桉樹人工林區水庫底泥氮、磷和有機質時空分布特征

施媛媛，李一平，羅 凡，郭晉川,李榮輝

(1.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098； 2.廣西壯族自治區水利科學研究院，廣西 南寧 530023)

桉樹(Eucalyptus)是桃金娘科桉樹屬植物的總稱[1-3]，因生長速度快、木材用途廣而具有巨大的經濟效益。然而大面積發展桉樹人工林會帶來許多生態環境問題[4]。我國南方尤其是廣西水庫眾多且桉樹種植廣泛，全區桉樹種植面積超過159萬hm2[5]，僅南寧市750座各類型水庫中就有550座種有桉樹，種植面積占水庫集水面積的58%；50座飲用水水源地水庫中45座種植了桉樹，且很多都出現了不同程度的水質惡化現象[6]。

一些含氮、磷的溶解性或顆粒態物質通過絮凝、吸附、沉降等作用蓄積于水庫沉積物中，使得表層沉積物的總氮(TN)和總磷(TP)濃度增加[7-9]；然而邱祖凱等[10]在研究福建山美水庫時發現底泥中總氮與總磷含量隨著深度變化不大，呈現持續較低的狀態。杜宏偉等[11-12]在對華陽河湖群底泥特性的研究中發現，如果總氮與有機質(OM)的相關性顯著，則表明總氮污染與有機質沉積之間的協同性較高，主要由漁業養殖餌料以及植物腐殖質進入底泥所造成；如果總氮與有機質弱相關，則表明總氮主要是外源輸入造成；如果湖泊中總磷和有機質具有顯著相關性，則表明泊湖中總磷外源輸入較小，主要是內源污染造成的。現有研究[13-16]表明，水庫底泥氮、磷、有機質的分布規律并不單一，桉樹經營活動、氣象水文條件、水動力特征等均會對林區水庫氮、磷和有機質的空間分布產生重要影響。此外，分析水庫底泥氮、磷與有機質的相關關系還有助于解析部分氮、磷的污染來源，為預防和治理水庫污染提供理論依據。

本文以南寧市那降水庫作為桉樹人工林區典型水庫，分析該水庫底泥中氮、磷、有機質的分布特征及其相關性，并評價底泥肥力狀況，為桉樹人工林的經營管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

南寧市位于北回歸線南側，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，年均降雨量達1 304.2 mm，降雨主要集中在5—9月，平均相對濕度為79%，氣候特點是夏季炎熱潮濕，冬季溫和干燥，干濕季節分明。那降水庫位于廣西南寧市隆安縣，是一個以灌溉為主，兼顧發電、供水、養魚功能的水利工程。那降水庫的總庫容為2 634 m3，有效庫容為1 880 m3，集雨面積為63 km2，庫區桉樹種植面積達65%，砍伐歷史超過10年，水庫在冬季會偶爾出現明顯的泛黑水現象。水庫主要影響下游城廂鎮的寶塔村、震東村，總人口0.85萬人，耕地面積為480 hm2。

1.2 樣品采集與處理

根據那降水庫庫區水深以及水文水質特征，并根據所確立的樣點應對研究區域的多項調查指標有較好代表性的原則，共設置3個采樣點(圖1)，NJ1采樣點位于壩前，水深約30 m；NJ2采樣點位于入庫支流段，水深約21 m；NJ3采樣點位于入庫干流段，水深約20 m。NJ1與NJ2周邊林區桉樹種植密度較小，NJ3所在水域附近桉樹的種植密度較大。于2015年夏季(8月25日)和冬季(12月19日)在每個采樣點用沉積物柱狀采泥器WB-PM分層采集底泥沉積物。每個采樣點采集約25 cm的底泥沉積物泥柱，并將每根泥柱均分為5層，分別裝入密封袋，帶回實驗室分析。

圖1 那降水庫采樣點分布

1.3 底泥理化參數測定方法

a. 含水率。將泥樣放入鋁盒中，用分析天平稱重，精確到0.01 g。然后將樣品放入105℃的烘箱，放置12 h后取出到干燥器內冷卻30 min再稱重。取3次平行測定的平均值。底泥經風干后磨碎過100目篩，用以測定總氮、總磷、總有機碳(TOC)和有機質。

b. 總氮含量。根據GB11891—1989《水質凱氏氮測定法》測定。

c. 總磷含量。根據GB8937—1988《土壤全磷測定法》，采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定。

d. 總有機碳含量。按1∶5泥水比將風干泥樣與超純水混合，在300 r/min的條件下連續振蕩24 h，然后以4 000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜(預先450℃下灼燒，恒溫5 h)濾液為溶解性有機質提取液，用總有機碳測定儀(Aurora1030C)測定。

e. 有機質含量。采用水和熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定。

1.4 數據分析方法

采用Microsoft Excel 2016處理數據，采用IBM SPSS Statistics 23分析底泥總氮、總磷與有機質的相關性。

2 結果與分析

2.1 水庫水文水動力特征

以每月的月徑流量(即每月通過該水庫的總水量)計算換水周期，計算公式為

T=V/v

(1)

其中

v=psr

式中：T為換水周期，月；V為有效庫容，m3；v為月入庫水量，m3/月；p為月降雨量，m/月；s為集雨面積，m2；r為徑流系數。

徑流系數取用珠江流域徑流系數多年均值0.52。從表1可以看出，5—9月以及11月換水周期較短，平均換水周期約4個月，1—4月及12月換水周期長，平均換水周期在30個月左右，是5—9月換水周期的8倍。

表1 那降水庫水文數據

2.2 含水率分布

含水率反映底泥的疏松情況，直接影響底泥的再懸浮程度。底泥的再懸浮是營養鹽在底泥與上覆水之間重新分配的重要途徑，能促進沉積物中磷的釋放[17]。除此之外，含水率的高低還會影響各形態磷含量變化速率，且含水率越高變化越快，這主要與底泥-間隙水之間的磷濃度梯度有關[18]。不同含水率的底泥具有不同的形態：85%以上含水率的底泥呈流態，65%～85%呈塑態，低于60%呈固態。那降水庫3個采樣點處底泥的含水率測定結果表明表層底泥的含水率均不高于85%(圖2，圖中H為底泥厚度)，說明底泥在不受干擾的情況下不輕易與上覆水交混。8月3個采樣點的底泥含水率的平均值分別為63.1%、61.8%和62.6%，水平相近，而12月3個采樣點的底泥含水率的平均值分別為59.7%、53.1%和70.7%，差異性相對較大，但整體都處于40%～70%的變化范圍內。各層采樣深度處的底泥含水率在兩個時間點的測值波動較大，穩定性差。整體而言，那降水庫3個采樣點表層底泥含水率的變化并不大，都在70%左右，且含水率隨深度的增加呈現明顯的降低趨勢。

(a) 8月25日采樣 (b) 12月19日采樣

2.3 總氮、總磷分布

圖3為那降水庫底泥總氮垂向分布圖，3個采樣點底泥總氮的平均質量比分別為2 297 mg/kg、2 037 mg/kg 和2 230 mg/kg。由圖3可知，就表層底泥而言，NJ3處的總氮質量比總是最大，且在8月的優勢更明顯；垂直方向上，3個采樣點在8月和12月的變化趨勢大致相同，表層底泥總氮的質量比隨深度增加持續降低，區別在于8月的降低幅度更大，但中下層幾乎穩定不變。8月和12月總氮的平均質量比分別為2 199 mg/kg和1 994 mg/kg，即12月總氮質量比略低于8月。

(a) 8月25日采樣 (b) 12月19日采樣

磷一般以無機鹽的形式儲存在底泥中[8]。圖4為那降水庫底泥總磷垂向分布圖，3個采樣點底泥總磷的平均質量比分別為275 mg/kg、226 mg/kg和262 mg/kg。由圖4可知，3個采樣點NJ1表層底泥的總磷質量比最高，NJ2最低，NJ1和NJ3的差距不大，但NJ2與另外兩點的差距較為明顯，與總氮的分布類似。8月總磷質量比的垂直變化趨勢與同月總氮質量比的變化類似，但12月上下層底泥無明顯差距。8月和12月總磷的平均質量比分別為256 mg/kg和230 mg/kg，即12月總磷質量比也略低于8月。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖4那降水庫底泥總磷分布

2.4 總有機碳、有機質分布

有機碳往往能直接反映生物量的多少，也能間接預測有機質含量的高低。就8月而言，測點NJ1和NJ3處總有機碳的質量比變化呈現隨深度的增加而降低的相似趨勢(圖5)，而NJ2先降后升再降；12月的分布變化則相對復雜，NJ2處總有機碳總體隨深度增加而降低，且在中下層下降幅度最大，另外兩個測點處在垂直方向上變化不明顯。8月和12月總有機碳的平均質量比分別為20 mg/kg和442 mg/kg，即12月總有機碳質量比也明顯高于8月。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖5那降水庫底泥總有機碳分布

有機質作為底泥的重要組成部分，能夠有效反映有機營養程度[19]，并且有機結合態也是氮、磷在底泥中的一種重要的賦存形式。圖6為那降水庫底泥有機質垂向分布圖，3個采樣點底泥有機質的平均質量分數分別為2.4%、2.6%和3.0%。8月和12月有機質的平均質量分數分別為2.7%和3.3%，冬季有機質質量分數高于夏季。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖6那降水庫底泥有機質分布

3 討 論

3.1 底泥氮、磷與有機質分布特征

那降水庫底泥氮、磷及有機質的垂向分布特征相似，大都呈現隨深度的增加而逐漸降低的趨勢，這與水庫底泥表層累積效應及深層厭氧環境有關，但是支流段(NJ2測點處)的有機質分布變化有所差異，呈現出表層氮、磷及有機質含量最高，中下層突降的規律，這是因為NJ2測點處狹長流速大、水力停留時間短均導致營養物質難以累積，輕質物質向下層的遷移受阻，只有少部分密度大的沉積物累積在底泥表層。壩前段(NJ1測點處)水深最大，是各支流最終的匯集點，營養物質的富集累積程度高，所以該處氮、磷質量比最高；干流段(NJ3測點處)的氮、磷質量比也很高，這主要與其周邊桉樹種植密度大有關，緩慢的流速也為物質在此處的沉降提供了很好的水力條件。

農必昌等[20]對廣西4個林場的桉樹造林區施肥與林區水體富營養化的研究發現，桉樹林區對氮肥的極大需求以及整地施肥方法都會造成林區水體營養過剩。那降水庫周邊桉樹林區所施用的化肥主要有尿素、氮磷復合肥等，氮、磷、鉀質量分數均超過30%。多數林區管理處的施肥時間集中，一年一次，量多頻次低，造成大部分營養物質難以被桉樹利用而流失進入土壤。營養物質進入水庫的途徑主要有以下兩種：一是夏季降雨頻率高、強度大，導致人工培育時所累積在水庫周邊土壤中的肥料隨泥土沖刷直接進入水庫；二是肥料在降雨的作用下加速入滲地下水，經水力傳導間接進入水庫。除此之外，秋冬季節覆蓋在地表的桉樹落葉能夠有效地截留肥料中的營養物質，加之季節更替導致庫區自身的水文水動力條件變化，這些因素均可能造成夏季水庫底泥氮、磷含量略高于冬季。然而，底泥有機質含量的季節性變化卻與氮、磷相反，8—12月經歷秋季，桉樹落葉積累，形成沉積物，隨著雨水徑流進入水庫，隨后通過沉降作用到達水庫底部；較長的換水周期也使得底泥表層的累積效應更加顯著，以致有機物含量增大。

3.2 季節性水溫分層對底泥氮、磷及有機質分布的影響

水深大于10 m的水庫易形成顯著的水溫分層現象[21-22]，那降水庫水深超過20 m，是典型的深水型水庫。8月那降水庫正處于水溫分層時期，水溫分層結構一旦形成將長期穩定，上層水體水溫較高，密度較小，而下層水體溫度較低，密度較大，因此上下層水體之間的交換受阻，導致下層水體及底泥中的溶解氧無法得到補足，下層水體與底泥形成缺氧或是厭氧環境[23-24]。與此同時，夏季高溫加快藻類生長，消耗大量溶解氧，下層水體及底泥的缺氧乃至厭氧狀態加劇，導致磷從沉積物中釋放。但穩定的水溫分層結構抑制了磷向上層水體擴散，依舊聚集在水庫的泥水交界面處，直至水溫分層結構在秋冬季節失去穩定，上下層水溫逐漸趨于相等，各水層的物理化學特性趨于均一。在水力誘導下，表層底泥與上覆水進行物質交換，營養物質進入水體。因此表層底泥的營養物質減少，但水體內源污染風險加劇。

表2 那降水庫夏季(8月)各測點底泥總氮、總磷與有機質三者的相關系數

注：**在p=0.01(雙尾)，相關性顯著；*在p=0.05(雙尾)，相關性顯著。表3同。

表3 那降水庫冬季(12月)各測點底泥總氮、總磷與有機質三者的相關系數

表4 底泥肥力評價分級標準

表5 那降水庫底泥中有機碳、有機氮質量分數和有機指數

3.3 總氮、總磷與有機質的相關關系

表2和表3分別為8月和12月那降水庫各測點底泥總氮、總磷與有機質三者的相關關系，結果表明，8月總氮、總磷與有機質之間存在明顯的正相關關系，表明底泥中的氮、磷主要以有機物的形式存在，營養物質主要來自林區肥料。桉樹的高產伴隨人工施肥頻率的加大，肥料中含有大量難生物降解的含氮含磷有機物，長時間累積在林區地表，在夏季高強度、高頻率的降雨作用下，大部分以地表徑流形式直接進入水庫，小部分滲入地表水經水力傳導間接進入水庫；而在冬季，除支流段(NJ2測點)總氮與有機質的相關性明顯較高之外，大多數數據表現出較低的相關水平(因天氣因素NJ3測點采集測定的數據量較少而缺乏代表性，不作為參考)，說明支流段含氮有機物的存量依舊不少，這主要與支流段的環境特征接近河道有關，有機氮被分解后隨水流遷移，測點NJ2處剩余的氮仍以有機物形式為主。12月總氮、總磷與有機質三者的相關關系說明兩種情況：一是秋冬季節水庫底泥中的有機質主要來自進入水庫的桉樹凋落物，凋落物大部分為腐殖質，主要成分為有機碳，有機氮和有機磷極少；二是在底部缺氧或厭氧條件下，原儲存在底泥中的有機氮和有機磷被分解成無機鹽，在水溫分層結構失穩后遷移至上部水體。

3.4 底泥肥力狀況評價

參照王書錦等[25]對洱海流域入湖河口濕地沉積物的污染風險評價，采用有機指數法對那降水庫底泥肥力狀況進行評價。底泥有機指數等于有機質質量分數和有機氮質量分數的乘積。表4為借鑒巢湖底泥肥力的評價分級標準所制定的適用于那降水庫的底泥肥力評價分級標準。表5為實測那降水庫底泥中有機碳、有機氮質量分數和有機指數，其中各測點有機質以及總氮質量分數為各測點深度方向質量分數的平均值。由表4、5可知，那降水庫的底泥有機指數遠大于0.05，屬于Ⅲ級肥污染狀態，內源污染負荷超高，水體自身生產力旺盛，富營養化風險以及環境污染物風險上升。

Molinero等[26]基于小型溪流區桉樹人工林對有機質營養物含量的影響研究發現，相比于榿木和橡樹，桉樹的樹葉長且重，更容易被保留在底泥中，對遷移性有機質的貢獻較少，并且在各種凋落物中，花朵和果實為主要的營養物載體。在廣西地區，除了桉樹外，雜交相思、馬尾松和由灰木蓮、米老排、火力楠與杉木等組成的混交林也普遍存在，然而楊鈣仁等[27]對各林區樹種凋落物的淋溶試驗結果表明，桉樹凋落物各組分氮的淋溶速率和淋溶累積量均顯著大于其他樹種，且桉樹凋落葉255 d淋溶累積量(8 623.1 mg/kg)分別是雜交相思、馬尾松凋落葉的3.51和4.05倍，是混交林中凋落葉的3.80倍。可見，桉樹對于林區水體氮、磷及有機質的貢獻更為顯著，是林區水庫底泥肥污染的重要原因之一，對桉樹人工林的凋落物進行針對性攔截收集，有利于保障飲用水水源地安全。

4 結論及建議

a. 桉樹人工林區的那降水庫底泥氮、磷的分布特征相似：多數情況下氮、磷含量隨著深度的加深而降低；8月底泥氮、磷平均質量比分別為2 199 mg/kg和256 mg/kg，均略高于12月底泥氮、磷平均質量比(1 994 mg/kg和230 mg/kg)。

b. 桉樹培育期施用的肥料是底泥氮、磷的重要來源，農藥及砍伐后的殘枝落葉是底泥有機質的主要成分；那降水庫的底泥有機指數遠大于0.05，屬于Ⅲ級肥污染狀態。

c. 為保障那降水庫的飲用水水源，應調節桉樹的栽種和砍伐周期，并合理使用肥料和農藥，少量多次，及時清理砍伐后的殘枝落葉。可在水庫周邊設置攔截設施，對水庫定期清淤。