丰水期，河流湿地SOC含量最高，为23.41 g/kg，沼泽湿地SOC含量最低，为12.77 g/kg。在平水期，库塘湿地SOC含量最高，为47.81 g/kg，湖泊湿地SOC含量最低，为26.20 g/kg。从图2可以看出，河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物SOC含量在不同时期存在显著差异，在枯水期，沼泽湿地沉积物SOC含量高于其他3种湿地(p<0.05)；在丰水期，河流湿地沉积物SOC含量与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地有显著差异(p<0.05)，而沼泽湿地与库塘湿地沉积物SOC含量无显著差异(p>0.05)；在平水期，库塘湿地沉积物SOC含量与河流湿地、湖泊湿地及沼泽湿地有显著差异(p<0.05)，而河流湿地、湖泊湿地及沼泽湿地之间无显著差异(p>0.05)。

注：不同字母表示不同湿地间差异显著(p<0.05)，下图同。

图2 不同类型湿地表层沉积物有机碳含量在不同季节下的变化特征

2.1.2 表层沉积物全氮含量及分布特征 由图3可知，普者黑不同类型湿地表层沉积物TN-S含量在不同时期的变化规律不一致，总体上看，不同类型湿地表层沉积物TN-S含量在枯水期最高，在丰水期最低。在枯水期，沼泽湿地TN-S含量最高，为2.93 g/kg，库塘湿地TN-S含量最低，为1.44 g/kg。在丰水期，湖泊湿地TN-S含量最高，为2.22 g/kg，库塘湿地TN-S含量最低，为1.22 g/kg。在平水期，沼泽湿地TN-S含量最高，为2.35 g/kg，湖泊湿地TN-S含量最低，为1.73 g/kg。

从图3可以看出，河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物TN-S含量在不同时期存在显著差异，在枯水期，沼泽湿地沉积物TN-S含量高于其他3种湿地(p<0.05)，而河流湿地与湖泊湿地TN-S含量无显著差异(p>0.05)；在丰水期，河流湿地与湖泊湿地与沼泽湿地、库塘湿地TN-S含量有显著差异(p<0.05)，而河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地与库塘湿地沉积物TN-S含量无显著差异(p>0.05)；在平水期，沼泽湿地沉积物TN-S含量与河流湿地、湖泊湿地及库塘湿地有显著差异(p<0.05)，而河流湿地、湖泊湿地及库塘湿地之间无显著差异(p>0.05)。

图3 不同类型湿地表层沉积物全氮含量在不同季节下的变化特征

2.1.3 表层沉积物全磷含量及分布特征 由图4可知，普者黑不同类型湿地表层沉积物TP-S含量在不同时期的变化规律不一致，总体上看，不同类型湿地表层沉积物TP-S含量在枯水期最高，在平水期最低。在枯水期，河流湿地TP-S含量最高，为1.32 g/kg，库塘湿地TP-S含量最低，为0.63 g/kg。在丰水期，河流湿地TP-S含量最高，为1.06 g/kg，沼泽湿地TP-S含量最低，为0.43 g/kg。在平水期，河流湿地TP-S含量最高，为0.85 g/kg，库塘湿地TP-S含量最低，为0.51 g/kg。

从图4可以看出，河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地沉积物TP-S含量在不同时期存在显著差异，在枯水期，河流湿地沉积物TP-S含量高于其他3种湿地(p<0.05)，而湖泊湿地与沼泽湿地TP-S含量无显著差异(p>0.05)；在丰水期，河流湿地与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地TP-S含量有显著差异(p<0.05)，而沼泽湿地与库塘湿地沉积物TP-S含量无显著差异(p>0.05)；在平水期，河流湿地沉积物TP-S含量与湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地有显著差异(p<0.05)，而湖泊湿地、沼泽湿地及库塘湿地之间无显著差异(p>0.05)。

图4 不同类型湿地表层沉积物全磷含量在不同季节下的变化特征

2.2 不同类型湿地表层沉积物碳氮磷生态计量学特征

由图5可知，不同类型湿地表层沉积物C/N-S，C/P-S在不同时期下的变化规律基本一致，从枯水期、丰水期至平水期均呈上升趋势；N/P-S在不同时期下的变化规律不一致，除湖泊湿地外，从枯水期、丰水期至平水期也呈上升趋势。在枯水期，湖泊湿地C/N-S最高，为10.50，河流湿地C/N-S最低，为9.17；沼泽湿地C/P-S最高，为29.29，河流湿地C/P-S最低，为14.85；沼泽湿地N/P-S最高，为3.16，河流湿地N/P-S最低，为1.62。在丰水期，库塘湿地C/N-S最高，为11.93，湖泊湿地C/N-S最低，为9.45；湖泊湿地C/P-S最高，为31.72，河流湿地C/P-S最低，为22.05；湖泊湿地N/P-S最高，为3.36，河流湿地N/P-S最低，为2.05。在平水期，库塘湿地C/N-S最高，为25.43，沼泽湿地C/N-S最低，为11.93；库塘湿地C/P-S最高，为94.49，河流湿地C/P-S最低，为32.36；沼泽湿地N/P-S最高，为4.04，河流湿地N/P-S最低，为2.31。

图5 不同类型湿地表层沉积物C/N，C/P，N/P在不同时期下的变化特征

2.3 不同类型湿地表层沉积物有机碳、全氮、全磷的影响因素分析

表1 不同类型湿地表层沉积物有机碳、全氮、全磷与水质指标的相关性分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，下表同。

2.4 不同类型湿地表层沉积物C/N-S，C/P-S，N/P-S的影响因素分析

由表2可知，普者黑流域不同类型湿地表层沉积物C/N-S，C/P-S，N/P-S与SOC，TN-S，TP-S及水质C/N-W，C/P-W，N/P-W之间的相关性不同，在枯水期，河流湿地C/N-S与TP-S呈显著正相关(p<0.05)，C/P-S与TN-S呈极显著正相关(p<0.01)；湖泊湿地C/P-S与N/P-W呈极显著正相关(p<0.01)，N/P-S与N/P-W呈显著正相关(p<0.05)。在丰水期，湖泊湿地C/P-S与N/P-W呈显著正相关(p<0.05)，N/P-S与N/P-W呈显著正相关(p<0.05)。在平水期，河流湿地C/N-S与N/P-W呈显著正相关(p<0.05)。

表2 不同类型湿地表层沉积物C/N，C/P，N/P与有机碳、全氮、全磷及水质C/N，C/P，N/P的相关性分析

3 讨 论

3.1 表层沉积物有机碳、全氮、全磷的时空差异性

本文的研究结果显示，在普者黑岩溶流域中，不同类型湿地沉积物中的TN-S，TP-S及SOC的含量在不同时期下的变化规律不同，其主要原因是不同时期的降雨量、地表径流量以及水动力均不相同以及不同类型湿地有其独特的特点，如湿地内的植物量不同、湿地接收污染源的面积和量不同及流速不同[21]。不同类型湿地沉积物中的SOC的含量在平水期最高，丰水期最低，TN-S的含量在枯水期最高，丰水期最低，TP-S的含量在枯水期最高，平水期最低，均属于在降雨量最小的时候TN-S，TP-S及SOC的含量高，而在降雨量最大的时候TN-S，TP-S及SOC的含量低；降雨量大会使得地表径流也较多，外源污染较多，而降雨量小，外源输入量小，因此，普者黑不同类型湿地受内源污染比受外源污染的影响大[22]。

地表径流、湿地中的微生物分解以及动植物残体的归还与分解等是湿地沉积物碳、氮和磷的主要来源[23]。河流湿地的采样点大部分位于流域的上游和中游，而流域上游周围大多是山地及农田及部分农村污水的排水口，河流湿地沉积物TP-S含量在枯、丰、平3个时期均比其他3种湿地高，是因为枯水期TP-S含量来源于内源，而丰水期降雨量大，地表径流也大，进入湿地的外源污染物较多，使得TP-S含量也较高，平水期，降雨量减少，径流量也少，有少量的外源污染物进入湿地，因此平水期TP-S含量较高是因为内源与外源综合影响造成的。湖泊湿地主要位于流域下游且水域宽广，水体流速相对较小，易于污染物沉积，湖泊湿地TN-S含量在丰水期高于其他湿地，在丰水期降雨量大，使得水流量也较大，会把上游湿地中的动植物残体冲刷到湖泊湿地中，且自然沉积物中的氮主要来自动植物残体和生物固氮，因此TN-S含量较高。沼泽湿地中水生植物较多，其下部根茎交织，导致水流速度缓慢，且沼泽湿地中随时间推移产生许多植物残体[24]，从而使得TN-S含量在枯水期及平水期较高。库塘湿地中TN-S，TP-S及SOC的含量基本较低，是由于库塘湿地在枯水期，来水量少，携带的污染物较少，在丰水期及平水期，降雨量大，来水量也大，会冲刷湿地中的沉积物，使沉积物中的营养盐释放到上覆水中，造成沉积物中营养盐含量较低[25-26]。不同类型湿地沉积物SOC与TN-S间存在正相关关系(表1)，与闫玉琴等[7]的研究结果类似，其中河流湿地沉积物SOC与TN-S在枯、丰、平3个时期均存在极显著相关关系，在丰水期，4类湿地沉积物SOC与TN-S间均存在极显著相关关系，即河流湿地沉积物SOC与TN-S来源相同[27]。

3.2 表层沉积物碳、氮、磷比的时空差异性

湿地生态系统中碳、氮、磷等元素的循环是相关联的，在相对稳定的情况下，系统内元素的含量及化学计量特征是以质量守恒定律为基础[28]，随氮、磷等元素的变化而变化。岩溶湿地具有独特的地貌特征，有特有的水文环境，产生了不同的湿地类型。不同类型湿地由于湿地内部环境和地表径流作用及其导致的水环境特征的差异，且在人类活动干扰方式和程度的变化下，使得不同类型湿地的表层沉积物碳、氮、磷元素的循环过程更为复杂[29]，相对应的元素比也发生变化。普者黑岩溶流域不同类型湿地中，沼泽湿地和库塘湿地的表层沉积物C/N-S，C/P-S，N/P-S较高，与张仲胜等[30]对湿地研究结果相似，可能是因为，沼泽湿地和库塘湿地生态系统容易受到P的限制[31]，且自然状态下沉积物中的C，N，P等营养元素大部分来自于湿地中植物的生物量返还，而沼泽湿地和库塘湿地较其他两种湿地水生植物较多，且物种丰富度较高，因此碳、氮、磷元素之间的比值较高[32-33]；此外，湖泊湿地虽然植物较少，但是植物生长需要足够的营养盐，特别是氮磷，因此在部分时期会导致沉积物中氮磷含量降低[34]，从而使C/N-S，C/P-S，N/P-S值升高。不同类型湿地的碳、氮、磷元素之间的比值在枯水期、丰水期和平水期呈逐步上升的趋势，除湖泊湿地的N/P-S值在丰水期最高外，其他3类湿地均在平水期碳、氮、磷元素之间的比值最高；可能是因为，在平水期外源污染物易于沉积到底泥中，但由于湿地中的植物吸收氮磷较多，导致外源输入沉积物中的氮磷含量减少，从而使C/N-S，C/P-S，N/P-S值升高。

4 结 论

(1) 普者黑不同类型湿地表层沉积物SOC，TN-S，TP-S含量在不同时期的变化规律不一致，SOC含量在平水期的库塘湿地最高，为47.81 g/kg，丰水期的沼泽湿地最低，为12.77 g/kg；TN-S含量在枯水期的沼泽湿地最高，为2.93 g/kg，丰水期的库塘湿地最低，为1.22 g/kg；TP-S含量在河流湿地最高，为1.32 g/kg，丰水期的沼泽湿地最低，分别为0.43 g/kg。

(2) 不同类型湿地表层沉积物C/N-S，C/P-S和N/P-S在不同时期下的变化规律基本一致，从枯水期、丰水期至平水期除湖泊湿地外均呈上升趋势。C/N-S在平水期的库塘湿地最高，为25.43，在枯水期的河流湿地最低，为9.17；C/P-S在平水期的库塘湿地最高，为94.49，在枯水期的河流湿地最低，为14.85；N/P-S在平水期的沼泽湿地最高，为4.04，在枯水期的河流湿地最低，为1.62。

(3) Pearson相关系数表明，普者黑流域不同类型湿地表层沉积物SOC，TN-S，TP-S之间呈显著正相关(p<0.05)，与各水质指标之间在平水期有相关性(p<0.05)，不同类型湿地表层沉积物C/N-S，C/P-S，N/P-S与TN-S，TP-S及水质N/P-W之间呈显著正相关(p<0.05)。