汪 蓉

(上海清宁环境规划设计有限公司，上海 200051)

1 引言

河口潮滩湿地在全球湿地生态系统中具有重要的地位，而土壤是该生态系统的重要组成部分，是碳、氮和磷等生源要素的重要源与汇[1]。碳、氮和磷等元素深刻影响着潮滩湿地生产力，通过生物地球化学过程影响着物质的生产与传输，从而一定程度影响生态环境[2]。随着社会经济的发展，潮滩湿地围垦成为缓解河口地区人多地少矛盾的重要方式之一[3]。潮滩湿地围垦后，其土地利用和管理方式发生改变，这势必会影响土壤理化性质以及碳、氮和磷等元素含量及生物地球化学循环[4]。因此，研究天然潮滩湿地围垦后土壤碳、氮和磷等元素含量变化，并进行潜在生态风险评估对于河口湿地综合管理与环境保护具有重要的理论与现实意义。

目前，针对天然潮滩湿地土壤碳、氮和磷含量开展了许多相关研究，发现植被类型、水文特征和盐度梯度等对其生源要素含量具有重要的影响[5～7]。然而，对于潮滩湿地围垦后，土壤有机碳(TOC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量变化的报道较少，对其造成的潜在生态风险认识也不甚清楚。当前，土壤TOC、TN和TP生态风险评价的标准较少，主要采用加拿大安大略省环境和能源部制定的沉积物质量评价指南[5]。为此，本研究以长江口为典型研究区，选取崇明东滩天然潮滩湿地和不同围垦年限菜地土壤为研究对象，分析潮滩湿地围垦为菜地后，土壤TOC、TN和TP含量的变化，并进行潜在生态风险评估，旨为长江口湿地保护与合理开发利用提供科学基础参考。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

长江口崇明东滩湿地位于长江入海口，其面积约为1267 km2。该区属于亚热带季风气候，气候温暖湿润，年平均气温为15.3 ℃，年均降雨量为1003.7 mm。崇明东滩湿地受潮汐影响，为不规则半日潮，平均潮幅为2.4～4.6 m。随着社会经济的发展，为解决人多地少的矛盾，历史上对崇明岛东滩湿地进行了多次围垦，形成一系列不同围垦年限的农业用地(如菜地、稻田和养殖塘等)。

2.2 研究方法

2.2.1 实验设计与样品采集

基于野外调查和遥感数据，以崇明东滩湿地及3个不同围垦年限(约20年、28年和52年)的菜地土壤为研究对象(图1)。每个用地类型布设50 m×50 m样方作为采样区，随机确定3个采样点，样点间距离为10～15 m，并于2019年夏季(8月份)和冬季(12月份)进行采样。采样时，用不锈钢土钻采集0～10 cm土壤样品，并混合均匀，装入自封袋，放入4 ℃保温箱，于4 h内带回实验室。实验室内，将一部分样品放入4 ℃冰箱保鲜，另一部分自然风干。风干的土壤样品过2 mm筛，之后再取一小部分过0.149 mm筛，待测。

图1 研究区和采样地布设

2.2.2 样品测定

土壤TOC采用重铬酸钾-外加热法测定[8]，土壤TN和TP分别用碳氮元素分析仪(ElementarVario MAX CN, Germany)和SMT法测定[9]。土壤pH值和电导率(EC)分别利用奥立龙868型酸度计和DDS-307型电导仪测定。采用烘干法和环刀法测定土壤含水量和容重[8]，Fe2+和Fe3+利用邻菲罗啉比色法测定，并计算Fe2+/Fe3+值[8]。

2.2.3 潜在生态风险评价

土壤TOC、TN、TP达到一定浓度会对土壤及生物产生一定的毒害作用。目前，关于土壤TOC、TN和TP等生源要素生态风险评价暂无统一的标准与方法，较多采用单因子污染指数法[5]，单一污染因子i的一般标准指数关系式为：

Pi=Ci/Cs

(1)

式(1)中，Pi为单项评价指数或标准指数，Ci和Cs分别为评价因子i的实测值和标准值。土壤生源要素含量生态风险评价多采用加拿大安大略省制定的环境质量评价标准，即能引起最低级别生态风险效应，其TOC、TN和TP浓度分别为10 g/kg，0.55 g/kg和600 g/kg。根据Pi的大小，一般可将评价区域土壤分为四级，其中Ⅰ级表示清洁(PTOC<1、PTN<1和PTP<0.5)，Ⅱ级表示轻度污染(1≤PTOC<5，1≤PTN<2，0.5≤PTP<1)，Ⅲ级表示中度污染，(5≤PTOC<10，2≤PTN<3，1≤PTP<1.5)，Ⅳ级表示重度污染(PTOC≥10，PTN≥3，PTP≥1.5)。

2.2.4 数据处理与统计分析

采用SPSS19.0对数据进行处理统计，利用Pearson相关系数表征土壤生源要素含量与理化性质之间的相关关系，用Origin 8.0绘图。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质

长江口崇明东滩湿地与围垦菜地土壤理化性质如表1所示。表1显示围垦菜地土壤pH值总体上小于天然潮滩湿地，且随围垦年限的延长而减小，但夏季和冬季土壤pH值总体无明显差异。此外，天然潮滩湿地围垦为菜地后，土壤EC、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值也具有显著的变化(表1)。其中，菜地土壤EC(1.19～1.24 mS/cm2)显著小于天然潮滩湿地(3.13～3.23 mS/cm2)。天然潮滩湿地土壤容重和含水量分别介于1.46～1.52 g/cm3和50.67～52.33%，而围垦为菜地后其容重和含水量显著降低(表1)。天然潮滩湿地和菜地土壤Fe2+/Fe3+值介于0.71～0.94，总体上表现为菜地大于潮滩湿地，但不同年限菜地之间Fe2+/Fe3+值无显著差异(表1)。

表1 天然湿地和不同年限菜地土壤理化性质

3.2 土壤TOC、TN和TP含量

天然潮滩湿地土壤TOC含量介于14.90～16.09 g/kg，季节上表现为夏季高于冬季(图2)。不同围垦年限菜地土壤TOC含量范围为18.44～20.79 g/kg，在季节上总体无明显差异。从天然潮滩湿地和菜地对比看，菜地土壤TOC含量显著高于潮滩湿地，且围垦28年的菜地具有最高的TOC含量(图2)。土壤TN含量变化与TOC相似，天然潮滩湿地和菜地土壤TN含量介于1.27～2.36 g/kg，其中围垦菜地的TN含量总体上高于天然潮滩湿地，且随围垦年限延长，其含量也略有增加。天然潮滩湿地和菜地土壤TN含量均无显著季节差异(图2)。天然潮滩湿地土壤TP含量介于674.11～697.39 mg/kg，而菜地土壤TP含量范围为822.68～1134.39 mg/kg，总体表现为菜地土壤TP含量高于潮滩湿地。夏季，土壤TP含量随着围垦年限的延长而逐渐增加，但冬季表现为围垦52年>围垦28年≈围垦20年>天然湿地。天然潮滩湿地和菜地土壤TP含量在季节上无明显差异。

图2 天然潮滩湿地和不同年限菜地土壤有机碳、全氮和全磷的含量

3.3 土壤TOC、TN和TP含量与理化性质的关系

土壤TOC与TN和TP均有极显著正相关关系，且TN和TP也具有显著的正相关关系(图3)。土壤pH和EC与TOC、TN和TP均呈现极显著的负相关关系(表2)。土壤容重与TOC和TN呈显著负相关，但与TP无显著相关。土壤含水率与TOC和TP呈显著负相关，而与TN无显著相关关系。土壤Fe2+/Fe3+值与TOC、TN和TP也具有显著的负相关关系。

图3 土壤TOC、TN和TP之间的相关关系

表2 土壤TOC、TN和TP含量与沉积物理化性质的相关系数

3.4 土壤TOC、TN和TP潜在风险评价

天然潮滩湿地和围垦菜地土壤TOC、TN和TP的生态风险指数均大于1，表明具有一定的污染风险(表3)。天然湿地和围垦菜地的TOC单因子污染指数小于5，均为Ⅱ级轻度污染。从TN单因子污染指数可知，围垦菜地的潜在生态风险指数显著大于天然潮滩湿地。此外，围垦菜地也一定程度增加了TP单因子污染指数，但仅围垦52年菜地显著增加了TP潜在生态风险等级。

表3 天然潮滩湿地与围垦菜地土壤TOC、TN和TP潜在风险指数与等级

4 讨论

4.1 土壤理化性质变化

潮滩湿地围垦为菜地后，土壤pH值总体上有所降低，这主要是因为潮滩湿地长期受潮汐影响[10]。此外，围垦菜地土壤EC也显著小于潮滩湿地，这也与土地利用方式有关。土壤EC是与盐度密切相关，是盐度大小的重要表征，潮滩湿地受海水影响，EC相对较高，而围垦为菜地后在人为干扰作用下，土壤EC显著降低[11]。围垦菜地土壤含水率下降也与管理方式密切相关，潮滩湿地受潮汐周期性淹没的影响，其含水率相对较高。潮滩湿地围垦为菜地后，土壤容重也显著下降，这主要是由于菜地土壤受人为耕作影响较为疏松，从而降低了土壤容重[10]。本研究中，进一步计算了Fe2+/Fe3+值，结果表明潮滩湿地围垦为菜地后，Fe2+/Fe3+值有所降低(表1)。Fe2+/Fe3+值是土壤氧化还原潜力的重要表征，说明潮滩湿地围垦成菜地后，土壤由弱还原向氧化环境过渡，这主要是由于菜地为旱地，而耕作导致土壤通透性较好，从而降低了Fe2+/Fe3+值。

4.2 土壤TOC、TN和TP含量及潜在污染风险变化

土壤是湿地等自然生态系统的重要组成部分，TOC、TN和TP等生源要素是反映土壤营养程度的重要标志[12]。研究发现，潮滩湿地围垦为菜地后，土壤TOC、TN和TP含量总体上有所上升，且随着围垦年限的延长而不断增加(图2)，这种现象可能与菜地人为施肥活动有关。有报道指出，在崇明岛围垦区，每年施肥将近300 kg/hm2，这显著增加了土壤TOC、TN和TP等生源要素含量[13]。分析围垦菜地和潮滩湿地土壤TOC、TP、TN含量间相关关系发现(图3)，土壤TOC、TN和TP之间关系非常密切，这与胡敏杰等[5]和陈桂香等[14]研究相似。此外，TOC、TN和TP还受容重和氧化还原状况等的影响。本研究发现TOC、TN和TP与容重和Fe2+/Fe3+值呈显著负相关(表2)。土壤容重越小，其通透性越好，这使得土壤理化性质得到改善，有利于养分的贮存[15, 16]。潮滩湿地围垦成菜地后，由于施肥影响，土壤TOC、TP、TN含量增加，而土壤容重降低有利于这些生源要素的储存与积累。此外，强厌氧环境有利于促进有机物质的厌氧分解，增加其消耗速率，若好氧环境增强，其消耗速率可能相对较低，而碳、氮、磷三者之间具有密切的相互耦合关系，促使围垦的菜地保持较高的TOC、TP和TN含量[17]。

土壤TOC、TN、TP含量达到一定的浓度会对土壤环境产生一定的风险[18]。本研究单因子评价结果显示，潮滩湿地围垦成菜地后，TOC、TN和TP单因子污染指数总体上有所上升，特别是TN和TP的单因子污染指数。从TOC而言，围垦菜地没有改变土壤的潜在生态风险，但显著增加了TN和TP的潜在生态风险。因此，在潮滩湿地围垦成菜地的农业活动中需进一步提高养分转化效率，这对提高经济效益和改善生态环境具有重要的意义[14]。

5 结论

通过对比天然潮滩湿地和不同围垦年限菜地土壤的TOC、TN和TP含量，并进行潜在生态风险评估，得到以下主要结论：

(1)相比天然潮滩湿地，围垦菜地土壤TOC、TN和TP含量相对较高，且总体上随着围垦年限延长而呈增加趋势。

(2)土壤TOC与pH值、电导率、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值均呈显著负相关，土壤TN仅与pH值、电导率、容重和Fe2+/Fe3+值密切相关，而TP与pH值、电导率、含水率和Fe2+/Fe3+值显著相关。

(3)长江口天然潮滩湿地和围垦菜地土壤TOC、TN和TP的生态风险指数均大于1，表明具有一定的污染风险，且围垦菜地一定程度上增加了TOC、TN和TP潜在生态风险。