潮灘濕地圍墾為菜地后土壤生源要素含量變化及潛在生態風險

汪 蓉

(上海清寧環境規劃設計有限公司，上海 200051)

1 引言

河口潮灘濕地在全球濕地生態系統中具有重要的地位，而土壤是該生態系統的重要組成部分，是碳、氮和磷等生源要素的重要源與匯[1]。碳、氮和磷等元素深刻影響著潮灘濕地生產力，通過生物地球化學過程影響著物質的生產與傳輸，從而一定程度影響生態環境[2]。隨著社會經濟的發展，潮灘濕地圍墾成為緩解河口地區人多地少矛盾的重要方式之一[3]。潮灘濕地圍墾后，其土地利用和管理方式發生改變，這勢必會影響土壤理化性質以及碳、氮和磷等元素含量及生物地球化學循環[4]。因此，研究天然潮灘濕地圍墾后土壤碳、氮和磷等元素含量變化，并進行潛在生態風險評估對于河口濕地綜合管理與環境保護具有重要的理論與現實意義。

目前，針對天然潮灘濕地土壤碳、氮和磷含量開展了許多相關研究，發現植被類型、水文特征和鹽度梯度等對其生源要素含量具有重要的影響[5～7]。然而，對于潮灘濕地圍墾后，土壤有機碳(TOC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量變化的報道較少，對其造成的潛在生態風險認識也不甚清楚。當前，土壤TOC、TN和TP生態風險評價的標準較少，主要采用加拿大安大略省環境和能源部制定的沉積物質量評價指南[5]。為此，本研究以長江口為典型研究區，選取崇明東灘天然潮灘濕地和不同圍墾年限菜地土壤為研究對象，分析潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤TOC、TN和TP含量的變化，并進行潛在生態風險評估，旨為長江口濕地保護與合理開發利用提供科學基礎參考。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

長江口崇明東灘濕地位于長江入海口，其面積約為1267 km2。該區屬于亞熱帶季風氣候，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫為15.3 ℃，年均降雨量為1003.7 mm。崇明東灘濕地受潮汐影響，為不規則半日潮，平均潮幅為2.4～4.6 m。隨著社會經濟的發展，為解決人多地少的矛盾，歷史上對崇明島東灘濕地進行了多次圍墾，形成一系列不同圍墾年限的農業用地(如菜地、稻田和養殖塘等)。

2.2 研究方法

2.2.1 實驗設計與樣品采集

基于野外調查和遙感數據，以崇明東灘濕地及3個不同圍墾年限(約20年、28年和52年)的菜地土壤為研究對象(圖1)。每個用地類型布設50 m×50 m樣方作為采樣區，隨機確定3個采樣點，樣點間距離為10～15 m，并于2019年夏季(8月份)和冬季(12月份)進行采樣。采樣時，用不銹鋼土鉆采集0～10 cm土壤樣品，并混合均勻，裝入自封袋，放入4 ℃保溫箱，于4 h內帶回實驗室。實驗室內，將一部分樣品放入4 ℃冰箱保鮮，另一部分自然風干。風干的土壤樣品過2 mm篩，之后再取一小部分過0.149 mm篩，待測。

圖1 研究區和采樣地布設

2.2.2 樣品測定

土壤TOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[8]，土壤TN和TP分別用碳氮元素分析儀(ElementarVario MAX CN, Germany)和SMT法測定[9]。土壤pH值和電導率(EC)分別利用奧立龍868型酸度計和DDS-307型電導儀測定。采用烘干法和環刀法測定土壤含水量和容重[8]，Fe2+和Fe3+利用鄰菲羅啉比色法測定，并計算Fe2+/Fe3+值[8]。

2.2.3 潛在生態風險評價

土壤TOC、TN、TP達到一定濃度會對土壤及生物產生一定的毒害作用。目前，關于土壤TOC、TN和TP等生源要素生態風險評價暫無統一的標準與方法，較多采用單因子污染指數法[5]，單一污染因子i的一般標準指數關系式為：

Pi=Ci/Cs

(1)

式(1)中，Pi為單項評價指數或標準指數，Ci和Cs分別為評價因子i的實測值和標準值。土壤生源要素含量生態風險評價多采用加拿大安大略省制定的環境質量評價標準，即能引起最低級別生態風險效應，其TOC、TN和TP濃度分別為10 g/kg，0.55 g/kg和600 g/kg。根據Pi的大小，一般可將評價區域土壤分為四級，其中Ⅰ級表示清潔(PTOC<1、PTN<1和PTP<0.5)，Ⅱ級表示輕度污染(1≤PTOC<5，1≤PTN<2，0.5≤PTP<1)，Ⅲ級表示中度污染，(5≤PTOC<10，2≤PTN<3，1≤PTP<1.5)，Ⅳ級表示重度污染(PTOC≥10，PTN≥3，PTP≥1.5)。

2.2.4 數據處理與統計分析

采用SPSS19.0對數據進行處理統計，利用Pearson相關系數表征土壤生源要素含量與理化性質之間的相關關系，用Origin 8.0繪圖。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質

長江口崇明東灘濕地與圍墾菜地土壤理化性質如表1所示。表1顯示圍墾菜地土壤pH值總體上小于天然潮灘濕地，且隨圍墾年限的延長而減小，但夏季和冬季土壤pH值總體無明顯差異。此外，天然潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤EC、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值也具有顯著的變化(表1)。其中，菜地土壤EC(1.19～1.24 mS/cm2)顯著小于天然潮灘濕地(3.13～3.23 mS/cm2)。天然潮灘濕地土壤容重和含水量分別介于1.46～1.52 g/cm3和50.67～52.33%，而圍墾為菜地后其容重和含水量顯著降低(表1)。天然潮灘濕地和菜地土壤Fe2+/Fe3+值介于0.71～0.94，總體上表現為菜地大于潮灘濕地，但不同年限菜地之間Fe2+/Fe3+值無顯著差異(表1)。

表1 天然濕地和不同年限菜地土壤理化性質

3.2 土壤TOC、TN和TP含量

天然潮灘濕地土壤TOC含量介于14.90～16.09 g/kg，季節上表現為夏季高于冬季(圖2)。不同圍墾年限菜地土壤TOC含量范圍為18.44～20.79 g/kg，在季節上總體無明顯差異。從天然潮灘濕地和菜地對比看，菜地土壤TOC含量顯著高于潮灘濕地，且圍墾28年的菜地具有最高的TOC含量(圖2)。土壤TN含量變化與TOC相似，天然潮灘濕地和菜地土壤TN含量介于1.27～2.36 g/kg，其中圍墾菜地的TN含量總體上高于天然潮灘濕地，且隨圍墾年限延長，其含量也略有增加。天然潮灘濕地和菜地土壤TN含量均無顯著季節差異(圖2)。天然潮灘濕地土壤TP含量介于674.11～697.39 mg/kg，而菜地土壤TP含量范圍為822.68～1134.39 mg/kg，總體表現為菜地土壤TP含量高于潮灘濕地。夏季，土壤TP含量隨著圍墾年限的延長而逐漸增加，但冬季表現為圍墾52年>圍墾28年≈圍墾20年>天然濕地。天然潮灘濕地和菜地土壤TP含量在季節上無明顯差異。

圖2 天然潮灘濕地和不同年限菜地土壤有機碳、全氮和全磷的含量

3.3 土壤TOC、TN和TP含量與理化性質的關系

土壤TOC與TN和TP均有極顯著正相關關系，且TN和TP也具有顯著的正相關關系(圖3)。土壤pH和EC與TOC、TN和TP均呈現極顯著的負相關關系(表2)。土壤容重與TOC和TN呈顯著負相關，但與TP無顯著相關。土壤含水率與TOC和TP呈顯著負相關，而與TN無顯著相關關系。土壤Fe2+/Fe3+值與TOC、TN和TP也具有顯著的負相關關系。

圖3 土壤TOC、TN和TP之間的相關關系

表2 土壤TOC、TN和TP含量與沉積物理化性質的相關系數

3.4 土壤TOC、TN和TP潛在風險評價

天然潮灘濕地和圍墾菜地土壤TOC、TN和TP的生態風險指數均大于1，表明具有一定的污染風險(表3)。天然濕地和圍墾菜地的TOC單因子污染指數小于5，均為Ⅱ級輕度污染。從TN單因子污染指數可知，圍墾菜地的潛在生態風險指數顯著大于天然潮灘濕地。此外，圍墾菜地也一定程度增加了TP單因子污染指數，但僅圍墾52年菜地顯著增加了TP潛在生態風險等級。

表3 天然潮灘濕地與圍墾菜地土壤TOC、TN和TP潛在風險指數與等級

4 討論

4.1 土壤理化性質變化

潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤pH值總體上有所降低，這主要是因為潮灘濕地長期受潮汐影響[10]。此外，圍墾菜地土壤EC也顯著小于潮灘濕地，這也與土地利用方式有關。土壤EC是與鹽度密切相關，是鹽度大小的重要表征，潮灘濕地受海水影響，EC相對較高，而圍墾為菜地后在人為干擾作用下，土壤EC顯著降低[11]。圍墾菜地土壤含水率下降也與管理方式密切相關，潮灘濕地受潮汐周期性淹沒的影響，其含水率相對較高。潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤容重也顯著下降，這主要是由于菜地土壤受人為耕作影響較為疏松，從而降低了土壤容重[10]。本研究中，進一步計算了Fe2+/Fe3+值，結果表明潮灘濕地圍墾為菜地后，Fe2+/Fe3+值有所降低(表1)。Fe2+/Fe3+值是土壤氧化還原潛力的重要表征，說明潮灘濕地圍墾成菜地后，土壤由弱還原向氧化環境過渡，這主要是由于菜地為旱地，而耕作導致土壤通透性較好，從而降低了Fe2+/Fe3+值。

4.2 土壤TOC、TN和TP含量及潛在污染風險變化

土壤是濕地等自然生態系統的重要組成部分，TOC、TN和TP等生源要素是反映土壤營養程度的重要標志[12]。研究發現，潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤TOC、TN和TP含量總體上有所上升，且隨著圍墾年限的延長而不斷增加(圖2)，這種現象可能與菜地人為施肥活動有關。有報道指出，在崇明島圍墾區，每年施肥將近300 kg/hm2，這顯著增加了土壤TOC、TN和TP等生源要素含量[13]。分析圍墾菜地和潮灘濕地土壤TOC、TP、TN含量間相關關系發現(圖3)，土壤TOC、TN和TP之間關系非常密切，這與胡敏杰等[5]和陳桂香等[14]研究相似。此外，TOC、TN和TP還受容重和氧化還原狀況等的影響。本研究發現TOC、TN和TP與容重和Fe2+/Fe3+值呈顯著負相關(表2)。土壤容重越小，其通透性越好，這使得土壤理化性質得到改善，有利于養分的貯存[15, 16]。潮灘濕地圍墾成菜地后，由于施肥影響，土壤TOC、TP、TN含量增加，而土壤容重降低有利于這些生源要素的儲存與積累。此外，強厭氧環境有利于促進有機物質的厭氧分解，增加其消耗速率，若好氧環境增強，其消耗速率可能相對較低，而碳、氮、磷三者之間具有密切的相互耦合關系，促使圍墾的菜地保持較高的TOC、TP和TN含量[17]。

土壤TOC、TN、TP含量達到一定的濃度會對土壤環境產生一定的風險[18]。本研究單因子評價結果顯示，潮灘濕地圍墾成菜地后，TOC、TN和TP單因子污染指數總體上有所上升，特別是TN和TP的單因子污染指數。從TOC而言，圍墾菜地沒有改變土壤的潛在生態風險，但顯著增加了TN和TP的潛在生態風險。因此，在潮灘濕地圍墾成菜地的農業活動中需進一步提高養分轉化效率，這對提高經濟效益和改善生態環境具有重要的意義[14]。

5 結論

通過對比天然潮灘濕地和不同圍墾年限菜地土壤的TOC、TN和TP含量，并進行潛在生態風險評估，得到以下主要結論：

(1)相比天然潮灘濕地，圍墾菜地土壤TOC、TN和TP含量相對較高，且總體上隨著圍墾年限延長而呈增加趨勢。

(2)土壤TOC與pH值、電導率、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值均呈顯著負相關，土壤TN僅與pH值、電導率、容重和Fe2+/Fe3+值密切相關，而TP與pH值、電導率、含水率和Fe2+/Fe3+值顯著相關。

(3)長江口天然潮灘濕地和圍墾菜地土壤TOC、TN和TP的生態風險指數均大于1，表明具有一定的污染風險，且圍墾菜地一定程度上增加了TOC、TN和TP潛在生態風險。