, 雷沛2,3
, 李珣4, 刘红磊1, 周滨1, 陈晨1, 邢美楠1, 李秀仙4, 孔文亮41. 天津市生态环境科学研究院, 天津 300191;
2. 南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室, 南京 210023;
3. 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(中国科学院生态环境研究中心), 北京 100085;
4. 天津北大港湿地自然保护区管理中心, 天津 300270
收稿日期: 2020-12-01; 修回日期: 2021-04-07; 录用日期: 2021-04-07
基金项目: 天津市科技计划项目（No.18ZYYFSF00010）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2017ZX07107-004）；环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（中国科学院生态环境研究中心）专项经费（No.20K02ESPCR）
作者简介: 李慧(1977-), 女, 高级工程师, E-mail: 65972736@qq.com
通讯作者（责任作者）: 雷沛, E-mail: peilei@nju.edu.cn
摘要：北大港湿地是天津市最大的湿地自然保护区，是东亚——澳大利亚候鸟的重要迁徙中转站.了解北大港湿地水体和沉积物氮磷含量及分布特征，对探明湿地营养物质的污染状况，控制水体富营养化状态具有重要参考意义.本研究将北大港湿地自然保护区分为核心区、缓冲区、实验区3个区域，共采集65个点位表层水样和沉积物样，分析不同人为干扰条件下水和沉积物中主要营养物的空间分布特征，并运用单因子指数、综合污染指数和有机污染指数评价其污染程度.结果表明，北大港湿地表层水中总氮含量为1.33~18.8 mg·L-1，有86%采样点位超过了Ⅴ类水标准限值，但氨氮平均含量优于Ⅲ类水标准限值.总磷浓度为0.030~2.32 mg·L-1，38%采样点位超过了Ⅴ类水标准限值.空间分布上，表层水氮磷含量从核心区到缓冲区、实验区总体呈现缓慢增长趋势.沉积物碳氮比含量为14~58，缓冲区、实验区沉积物有机质主要受到流域人类活动输入的影响.湿地沉积物总磷含量为417~886 mg·kg-1，钙结合磷是沉积物总磷最主要形态，占总磷比例为60%~86%.单因子指数以及综合污染指数评价表明，北大港湿地表层沉积物总氮污染严重，整体呈现出重度污染状态，其中，尤其需要重视核心区北大港水库沉积物的总氮污染.
关键词：沉积物氮磷形态湿地自然保护区
Distribution characteristics and pollution assessment of nitrogen and phosphorus in sediments from Beidagang Wetland in Tianjin City
LI Hui1
, LEI Pei2,3, LI Xun4, LIU Honglei1, ZHOU Bin1, CHEN Chen1, XING Meinan1, LI Xiuxian4, KONG Wenliang41. Tianjin Academy of Eco-Environmental Sciences, Tianjin 300191;
2. State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210023;
3. State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
4. Tianjin Beidagang Wetland Nature Reserve Management Center, Tianjin 300270
Received 1 December 2020; received in revised from 7 April 2021; accepted 7 April 2021
Abstract: Beidagang Wetland is the largest wetland nature reserve in Tianjin City, which is served as an important habit for the migratory shorebirds in the East Asian-Australasian flyway. Investigating the contents and distribution characteristics of nitrogen and phosphorus in water and sediments from Beidagang Wetland is of great significance to explore the nutrient status in this area. Here, both water and sediment samples from 65 sites were collected from three-sub areas, i.e., core, buffer and experimental zones, to analyze the spatial distribution characteristics of main nutrients under different intensities of anthropogenic activities. Moreover, single factor index, comprehensive pollution index and organic pollution index were used to evaluate the pollution degree of nutrients in sediments. Our results showed the levels of total nitrogen in surface water from Beidagang Wetland ranged from 1.33 to 18.8 mg·L-1, and 86% of the sampling sites exceeded the limit of Class V of the Environmental Quality Standard for Surface Water in China (GB3838-2002). However, the average content of ammonia nitrogen was better than the limit of Class Ⅲ. The ranges of total phosphorus in surface water were from 0.030 to 2.32 mg·L-1, and 38% of the sampling sites exceeded the limit of Class V. In terms of spatial distribution, both of nitrogen and phosphorus increased significantly from the core zone to the buffer and experimental zones. The C/N ratio of sediments ranged from 14 to 58, which also indicated that the organic matter in sediments from the buffer and experimental zones was mainly affected by anthropogenic activities in the basin. The levels of total phosphorus in wetland sediments ranged from 417 to 886 mg·kg-1. Calcium bound phosphorus was the main form in sediments, accounting for 60%~86% of total phosphorus. The single factor index and the comprehensive pollution index evaluation showed that the pollution of total nitrogen in sediments was in serious status. In particular, special attention should be paid to the east part of Beidagang Reservoir in the core zone.
Keywords: sedimentsnitrogenphosphorus speciationwetlandnature reserve
1 引言(Introduction)滨海湿地具有提供初级生产力、拦截污染、降解污染物、调节水质等多种服务功能, 是一些重要鱼类资源的产卵场、索饵场和越冬场, 以及鸟类迁徙的停歇地和越冬区(Barbier et al., 2008; 胡雪红等, 2020).然而, 受围垦和填海等人为活动以及全球气候环境变化的影响, 滨海湿地也呈现出了面积锐减、生态系统功能退化等问题.据统计, 我国滨海湿地面积从1970年的7848 km2下降到2015年的4895 km2, 近半个世纪时间里减少了38%(Song et al., 2020).此外, 滨海湿地会受到周期性淹水与土壤高盐度的双重胁迫, 其独特的植被结构会改变湿地水动力条件和沉积过程, 进而对滨海湿地营养物质循环产生显著影响(栾兆擎等, 2020).关注滨海湿地的营养状况, 对有效保护和管理滨海湿地具有重要的意义.
沉积物是湿地生态系统的重要组成部分, 也是碳氮磷等污染物的主要蓄积库(卢少勇等, 2012; 高泽晋等, 2016; 雷沛等, 2018).沉积物中的碳氮磷元素对提高湿地系统的生产力、维持湿地生物多样性具有重要作用.例如, 湿地沉积物碳含量能够用来指示湿地对环境变化的响应(王红丽等, 2009), 而氮磷是植物生长必需的营养元素(胡伟芳等, 2014).湿地对碳、氮和磷具有较强的截留和过滤作用, 承载着碳氮磷的源、汇功能(杨文焕等, 2018).当进入湿地的外源负荷得到控制时, 吸附在沉积物上的营养物质就能通过解析、溶解等作用返回进入上覆水, 形成湿地营养源的内源负荷, 从而影响湿地对负荷的削减效果和湿地水质.因此, 沉积物是营养元素累积和再生的重要场所, 也是制约水质的重要次生污染源(郭媛等, 2012).当前, 针对湿地氮磷研究多关注人工湿地对氮磷污染物的去除及机理探究(Walton et al., 2020; Zhang et al., 2021), 而对这种用于自然湿地氮磷分布状况并未予以足够的关注.
北大港湿地是天津市最大的湿地自然保护区, 是东亚—澳大利亚候鸟的重要迁徙中转站, 该湿地生态系统保存相对完整, 具有丰富的生物多样性(卞少伟等, 2017).然而, 近年来, 天津海岸带区域经济社会发展迅速, 污染排放量和污染水域面积持续扩大, 北大港湿地也逐渐受到人为活动的干扰, 湿地面积呈现缩小趋势, 环境质量也有所下降(尚东维等, 2018).目前, 对北大港湿地的关注也主要集中在浮游植物群落(卞少伟等, 2017)、底栖生物群落调查(尚东维等, 2018)以及生物多样性分析(赵广君等, 2017; 洪宇薇等, 2019)等方面, 在水污染方面研究也多限于小区域(如核心区北大港水库)分析(李海明等, 2014; 祁艳丽等, 2016; 张兵等, 2017).按照北大港湿地自然保护区功能规划, 北大港湿地区域划分成不同的功能服务区(如核心区、实验区和缓冲区), 这些区域受到人为活动干扰的强度不一致, 其水体沉积物营养盐的空间分布特征和污染状况还未完全明晰.而维系北大港湿地自然保护区生态系统优良, 需要针对不同功能区的特点采取不同的治理、管理和保护措施.因此, 本研究通过对北大港湿地开展全面的采样调查, 分析不同功能区沉积物有机质和氮磷分布, 并对污染状况进行评估, 从而为维持北大港湿地自然保护区优良的生态系统服务功能提供基础数据与支撑.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 区域概况北大港湿地自然保护区位于天津市滨海新区东南部, 距渤海湾6 km, 区域包括北大港水库、沙井子水库、钱圈水库、李二湾以及沿海滩涂等区域(图 1).保护区总面积为34887 hm2, 其中核心区面积为11572 hm2、缓冲区面积为9196 hm2、实验区面积为14119 hm2, 是天津市内面积最大的湿地自然保护区(洪宇薇等, 2019).保护区内区域平坦、水域较多、水深适宜, 湿地生态系统保存完整, 有着良好的生物多样性.据统计, 北大港湿地自然保护区记录到的鸟类达140多种(分属12目26科), 其中属国家Ⅰ级保护物种的有6种(即东方白鹤、黑鹤、丹顶鹤、白鹤、大鸨、遗鸥)、属国家Ⅱ级保护物种有17种(张庆辉, 2013).北大港湿地也是东亚——澳大利亚候鸟迁移的必经之地, 这里每年迁徙和繁殖的鸟类近一百万只(卞少伟等, 2017).
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 北大港湿地采样点位分布 Fig. 1Distribution of sampling sites of Beidagang Wetland |
2.2 样点布设按照北大港湿地自然保护区功能规划, 将整个自然保护区分为核心区、缓冲区和实验区等3个区域, 不同区域也有相应的开发尺度和保护等级的规定.根据北大港湿地自然保护区生态环境调查与生态服务功能评估方案, 对相关区域一共布设65个采样点, 开展表层水和表层沉积物样品采集.各区域样点分布为: ①核心区, 即北大港水库的西库区(BDGw), 在保持尽可能深入库区的前体下, 选取水库周边方便水和沉积物样品采集的点位, 共布设11个采样点.②缓冲区, 包括2个区域, 李二湾区域(LEW)呈狭长型, 北部区域由于当地工程设限无法采集, 固沿南岸共采集10个点；李二湾东侧海滩(即马棚口海滩, MPK)正片区域虽然很大但很难深入进去, 大部分湿地处于海滩西侧一带, 沿途定了布设6个采样点.③实验区, 包括5个小区域, 独流减河下游河滩的万亩鱼塘(WM), 对该区域进行网格布点, 点位多位于鱼塘交错纵横的道路边上, 共计15个；北大港水库东库区(BDGe)由于水库沿途可采样的点位较少, 布设采样点5个；沙子井水库(SJZ)和钱圈水库(QQ)的区域均不大, 两者沿途均布设5个采样点；李二湾南侧区域(LEWs)亦呈狭长型, 沿途布点7个.具体的采样区域分布和样点布设如图 1所示.
2.3 样品采集与分析2.3.1 样品采集与预处理2019年5月对北大港湿地自然保护区各区域开展水样和沉积物样品采集.当调查点位水深小于2 m时, 在水下20 cm处采集水样500 mL；若水深大于2 m时, 则分别在水面下20 cm处和水面下1.5 m处采集水样后混合.水样采集后, 取一半水样经0.45 μm滤膜过滤保存.沉积物采集样点和水样采集点位保持一致.利用抓泥斗采集表层沉积物, 每个样点平行采集3次, 然后进行混匀, 尽快运回实验室保存, 用于沉积物中碳、氮、磷等相关指标分析.沉积物样品冷冻干燥后, 剔除砾石、贝壳及动植物残体等杂质, 用玛瑙研钵研磨后过100目用于相关指标的测定.
2.3.2 相关指标分析水样分析指标包括总氮、溶解性总氮、氨氮、总磷、溶解性总磷、溶解性活性磷, 各指标分析均按《水和废水监测分析方法(第4版)》相应的标准方法进行测定.沉积物中总碳和总氮的含量在元素分析仪(Vario EL Ⅲ, Elementar, GRE)上测定；沉积物总有机碳测定采用重铬酸钾氧化法(朱晓磊等, 2016; 吕豪朋等, 2017).参考Moore等对于沉积物不同磷形态进行化学分级浸提(Moore et al., 1994), 将沉积物总磷划分为可交换磷、铁铝结合态磷、活性有机磷、钙结合磷和残渣磷, 各形态磷逐级提取流程详见余斌潇等(2019)的研究.
2.4 沉积物氮磷污染评价2.4.1 综合污染指数法采用综合污染指数法评估表层沉积物TN和TP污染程度(苗慧等, 2017; 杨文焕等, 2018).
 | (1) |
 | (2) |
表 1(Table 1)
| 表 1 沉积物综合污染评价标准 Table 1 Standard of comprehensive pollution for sediments | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 沉积物综合污染评价标准 Table 1 Standard of comprehensive pollution for sediments
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2.4.2 有机污染指数法沉积物有机污染指数和评价标准如下(杨文焕等, 2018):
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 | (4) |
表 2(Table 2)
| 表 2 北大港湿地水样氮磷分布 ? Table 2 Distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in waters from Beidagang Wetland | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 北大港湿地水样氮磷分布 ? Table 2 Distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in waters from Beidagang Wetland
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空间分布上, 从核心区到缓冲区、实验区, 水体总氮浓度呈阶梯状增长趋势, 总氮浓度依次为(2.14±0.43)、(5.94±2.34)和(6.15±4.25) mg·L-1(表 2), 说明随着人为干扰强度的增强, 水体氮素污染呈加重的趋势.水体溶解性总氮和氨氮与总氮呈现类似的变化趋势, 从核心区到缓冲区、实验区呈现缓慢的上升.需要强调的是, 本研究发现核心区北大港水库西库氨氮含量仅为(0.396±0.196) mg·L-1, 优于Ⅱ类水(≤ 0.5 mg·L-1), 这说明基本上未受人为干扰的核心区水体具有优良的水质, 同时也表明了开展自然保护区功能区划分、构建核心区以及实施相关严格保护措施对于维持区内水质优良具有重要支撑作用(姜刘志等, 2012).北大港水库建成于1980年, 该水库不仅用于大港及周边地区农业及工业用水, 同时还扮演着向市区供应生态及生活用水的角色, 在附近区域乃至天津市的工农业及生产生活中发挥着不可替代的作用(祁艳丽等, 2016).
3.1.2 水体磷分布特征北大港湿地水体总磷浓度为0.030~2.32 mg·L-1, 平均值为(0.230±0.288) mg·L-1, 有38%采样点位水体总磷浓度超过了Ⅴ类水标准浓度限值(0.2 mg·L-1).溶解性总磷含量为0.010~2.22 mg·L-1, 平均值为(0.132±0.270) mg·L-1, 平均占总磷比例为55%；溶解性活性磷含量为0.010~1.07 mg·L-1, 平均值为(0.077±0.133) mg·L-1.空间分布上, 水体总磷和总氮变化趋势一样, 也从核心区到缓冲区、实验区呈阶梯状增长趋势, 总磷浓度依次为(0.111±0.024)、(0.168±0.061)和(0.501±0.654) mg·L-1, 说明随着人为活动强度的增大会增加向湿地系统中总磷的输入.其中, 实验区万亩鱼塘、北大港西、沙井子、钱圈水库和李二湾南等样点水体总磷含量基本上都超过了Ⅴ类标准限值, 这些区域的磷污染问题应该引起重视.
从水体总氮和总磷的平均含量来看, 湿地水体氮磷浓度都超出地表水Ⅴ类标准, 并远超过国际上广泛认可的发生水体富营养化的临界浓度(总氮为0.2 mg·L-1, 总磷为0.02 mg·L-1), 表明氮、磷生源要素完全可以满足藻类生长的需要, 一旦温度、光照、水动力等条件适宜, 藻类就可能快速繁殖, 从而导致水质恶化, 存在发生富营养化的风险(雷沛等, 2012).
3.2 沉积物碳、氮分布特征北大港湿地沉积物总氮含量平均值为0.030%~0.410%, 平均含量为0.123%±0.077%, 空间分布呈现一定的异质性, 从核心区、缓冲区到实验区呈轻波动趋势, 沉积物总氮平均含量分别为0.199%±0.084%、0.086%±0.032%和0.112%±0.081%.北大港湿地沉积物总碳含量平均值为1.45%~6.86%, 平均含量为2.66%±1.18%, 空间分布与总氮保持一致, 从核心区、缓冲区到实验区呈波动变化(图 3).
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 北大港湿地沉积物中磷(a)及其形态(b)分布 Fig. 3Distribution of phosphorus contents (a) and their speciation (b) in sediments from Beidagang Wetland |
沉积物中有机质主要来自水中藻类等浮游植物产生的自生源有机质(即内源)以及由流域侵蚀带来的陆生植物碎屑(即外源), 不同来源的有机质表现出不同的碳氮比, 沉积物中的碳氮比可有效指示有机质的来源(张成君等, 2012; 杨文焕等, 2018): 浮游藻类由于富含有机质而导致较低的碳氮比, 一般为4~10；而维管束植物等陆地植物由于富含纤维素而导致较高的碳氮比, 一般大于20.因此, 较低的碳氮比表明沉积物中有机质以藻源为主(Elser et al. 2007).北大港湿地沉积物碳氮比含量为14~58, 平均含量为24.4±7.7, 从核心区到缓冲区和实验区呈现明显的上升趋势, 其碳氮比平均含量分别为18.2±2.7、27.2±11.7、28.2±12.7(图 2).仅核心区北大港东点位碳氮比低于20, 说明此处沉积物有机质主要来源于陆地植物源和藻类内源的混合源；而其他点位沉积物碳氮比均超过20, 这说明北大港湿地缓冲区、实验区主要受到流域人类活动输入的有机质影响.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 北大港湿地沉积物碳(a)、氮含量(b)及碳氮比(c)统计 Fig. 2Statistics of nitrogen (a), carbon concentrations (b) and C/N ratios (c) in sediments from Beidagang Wetland |
3.3 沉积物总磷及磷形态分布特征沉积物是湿地生态系统重要组成部分, 沉积物中的磷是以多种结合形式存在的, 沉积物磷释放是影响湿地水体营养水平的重要因素, 其释放潜力、迁移能力和生态效应都取决于沉积物中磷的赋存形态(王俊等. 2020).关注沉积物中磷赋存形态有助于揭示人为活动对湿地环境产生的调控, 对水体富营养化控制提供指导.北大港湿地沉积物总磷含量平均值为417~886 mg·kg-1, 平均含量为(564±83.1) mg·kg-1, 空间分布呈现较大的异质性.其中, 实验区万亩鱼塘、北大港西、沙井子点位沉积物总磷含量要显著高于其它区域, 超过了600 mg·kg-1(图 3).
可交换态磷一般代表沉积物无机磷的容易解析的组分, 这部分磷活性较强, 具有直接的生物可利用性, 对于植物生长以及控制上覆水体磷浓度具有重要影响(崔虎等. 2020).北大港湿地沉积物可交换态磷含量平均值为0.196~14.8 mg·kg-1, 平均含量为(3.57±3.10) mg·kg-1, 其中, 核心区和实验区表现出较高的含量.可交换态磷占总磷比例平均值为0.034%~2.42%, 平均含量为0.63%±0.53%, 可交换态磷的空间分布呈现一定的异质性, 但占比整体从核心区、缓冲区到实验区呈下降趋势, 这可能是由于湿地系统中植被的根系和枯枝落叶对磷具有较强的截留和吸收效果, 能够很好地抑制可交换态磷含量的增加(吉冬青等, 2015).
铁铝结合态磷一般视为无定形态或弱晶型铁铝水合氧化物和氢氧化物结合的磷形态, 是沉积物中无机磷的主要赋存形态.活性的铁铝氧化物对磷的快速吸附和解吸作用控制着间隙水中的磷酸盐浓度, 它会随着环境氧化还原条件的变化而改变, 是潜在的生物可利用性磷库(吕豪朋等, 2018).北大港湿地沉积物铁铝结合态磷含量平均值为13.6~68.0 mg·kg-1, 平均含量为(40.4±14.7) mg·kg-1, 空间分布上表现出较大的异质性.沉积物铁铝结合态磷占总磷比例平均值为2.8%~13%, 平均含量为7.2%±2.6%, 整体从核心区、缓冲区到实验区呈上升趋势.
有机磷代表了沉积物中具有生物活性的有机磷组分, 既包括可以被快速生物利用的有机磷(如微生物体中磷素), 也包括了可以被缓慢利用的有机磷组分(如与腐殖酸、富里酸和胡敏素结合的磷组分).由于这部分磷组分直接水解后可生成生物可利用态磷, 因而有机磷也是潜在的生物可利用性磷源之一.北大港湿地沉积物有机磷含量平均值为1.57~54.2 mg·kg-1, 平均含量为(20.3±11.2) mg·kg-1；沉积物有机磷占总磷比例平均值为0.3%~11%, 平均含量为3.7%±2.1%, 空间分布上各样点有机磷占比也相对稳定.
钙结合磷代表了沉积物中与钙等矿物结合形成稳定化合物的磷形态, 如羟基磷灰石与氟磷灰石, 一般很难被生物体利用.北大港湿地沉积物钙结合磷含量平均值为259~734 mg·kg-1, 平均含量为(421±75.9) mg·kg-1；空间分布上, 从核心区、缓冲区到实验区呈现明显的下降趋势.沉积物钙结合磷占总磷比例平均值为60.1%~85.6%, 平均含量为74.6%±6.07%, 是北大港湿地沉积物总磷最主要的形态.
残渣态磷是经过连续浸提后残渣中剩余的磷, 一般代表了沉积物中高度惰性的有机磷和不能被酸碱提取的矿物结合态磷, 通常这种形态的磷不具有生物可利用性.北大港湿地沉积物残渣态磷含量为11.0~170 mg·kg-1, 平均含量为(78.5±36.0) mg·kg-1.沉积物残渣态磷占总磷比例平均值为2.25%~30.8%, 平均含量为13.9%±6.17%.总体而言, 残渣态磷含量在沉积物中保持相对稳定水平, 不同点位之间的沉积物中残渣态磷差异不明显.
3.4 沉积物氮磷污染评价根据单因子指数法以及综合污染指数法对北大港湿地沉积物氮磷污染情况进行评价(图 4).北大港湿地表层沉积物总氮污染严重, 总氮污染指数(STN)为0.545~7.46, 平均值为2.03±1.28, 整体呈现出重度污染状态；其中, 核心区(北大港东库)总氮污染指数平均高达3.62, 远大于另外两个区域, 这说明北大港水库东库的沉积物总氮污染严重, 可能会对水质造成威胁.表层沉积物总磷污染相对较轻, 总磷污染指数(STP)为0.445~3.10, 平均值为0.933±0.30；核心区、缓冲区和实验区无明显的空间差异, 基本上都小于1, 处于轻度污染状态.氮磷综合污染指数(FF), 其范围为0.713~6.06, 最大值与最小值相差8倍, 平均为1.80±1.08, 整体呈中度污染状态；FF与STN保持相对一致的空间分布规律.有机氮指数(ON)为0.029%~0.390%, 最大值与最小值相差13倍, 平均值为0.106%±0.072%；有机指数(OI)波动幅度均较大, 为0.011~1.38, 最大值与最小值相差125倍, 有机指数平均值为0.154±0.237, 整体呈现轻度污染.值得注意的是, 核心区北大港东库和实验区沙井子水库在各项污染指数上均相对较高, 这说明湿地系统中水库可能存在较高的内源氮负荷, 具有潜在的内源氮释放风险, 在今后的研究中应予以重点关注.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 北大港湿地沉积物氮磷污染评价 Fig. 4Pollution assessment of nitrogen and phosphorus in sediments from Beidagang Wetland |
从污染程度点位分布来看, 综合污染指数有19.2%、29.5%、20.5%和30.8%的样点分别处于清洁、轻度污染、中度污染和重度污染的状态.而在有机指数中, 38.5%的采样点处于清洁状态.属于较清洁的Ⅱ类污染水平和尚清洁的Ⅲ类水平的采样点分别占总样点的43.6%和14.1%, 只有3.8%样点受到有机污染, 这些结果表明北大港湿地表层沉积物受到有机污染水平相对较轻, 大部分区域处于尚清洁及以上水平(图 4).有机氮处于Ⅰ类污染水平的样点数仅为3.9%, 处于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类污染水平的样点数分别占总样点个数的29.5%、41.0%和25.6%, 表明沉积物有机氮污染较为严重, 流域内大部分样点已受到不同程度的有机氮污染或接近污染水平, 这可能与流域内大量植被有关, 植物残体腐解会产生大量有机氮并在沉积物中累积, 最终造成湿地沉积物一定程度的氮污染(刘丹等, 2016).
将北大港湿地与国内其他湖库等水体沉积物氮磷污染评价情况进行比较, 见表 3.天津北大港湿地总氮污染严重, 总氮污染指数STN与巢湖、太湖竺山湾、长寿湖、南海湖和珠江口等水体基本相当, 但小于百花湖、草海等植被茂盛的湖泊, 以及受人为污染输入严重的城市河道.各个水体总磷污染指数、综合污染指数、有机污染指数没有太明显的差异.由此可见, 北大港湿地表层沉积物氮污染值得关注和重视.
表 3(Table 3)
| 表 3 我国不同水体沉积物氮磷污染指数比较 Table 3 Comparison of pollution index of nitrogen and phosphorus in sediments from different water bodies in China | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 我国不同水体沉积物氮磷污染指数比较 Table 3 Comparison of pollution index of nitrogen and phosphorus in sediments from different water bodies in China
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研究水体和沉积物中氮磷以及有机质等指标的相关性, 可以反映研究这些污染物之间的相互关系, 并探讨它们是否具有相同的来源, 相关性系数越高则来源越相似(张荣贵. 2019).对北大港湿地表层水和沉积物氮磷相关指标进行Spearman相关性分析发现(表 4), 水体各种形态的氮磷两两呈显著正相关(p<0.01), 同时考虑到这些指标从核心区到缓冲区和实验区都基本呈现明显的上升趋势(表 2), 推测它们主要来自于流域人类活动的输入.其次, 水体和沉积物总氮污染严重(表 2、图 4), 但相关性分析却显示沉积物总氮与表层水总氮和溶解性总氮呈现显著负相关(p<0.01), 这说明目前北大湿地沉积物对氮扮演着“汇”的作用, 但这需要在未来研究中通过沉积物-界面扩散通量测定以及内源负荷估算来进一步定量表征沉积物对水体氮的净化作用和贡献(Lei et al., 2021).最后, 沉积物中有机质与总氮含量呈现良好的正向相关关系(p<0.01, 表 4), 这是因为沉积物有机质含量中往往包含有水体中水生植物或藻类等残体, 而已有研究证实有机氮是这类内源性有机质的主要组成部分(Bai et al., 2017).需要强调的是, 这些有机质一般具有较高的生物活性, 在适当的温度、氧含量和微生物等条件下, 高蛋白等厌氧分解, 蛋白类物质的分解有可能出现黑臭现象, 并进一步向上覆水释放氮源(梁止水等, 2013).因此, 考虑到北大港湿地是候鸟的重要栖息地, 其水体水质优良位于维系湿地生态系统服务功能至关重要.而本研究显示北大港湿地表层和沉积物氮污染问题严重, 未来研究应首先理清湿地所在流域氮负荷贡献来源, 然后, 在减少人为氮输入的同时, 及时收割水生植物(如芦苇等), 减少其残体腐解引起有机氮释放可能是实施有效氮污染防控的关键.
表 4(Table 4)
| 表 4 北大港湿地表层水和沉积物氮磷污染Spearman相关性分析(n = 65) Table 4 Correlation analysis of Spearman of nitrogen and phosphorus pollution between surface water and sediment from Beidagang Wetland (n=65) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 北大港湿地表层水和沉积物氮磷污染Spearman相关性分析(n = 65) Table 4 Correlation analysis of Spearman of nitrogen and phosphorus pollution between surface water and sediment from Beidagang Wetland (n=65)
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4 结论(Conclusions)1) 天津北大港湿地水体总氮和总磷分别有86%、38%采样点位超过地表水环境质量标准Ⅴ类水浓度限值, 但水体氨氮仅有5%超过Ⅴ类水的标准限值, 污染相对较轻.空间分布上从核心区到缓冲区、实验区, 水体总氮、总磷浓度呈阶梯状增长趋势, 表明随着人为干扰强度的增强, 水体氮磷污染呈加重的趋势.
2) 北大港湿地沉积物总氮、总碳的含量分别为0.030%~0.410%、1.45%~6.86%, 从核心区、缓冲区到实验区呈轻波动趋势.沉积物碳氮比含量为14.4~57.7, 从核心区到缓冲区和实验区呈现明显的上升, 缓冲区、实验区沉积物有机质主要受到流域人类活动输入的有机质影响.
3) 北大港湿地沉积物总磷含量平均值为417~886 mg·kg-1, 平均含量为(564±83.1) mg·kg-1, 实验区沉积物总磷含量要显著高于其它区域；钙结合磷是沉积物总磷最主要的形态, 占总磷比例为60.1%~85.6%.
4) 单因子指数法以及综合污染指数评价表明, 北大港湿地表层沉积物总氮污染严重, 整体呈现出重度污染状态；其中, 核心区北大港水库总氮污染程度远高于缓冲区和实验区, 可能存在潜在的内源氮释放.
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