王 莹，胡维平 （中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008）

太湖湖滨湿地沉积物营养元素分布特征及其环境意义

王 莹*，胡维平 （中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008）

针对当前修复湖滨湿地去除氮磷营养盐长期效果的不确定性，以东太湖自然湖滨湿地与东部滨岸区、竺山湾修复湖滨湿地为代表，采用放射性核素210Pb计年法测定湖滨湿地沉积物的年代，据此计算出沉积速率，并结合沉积物柱中粒度组成与碳氮磷的含量变化，推算出自然湖滨湿地沉积物中碳氮磷的平均蓄积量.结果表明:太湖自然湖滨湿地与修复湖滨湿地沉积物的颗粒组成均以粉砂粒为主.东太湖自然湖滨湿地沉积物的平均沉积速率为:芦苇群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.近40a来，东太湖自然湖滨湿地单位面积（cm2）沉积物中碳氮磷的蓄积量平均为:总有机碳1408.0mg，总氮138.2mg，总磷14.31mg.对于修复湖滨湿地而言，随着植物群落的发育演替，营养元素在修复湖滨湿地系统内可以不断累积，其沉积物库的蓄积量潜力很大，在控制外源污染输入的前提下，湖滨湿地具有净化水质的长期环境效应.

湖滨湿地；沉积物；粒度分布；碳；氮；磷

目前，太湖水质不断下降和富营养化日趋严重，湖滨湿地具有涵养水源、净化污染物、改善水质、维持生物多样性等多种生态功能，是湖泊生态系统的重要保护屏障［1-5］.因此，湖滨湿地恢复和建设被当作太湖水质改善和健康生态系统重建的重要手段［6-11］.为提高太湖水体净化污染物的能力，抑制藻类生长，2007 年以来，江浙两省在太湖湖滨带进行了大规模湿地的建设和修复.研究结果显示湿地具有改善水质的重要作用［12-17］，但这些研究大多基于湖滨湿地修复后的前5年内，修复后的湖滨湿地生态系统长期运行的稳定性与环境效应仍有待研究.由于修复时间短，其长期环境效应的评价难以获得样本.

沉积物作为湖滨湿地的3大环境要素之一，通过吸附、过滤、拦截、沉淀作用以及水生植物残体的堆积，成为碳氮磷等营养元素迁移的一个主要归宿.沉积物记录了湖泊及其流域内环境变化的信息，是环境演变的一种重要研究手段.精确确定沉积物的沉积年代，是提取过去环境信息、评价当前环境质量以及预测未来环境变化的关键.应用环境放射性核素210Pb、137Cs等作为地球化学指示剂，可以确定沉积物的年代进而勾画出沉积序列、确定沉积速率，结合沉积物柱样剖面中各种元素的环境背景值含量分析，能清晰地得到背景值的变化轨迹，为背景值成因研究提供真实的依据［18-21］.

本文以太湖湖滨湿地为研究对象，选取自然湿地与修复湿地，通过采集沉积物柱状样，应用放射性同位素210Pb作为地球化学指示剂，对沉积物柱芯测年，计算沉积速率；同时测定分析沉积物中碳氮磷含量的垂向变化，从而推算出营养元素在湖滨湿地沉积物库中的平均蓄积量，旨在预测湖滨湿地在时间尺度上环境效应的变化，更好地发挥湖滨湿地生态屏障的功能.

1 研究方法

1.1 研究区概况

太湖（30°56′～31°34′N、119°54′～120°36′E）水面面积2338km2，流域面积36500km2，湖泊平均水深1.89m，是典型的浅水湖泊.流域内地形以平原为主，河道众多，与湖体相通的河（港）达224 条.太湖水系有入、出湖之分，湖之北以梁溪河口为界，湖之南以吴港为界，分界点以西为入湖水系（苕溪、合溪、南溪、洮滆四大水系和京杭运河来水），以东为出湖水系（黄浦江、京杭运河两大水系）.太湖临江、浙、皖、沪三省一市，处经济发达区，兼有旅游、供水、航运、灌溉、养殖等多种功能，流域内污染负荷量巨大，湖体富营养化趋势明显［22］.

东太湖位于苏州市以南，30°58′N～3l°07′N，120°25′E～120°35′E，是太湖东南部东山半岛东侧的湖湾，典型的浅水草型湖泊.南起东茭嘴至陆家港一线，北端一直延伸到瓜泾口，总长度27.5km，最大宽度9.0km，环湖大堤包围的面积为185.4km2（含东茭嘴血防圩），平均水深不到1.2m.水生植被群落现处于受扰动后的次生演替阶段［23］，挺水植物主要有芦苇（Phragmites communis）、茭草（Zizania caduciflora）、香蒲（Typha orientalis）、牛鞭草（Hemarthria altissima）、荷（Nelumbo nucifera）.因此，东太湖未受破坏的自然湖滨湿地沉积物柱是研究湖滨湿地长期环境效应的理想对象.

东部滨岸区的太湖湖滨湿地公园位于苏州市吴中区西南角，于2008年7月成立，包括太湖度假中心区范围内15km湖岸线及长沙岛部分区域，总面积7.5km2.景观内挺水植物以芦苇、香蒲为优势种.竺山湾位于太湖西北角，其周边城区和乡镇工厂遍布，大量工业废水、生活污水排入其中.2005年当地政府针对水域污染问题实施了湿地植被恢复工程，挺水植物以芦苇、茭草为优势种，经过几年后现已基本形成稳定的湿地植物群落.太湖湿地公园与竺山湾人工修复湖滨湿地可以作为新建湿地与自然湿地的碳氮磷蓄积量加以对比.

1.2 样品采集与处理

图1 太湖湖滨湿地采样点位置示意Fig.1 Sampling sites in the lakeside wetlands of Lake Taihu

2011年6月在太湖东太湖、东部滨岸区、竺山湾3个湖区湖滨湿地共设9个采样点（各采样点概况见表1、图1），利用直径为10cm的重力采样器采集沉积物柱状样，现场将样品按1cm分层，装入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，带回实验室.样品采回后，于阴凉干燥通风处自然风干，剔除杂质，研磨、过筛（孔径2mm和0.15mm），保存于干净的封口塑料袋中备用.

表1 太湖湖滨湿地采样点概况Table 1 General conditions in the sampling sites

1.3 样品分析方法

1.3.1210Pb测定 分析样品为一定量的研磨至过100 目孔筛的干沉积物样品.210Pb放射性比活度通过γ谱分析系统直接分析γ射线能谱得到.分析仪器为美国EG&G Ortec公司生产的由高纯锗井型探测器（Ortec HPGe GWL）与Ortec 919型谱控制器和IBM微机构成的16k道多道分析器所组成的γ谱分析系统.226Ra标准样品由中国原子能研究院提供，210Pb标准样品由英国利物浦大学做比对标准.

1.3.2 粒度测定 样品粒度分析测量仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度分析仪，粒径测量范围为0.02～2000 μm，可提供每一粒度组分的百分含量、频率曲线、累积曲线及其它各种粒度参数.每个样品取0.5g左右进行前期处理，首先加入蒸馏水和10%的过氧化氢去除样品中的有机质，加10%的盐酸去除无机碳（主要是钙质胶结物），静置24h，然后加入六偏磷酸钠分散剂，摇匀，置超声振荡器中振荡15min，使颗粒充分分散.利用激光粒度仪的测量软件直接输出分析所需的各参数.

1.3.3 碳氮磷测定 总有机碳、总氮使用元素分析仪（Elementar Vario EL， 德国）测定，总磷使用等离子发射光谱仪（ICP， 德国）测定.

1.3.4 数据处理 数据处理及其相关分析用Excel 2007与SPSS 13.0软件.

2 结果与讨论

2.1 自然湖滨湿地沉积物计年结果

东太湖自然湖滨湿地沉积物柱芯中210Pbex的垂直分布如图2所示.210Pbex的比活度随深度衰减，考虑到湖滨湿地沉积物中210Pb主要来源于表层侵蚀产物，因此采用CIC计算模式.CIC模式的计年公式为［24］:

式中:t为沉积物年代，C0、Cx分别为沉积物表层和深度为x处210Pbex比活度，λ为210Pb的衰变常数，取0.03114a-1.

由此算得东太湖自然湖滨湿地沉积物的平均沉积速率为:芦苇群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.

2.2 自然湖滨湿地沉积物粒度组成与分布

从图3可以看出，沉积物粒度变化较为稳定，组分以粉砂粒为主，其中黏粒组分（≤0.002mm占3.95%～13.38%，粉砂粒组分（0.002～0.05mm）占53.84%～89.38%，砂粒组分（0.05～2mm）占1.00%～39.90%.

图2 东太湖自然湖滨湿地沉积物柱芯中210Pbex的垂直分布Fig.2 Vertical profiles of210Pbexin natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

图3 东太湖自然湖滨湿地沉积物柱粒度组成的垂直分布Fig.3 Vertical profiles of grain-size in natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

粒度组成是表述沉积物特征的重要指标之一，可以追溯沉积物形成的水动力学性质、物质来源、输送介质和沉积环境等［25-29］.不同粒径的百分含量反映不同的沉积环境，砂粒的含量高说明沉积环境不稳定，水动力条件强；细颗粒的含量高表示沉积环境稳定，水动力条件较弱［29］.

本研究显示，自然湖滨湿地的颗粒组成以粉砂粒为主，这是因为在湖滨湿地生态系统中，扎根于底泥中的水生植物能够改变湖水的动力学状态和减小湖水对底泥的冲刷强度［30］，使细颗粒沉降下来.在东太湖自然湖滨湿地沉积物柱中，粒度组分变化大致保持稳定，反映了其沉积过程主要受自然因素（如降水和洪水等）控制，受人类干扰较小，为自然沉积过程.

2.3 自然湖滨湿地沉积物碳氮磷垂直分布

图4 东太湖自然湖滨湿地沉积物柱碳氮磷的垂直分布Fig.4 Vertical profiles of TOC， TN， TP in natural lakeside wetlands of Dongtaihu Bay

由图4可知，东太湖自然湖滨湿地不同植被沉积物中总有机碳含量随深度增加，表现出明显的降低趋势；总氮含量变化没有有机碳显著，但总体也呈现出随深度递减的变化趋势；总磷含量在荷群落沉积物中逐层递减，而在其他植被沉积物中则没有明显的变化规律.

结合各柱状沉积物的平均沉积速率，可得东太湖自然湖滨湿地沉积物中碳氮磷的平均蓄积量（表2）.

东太湖在20世纪60年代未开发前，水生植被的群落处于原生演替阶段，此后由于围湖造田和渔业生产等人为干预，水生植被群落结构发生显著变化，处于受扰动后的次生演替.东太湖开发利用40a来，水生高等植物现存量持续增加，由1960年的504g/m2增加到1997年的3816g/m2，植被覆盖率达91%［23］.东太湖周围多为出湖河流［31］，因此受生活污水影响较小，大量水生植物残体成为湖滨湿地沉积物碳氮磷的主要来源.本研究表明，近40a来，东太湖自然湖滨湿地单位面积（cm2）沉积物中碳氮磷的蓄积量平均为:总有机碳1408.0mg，总氮138.2mg，总磷14.31mg.

2.4 修复湖滨湿地沉积物粒度分布与碳氮磷含量

从表3可以看出，0～25cm深度范围修复湖滨湿地沉积物颗粒组分以粉砂粒为主，其中东部滨岸区湖滨湿地沉积物中，黏粒组分平均占14.17%，粉砂粒组分平均占79.49%，砂粒组分平均占6.35%；竺山湾湖滨湿地沉积物中，黏粒组分平均占12.49%，粉砂粒组分平均占81.30%，砂粒组分平均占6.21%.0～25cm修复湖滨湿地沉积物中碳氮磷的平均含量与东太湖自然湖滨湿地沉积物底层含量相近，其中东部滨岸区湖滨湿地沉积物中，总有机碳含量平均为30.7g/kg，总氮含量平均为3.5g/kg，总磷含量平均为0.195g/kg；竺山湾湖滨湿地沉积物中，总有机碳含量平均为39.0g/kg，总氮含量平均为4.1g/kg，总磷含量平均为0.954g/kg.

表3 修复湖滨湿地沉积物粒度分布与碳氮磷含量Table 3 Grain-size distribution and TOC， TN， TP contents in restored lakeside wetlands of Lake Taihu

对于修复湖滨湿地而言，其表层沉积物碳氮磷含量接近于自然湖滨湿地沉积物底层含量，这说明太湖湖滨湿地沉积物中营养元素本底值相近.随着植物群落的发育演替，营养元素在修复湖滨湿地系统内可以不断累积，其沉积物库的蓄积量潜力很大，在控制外源污染输入的前提下，湖滨湿地具有净化水质的长期环境效应.

3 结论

3.1 太湖自然湖滨湿地与修复湖滨湿地沉积物的颗粒组成均以粉砂粒为主.在东太湖自然湖滨湿地沉积物柱中，粒度组分变化大致保持稳定，反映了其沉积过程主要受自然因素控制，受人类干扰较小，为自然沉积过程.

3.2 利用210Pb计年法CIC模式计算得到东太湖自然湖滨湿地沉积物的平均沉积速率为:芦苇群落，0.74cm/a；茭草群落，0.69cm/a；香蒲群落，1.24cm/a；牛鞭草群落，1.27cm/a；荷群落，0.81cm/a.近40a来，东太湖自然湖滨湿地单位面积（cm2）沉积物中碳氮磷的蓄积量平均为:总有机碳1408.0mg，总氮138.2mg，总磷14.31mg.对于修复湖滨湿地而言，随着植物群落的发育演替，营养元素在修复湖滨湿地系统内可以不断累积，其沉积物库的蓄积量潜力很大，在控制外源污染输入的前提下，湖滨湿地具有净化水质的长期环境效应.

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Nutrients distribution characteristics and their environmental significance of Taihu lakeside wetland sediments.

WANG Ying*， HU Wei-ping （Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：204～210

Lakeside wetland is an important transition zone between the aquatic ecosystem and the adjacent terrestrial ecosystem. In recent years， extensive lakeside wetland restoration projects of Lake Taihu have been carried out. However，the long-term function and sustainability of lakeside wetland restorations remain largely unexplored. Taking the natural lakeside wetland in Dongtaihu Bay， the restored lakeside wetland in the Eastern Shoreline and Zhushan Bay as a case， this paper calculated sedimentation rates with high-resolution radionuclide timing （210Pb-date to age-depth profile translation），and combined with grain-size and vertical distribution characteristics of TOC， TN， TP to analyze accumulations of TOC，TN， TP in the natural lakeside wetland sediments. The results showed that the sediments were mainly compromised of silt in either natural lakeside wetland or restored one. The average sedimentation rates of natural lakeside wetland in Dongtaihu Bay were: 0.74cm/a of Phragmites communis， 0.69cm/a of Zizania caduciflora， 1.24cm/a of Typha orientalis，1.27cm/a of Hemarthria altissima， 0.81cm/a of Nelumbo nucifera. In recent 40years， the accumulations of TOC， TN， TP（per cm2） in natural lakeside wetland sediments of Dongtaihu Bay were: TOC 1408.0mg， TN 138.2mg， TP 14.31mg. For the restored lakeside wetland， with development of vegetation， the accumulations of nutrients in the restored lakeside wetland would be increasing. There is a large potential in sediment pool. As the external pollution under control， the lakeside wetland has a long-term function of purifying water.

lakeside wetland；sediment；grain-size distribution；TOC；TN；TP

X171.5

A

1000-6923（2015）01-0204-07

王 莹（1981-），女，山东济宁人，博士，主要从事湿地生态系统营养元素循环研究.发表论文6篇.

2014-04-23

太湖西岸湖滨湿地生态重建技术研究与示范（TH2011209）；国家自然科学基金（31170417）

* 责任作者， 博士， yingwang1020@hotmail.com