普者黑巖溶濕地沉積物氮、磷、有機質分布及污染風險評價

張紫霞 ，劉鵬 ，王妍，張超，劉云根 ，楊波，張葉飛

1. 西南林業大學生態與環境學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業大學石漠化研究院，云南 昆明 650224；3. 西南林業大學林學院，云南 昆明 650224；4. 西南林業大學水科學與工程中心，云南 昆明 650224

沉積物是濕地生態系統中的主要成分，會對濕地水體構成污染（蔣宇霞等，2015；Wang et al.，2017）。濕地中的營養鹽及其他污染物主要是從沉積物中釋放出來，不同的環境條件下，沉積物釋放氮磷的量不同，但是都會對水體造成污染（Shen et al.，2013；Wang et al.，2009；徐進等，2014）。因而，探析沉積物中TN、TP和OM的含量及分布特征對控制及改善濕地生態系統具有重要意義（Wang et al.，2017）。

普者黑巖溶流域既是滇東南水域面積最大的巖溶流域，亦是當地重要飲用水源地。近年來，普者黑流域濕地水環境發生退化，一方面是由于巖溶含水層本就脆弱，另一方面是人類的不合理利用所導致的（聞國靜等，2017；劉云根等，2016）。目前國內對沉積物營養物質的研究多為沉積物營養物質的空間分布、形態組成及機理轉化等方面（王書錦等，2016），且詹乃才等（2016）、梅涵一等（2017）、倪大偉等（2018）對普者黑巖溶流域部分地區的氮、磷及有機質中的某一種養分物質的污染情況進行了研究，對巖溶濕地全流域沉積物營養物質分布特征的研究較少，因此研究巖溶濕地全流域沉積物營養物質的空間分布及污染評價具有重要意義。

中國巖溶地層面積約占國土面積的 1/3，西南地區巖溶地貌具有孤峰多、土層薄、洼地廣等特點，因而巖溶湖泊及濕地數量眾多（周忠發等，2016）。在巖溶洼地和盆地內散布著一種特殊的濕地——巖溶濕地（喀斯特濕地），因巖溶地貌獨特的二元水文結構，其形成與演化不僅受到區域自然環境變化因素的制約，還受到區域內人類活動的強烈影響，因此巖溶地區濕地的形成較為困難（張壽越等，2018；湛亞禮，2018）。普者黑地處珠江源頭和長江、紅河上游，既是滇東南水域面積最大的巖溶湖泊，亦是當地重要飲用水源地，獨特的地形地貌和特殊的巖溶湖泊及濕地生態系統，具有較高的研究及保護價值（劉云根等，2016）

本研究以普者黑巖溶流域為研究區，以流域內不同類型濕地中的表層沉積物為研究對象，探析不同類型濕地表層沉積物中TN、TP和OM的空間分布特征，并運用綜合污染指數法、有機污染指數法對沉積物營養鹽進行污染風險評價，以期為普者黑流域富營養化的控制與治理提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

普者黑巖溶流域位于丘北縣境內（103°55′－104°13′E，24°05′－24°12′N），距縣城大概 11 km，是中國西南地區最大的巖溶流域，流域面積為 388 km2，屬珠江流域西江水系，地處珠江源頭和長江、紅河上游，流域內分布有54個湖泊，312座孤峰，83個溶洞，15條河流和120 km地下暗河，是由湖泊、孤峰、峰林等構成的巖溶濕地復合生態系統，既是滇東南水域面積最大的巖溶流域，亦是當地重要飲用水源地。研究區地處云貴高原與桂西平原之間的斜坡地帶，位于普者黑巖溶盆地，地貌景觀為國內罕見的高原喀斯特峰林、峰從、湖群組合，地形平坦，海拔為1446－1462 m，氣候類型為南亞熱帶高原季風氣候。普者黑巖溶濕地主要的補給水源是擺龍湖和落水洞的巖溶地下水，其下游進入清水江后流入南盤江，最終匯入珠江。該區的年均溫為16.4 ℃，年均降雨量為1206.8 mm。濕地類型主要有沼澤濕地、庫塘濕地、河流濕地、湖泊濕地4種。

1.2 樣點布設與樣品分析

由于流域內存在不同的濕地類型，故根據整個流域的濕地類型并結合流域的匯流及分流情況，分別采集河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地及庫塘濕地下的表層沉積物（0－15 cm），地理坐標信息見表1，采樣時間為2018年10月10日，利用抓斗式底泥采樣器采取表層沉積物，取樣后把表層沉積物先放入標有標號的自封袋中，再放入冷凍恒溫箱中帶回實驗室分析沉積物 TN、TP和 OM 含量。沉積物TN、TP和OM指標分析方法均采用國家標準方法，即TN采用凱氏定氮法（LY/T 1228—1999），TP采用酸熔-鉬銻抗比色法（LY/T 1232—1999），OM采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法（LY/T1237—1999），采樣點分布圖見圖1。

1.3 評價方法

1.3.1 綜合污染指數法

運用綜合污染指數法（楊洋等，2014）評價表層沉積物TN、TP污染情況，由單項污染指數公式計算綜合污染指數（FF）。根據王佩等（2012）評價標準，進行綜合污染程度分級（表2）。

表2 沉積物綜合污染程度分級Table 2 Classification of comprehensive pollution degree of sediments

式中，Si為單項評價指數或標準指數；Si大于1表示因子i含量超過評價標準值；Ci為評價因子i實測值；CS為評價因子i的評價標準值；TN的CS取 1000 mg·kg-1，TP 的 CS取 420 mg·kg-1（張敏，2005）；F為n項污染指數平均值（STN和STP中平均值）；Fmax為最大單項污染指數（STN和 STP中最大者）。

表1 采樣點地理坐標信息Table 1 Geographic coordinate information of sampling points

1.3.2 有機污染指數評價

綜合污染指數評價法是運用評價參數 TN、TP的單項指數綜合得出一個指數值來表征沉積物污染程度，比單一的指數法更完善，但是沒有OM指標。為了使評價結果更全面，同時運用有機污染指數法沉積物污染現狀進行進一步評價（表3）。

表3 沉積物有機污染指數評價標準Table 3 Evaluation criteria for organic pollution index of sediments

圖1 采樣點分布圖Fig. 1 Sampling point distribution map

圖2 普者黑巖溶濕地表層沉積物中TN、TP、OM含量及空間分布Fig. 2 Contents and spatial distribution of TN, TP and OM in surface sediments of Puzhehei Karst Wetland

式中，OI為有機指數，%；OC為有機碳，%；ON為有機氮，%。

1.4 數據分析

運用SPSS 21計算TN、TP和OM相互間的Pearson相關系數；運用Excel 2010對數據進行初步處理；運用ArcGIS 10.0和Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 普者黑巖溶濕地表層沉積物中TN、TP、OM空間分布和相關性

2.1.1 普者黑巖溶濕地表層沉積物中TN、TP、OM空間分布特征

由圖2可知，普者黑流域表層沉積物TN、TP、OM 含量具有顯著的空間分布差異，其中，TN和OM的空間分布特征較為相似，但TN、TP、OM含量的空間分布不均勻，整體上表現為流域中游最高，流域上游和下游略低，但也有個別點位高。TN的質量分數范圍為893.57－4841.85 mg·kg-1，均值為1949.09 mg·kg-1，其中中游河流濕地的TN含量最高，上游河流濕地處最低，TN含量較高的點主要分布在河流濕地、湖泊濕地及沼澤濕地。河流濕地TN的質量分數范圍為893.57－4841.85 mg·kg-1；湖泊濕地的質量分數范圍為 1194.76－3135.72 mg·kg-1；沼澤濕地的質量分數范圍為 1509.85－3163.44 mg·kg-1；庫塘濕地的質量分數范圍為1573.97－1965.04 mg·kg-1。OM 的質量分數范圍為1.10%－6.27%，均值為2.58%，其中中游河流濕地表層沉積物中OM的含量最高。河流濕地OM的質量分數范圍為1.10%－6.27%，湖泊濕地的質量分數范圍為1.29%－5.17%；沼澤濕地的質量分數范圍為2.15%－3.65%；庫塘濕地的質量分數范圍為2.31%－2.64%。TP的質量分數范圍為 235.81－1439.58 mg·kg-1，均值 646.06 mg·kg-1，其中 TP 高值點位主要分布中游河流濕地。河流濕地TP的質量分數范圍為414.69－1439.58 mg·kg-1；湖泊濕地的質量分數范圍為328.26－683.54 mg·kg-1；沼澤濕地的質量分數范圍為423.21－685.20 mg·kg-1；庫塘濕地的質量分數范圍為 343.22－529.59 mg·kg-1。

2.1.2 普者黑巖溶濕地表層沉積物中 TN、TP和OM相關性

普者黑流域不同類型濕地表層沉積物中，庫塘濕地的 TN、TP和 OM相關性最顯著（表 4），但TN與TP呈顯著負相關性（P＜0.01），TN與OM呈顯著正相關（P＜0.01），TP與OM呈顯著負相關性（P＜0.01）；河流濕地的TN、TP和OM相關性次顯著，即TN與TP呈顯著正相關（P＜0.01），TN與OM呈顯著正相關（P＜0.01），TP與OM呈顯著正相關（P＜0.01）；湖泊濕地中表層沉積物TN與TP無相關性（P＞0.01），TN 與 OM 呈正相關（P＜0.05），TP與OM無相關性（P＞0.01）；沼澤濕地中表層沉積物TN、TP和OM無相關性（P＞0.05）。

表4 不同濕地類型下表層沉積物中TN、TP和OM相關性Table 4 Correlation of TN, TP and OM in surface sediments under different wetland types

2.2 普者黑巖溶濕地表層沉積物污染評價

2.2.1 綜合污染指數評價

由圖3可知，普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物中TP單項污染指數的最小值為0.56，最大值為3.43，平均值為1.54，污染程度為重度污染，有 77%樣點的 TP污染程度為中度-重度污染。TN單項污染指數的最小值為0.89，最大值為4.84，均值為 1.95，污染程度為中度污染，有 61%的樣點TN處于中度-重度污染；TN的污染沒有TP嚴重。全流域的沉積物綜合污染指數的最小值為0.96，最大值為4.50，均值為1.91，污染程度為中度污染，有約61%樣點處于中度-重度污染。

圖3 普者黑流域表層沉積物STN，STP和FF評價不同污染等級點位的百分比Fig. 3 Percentage of different pollution grade sites evaluated by STN, STP and FF in surface sediments of Puzhehei Watershed

從4種不同類型濕地的STN、STP及FF來看，TN、TP單項污染及綜合污染的污染程度均為中度-重度污染。河流濕地TP的單項污染指數范圍為0.56－3.43，均值為1.83，重度污染的樣點占28%；湖泊濕地TP的單項污染指數范圍為0.78－1.63，均值為1.36，重度污染的樣點占11%；沼澤濕地TP的單項污染指數范圍為 1.01－1.63，均值為 1.39，重度污染的樣點占5%；庫塘濕地TP的單項污染指數范圍為0.82－1.26，均值為 1.04。河流濕地TN的單項污染指數范圍為 0.89－4.84，均值為 1.90，重度污染的樣點占11%；湖泊濕地TN的單項污染指數范圍為 1.19－3.14，均值為1.73，重度污染的樣點占5%；沼澤濕地TN的單項污染指數范圍為1.51－3.16，均值為2.35，重度污染的樣點占17%；庫塘濕地TN的單項污染指數范圍為 1.57－1.97，均值為1.77。河流濕地的綜合污染指數范圍為0.96－4.50，均值為1.98，重度污染的樣點占17%；湖泊濕地的綜合污染指數范圍為 1.10－2.78，均值為1.70，重度污染的樣點占5%；沼澤濕地的綜合污染指數范圍為 1.39－2.77，均值為 2.12，重度污染的樣點占11%；庫塘濕地的綜合污染指數范圍為1.50－1.70，均值為1.60，無重度污染樣點。

2.2.2 有機污染指數評價

從圖4可以得出，普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物有機污染指數范圍為 0.05－1.67，平均為0.34，污染程度為中度污染。對比4種不同類型濕地中的有機污染指數，河流濕地 OI的范圍為0.05－1.67，均值為 0.35，污染程度為中度污染，其中有5%樣點處于重度污染；湖泊濕地OI的范圍為0.08－0.89，均值為0.32，污染程度為中度污染，其中5%樣點處于重度污染；沼澤濕地OI的范圍為0.18－0.64，均值為 0.39，污染程度為中度污染，其中5%樣點處于重度污染；庫塘濕地OI的范圍為0.20－0.29，均值為0.24，污染程度為中度污染。

圖4 普者黑流域表層沉積物有機指數評價不同污染等級點位的百分比Fig. 4 Percentage of sites with different pollution levels evaluated by organic index of surface sediments in Puzhehei Watershed

3 討論

普者黑巖溶流域是中國西南地區最大的巖溶流域，亦是當地重要飲用水源地。湖泊表層沉積物中TN、TP和OM的含量，是直接反映湖泊生態系統污染程度的營養鹽（李芬芳等，2018；王亞平等，2017）。2016－2018年間，普者黑巖溶流域水質整體 N、P超標，TN、TP含量總體呈上升趨勢，是湖泊生態系統中水質污染程度加劇的重要因子（詹乃才等，2018），普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物中TN、TP和OM的含量均不低，且污染程度為中度-重度水平，其內源負荷嚴重。

TN、TP和OM的含量水平空間特征總體表現均為流域中游＞流域下游＞流域上游，可能是流域中游屬重點旅游區及居民居住區。其中TN的含量水平空間分布總體表現為沼澤濕地＞河流濕地＞庫塘濕地＞湖泊濕地，TP的含量水平空間分布總體表現為河流濕地＞沼澤濕地＞湖泊濕地＞庫塘濕地，OM的含量水平空間分布總體表現為沼澤濕地＞湖泊濕地＞河流濕地＞庫塘濕地，可能是各類濕地的地理位置及區域范圍不同，且水流流量、流速以及外源污染進入量等變化的影響（王雁等，2016）。沼澤濕地的污染程度比河流濕地、湖泊濕地及庫塘濕地的嚴重，其綜合污染指數和有機污染指數分別是2.12和0.39，綜合污染程度為重度污染，有機污染程度為中度污染，其他3種濕地的綜合污染和有機污染程度均為中度污染。在普者黑巖溶流域中河流濕地中游（RW5）處 TP 的含量最高，達 1439.58 mg·kg-1，TN含量較高，達4841.85 mg·kg-1，OM的含量最高，達6.27%，綜合污染指數為4.50，有機污染指數為1.67，均達重度污染，其原因可能是中游河流濕地水面較寬，且屬于旅游區和居住區，人類活動頻繁，生活污水排放較多，且水流相對緩慢，營養物質易于沉積（卓海華等，2017）。本研究 4種類型濕地周圍均有居民區及農田，因此居民區及農田中的生活、農業灌溉及地表徑流等污水從不同位置及不同的量進入流域中，導致不同類型濕地中的TN、TP和OM的含量水平也不同，因此，普者黑巖溶流域不同類型濕地沉積物TN、TP和OM含量的空間分布差異主要是因為不同濕地區域周圍污染物的輸入不同。不同類型濕地內污染物的來源還有很多，如不同類型濕地周圍農村生活污水、畜禽糞便、農藥化肥等面源污染（錢曉雍等，2011），這些污染也會對普者黑巖溶流域不同類型濕地沉積物TN、TP和OM含量的空間分布特征產生影響。

總體上，普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物綜合污染指數和有機污染指數均呈中度-重度污染。有個別點位，如流域中游河流濕地（RW5）已達到了重度污染，這個位置的TN、TP及OM含量在全流域中均屬最高，分別為4841.85、1439.58 mg·kg-1和6.27%。造成污染的原因有旅游和人類活動，這個點位周圍有較多的旅游景點、村落及旅館，且村民都養殖了豬、牛等家畜，因此產生的畜禽糞便及生活污水會對水質造成較大影響（錢曉雍，2011）。從單項污染指數來看，河流濕地表層沉積物TN的污染程度為中度污染、TP的污染程度為重度污染，湖泊濕地和庫塘濕地表層沉積物TN和TP的污染程度均為中度污染，沼澤濕地表層沉積物TN的污染程度為重度污染、TP的污染程度為中度污染。TN、TP污染程度不同，一方面是由于普者黑流域是具有獨特的二元水文結構的巖溶流域，且巖溶地區濕地的形成較為復雜，且不同位置的濕地形成條件不同，對TN、TP的影響也不同，從而使規律也不相同（邱祖凱等，2016），另一方面可能與不同類型濕地所處的位置不同從而使氮磷的污染來源及含量不同有關。而畜禽養殖、農村污水排放和農田徑流等污染源也會加劇普者黑巖溶流域氮磷的污染程度，尤其是農村污水排放污染居首位（梅涵一等，2016，2017），且自然界磷的流失量并沒有氮的高（王曉燕等，2008）。普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物整體上的污染程度均表現為中度-重度污染，其中河流濕地TP的污染程度已達重度污染，具有一定的生態風險，因此，為了更好地保護脆弱又難以形成的巖溶濕地，應該重點控制磷污染源從而控制巖溶濕地磷污染。

湖泊濕地中表層沉積物 TN與 TP無相關性（P＞0.01），說明TN與TP的來源可能不同。TN與OM呈正相關（P＜0.05），根據相關研究可知，水體沉積物中的氮主要以有機氮的形式存在（鐘曉航，2014），普者黑湖泊濕地表層沉積物 TN與OM的相關性也具有相似的結果，TP與 OM 無相關性（P＞0.01），表明沉積物中OM含量對TP沒有影響。由此可知，湖泊濕地表層沉積物中OM的來源主要是濕地中水生植物及動物死亡后殘體分解，而湖泊濕地表層沉積物中OM的含量對N影響較大（高澤晉等，2016）。

4 結論

（1）普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物TN、TP和OM的含量均處于中等偏高水平。空間特征表現為流域中游＞流域下游＞流域上游；TN的含量水平空間分布總體表現為沼澤濕地＞河流濕地＞庫塘濕地＞湖泊濕地，TP的含量水平空間分布總體表現為河流濕地＞沼澤濕地＞湖泊濕地＞庫塘濕地，OM的含量水平空間分布總體表現為沼澤濕地＞湖泊濕地＞河流濕地＞庫塘濕地。

（2）Pearson相關性分析表明，庫塘濕地的TN、TP和OM相關性最顯著（P＜0.01），河流濕地的TN、TP和OM相關性次顯著（P＜0.01），湖泊濕地的TN和OM相關性顯著（P＜0.05），沼澤濕地的TN、TP和OM無顯著相關性（P＞0.05）。

（3）綜合污染指數和有機污染指數評價表明，普者黑巖溶流域不同類型濕地表層沉積物綜合污染指數整體上呈中度-重度污染，且沼澤濕地污染比河流濕地、湖泊濕地及庫塘濕地嚴重；有機污染指數整體上呈中度污染。