陈凌云， 李文兵， 戴文红， 蒋跃平， 林金昌， 宋垚彬， 董 鸣

(1.杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州 310036； 2.杭州西溪湿地国家公园生态研究中心，浙江 杭州 310013)



杭州城西和睦与西溪湿地沉积物粒度参数与磷含量的比较

陈凌云1， 李文兵1， 戴文红1， 蒋跃平2， 林金昌2， 宋垚彬1， 董 鸣1

(1.杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江 杭州 310036； 2.杭州西溪湿地国家公园生态研究中心，浙江 杭州 310013)

文章基于取样调查数据，通过比较西溪湿地与和睦湿地池塘和河道沉积物的粒度特征、颗粒组成和磷含量，分析了湿地利用方式和水流方式及其交互作用对杭州城西湿地上述指标的影响.结果表明，水流方式对沉积物粒度分布的峰度有显著影响，西溪湿地与和睦湿地的沉积物粒径分布参数有一定的差异，但未达到显著效应.利用方式显著影响了总磷含量，但对有效磷含量没有影响，池塘的总磷和有效磷含量均小于河道，细粒径的比例与总磷和有效磷含量具有很强负相关.由于西溪湿地与和睦湿地利用方式分化的时间相对较短，随着时间的变化和生态系统管理方式的进一步分化，很有可能会加剧两块湿地沉积物粒径分布和磷含量的分化，从而影响其生态系统过程、功能和服务.

沉积物；城市湿地；杭州城西湿地；粒度参数；水流方式；磷含量

0 引 言

沉积物是湿地生态系统的重要组成部分，是重要的物质和能量的汇集地.粒度作为沉积物最重要的物理参数和动力环境指标[1]，受到气候环境、搬运介质、地形地貌等地球表面外力和内力的共同影响，是各种因子综合作用的结果[2-3]，反映了其矿物组成、表面物理化学性质、比表面积和表面自由能的差异[4].因此，粒度分析可作为沉积物来源、形成过程以及沉积历史等研究的手段，在湿地、湖泊、河流等生态系统研究中具有重要的作用[5-8].水动力学特征影响着沉积物的粒径分布[8-9].因此，河道中水的相对动力条件较好，对于沉积物的搬运作用也可能较大；池塘中水体流速缓慢，水的动力条件较差，对沉积物的搬运作用可能更小，从而形成河道和池塘沉积物粒度参数的差异.同时，沉积物的粒度分布特征，特别是湿地沉积物，对人类活动[10-11]、土地利用变化[12]有较强的敏感响应.

城市湿地是城市景观的重要组成部分[13]，其生态功能对城市生态环境发展具有显著的作用[14].城市湿地可以为城市居民提供水资源，为城市本身提供防洪蓄水等功能，还能补充地下水，提高水质[15].另外，城市湿地在调节城市区域气候、降低城市热岛效应、降解水体污染物、保护生物多样性等方面具有重要的作用[16].但城市湿地承受着更为剧烈的人类干扰，也是城市复合生态系统中营养物质的汇集地[17]，面临着生物多样性降低、生态系统服务退化等严重的生态问题[18-19].磷的积累是城市湿地目前面临的主要问题之一[16,20]，而沉积物是磷的主要源和汇，影响着湿地磷的生物地球化学循环[21]，从而直接影响着生态系统功能和健康.沉积物颗粒大小对水体污染物和营养物质的吸附-释放等过程有显著的影响[22-23]，是控制表层沉积物各形态磷含量分布的重要因素[24].因此,研究比较沉积物粒径参数和磷含量有助于了解城市湿地的健康诊断及保护利用.

杭州城西湿地位于浙江省杭州主城区西侧，是较少见、尚未经现代城市化开发的“原生态”湿地，为河网水系，主要由河港、池塘和水田等多种湿地要素组成，对改善杭州的生态环境和提高城市环境质量具有非常重要的作用[25].西溪湿地与和睦湿地是杭州城西湿地重要的组成部分，两块湿地经历着不同的利用模式.其中，和睦湿地有大量的居民区分布，居民的生产生活会对湿地生态系统产生相对较大的人为干扰；而西溪湿地早在2003年开始建立国家湿地公园并加以综合保护[26]，十多年来没有如和睦湿地一样的生产生活方式，受到的人为干扰相对较小.本文旨在通过比较两个不同利用方式的湿地的池塘和河道沉积物粒径分布特征及磷含量的差异，探讨影响城市湿地沉积物粒度特征的主要因素.

1 方 法

1.1 研究区域

图1 和睦湿地与西溪湿地的位置概况Fig. 1 Locations of Hemu Wetland and Xixi Wetland

杭州城西湿地位于杭州主城区西侧，三面环山，属于杭州主城区西部低山丘陵地形向杭嘉湖平原过渡的区域(N30°14′07.61″～N30°26′21.23″，E119°51′40.04″～E120°06′55.59″)[25]，是典型的城市湿地群.属于亚热带季风气候，四季分明，雨量丰沛，光照充足，夏季湿润多雨，冬季温和少雨，年平均降雨量为1 421.6 mm，多年平均蒸发量为758 mm，多年平均气温16.2 ℃；平均海拔20～40 m；平均相对湿度75%～85%，年日照时数为1 765 h，无霜期约为240 d.土壤以红壤、岩性土和水稻土等为主，湿地植被类型以人工及半人工植物群落为主，同时也有自然形成的植物群落[27].西溪湿地(N30°15′23.40″～N30°17′96.60″，E120°02′16.60″～E120°16′56.04″)与和睦湿地(N30°14′31.94″～N30°15′5.32″，E119°58′54.53″～E119°59′52.59″)是其中保存较为完好、保护程度不同的两块湿地，以河道和池塘为主，水面面积均超过70%.西溪湿地自2003年来通过湿地公园建设，结合现代生态系统管理方法，并开展湿地生态旅游，湿地生态系统得以修复，生态多样性逐步增加，同时西溪的湿地文脉也得以延续，实现了社会经济发展与生态系统保护的双赢[28].和睦湿地与西溪湿地相距6 km，面积约10 km2，是浙江省内罕见的“原生态”湿地，其利用方式为“传统水乡”的农业生活型，主要以桑基、柿基等形式的多基鱼塘为主，缺乏科学的生态系统管理措施(图1).

1.2 样品获取与测定

1.3 数据分析

参照狄增超等[32]的分级方法，将杭州城西湿地沉积物分为细黏粒(<1 μm)、粗黏粒(1～2 μm)、细粉粒(2～5 μm)、中粉粒(5～10 μm)、粗粉粒(10～50 μm)、细砂粒(50～250 μm)、粗砂粒(250～1 000 μm)7个粒级.两因素方差分析用于检验湿地利用方式(湿地公园和传统水乡)和水流方式(池塘和河道)对各粒级组分含量和磷含量的效应，必要时进行数据转化以满足方差分析的假设.Pearson相关用于分析不同粒径比例与磷含量的相关程度.所有的分析使用SPSS 17.0完成.

2 结 果

表1 不同利用方式和水流方式对杭州城西湿地粒度参数的影响

*:P<0.05.

2.1 粒径分布

杭州城西湿地4种类型沉积物平均粒径的均值为6.79 μm(范围为4.08～7.67 μm)，分选系数的均值为1.542(范围为1.185～2.651)，偏态的均值为1.026(范围为0.350～1.893)，峰度的均值为3.358(范围为2.516～5.050).4个参数的变异系数分别为7.39%、9.85%、40.18%和11.30%.沉积物颗粒类型以粗粉粒和中粉粒为主，细粉粒次之.由表1可见，湿地利用方式和水流方式对平均粒径、分选系数和偏态均无显著影响，水流方式显著影响了峰度(P<0.05)，利用方式、水流方式的交互作用对分选系数、偏态和峰度都没有显著影响，但对平均粒径有显著影响(P<0.05).

2.2 颗粒组成

利用方式对杭州城西湿地沉积物中细黏粒、细粉粒、中粉粒以及粗粉粒的组分含量有显著影响，水流方式对细黏粒、中粉粒、粗粉粒以及细砂粒的组分含量有显著影响.细黏粒、粗黏粒、细粉粒受到湿地利用方式与水流方式的交互作用影响(表2，图2).

表2 利用方式和水流方式对杭州城西湿地沉积物各粒级组分含量的影响

*:P<0.05;**:P<0.01.

图2 不同利用方式和水流方式下杭州城西湿地沉积物各粒级组分含量Fig. 2 Sediment particle main size fraction content of different usage types and flow patterns

图3 不同利用方式和水流方式下杭州城西湿地沉积物总磷和有效磷含量Fig. 3 Total phosphate and available phosphate content in sediments of different usage types and flow patterns

2.3 不同形态P含量比较

水流方式、利用方式与水流方式的交互作用显著影响了总磷和有效磷含量(表3)，河道中的总磷和有效磷含量高于池塘，且这种效应在和睦湿地更明显(图3).利用方式显著影响了总磷含量，但对有效磷含量没有影响(表3)，西溪湿地总磷显著低于和睦湿地(图3).

表3 利用方式和水流方式对杭州城西湿地沉积物总磷(TP)和有效磷(AP)含量的影响

*:P<0.05;**:P<0.01.

2.4 P含量与粒径分布的相关性

由表4可见，细粒径(<2 μm)的比例与总磷和有效磷含量具有很强负相关，即细粒径组分越多，沉积物中总磷和有效磷含量越少.随着粒径的增大，沉积物粒径与总磷和有效磷含量的相关性变差，除了细砂粒(<250 μm)的比例与有效磷呈正相关，粗砂粒(<1 000 μm)的比例与总磷呈正相关.

表4 不同粒径含量与总磷和有效磷含量的相关性

*:P<0.05;**:P<0.01.

3 讨论

沉积物的粒径特征主要受到沉积物来源物质的粒径分布和搬运介质的动力条件这两个因素的影响[33].西溪湿地与和睦湿地相距约6 km，中间为正逐渐退化的五常湿地，在西溪湿地与和睦湿地保护利用前，这些湿地均连成一片组成了杭州城西湿地群，可以认为和睦与西溪湿地沉积物的母质来源一致.因此，影响西溪湿地与和睦湿地沉积物粒径特征的主要因素可能是人类活动(利用方式)和水力条件.

池塘相比于河道，缺乏水动力条件，因此池塘和河道沉积物粒径分布的峰度上显示出了差异，池塘积累了较细的沉积物.然而池塘和河道在其他的粒度参数上没有差异，表明水动力作用有限，笔者在调查时也发现，西溪湿地与和睦湿地河道的水流都较为缓慢.一般认为沉积物的N、P含量越高，粒度分布更细[34-35]，但这种关系与磷的形态有关，特别是有机磷和各种吸附态的磷.有研究发现无机磷含量与<5 μm的颗粒含量呈负相关，这是由于无机磷不仅仅存在于颗粒表面，其含量与沉积物的比表面积无关[36].本研究也发现磷含量与黏粒比例呈负相关，但湿地类型和水动力学特征间粒径参数无显著差异，且黏粒组分含量差异不大(图2).这可能是由于除了粒径分布外，还有其他因素影响了磷含量.此外，本研究发现池塘的总磷和有效磷含量均小于河道，这可能是由于河道的径流面积比池塘大，更容易累积营养物质；另一方面，这些河道多位于湿地的边缘，除了受湿地本身的影响外，还要承受城市生产生活的影响，加上河道本身较为缓慢的流速，造成了营养物质在河道沉积物中的沉降.河道对池塘虽然没有直接的影响，但在极端天气(如干旱或暴雨)和人类活动(如池塘清塘后的补水)下，河道与池塘的水体具有较大的交换量.因此，维持河道的生态系统健康除了对城市生态系统本身具有重要意义外，对西溪湿地与和睦湿地的池塘也具有重要影响.对于西溪湿地与和睦湿地的河道来说，有必要进行底泥疏浚，降低营养负荷.

两种利用方式下西溪湿地与和睦湿地池塘沉积物的粒度参数差异大多不具统计学意义.这可能是由于西溪湿地从2003年开始才被以湿地公园的形式综合保护[26]，截至2016年仅13年，沉积物沉积速率较慢，暂未达到显著差异.分选系数代表颗粒大小分布的均匀程度[37]，从分选系数的数据来看，利用方式的效应已接近显著(P= 0.077).西溪湿地池塘具有更多大粒径的颗粒，而和睦湿地细粒径的比例更大，这一结果与总磷和有效磷含量的结果一致.虽然粒径参数的差异在统计学上未达到显著效应，但这一差异足以影响了磷含量，进而可能影响其他的生态系统过程和功能.其主要原因可能与人类活动强度(利用方式)有关.西溪湿地自2003年来进行封闭管理，逐步减少人类活动对湿地的影响(如生态移民)，并开展有效的生态修复和恢复工程(如清淤、营造水生植被)，降低了沉积物中磷含量，也改变了沉积物的粒径参数.如果两种利用方式不再改变，这一差异将继续加大.因此，对于和睦湿地来说，应借鉴西溪湿地的成功经验，逐步改变当地居民的生产生活方式，采取截污纳管、雨污分流等有效措施，避免生活污水对池塘的污染；减少农药化肥的使用量，回归生态农业模式.

本文的研究结果表明，西溪湿地与和睦湿地在管理、保护、利用方式上的不同导致了沉积物粒径分布具有一定的差异，虽然两者的差异不具统计学意义，但总磷和有效磷含量已有显著差异，随着两块湿地不同生态系统管理方式的持续，沉积物粒径分布上的差异可能会更大，从而会进一步影响两块湿地的生态系统过程、功能和服务.

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Sediment Grain Size Parameters and P Content in Hemu and Xixi Wetlands in the West of Hangzhou

CHEN Lingyun1, LI Wenbing1, DAI Wenhong1, JIANG Yueping2,LIN Jinchang2, SONG Yaobin1, DONG Ming1

(1. Key Laboratory of Hangzhou City for Ecosystem Protection and Restoration, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036,China; 2. Hangzhou Xixi National Wetland Park Research Center for Ecological Sciences, Hangzhou 310013, China)

The effects of the usage type and water flow pattern on the sediment grain size characteristics and phosphorus content in Xixi Wetland and Hemu Wetland are analyzed. The results show that water flow pattern has significant effect on the grain size distribution of sediments, the grain size distribution parameters have certain differences between the two wetlands, which are not so significant. The usage type has significant effect on total phosphorus contents, but has no effect on available phosphorus contents. Phosphorus contents in ponds are lower than that in stream. Fine size fraction contents have negative relationship with phosphorus contents. Along with the time of differentiation of ecosystem management in the two wetlands, the differentiaton of the sediments size distribution and phosphorus contents will be intensified, so that the ecosystem processes, functions and services will be affected.

sediment; urban wetland; western Hangzhou wetland; grain size parameters; water flow patterns; phosphorus content

2016-03-25

国家自然科学基金项目(31261120580，41401556)；杭州师范大学攀登工程项目(201203)；杭州市科技计划项目(20140533B08).

董 鸣(1957—)，男，教授，主要从事生态学研究与教学.E-mail:dongming@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2016.06.005

Q948.1

A

1674-232X(2016)06-0583-06