紅楓湖流域消落帶及其沉積物營養鹽含量的分布特征

鄧河霞，夏品華，陳文生*，林陶，薛飛

1．武漢工程大學分析測試中心，湖北 武漢 430074 2．貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室（貴州師范大學），貴州 貴陽 550001

紅楓湖流域消落帶及其沉積物營養鹽含量的分布特征

鄧河霞1，2，夏品華2，陳文生2*，林陶2，薛飛2

1．武漢工程大學分析測試中心，湖北 武漢 430074 2．貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室（貴州師范大學），貴州 貴陽 550001

為了解紅楓湖流域消落帶及沉積物中營養鹽總氮、總磷和有機質的含量分布特征，采用實證調查、定量及相關分析的方法，對各營養鹽的含量空間分布規律以及相關性進行了分析。結果表明：消落帶及沉積物中各營養鹽的含量總體變化趨勢為庫區沉積帶＞對照帶土壤＞消落帶土壤；消落帶土壤營養鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，呈現遞增的趨勢，總氮(TN)含量范圍在1 626．95～2 926．13 mg/kg，總磷(TP)含量范圍在548．79～714．06 mg/kg，有機質(OM)含量范圍在4．10～6．79 mg/kg之間；消落帶土壤中OM與TN、TP呈現極顯著正相關性關系。

紅楓湖水庫；消落帶；沉積物；營養元素

0 引言

紅楓湖水庫地處貴州中部烏江主要支流貓跳河的上游，在東經106°19′～106°28′和北緯26°26′～26°36′之間，蓄水面積57．2 km2［1～3］．建庫50年來，在庫區兩岸形成特殊的生態環境區域（消落帶），它具有顯著的環境因子、生態過程和植物群落梯度，能有效的緩沖和過濾水土流失、養分循環和非點源污染，是生態環境較為脆弱的敏感地帶．長期以來，消落帶土壤受水位重力侵蝕、水浪沖擊及降雨沖刷脅迫作用，對土壤中營養元素分布產生重要的影響［4～6］．土壤是植被生存的基礎，營養鹽是土壤性質的重要組成部分，通過其含量綜合分析對保障水庫安全具有重要作用［7～8］．

本研究以紅楓湖水庫消落帶及沉積物為研究對象，研究了營養元素含量的空間分布規律，并通過相關分析方法著重探討了消落帶土壤營養鹽的內在相關關系，旨在為紅楓湖沿岸植被恢復和生態環境治理改善提供科學依據．

1 實驗部分

1．1 樣品采集

2011年5月，正值紅楓湖枯水期，水體受氣候影響較?。练e帶的采樣布點為沿北湖至南湖湖心的L1～L10，每個點位取表層5 cm有以下樣品1個，如圖1所示，圖中陰影區代表島嶼.消落帶和對照帶分別以北湖至南湖沿岸10個布點S1～S10沿高程取樣，如圖1，2所示.消落帶采樣的3個高程區為1236～1238m、1238～1240m、1240～1242m，共計采集表層土樣30個.對照帶采樣高程為1244m，共采集表層土樣10個.為研究消落帶營養鹽的垂直分布，隨機選取S7和S10為代表樣點，垂直5 cm取樣一次，每個取樣點取3個樣品（表層樣除外），共計24個樣品.土壤及沉積物在實驗室環境下自然風干、研磨，過孔徑100 mm篩備用.

圖1 紅楓湖水庫采樣點示意圖Fig．1Map of sampling sites in Hongfeng Reservior

圖2 紅楓湖庫區消落帶點樣帶剖面簡圖Fig．2Profile of sampling locations in the water-level-fluctuating zone of hongfeng reservoir

1．2 樣品分析方法

總氮：半微量凱氏定氮法（GB 7173-1987）；總磷：硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法（GB 7852-1987）；有機質：重鉻酸鉀酸氧化-外加熱法（GB 7857-1987）；土壤pH：電位法（GB 7859-1987）.

1．3 數據分析

采用Microsoft Excel工作表作圖和SPSS18．0軟件進行數據統計.

2 結果與分析

2．1 紅楓湖水庫消落帶及沉積物營養鹽含量特征

紅楓湖水庫消落帶、對照帶及沉積帶營養鹽含量如表1所示.

表1 不同采樣帶營養鹽含量統計表Table 1The statistics of nutrition salt contents in the three different sampled zone （mg／kg）

從表1可知，庫區不同采樣帶土壤的TN、TP和OM的含量總體變化趨勢均呈現沉積帶＞對照帶＞消落帶，表明這3種水體污染物經過長期的反季節淹水、淘蝕使營養鹽得到釋放，并由消落帶遷移至沉積帶，并沉積于水庫底沉中，可見庫區沉積物是一個龐大的貯存庫.底泥記錄著湖（庫）區環境變化的豐富信息，營養鹽含量是湖泊（水庫）富營養化過程的標志［9-11］.對照帶土壤營養鹽含量＞消落帶土壤營養鹽含量，主要是由于農業生產大量施用化肥有關.

2．2 消落帶營養鹽分布特征分析

2．2．1 消落帶營養鹽空間分布特征消落帶營養鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，大致呈現遞增的趨勢.可見人為干擾將會增加對照帶的總氮、總磷和有機質的含量.同時，紅楓湖水庫消落帶由于長期的反季節淹水、水浪的淘蝕，消落帶內土壤營養鹽釋放到水中，隨著水淹時間的延長，營養鹽含量具有明顯降低.

不同點位，總氮、總磷和有機質含量空間分布如圖3（a）（b）（c）所示.由圖可知，各布點在消落帶的營養鹽含量隨海拔梯度大致呈現正相關趨勢，個別點除外.S7點消落帶1 238～1 240 m總氮、總磷及有機質均明顯偏高，可能原因是此段區域草坪覆蓋度達到90%，而對照帶為雜草地覆蓋度僅為50%，無人為營養鹽的輸入.同時，由圖3（c）還可以看出，S1～S4有機質含量總體低于S5～S10，表明南湖消落帶有機質含量要高于北湖，原因在于南湖多為農業耕作區，農戶為增加土壤肥力，提高作物畝產，大量增施有機肥料.北湖周邊土地多為林地，人為活動干預少，土壤中的有機質主要來源于枯枝落葉的腐敗.

2.2.2 消落帶營養鹽垂直分布特征選取土壤S7和S10進行分層采樣，不同海拔、不同層深總氮、總磷和有機質含量變化如圖4所示.總體來看，紅楓湖水庫消落帶總氮、總磷和有機質含量在垂直方向上具有大致相似的規律，均為隨著深度的增加呈現遞減趨勢，表層有著明顯的富集現象，這主要與表層受人類活動影響有關.

（1）總氮：兩個采樣點不同海拔梯度下，土壤總氮含量都隨土壤深度加深呈降低趨勢.地表土壤有機質最多，垂直深度越大，土壤中有機質含量越少，通過分解有機物產生的氮素就越低.另外，表層土壤中氧氣較為充足，固氮菌較為活躍，通過硝化作用能有效的固定氮素.隨著土壤深度增加，氧氣含量越低，厭氧菌通過反硝化作用將氮素還原為氮氣.

（2）總磷：兩個采樣點不同海拔梯度下，土壤總磷含量都隨土壤深度加深而呈降低的趨勢，土壤中的磷素向下垂直遷移的過程中，土壤中的粘土礦物、鐵鋁氧化物、碳酸鈣等礦物顆粒對磷酸根的專屬性吸附使得磷素被固定下來，其中尤其是鐵鋁氧化物的吸附作用最為強烈［12］，離基巖越近的土壤，得不到基巖風化補充磷素，導致總磷含量自土壤表層隨深度衰減．S10隨著深度的下降趨勢沒有S7明顯，原因可能是土壤中總磷含量的變化主要與成土母質有關，S7點靠近菜園地，菜園地由于磷肥的使用，導致了其一帶土壤中磷素的積累，且隨深度的加深變化趨勢大；而S10點為受人類生產活動干擾影響輕微的灌叢地，土壤層之間的擾動不明顯，且不受磷肥的影響，所以S10隨深度的下降趨勢不大．

圖4 消落帶S7和S10點不同海拔梯度總氮、總磷和有機質含量垂直分布Fig．4Vertical distribution of total nitrogen，total phosphorus and organic matter contents along elevation gradient of S7 and S10 samples in the water－level fluctuating zone

（3）有機質：兩個采樣點不同海拔梯度下，土壤有機質含量都隨土壤深度加深而呈降低的趨勢，表層有著明顯的富集現象，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積累，加上無人為擾動，因而易于表土有機質富集.

2．2．3 消落帶土壤營養鹽相關性分析

（1）消落帶土壤pH與營養鹽相關性分析

pH是反映土壤肥力的重要指標，影響礦物質風化、鹽基淋溶、養分形態轉化等一系列過程，直接決定著植物生長的有效元素形態，它還制約著微生物的群落數量、構成及活性［13］.土壤酸堿度根據pH大小分為強酸性土（pH＜4．5）、酸性土（pH5．0～6．5）、中性土（pH6．5～7．5）、堿性土（pH7．5～8．5）、強堿性土（pH＞8．5）.

消落帶土壤pH值變幅大，從強酸（PH＜4．5）至微堿性（pH7．5～8．5）土壤均存在，平均pH為6．73. pH值之所以差異很大，可能主要是由于土地利用模式，如工作制度、種植模式等外界因素干擾的影響.表2是通過SPSS分析pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機質之間的相關性，從表2中可以看出：pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機質呈正相關關系，且均不顯著，說明總氮、總磷和有機質含量變化很大程度上受到其他因素的影響.

表2 土壤pH(x)與土壤營養鹽含量(y)相關性回歸方程Table 2Correlation regression equation between pH and nutrition salt contents in soil

（2）消落帶土壤有機質與總氮、總磷相關性分析

土壤氮素主要存在于土壤有機質中，而表層土壤高達80%～97%，因此，土壤有機質累積和分解的速度直接決定總氮大小［14］.由圖5（a）可知，消落帶土壤有機質含量與總氮含量呈線性相關，結果表明，消落帶土壤中有機質含量與總氮質量含量呈現極顯著相關性（相關系數為0．759，P＜0．01）.由圖5（b）可知，消落帶土壤有機質含量與總磷質量含量也呈線性相關，結果表明，消落帶土壤中有機質含量與總磷含量呈現極顯著相關性（相關系數為0．565，P＜0．01）.因此土壤中有機質含量的升高會增加氮磷營養元素的累積.

圖5 消落帶表層土壤有機質與總氮、總磷回歸分析結果Fig．5Regression analysis between organic matter and total nitrogen，total phosphorus for the surface soil in water-level fluctuating zone

2．3 庫區表層沉積物營養鹽含量空間分布特征

庫區10個點位，L1～L4位于南湖，L5～L10位于北湖.庫區沉積物總氮、總磷和有機質含量的空間分布如圖6所示.

在庫區表層沉積物樣品中，其總氮含量均在1 159．79～4 144．77 mg／kg之間，最大值出現在L5點處，最小值出現在L8，最大值與最小值相差約4倍，平均為3 165．54 mg／kg.總氮質量含量總體趨勢為北湖高于南湖，這主要是北湖L1點上游貴州化肥廠、貴州鐵合金廠的工業廢水、家屬區生活污水排入北湖，造成北湖一帶沉積物總氮高于南湖，使北湖呈現出氮素污染特征.

總磷質量含量在870．29～2 364．81 mg／kg之間，且總體趨勢為南湖高于北湖，最大值出現在L10點處，最小值出現在L2，最大值與最小值相差約3倍，平均為1 594．72 mg／kg.L10點位于羊昌河、麻線河和后六河三條河流進入紅楓湖的交匯處，羊昌河污染最嚴重，因其上游有一重要點源污染源-貴州天峰化工有限責任公司，每年入庫總磷量高達188噸／年［15］.同時三條河流（主要是羊昌河）將平壩縣城富含營養鹽的生活污水及雨水對原天峰化工有限公司磷礦石堆積區淋溶污水帶入湖庫，造成L10點總磷含量顯著高于其它點，形成南湖總磷較高的污染特征，這與梁小潔等人對紅楓湖水源污染源主要營養元素及污染物調查結果相一致［16］.

沉積物中有機質來源于動植物殘體、浮游生物、微生物及水循環攜帶的其他有機物等的沉積，對氮、磷等營養元素的遷移及轉化行為發揮著重要作用.有機質礦化釋放大量的碳、氮、磷等營養鹽，造成水生植物瘋長，使水體呈現缺氧狀態，導致水質惡化，即為水體富營養化.紅楓湖水庫庫區沉積物中有機質質量分數在5．18%～14．17%之間，且總體趨勢為北湖高于南湖，最大值出現在L1，最小值出現在L9，最大值與最小值相差約3倍，平均9．52%.L1點最高，可能是因為沉積物中的氮主要以有機氮的形態存在為主.L9最低，主要是因為輸入的磷大部分可能以無機磷的結合形態存在于沉積物中，而有機磷的結合形態很低，所以有機質含量最低.

圖6 庫區表層沉積物總氮、總磷和有機質含量的空間分布Fig．6Spatial distribution of total nitrogen，total phosphorus and organic matter contents for the surface sediment in lake

3 結語

a.紅楓湖水庫流域土壤、沉積物中TN、TP和OM的含量總體變化趨勢為庫區沉積物＞對照帶土壤＞消落帶土壤.

b.消落帶土壤營養鹽均值含量隨著海拔梯度的升高，呈現遞增的趨勢，總氮質量含量在1 626．95～2 926．13 mg／kg之間，總磷質量含量在548．79～714．06 mg／kg之間，有機質質量含量在4．10～6．79 mg／kg之間.

流域土壤營養鹽垂直分布規律：流域土壤中總氮、總磷和有機質含量在垂直方向上具有大致相似的規律，均為隨著深度的增加呈現遞減趨勢，表層有著明顯的富集現象，這主要與表層土壤受人類生產活動干擾影響較大有關.

c.pH與消落帶表層土壤總氮、總磷和有機質呈正相關關系，且均不顯著，說明總氮、總磷和有機質含量變化很大程度上受到其他因素的影響.消落帶土壤中有機質含量與總氮含量呈現極顯著正相關性（相關系數為0．759，P＜0．01），有機質含量與總磷質量含量呈現極顯著正相關性（相關系數為0．565，P＜0．01），說明土壤中有機質含量的升高會增加氮磷營養元素的累積.

d.庫區表層沉積物樣品中，總氮含量總體趨勢為北湖高于南湖，質量含量在1 159．79～4 144．77 mg/kg之間.總磷質量含量總體趨勢為南湖高于北湖，質量含量在870．29～2 364．81 mg／kg之間.有機質含量總體趨勢為北湖高于南湖，質量分數在5．18%～14．17%.

致謝

感謝貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室水土污染控制與生態修復課題組全體成員的支持與幫助！

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Distribution characteristics of nutrient concentration in water－levelfluctuating zone and sediment of Hongfeng Reservoir basin

DENG He－xia1，2，XIA Ping－hua2，CHEN Wen－sheng，LIN Tao2，XUE Fei2
1．Analysis and Testing Center of Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China
2．Guizhou Key Laboratory for Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment (Guizhou Normal Univesity)，Guiyang 550001，China

To investigate the distribution of nitrogen,phosphorus and organic matter in sediments and water-lever-fluctuating zone in Hongfeng Lake,the spatial distribution rules and the correlation of nutrients were determined by the methods of empirical investigation and quantitative and correlation analysis．Results show that:the concentration of nutrients in water-level-fluctuating zone and sediments descend in the following order:sediments from the lake＞soil in control belt＞soil in water-level-fluctuating zone;the mean concentration of nutrients in water-level-fluctuating zone soil presents increasing trend with the increase of elevation,in which the contents of total nitrogen are 1 626．95 mg/kg～2 926．13 mg/kg and the contents of total phosphorus and organic matterare 548．79 mg/kg～714．06 mg/kg and 4．10～6．79 mg/kg,respectively;there is a significant positive correlation relationship between organic matter and total nitrogen,total phosphorus of soil in water-level-fluctuating．

Hongfenghu Reservior；water－level－fluctuating zone；sediment；nutrient elements．

X53

A

10．3969/j．issn．1674-2869．2014．12．006

1674－2869（2014）012－0027－07

本文編輯：張瑞

2014-09-25

貴陽市社會發展與民生科技計劃項目（201053，2011103）

鄧河霞（1986-），女，湖北荊州人，碩士．研究方向：環境分析化學．*通信聯系人