詹乃才, 王 妍,2, 劉云根,2, 侯 磊,2, 王書(shū)錦, 張慧娟

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院, 昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué) 農(nóng)村污水處理研究所, 昆明 650224)

巖溶生態(tài)系統(tǒng)是以碳酸鹽為物質(zhì)基礎(chǔ)的陸地生態(tài)系統(tǒng)。這一物質(zhì)基礎(chǔ)決定了巖溶生態(tài)系統(tǒng)富鈣特征和資源與環(huán)境的特殊性[1]。而在巖溶土壤成土過(guò)程中，Ca是容易強(qiáng)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(jìn)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化、增強(qiáng)微生物(尤其是好養(yǎng)微生物)活性、加速土壤有機(jī)質(zhì)降解、提高植物體內(nèi)鈣含量[3-4]。因此，鈣形態(tài)的分布特征對(duì)巖溶地區(qū)土壤質(zhì)量及生物有效性具有重要的指示作用。近年來(lái)，對(duì)巖溶區(qū)土壤Ca的研究主要集中在對(duì)土壤有機(jī)碳、植物等的影響方面。胡樂(lè)寧等[5]研究表明，紅壤中鈣以交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)與有機(jī)碳關(guān)系密切，添加碳酸鈣顯著影響有機(jī)碳礦化。張大庚等[6]研究表明，氮肥的配置不同也會(huì)影響土壤水溶性鈣和吸附性鈣的差異。同時(shí)，陳家瑞等[7]研究表明土壤Ca及其各形態(tài)均與土壤胡敏酸胡敏素呈正相關(guān)，與富咖酸呈負(fù)相關(guān)，土壤腐殖質(zhì)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(tài)。目前，針對(duì)巖溶區(qū)濕地底泥Ca形態(tài)的分布尚無(wú)報(bào)道，本研究通過(guò)研究滇東南普者黑巖溶濕地底泥Ca形態(tài)的分布，探析稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過(guò)程中底泥鈣形態(tài)的空間特征及差異，為巖溶區(qū)山地—農(nóng)村—小流域系統(tǒng)中的Ca循環(huán)和生境保護(hù)提供參考。

1　研究區(qū)概況與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省文山州丘北縣境內(nèi)的普者黑濕地公園開(kāi)發(fā)區(qū)——小矣堵村附近(24°08′N，104°06′E)，該區(qū)域受人類干擾影響較大，屬于南亞熱帶高原季風(fēng)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(qū)上游為小矣堵村，其中農(nóng)村面積大約0.03 km2，現(xiàn)有農(nóng)戶大約80戶。如圖1所示，依據(jù)研究區(qū)濕地不同土地利用類型，將濕地區(qū)域劃分為稻田濕地(A區(qū))、草甸濕地(B區(qū))和湖濱濕地(C區(qū))，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(diǎn)布設(shè)與樣品采集

樣點(diǎn)布設(shè)采用典型樣帶法，具體樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。沿稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地方向設(shè)置兩條平行樣帶，樣帶間隔為40 m，每條樣帶在稻田濕地區(qū)布置2個(gè)采樣點(diǎn)且間隔400 m；在草甸濕地區(qū)布置2個(gè)采樣點(diǎn)且間隔30 m；在湖濱濕地區(qū)依據(jù)不同植被覆蓋類型布置3個(gè)采樣點(diǎn)，且在湖泊中心區(qū)域布置1個(gè)采樣點(diǎn)作為對(duì)照，因此共16個(gè)采樣點(diǎn)。在2016年7月17—19日對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)采樣，農(nóng)田濕地和草甸濕地區(qū)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(diǎn)只取表層沉積物(0—5 cm)，C1—3，C1—4，C2—3，C2—4樣點(diǎn)利用有機(jī)玻璃柱狀底泥采樣器進(jìn)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(nèi)后帶回實(shí)驗(yàn)室。去除碎石根莖等雜質(zhì)，自然風(fēng)干后磨碎，過(guò)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(diǎn)取樣，磨碎過(guò)100目篩備用。

圖1　普者黑巖溶濕地樣區(qū)設(shè)置

1.3　樣品分析及數(shù)據(jù)處理

土壤Ca形態(tài)含量采用BCR連續(xù)提取法[8]，酸溶態(tài)用0.11 mol/L醋酸提取，可還原態(tài)用0.1 mol/L鹽酸羥胺提取，可氧化態(tài)用30%雙氧水及1 mol/L醋酸銨提取，殘?jiān)鼞B(tài)用王水—高氯酸消解，提取液用ICP—OES測(cè)定Ca含量。各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行初步分析并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用軟件SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Origin 7.5制圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　湖濱濕地樣點(diǎn)上覆水環(huán)境特性

湖濱濕地區(qū)域8個(gè)采樣點(diǎn)上覆水環(huán)境特征見(jiàn)表1。C1—1，C2—1點(diǎn)位于草甸濕地區(qū)和湖濱濕地區(qū)的交界處，受人為干擾影響相對(duì)較大；C1—2，C2—2點(diǎn)位于淺水區(qū)，水深約0.2 m，且有挺水植物——李氏禾植被覆蓋，覆蓋率達(dá)70%以上；C1—3，C2—3點(diǎn)黑藻生長(zhǎng)茂盛，為沉水植物高覆蓋區(qū)，上覆水總磷(TP)濃度差異顯著，C1—3點(diǎn)TP濃度較高表現(xiàn)為0.176 mg/L，達(dá)到國(guó)家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，而C2—3點(diǎn)TP濃度表現(xiàn)為0.051 mg/L，處在Ⅳ類水水平。C1—4，C2—4點(diǎn)位于湖泊中心區(qū)域，且無(wú)水生植被覆蓋，上覆水TP濃度分別表現(xiàn)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(tài)分布特征

2.2.1稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過(guò)程中表層底泥各形態(tài)鈣分布從圖2可以看出，稻田濕地—草甸濕地—湖濱濕地過(guò)程中表層(0—5 cm)底泥鈣形態(tài)變化幅度較大，總鈣與酸可提取態(tài)鈣、可還原態(tài)鈣、可氧化態(tài)鈣、殘?jiān)鼞B(tài)鈣分布特征一致，平均含量均表現(xiàn)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(tài)為主，占總量的50%以上，其次是可還原態(tài)，占30%以上，可氧化態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)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(diǎn)靠近村落Ca總量表現(xiàn)出極大值，分別為22 599，21 365 mg/kg，然而A1—2，A2—2點(diǎn)Ca總量下降趨勢(shì)明顯，分別為6 246，5 864 mg/kg。草甸濕地的總鈣平均含量表現(xiàn)最低，樣帶Ⅰ，Ⅱ的平均含量分別為4 846，7 020 mg/kg。與此同時(shí)，湖濱濕地區(qū)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(qū)的底泥鈣含量高于湖岸輻射區(qū)。

表1　湖濱濕地采樣點(diǎn)水環(huán)境特征及部分理化性質(zhì)

注：橫坐標(biāo)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(tài)鈣含量分布

2.2.2湖濱濕地底泥鈣形態(tài)垂直變化從圖3可知，湖濱濕地的C1—3，C1—4，C2—3，C2—4樣點(diǎn)底泥的Ca總量、酸可提取態(tài)Ca、可還原態(tài)Ca及可氧化態(tài)Ca均隨底泥深度的增加而減小，殘?jiān)鼞B(tài)Ca在垂直方向上無(wú)明顯變化。圖3A—3D顯示底泥Ca總量及形態(tài)含量呈現(xiàn)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(jié)果一致。普者黑巖溶湖濱濕地具有富鈣底質(zhì)、底泥淺、易受到外界干擾等特點(diǎn)，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(wěn)定。圖3E殘?jiān)鼞B(tài)Ca無(wú)明顯分布特征，表層與底層間無(wú)顯著差異。

圖3　湖濱濕地底泥各形態(tài)鈣含量垂直分布

2.3　巖溶濕地表層底泥各形態(tài)鈣間的相關(guān)關(guān)系

樣帶Ⅰ，Ⅱ表層底泥Ca形態(tài)的相關(guān)性分析結(jié)果表明，總鈣與酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)鈣分別呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(p<0.01，下同)，而與總磷、殘?jiān)鼞B(tài)鈣相關(guān)性不顯著(表2—3)。總鈣與各形態(tài)鈣相關(guān)關(guān)系中，以酸可提取態(tài)鈣的相關(guān)系數(shù)最高，樣帶Ⅰ，Ⅱ分別達(dá)到0.985，0.982，其次是酸溶態(tài)>可還原態(tài)>可氧化態(tài)>殘?jiān)鼞B(tài)，與鈣形態(tài)的活性有關(guān)系?？偭着cCa形態(tài)呈現(xiàn)正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，高鈣質(zhì)水體有助于沉積物對(duì)水體磷的控制，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，CaCO3—P共沉淀被認(rèn)為是湖泊水體的自凈機(jī)制之一。因此，總磷與鈣形態(tài)間有關(guān)系。

3　討 論

弱酸提取態(tài)鈣在酸性條件下很快釋放到周圍環(huán)境中，其活性很大，遷移性強(qiáng)，容易被生物直接吸收利用；可還原態(tài)鈣是與鐵錳氧化物結(jié)合在一起的鈣，當(dāng)環(huán)境條件變?yōu)檫€原狀態(tài)時(shí)可釋放到底泥或土壤環(huán)境中被生物利用，其活性僅次于弱酸提取態(tài)；可氧化態(tài)鈣主要指被有機(jī)酸聚合物如胡敏酸、富里酸及蛋白質(zhì)、脂肪、樹(shù)脂等結(jié)合的鈣，該部分活性較差，當(dāng)土壤環(huán)境條件變?yōu)檠趸瘧B(tài)時(shí)，可以釋放到環(huán)境中去；殘?jiān)鼞B(tài)鈣主要是與硅酸鹽礦物結(jié)合的那部分鈣，在自然狀態(tài)下比較穩(wěn)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(tài)鈣中以酸溶態(tài)Ca、可還原態(tài)Ca含量較高，活性較大，遷移性強(qiáng)，容易被生物直接吸收利用，而可氧化態(tài)鈣活性較低，含量也表現(xiàn)較低水平。李天杰[10]、熊毅[11]等研究表明，西南喀斯特地區(qū)土壤中的鈣容易和胡敏酸結(jié)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(huì)導(dǎo)致可氧化態(tài)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(tài)Ca含量均顯著高于湖濱濕地、草甸濕地，可能因?yàn)榈咎镩L(zhǎng)期受到外界人為干擾，農(nóng)村(生活污水、畜禽糞便等)、農(nóng)業(yè)(化肥、農(nóng)藥等)面源污染的輸入，導(dǎo)致外源磷含量較高，可氧化態(tài)鈣和可還原態(tài)鈣易在氧化還原條件下與外源磷形成相對(duì)穩(wěn)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(qū)長(zhǎng)時(shí)間受到當(dāng)?shù)胤拍粮蓴_，對(duì)土壤特征產(chǎn)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(nèi)挺水植物——李氏禾覆蓋區(qū)的C1—2，C2—2點(diǎn)Ca含量表現(xiàn)相對(duì)較低，Ca是高等植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，植物根系一般直接從底泥中吸收Ca2+離子或通過(guò)代換膠體吸附的Ca來(lái)吸收Ca，Ca主要以離子形態(tài)進(jìn)入植物體[15]。李氏禾根系發(fā)達(dá)，植被覆蓋率高，因此可能導(dǎo)致Ca含量相對(duì)較低。而沉水植物覆蓋區(qū)樣點(diǎn)C1—3，C2—3的Ca含量表現(xiàn)較高，主要因?yàn)槌了参锔癄€時(shí)會(huì)向水體釋放磷[16]，易與CaCO3發(fā)生共沉淀，進(jìn)入到底泥導(dǎo)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(tài)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(zhì)較為松軟，底泥淺，符合“表層富集”的現(xiàn)象。

表2　樣帶Ⅰ表層底泥不同形態(tài)鈣間相關(guān)性

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

表3　樣帶Ⅱ表層底泥不同形態(tài)鈣間相關(guān)性

除殘?jiān)鼞B(tài)外，總Ca與Ca其他形態(tài)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。Ca形態(tài)與總磷呈現(xiàn)正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。鈣對(duì)水體凈化作用主要體現(xiàn)在對(duì)磷的去除，Rodriguez等[18]研究表明CaCO3—P共沉淀是除磷的主要機(jī)制，CaCO3只吸附了少部分磷。底泥中可交換態(tài)鈣對(duì)水體中磷的作用過(guò)程最直接，容易形成磷酸一氫鈣進(jìn)入底泥，但受pH值、DO、擾動(dòng)等環(huán)境因子的影響，該過(guò)程可逆性強(qiáng)，對(duì)磷的固定不穩(wěn)定[19-20]。但關(guān)于其原理及機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié) 論

表層底泥總鈣含量在稻田濕地、草甸濕地、湖濱濕地系統(tǒng)中變化幅度較大，表現(xiàn)為稻田濕地>湖濱濕地>草甸濕地。底泥中各形態(tài)鈣組分中，以酸可提取態(tài)為主，占總量的50%以上，對(duì)底泥總鈣的貢獻(xiàn)最大。酸可提取態(tài)鈣、可還原態(tài)鈣、可氧化態(tài)鈣、殘?jiān)鼞B(tài)鈣分布規(guī)律與總鈣一致。除殘?jiān)鼞B(tài)鈣，湖濱濕地底泥鈣形態(tài)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(tài)相關(guān)性分析表明，底泥中酸可提取態(tài)鈣、可還原態(tài)鈣、可氧化態(tài)鈣與總鈣均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。

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