滇東南典型巖溶濕地底泥鈣形態分布

詹乃才, 王 妍,2, 劉云根,2, 侯 磊,2, 王書錦, 張慧娟

(1.西南林業大學 生態與水土保持學院, 昆明 650224; 2.西南林業大學 農村污水處理研究所, 昆明 650224)

巖溶生態系統是以碳酸鹽為物質基礎的陸地生態系統。這一物質基礎決定了巖溶生態系統富鈣特征和資源與環境的特殊性[1]。而在巖溶土壤成土過程中，Ca是容易強烈淋失的元素，因此巖溶土壤鈣含量一般低于克拉克值[2]。土壤中鈣的含量增加(尤其是活性鈣)可有效促進有機碳轉化、增強微生物(尤其是好養微生物)活性、加速土壤有機質降解、提高植物體內鈣含量[3-4]。因此，鈣形態的分布特征對巖溶地區土壤質量及生物有效性具有重要的指示作用。近年來，對巖溶區土壤Ca的研究主要集中在對土壤有機碳、植物等的影響方面。胡樂寧等[5]研究表明，紅壤中鈣以交換態和有機結合態與有機碳關系密切，添加碳酸鈣顯著影響有機碳礦化。張大庚等[6]研究表明，氮肥的配置不同也會影響土壤水溶性鈣和吸附性鈣的差異。同時，陳家瑞等[7]研究表明土壤Ca及其各形態均與土壤胡敏酸胡敏素呈正相關，與富咖酸呈負相關，土壤腐殖質組成及其含量在很大程度上也影響著土壤Ca含量及賦存形態。目前，針對巖溶區濕地底泥Ca形態的分布尚無報道，本研究通過研究滇東南普者黑巖溶濕地底泥Ca形態的分布，探析稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過程中底泥鈣形態的空間特征及差異，為巖溶區山地—農村—小流域系統中的Ca循環和生境保護提供參考。

1　研究區概況與方法

1.1　研究區概況

研究區位于云南省文山州丘北縣境內的普者黑濕地公園開發區——小矣堵村附近(24°08′N，104°06′E)，該區域受人類干擾影響較大，屬于南亞熱帶高原季風氣候，多年平均氣溫16.4℃，雨季多集中在5—10月，平均降雨量1 206.8 mm，海拔1 436～1 499 m。研究區上游為小矣堵村，其中農村面積大約0.03 km2，現有農戶大約80戶。如圖1所示，依據研究區濕地不同土地利用類型，將濕地區域劃分為稻田濕地(A區)、草甸濕地(B區)和湖濱濕地(C區)，其中稻田面積約8 hm2，草甸面積約0.6 hm2，湖濱濕地面積約為1.5 hm2。

1.2　樣點布設與樣品采集

樣點布設采用典型樣帶法，具體樣點布設如圖1所示。沿稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地方向設置兩條平行樣帶，樣帶間隔為40 m，每條樣帶在稻田濕地區布置2個采樣點且間隔400 m；在草甸濕地區布置2個采樣點且間隔30 m；在湖濱濕地區依據不同植被覆蓋類型布置3個采樣點，且在湖泊中心區域布置1個采樣點作為對照，因此共16個采樣點。在2016年7月17—19日對每個采樣點進行單點采樣，農田濕地和草甸濕地區域只取表層沉積物(0—5 cm)。湖濱濕地中C1—1，C1—2，C2—1，C2—2樣點只取表層沉積物(0—5 cm)，C1—3，C1—4，C2—3，C2—4樣點利用有機玻璃柱狀底泥采樣器進行分層取樣，自上而下分為表層(0—5 cm)、中層(5—10 cm)、底層(10—15 cm)。所有沉積物樣品裝置于密封袋內后帶回實驗室。去除碎石根莖等雜質，自然風干后磨碎，過100目篩，四分法取出一部分裝入自封袋備用。剩余部分平攤，再用瑪瑙勺多點取樣，磨碎過100目篩備用。

圖1　普者黑巖溶濕地樣區設置

1.3　樣品分析及數據處理

土壤Ca形態含量采用BCR連續提取法[8]，酸溶態用0.11 mol/L醋酸提取，可還原態用0.1 mol/L鹽酸羥胺提取，可氧化態用30%雙氧水及1 mol/L醋酸銨提取，殘渣態用王水—高氯酸消解，提取液用ICP—OES測定Ca含量。各指標重復測定3次，取平均值。試驗數據采用Excel 2003進行初步分析并建立數據庫，利用軟件SPSS 19.0對數據進行相關性分析，采用Origin 7.5制圖。

2　結果與分析

2.1　湖濱濕地樣點上覆水環境特性

湖濱濕地區域8個采樣點上覆水環境特征見表1。C1—1，C2—1點位于草甸濕地區和湖濱濕地區的交界處，受人為干擾影響相對較大；C1—2，C2—2點位于淺水區，水深約0.2 m，且有挺水植物——李氏禾植被覆蓋，覆蓋率達70%以上；C1—3，C2—3點黑藻生長茂盛，為沉水植物高覆蓋區，上覆水總磷(TP)濃度差異顯著，C1—3點TP濃度較高表現為0.176 mg/L，達到國家地表水Ⅴ類標準，而C2—3點TP濃度表現為0.051 mg/L，處在Ⅳ類水水平。C1—4，C2—4點位于湖泊中心區域，且無水生植被覆蓋，上覆水TP濃度分別表現為0.067，0.046 mg/L，分別處于Ⅳ類和Ⅲ類水水平。

2.2　巖溶濕地底泥鈣形態分布特征

2.2.1稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過程中表層底泥各形態鈣分布從圖2可以看出，稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過程中表層(0—5 cm)底泥鈣形態變化幅度較大，總鈣與酸可提取態鈣、可還原態鈣、可氧化態鈣、殘渣態鈣分布特征一致，平均含量均表現為：稻田濕地>湖濱濕地>草甸濕地。從圖2C—2D可以看出3種濕地類型中Ca均以可提取態為主，占總量的50%以上，其次是可還原態，占30%以上，可氧化態及殘渣態相差不明顯，約占總量的20%。樣帶Ⅰ，Ⅱ中稻田濕地A1—1，A2—1點靠近村落Ca總量表現出極大值，分別為22 599，21 365 mg/kg，然而A1—2，A2—2點Ca總量下降趨勢明顯，分別為6 246，5 864 mg/kg。草甸濕地的總鈣平均含量表現最低，樣帶Ⅰ，Ⅱ的平均含量分別為4 846，7 020 mg/kg。與此同時，湖濱濕地區樣帶Ⅰ，Ⅱ底泥總鈣平均值分別為(10 863±2 485)，(13 027±4 931) mg/kg，且湖心輻射區的底泥鈣含量高于湖岸輻射區。

表1　湖濱濕地采樣點水環境特征及部分理化性質

注：橫坐標中A代表稻田濕地，B代表草甸濕地，C代表湖濱濕地。

圖2巖溶濕地表層底泥總鈣和各形態鈣含量分布

2.2.2湖濱濕地底泥鈣形態垂直變化從圖3可知，湖濱濕地的C1—3，C1—4，C2—3，C2—4樣點底泥的Ca總量、酸可提取態Ca、可還原態Ca及可氧化態Ca均隨底泥深度的增加而減小，殘渣態Ca在垂直方向上無明顯變化。圖3A—3D顯示底泥Ca總量及形態含量呈現出表層>中層>底層，且各層之間差異性顯著(p<0.05)，這與前人研究結果一致。普者黑巖溶湖濱濕地具有富鈣底質、底泥淺、易受到外界干擾等特點，表層底泥較為活躍，而中、底層底泥含水率較低，一般為黃褐色土，較為穩定。圖3E殘渣態Ca無明顯分布特征，表層與底層間無顯著差異。

圖3　湖濱濕地底泥各形態鈣含量垂直分布

2.3　巖溶濕地表層底泥各形態鈣間的相關關系

樣帶Ⅰ，Ⅱ表層底泥Ca形態的相關性分析結果表明，總鈣與酸可提取態、可還原態、可氧化態鈣分別呈現極顯著正相關(p<0.01，下同)，而與總磷、殘渣態鈣相關性不顯著(表2—3)。總鈣與各形態鈣相關關系中，以酸可提取態鈣的相關系數最高，樣帶Ⅰ，Ⅱ分別達到0.985，0.982，其次是酸溶態>可還原態>可氧化態>殘渣態，與鈣形態的活性有關系。總磷與Ca形態呈現正相關，但相關性不顯著，高鈣質水體有助于沉積物對水體磷的控制，降低水體富營養化風險，CaCO3—P共沉淀被認為是湖泊水體的自凈機制之一。因此，總磷與鈣形態間有關系。

3　討 論

弱酸提取態鈣在酸性條件下很快釋放到周圍環境中，其活性很大，遷移性強，容易被生物直接吸收利用；可還原態鈣是與鐵錳氧化物結合在一起的鈣，當環境條件變為還原狀態時可釋放到底泥或土壤環境中被生物利用，其活性僅次于弱酸提取態；可氧化態鈣主要指被有機酸聚合物如胡敏酸、富里酸及蛋白質、脂肪、樹脂等結合的鈣，該部分活性較差，當土壤環境條件變為氧化態時，可以釋放到環境中去；殘渣態鈣主要是與硅酸鹽礦物結合的那部分鈣，在自然狀態下比較穩定且遷移性較小，難以被生物利用[9]。

本研究表明，巖溶濕地里各形態鈣中以酸溶態Ca、可還原態Ca含量較高，活性較大，遷移性強，容易被生物直接吸收利用，而可氧化態鈣活性較低，含量也表現較低水平。李天杰[10]、熊毅[11]等研究表明，西南喀斯特地區土壤中的鈣容易和胡敏酸結合生成難分解的胡敏酸鈣，胡敏酸鈣容易與R2O3生成活性胡敏酸，因此可能會導致可氧化態鈣含量較低。在3種不同的濕地類型中，稻田濕地底泥的Ca總量及各形態Ca含量均顯著高于湖濱濕地、草甸濕地，可能因為稻田長期受到外界人為干擾，農村(生活污水、畜禽糞便等)、農業(化肥、農藥等)面源污染的輸入，導致外源磷含量較高，可氧化態鈣和可還原態鈣易在氧化還原條件下與外源磷形成相對穩定的Ca2—P和Ca8—P[12-13]。草甸濕地Ca含量最低，可能由于草甸濕地區長時間受到當地放牧干擾，對土壤特征產生一定的影響，植被郁閉度低，根系淺，使得底泥中的Ca容易淋溶流失[14]。

湖濱濕地小范圍內挺水植物——李氏禾覆蓋區的C1—2，C2—2點Ca含量表現相對較低，Ca是高等植物必需的營養元素，植物根系一般直接從底泥中吸收Ca2+離子或通過代換膠體吸附的Ca來吸收Ca，Ca主要以離子形態進入植物體[15]。李氏禾根系發達，植被覆蓋率高，因此可能導致Ca含量相對較低。而沉水植物覆蓋區樣點C1—3，C2—3的Ca含量表現較高，主要因為沉水植物腐爛時會向水體釋放磷[16]，易與CaCO3發生共沉淀，進入到底泥導致Ca含量較高。孫承興等[17]研究表明土壤Ca元素全量及有效態含量從土層底部到表土層逐漸減少，但在本研究中，3種濕地底泥Ca含量均以表層最高，可能是表層土質較為松軟，底泥淺，符合“表層富集”的現象。

表2　樣帶Ⅰ表層底泥不同形態鈣間相關性

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，下表同。

表3　樣帶Ⅱ表層底泥不同形態鈣間相關性

除殘渣態外，總Ca與Ca其他形態均呈現極顯著正相關。Ca形態與總磷呈現正相關，但相關性不顯著。鈣對水體凈化作用主要體現在對磷的去除，Rodriguez等[18]研究表明CaCO3—P共沉淀是除磷的主要機制，CaCO3只吸附了少部分磷。底泥中可交換態鈣對水體中磷的作用過程最直接，容易形成磷酸一氫鈣進入底泥，但受pH值、DO、擾動等環境因子的影響，該過程可逆性強，對磷的固定不穩定[19-20]。但關于其原理及機制，有待進一步研究。

4　結 論

表層底泥總鈣含量在稻田濕地、草甸濕地、湖濱濕地系統中變化幅度較大，表現為稻田濕地>湖濱濕地>草甸濕地。底泥中各形態鈣組分中，以酸可提取態為主，占總量的50%以上，對底泥總鈣的貢獻最大。酸可提取態鈣、可還原態鈣、可氧化態鈣、殘渣態鈣分布規律與總鈣一致。除殘渣態鈣，湖濱濕地底泥鈣形態含量垂直方向總體均以表層(0—5 cm)最高，并依次向下層遞減。底泥鈣各形態相關性分析表明，底泥中酸可提取態鈣、可還原態鈣、可氧化態鈣與總鈣均呈極顯著正相關(p<0.01)。

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