王 磊,李冬林,丁晶晶,梁珍海
江蘇省林業科學研究院,江蘇 南京 211153
湖濱濕地是水生態系統與陸地生態系統之間一種非常重要的生態過渡帶,由相鄰的水陸兩個生態系統相互作用而成[1]。湖濱濕地是湖泊生態系統一道重要的生態保護屏障,可有效攔截和吸收來自地表徑流的N、P等污染物[2-3],同時又具有美化環境、維持生物多樣性的重要功能,湖濱濕地的結構變化將直接引起湖泊生態系統的一系列變化。
太湖是我國長江中下游地區五大淡水湖之一,位于長江三角洲南翼坦蕩的太湖平原上,水面面積2338 km2,流域面積36500 km,平均水深1.9 m,最大水深2.6 m,是典型的淺水湖泊。自上世紀80年代以來,太湖富營養化程度不斷加重,局部水域達到重富營養水平,直接影響該地區環境與經濟的可持續發展和用水安全[4-6]。為控制太湖富營養化,我國已在環太湖實施了水生植被修復工程,對太湖水體凈化與環境改善起到了重要作用。關于湖泊濕地大型水生植物N、P質量分數及分布以及水生植被重建對水體氮磷營養水平的影響在國內外已有報道[7-10]。但是,湖濱濕地水生植被修復對湖泊沉積物N、P空間分布的影響,以及水生植物N、P與沉積物N、P之間的關系研究報道較少[11-12]。
本文通過對西太湖湖濱濕地的植被及沉積物調查,比較了湖濱生態修復濕地與硬質護坡生態系統在植物生物量、水體和沉積物中N、P質量分數的變化,并分析了水生植物和沉積物中N、P質量分數的關系,為太湖湖濱濕地生態系統的修復重建提供理論依據。
研究區域位于江蘇無錫新區太湖治理濕地生態保護與修復國家示范區(31°27′ N,120°22′ E)。該區西起梅梁湖水域的亮河灣,東至貢湖水域的大溪港,主體位于貢湖的環湖帶,堤岸線長24 km,寬150~450 m,總面積近3000×104m2。濕地生態修復工程于2008年2月開工建設,2009年初完成。
在示范區的林莊河口布置3條樣帶(編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),其中Ⅰ、Ⅱ為濕地生態修復區;Ⅲ為硬質護坡區。每條樣帶按陸向輻射區(A)-水位變幅區(B)-水向輻射區(C)布置樣區(圖1),多點采樣,4次重復。

圖1 太湖湖濱濕地樣區設置示意圖Fig.1 Schematic map of sampling areas of Taihu Lake wetland
外業調查于2010年5月進行。用GPS定位,共設置采樣點 36個。首先對樣區生境進行全面調查,測定水深、植物種類、高度、蓋度、單位面積株數、株高等,并全株采集標準株 5~10株,帶入實驗室分析;同步采集水樣,裝入收集瓶保存于野外便攜式冷箱中;用柱狀采樣器采集沉積物,自上而下分3層采樣(0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm),裝入袋中,放入便攜式冷箱帶到實驗室分析。
水樣的污染物測定采用美國哈希公司生產的DR2700分光光度計(表1)。沉積物樣品經自然風干后,磨細過100目篩待用。w(全氮)采用凱氏法,w(全磷)測采用酸溶-鉬銻抗比色法[13];植物樣品經H2SO4-H2O2消煮后,w(全氮)采用凱氏氮自動分析儀,w(全磷)采用鉬銻抗分光光度計法[14-15]。
利用Excel進行作圖,應用SAS612進行數據統計和方差分析,多重比較采用t檢驗法。
從調查結果來看,生態修復區(樣帶Ⅰ與Ⅱ)植物種類雖然單調,但個體生長良好,分枝多,冠形大。蘆葦(Phragmites australis(Cav.) Trin.)的單位面積株數為220~368株,鮮質量11.25~49.93 kg·m-2,株高2.5~4.2 m。而茭白(Zizania latifolia(Griseb.)Turcz.)的單位面積株數為 109~284株,鮮質量15.02~17.51 kg·m-2,株高 2.35~2.80 m(表 2)。從水平分布來看,由于陸向輻射區(A)內水位淺,植物低矮,生物量相應較小,而水向輻射區(C)由于水位深,受人為干擾較小,蘆葦生長較好。水位變幅區(B)內植物種類均為茭白,其高度為2.35~2.80 m,但2樣帶單位面積株數差異較大(樣帶Ⅰ284株·m-2;樣帶Ⅱ109株·m-2),相應鮮質量差異也較大(樣帶Ⅰ17.51 kg·m-2;樣帶Ⅱ15.02 kg·m-2)。樣帶Ⅲ由于是人工硬質護坡,目前沒有挺水植物分布。

表2 3條樣帶濕地植物群落比較Table 2 The comparison of plant community in three sample lines
2.2.1 沉積物N、P質量分數的水平變化
太湖湖濱濕地沉積物N、P質量分數的水平變化規律見圖2。生態修復區(樣帶Ⅰ與Ⅱ)沉積物TN的變化規律明顯,均按陸向輻射區(A)-水位變幅區(B)-水向輻射區(C)依次遞減變化,即A>B>C。如樣帶Ⅰ,A區表層沉積物(0~5 cm)TN質量分數為7.89 mg·g-1,是 B 區(6.35 mg·g-1)的 1.24 倍,C 區(4.51 mg·g-1)的 1.75倍;樣帶ⅠA 區表層沉積物(5~10 cm)TN 質量分數為 7.56 mg·g-1是 B 區(5.88 mg·g-1)的1.29倍,C區(4.87 mg·g-1)的1.55倍。方差分析表明,生態修復區各層沉積物TN的水平變化均呈極顯著差異(P<0.01)。

表1 太湖湖濱濕地不同水位梯度下水質狀況Table 1 The water quality in different water lines in Taihu Lake wetland

圖2 太湖湖濱濕地沉積物w(TN)的水平變化Fig.2 Horizontal changes of total N(TN) mass fraction of sediments in Taihu Lake wetland
樣帶Ⅲ由于是水泥硬質駁岸,沉積物中N的水平變化與前者截然不同,表層沉積物均按陸向輻射區(A)-水位變幅區(B)-水向輻射區(C)依次遞增變化,即C>B>A。表層沉積物(0~5 cm)C區TN質量分數略高(6.82 mg·g-1),與 A 區(5.59 mg·g-1)、B 區(5.47 mg·g-1)間差異較大,但A、B區之間相差較?。槐韺映练e物(5~10 cm)各點 TN質量分數變化在5.21~5.63 mg·g-1,10~15 cm 變化在 4.08~4.99 mg·g-1。方差分析表明,硬質護坡區各層沉積物TN的質量分數也呈極顯著差異(P<0.01)。
生態修復區(Ⅰ與Ⅱ)沉積物P的變化規律與N相似,均按陸向輻射區(A)-水位變幅區(B)-水向輻射區(C)依次遞減變化(圖 3),而且樣帶Ⅱ表層沉積物TP質量分數高于樣帶Ⅰ。表層沉積物TP的質量分數 0~5 cm 變化在 0.532~0.83 mg·g-1,5~10 cm 為0.497~0.835 mg·g-1,10~15 cm 為 0.471~0.674 mg·g-1。方差分析表明,生態修復區各層沉積物TP的質量分數均呈極顯著變化(P<0.01)。
與生態修復區相比,硬質護坡區(樣帶Ⅲ)表層沉積物中TP的水平變化變化趨勢略有不同,表層0~5 cm沉積物中TP的變化按陸向輻射區(A)-水向輻射區(C)-水位變幅區(B)依次遞增變化,即A>C>B。而其余2層沉積物中TP的變化按陸向輻射區(A)-水位變幅區(B)-水向輻射區(C)依次遞增變化,即 A>B>C。總的趨勢來看,沉積物以水岸邊的陸向輻射區(A)TP質量分數最高,并依次向湖心地區遞減。
2.2.2 沉積物N、P質量分數的垂直變化
N、P質量分數的縱向垂直變化見圖4。生態修復區(Ⅰ與Ⅱ)表層沉積物均以表層最高,并依次向下層遞減,尤以TN的變化突出;TP的變化略微緩和,但仍以表層質量分數最高,并依次向下遞減。硬質護坡區(Ⅲ)表層沉積物P的垂直變化也呈現相同的趨勢,但N的垂直變化卻相反。方差分析表明,表層沉積物 TN、TP的垂直變化均呈極顯著差異(P<0.01)。
2種挺水植物N、P分析表明,N的質量分數普遍較高。蘆葦地上部分w(TN)的變化在31.75~42.61 mg·g-1,地下部分w(TN)在 13.57~18.21 mg·g-1;而茭白地上部分w(TN)變化在14.78~23.57 mg·g-1,地下部分w(TN)13.57~18.21 mg·g-1。蘆葦除了對N有較強的吸收和同化作用外,對P的吸收和同化量也較大(地上部分為3.62~5.08 mg·g-1);而茭白對 P的吸收和同化量相應較小(地上部分1.42~1.93 mg·g-1,地下部分 0.35~0.57 mg·g-1)。對 2種挺水植物的分析還表明,地上部分N、P質量分數遠遠大于地下部分。可見,2種植物憑借其地上部分茂密的枝葉對水體中的N、P具有顯著的吸附與固定作用。

圖3 太湖湖濱濕地沉積物w(TP)水平變化Fig.3 Horizontal changes of TP mass fraction in sediments in Taihu Lake wetland

圖4 太湖湖濱濕地沉積物w(TN)、w(TP)的垂直變化Fig.4 Vertical changes of both TN and TP mass fraction of sediments in Taihu Lake wetland

圖5 太湖湖濱濕地2種水生植物TN、TP質量分數Fig.5 TN and TP mass fraction of two aquatic plants in Taihu Lake wetland
2種挺水植物與沉積物w(N)、w(P)的相關性分析見表 3。蘆葦地上部分w(TN)、w(TP)與沉積物w(TN)、w(TP)均呈負相關,但相關性不顯著。地下部分w(TN)與沉積物w(TN)也呈負相關,相關性不顯著,但地下部分w(TP)與沉積物w(TP)(5~10 cm)呈顯著正相關(P<0.05,r=0.9448),而與沉積物w(TP)(0~5 cm)、w(TP)(10~15 cm)呈極顯著正相關(P<0.01,r=0.9821;P<0.01,r=0.9704);茭白與沉積物w(N)、w(P)的相關性與蘆葦相似,但除了地上部分w(TP)與沉積物w(TP)(10~15 cm)呈顯著變化(P<0.05,r=-0.9982)外,其余相關性均不顯著。
(1)湖濱濕地沉積物中的N、P是濕地水生植物和食物鏈中基礎元素的重要來源,同時對濕地營養鹽的收支及其生物地球化學循環有著極其重要的作用。太湖湖濱濕地生態修復區沉積物N、P質量分數的水平變化規律明顯,均按陸向輻射區-變幅區-水向輻射區依次遞減變化,這與俞海橋等[16]和田志強等[17]的研究結果基本相似。從垂直變化來看,2種護坡表層沉積物中w(P)均以表層最高,并依次向下層遞減,這與此前對太湖、滇池等湖泊的研究結果基本一致[17-20],說明太湖沉積物N、P負荷仍在逐年增加,湖泊初級生產力仍在大幅提高,加速了湖泊富營養化。缺少大型挺水植物的硬質護坡區沉積物中N的水平變化與生態修復區截然不同,表層沉積物按陸向輻射區-水位變幅區-水向輻射區依次遞增變化,即近湖岸的陸向輻射區N的質量分數最低,N的垂直分布呈現表層最低,并依次向下層遞增變化。兩種護坡類型N素分配顯著不同應該與2種挺水植物對沉積物、湖水中N素吸收調節作用有關。

表3 太湖2種挺水植物N、P與沉積物N、P質量分數的相關性Table 3 Correlation of N and P mass fraction between two emerged plants and sediments in Taihu Lake wetland
(2)太湖湖濱濕地生態修復區植物種類雖然單調,但整體生長良好,生物量大。蘆葦由于其自身生物學特性的緣故,個體鮮質量及株高遠遠高于茭白。從水平分布狀況來看,2種植物的株高及單株生物量均隨水位的深度增加而漸趨增加,這也是 2種植物適應湖泊環境的結果。測定結果表明,蘆葦除了對N有較強的吸收和同化作用外,對P的吸收和同化作用也較大。因此,蘆葦作為一種鄉土水生植物,憑借其繁殖容易、種植簡單、吸收污染物能力強的特點,對湖濱濕地水質凈化具有舉足輕重的作用,應加以重視。盡管茭白對P的吸收和同化量較小,但其作用也不容忽視。實驗結果還表明,2種植物地上部分對N、P的吸收量遠遠大于地下部分吸收量,因此可根據植物的生長周期特點,對相應的地上部分進行及時收割移出,避免生物體內的營養物質通過活體釋放或死亡體腐爛釋放到水體,造成N、P對湖水的二次污染。
(3)相關性分析表明,蘆葦與茭白地上部分w(N)、w(P)與沉積物w(N)、w(P)均呈負相關,而地下部分w(TN)與沉積物w(TN)也呈負相關。2種植物地下部分w(TP)與沉積物w(TP)均呈正相關,說明2種植物部位不同對沉積物及水體中N、P的吸收富集能力不同,而蘆葦根系對含P量高的沉積物具有強烈吸附作用。Azcon等[21](2003)發現植物體內的N、P質量分數在高濃度環境中反而下降,而較高的營養鹽濃度,對水生植物會產生傷害[22]。本研究表明,2種植物地下部分w(N)與沉積物中w(N)呈負相關,這暗示沉積物中過高的N含量可能會對水生植物產生抑制脅迫作用。
(4)太湖湖濱濕地生態恢復區沉積物中w(N)顯著高于硬質護坡,表明水生植物的存在對沉積物N、P的分配有重要影響。水生植物同化的N主要經過生物沉積進入底層。水生植物由此將湖水中的N傳輸到沉積物中,使其進人地球生物化學循環,雖然提高了沉積物中N與有機質的含量,但這對于降低湖水中的N和有機碳質量分數,防止水體富營養化具有積極意義[23-25]。生態恢復區湖體沉積物中P的質量分數均較硬質護坡顯著降低,而湖水和沉積物中這些消失的P則可能被水生植物有效地吸附與同化。因此,水生植物的存在可以起到減輕水體和沉積物中的營養富集,從而有效緩解水體富營養化。
(1)太湖湖濱濕地生態修復區表層沉積物w(N)、w(P)的水平變化規律一致,按陸向輻射區-水位變幅區-水向輻射區依次遞減,從垂直變化來看,表層沉積物w(N)、w(P)均以表層最高,并依次向下層遞減;硬質護坡區表層沉積物w(P)的變化與修復區一致,但w(N)的變化卻相反,水平分布按陸向輻射區-水位變幅區-水向輻射區依次遞增,垂直分布呈現表層最低,并依次向下層遞增變化。
(2)2種挺水植物w(N)、w(P),蘆葦個體對N、P的吸收量明顯高于茭白。蘆葦除了對N具有較強的吸收和同化作用外,對P的吸收和同化作用也較大。2種挺水植物地上部分吸收量遠遠大于地下部分吸收量;
(3)相關性分析表明,2種植物地下部分w(P)與沉積物中w(P)均呈正相關,而蘆葦地下部分w(P)與沉積物w(P)相關性顯著(P<0.05),說明蘆葦根系對沉積物中P具有強烈吸附作用;
(4)2種植物對太湖沉積物N、P的分配有顯著影響,生態恢復區沉積物中w(N)顯著高于硬質護坡,而P的質量分數較硬質護坡顯著降低,適度恢復水生植被可有效緩解水體的富營養化。
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