北京密云水庫內(nèi)湖消落帶有機質(zhì)、營養(yǎng)鹽(氮/磷)含量分布特征*

秦麗歡，曾慶慧，李敘勇，秦耀民

(1:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)(2:中國科學院大學，北京 100049)

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北京密云水庫內(nèi)湖消落帶有機質(zhì)、營養(yǎng)鹽(氮/磷)含量分布特征*

秦麗歡1,2，曾慶慧1,2，李敘勇1**，秦耀民1

(1:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)(2:中國科學院大學，北京 100049)

消落帶是河流、湖泊和水庫特有的一種現(xiàn)象，也是水陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換最活躍、最重要的區(qū)域，消落帶的淹水-落干的頻率和時間對消落帶有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)化與水界面的交換過程有重要影響. 在密云水庫的平水期(3月)，對內(nèi)湖消落帶有機質(zhì)、氮、磷含量分布進行調(diào)查，研究不同高程、土地利用和土壤深度的情況下，有機質(zhì)和各營養(yǎng)鹽含量的分布情況及相關(guān)關(guān)系，計算有機質(zhì)和各營養(yǎng)鹽在各高程下的儲量，為消落帶氮磷入庫風險負荷量的評估，維護密云水庫的水質(zhì)安全提供依據(jù). 結(jié)果表明，密云水庫內(nèi)湖消落帶有機質(zhì)、總磷、總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和無機磷含量分別為23.15±13.65 mg/g、0.17±0.09 mg/g、1.44±0.81 mg/g、10.86±3.54 μg/g、8.07±2.73 μg/g、0.41±0.71 μg/g、9.09±4.18 μg/g；土地利用情況對總氮、氨氮和硝態(tài)氮含量影響較大，而對有機質(zhì)和總磷含量分布沒有顯著影響；在垂直分布上，有機質(zhì)、總磷和總氮含量有隨土壤深度增加而降低的趨勢；利用相關(guān)分析得出有機質(zhì)和土壤水分是影響氮、磷轉(zhuǎn)化的重要因素；133～146 m高程范圍內(nèi)有機質(zhì)、總磷和總氮的儲量分別為5324.07、59.56和414.02 t. 密云水庫內(nèi)湖消落帶是有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽的重要貯存庫.

消落帶；有機質(zhì)；氮；磷；密云水庫；高程；土地利用；土壤深度

消落帶是河流、湖泊、水庫特有的一種現(xiàn)象，主要由于湖庫河流水位的季節(jié)性消漲和周期性蓄水，形成的分布在最高水位線與最低水位線之間的區(qū)域[1]. 消落帶是銜接水-陸生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)交錯帶，同時也是水陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換最活躍、最重要的區(qū)域[2-3]. 消落帶由于階段性的淹沒-落干過程，使其在營養(yǎng)鹽的分布和貯存方面與長期處于淹水狀態(tài)的沉積物存在明顯差異，消落帶的淹水-落干的頻率和時間對消落帶營養(yǎng)鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)化與水界面的交換過程有重要影響. 周期性的淹水對消落帶的影響主要表現(xiàn)，導致土壤中的氮磷營養(yǎng)鹽向水中轉(zhuǎn)移，造成水體的富營養(yǎng)化，影響母巖養(yǎng)分的釋放[4-5]. 有研究表明，消落帶是庫區(qū)流域富營養(yǎng)化的主要來源[6]. 因此研究消落帶營養(yǎng)鹽的儲量和分布情況，對進一步管理和防護水體富營養(yǎng)化有顯著作用和意義[7].

目前，國內(nèi)外針對消落帶的研究側(cè)重各有不同，國外的研究對象大多針對河流[8]、湖泊[9-11]以及濕地[12-13]自然水位的漲落或者強降雨事件下消落帶與水界面進行的物質(zhì)交換及營養(yǎng)鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)化，而國內(nèi)對消落帶的研究則集中在三峽地區(qū)[14-17]，由人為對水資源的調(diào)控造成的水位落差形成的消落帶.

圖1 密云水庫2003-2011年水位變化Fig.1 Water-level fluctuation of Miyun Reservoir from 2003 to 2010

然而，密云水庫作為北京市重要的飲用水源地，同樣值得關(guān)注. 密云水庫建于1960年，水庫庫容40×108m3，多年蓄水量為6.5×108～12×108m3，歷年水位在131～137 m之間. 由于受到降雨和人為調(diào)控水量的影響，其水位呈現(xiàn)出季節(jié)性的波動[18]，每年都會形成1～4 m左右的消落帶. 除此之外，考慮到“南水北調(diào)”工程作為一項浩大的國家性工程，為流經(jīng)城市帶來珍貴的水資源之外，可能也會對受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來影響. 由于密云水庫是“南水”調(diào)入北京的儲存庫，一方面水庫的水源得到補給，另一方面由于儲量的增加，勢必在原有基礎(chǔ)上水位有所抬升，最初的消落帶可能會成為永久的淹沒帶，庫岸帶部分也會有新的消落帶形成. 這對密云水庫的水質(zhì)安全可能造成一定的風險. 因此，本研究以密云水庫內(nèi)湖為研究對象，考慮到“南水北調(diào)”來水后，不同時間段對水量有不同調(diào)度要求，蓄水量可能存在階段性變化，將蓄水量分12×108m3(對應(yīng)水位137 m)、17×108m3(對應(yīng)水位142 m)、22.3×108m3(對應(yīng)水位146 m)和30×108m3(對應(yīng)水位152 m)4個階段，研究分析4個不同高程下(133～137、137～142、142～146、146～152 m)消落帶碳、氮、磷的分布特征，為評估消落帶氮、磷入庫風險負荷量，維護密云水庫的水質(zhì)安全提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置與樣品采集

消落帶樣品于2012年3月進行采集，采樣點主要分布在內(nèi)湖區(qū)域. 采集不同高程梯度(133～137、137～142、142～146、146～152 m)、土層深度(0～20 cm，現(xiàn)場5 cm分層)和土地利用類型(農(nóng)田、草地、林地)，共54個采樣點(圖2)，112個消落帶樣品. 采集的樣品立即放入封口袋，4℃保存帶回實驗室，用于各指標分析.

圖2 密云水庫內(nèi)湖采樣點分布Fig.2 The distribution of sampling sites of inner lake in Miyun Reservoir

1.2 樣品分析方法

消落帶樣品總磷和有機磷分析方法采用歐洲標準測試委員會框架下發(fā)展的SMT(the Standards Measurements and Testing Program of the European Commission)法，即稱取0.2 g樣品，加20 ml 1 mol/L HCl，振蕩16 h后提取無機磷；稱取0.2 g樣品，于450℃馬弗爐中灰化3 h，加20 ml 3.5 mol/L HCl，振蕩16 h后提取總磷，總磷和無機磷提取液采用鉬銻抗分光法進行測定[19-20]. 全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[21]，氨氮采用KCl浸提-蒸餾法測定，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定[22]，土壤含水率采用鋁盒烘干差減法測定，容重采用環(huán)刀法進行[23]測定.

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計方法

研究數(shù)據(jù)中Duncan多重比較以及相關(guān)性分析均用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析，圖表由Excel和Origin軟件進行繪制. 消落帶有機質(zhì)、總氮和總磷含量計算公式為：

(1)

式中，F(xiàn)為研究區(qū)域內(nèi)消落帶有機質(zhì)、營養(yǎng)鹽(碳、氮、磷)儲量(t)，n為土層劃分層數(shù)，L為常數(shù)，5 cm，代表土層厚度(cm)，Conik、ρik、Areaik和φik分別代表第i層第k種土地利用類型的土壤全氮、全磷和有機質(zhì)含量(g/kg)、土壤容重(g/cm3)、面積(m2)和含水率(%)，10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 133～146 m高程范圍內(nèi)消落帶有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽含量

密云水庫內(nèi)湖133～146 m高程范圍內(nèi)農(nóng)田和林地消落帶(0～20 cm均值)有機質(zhì)、總磷、總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、無機磷含量分別為23.15±13.65 mg/g、0.17±0.09 mg/g、1.44±0.81 mg/g、10.86±3.54 μg/g、8.07±2.73 μg/g、0.41±0.71 μg/g、9.09±4.18 μg/g. 土壤濕容重和含水率分別為0.94±0.08 g/cm3和12.54%±3.49%(表1).

2.2 消落帶有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽分布特征影響因素分析

2.2.1 高程對消落帶(0～20 cm)有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽含量的影響同一高程，不同土地利用類型各營養(yǎng)鹽含量有明顯變化(表1). 林地的有機質(zhì)、總氮和硝態(tài)氮含量較高，分別是均值的1.66、1.54、1.22倍. 而農(nóng)田的營養(yǎng)鹽含量皆處于較低的水平，或與均值持平(無機磷、氨氮、硝態(tài)氮)或低于均值水平(總磷、有機質(zhì)、總氮為均值的0.7倍). 因此分析高程對營養(yǎng)鹽分布的影響，分別就同一土地利用類型進行討論. 對林地而言，有機質(zhì)和硝態(tài)氮受高程影響，主要表現(xiàn)在133～137 m和142～146 m有機質(zhì)與硝態(tài)氮含量差異顯著(P<0.05)，而137～142 m與133～137 m和142～146 m有機質(zhì)和硝態(tài)氮含量差異不顯著(P>0.05). 對農(nóng)田而言，133～137與137～142 m高程范圍為總氮和氨氮含量無顯著差異(P>0.05)，而與142～146 m高程范圍內(nèi)總氮和氨氮含量具有顯著差異(P<0.05). 分析主要原因可能是目前密云水庫的水位在132～138 m范圍之間變動，對此范圍的消落帶影響更加頻繁，因此133～137和137～138 m范圍內(nèi)消落帶的總氮、氨氮無顯著差異. 研究表明，一定的淹沒不利于氮磷元素的累積，同時也會加速氮的礦化[24-25]，因此在高程梯度上，總氮、氨氮、硝態(tài)氮含量總體表現(xiàn)是隨著高程的增加而增加，這與水位的消長、氮元素的累積和礦化產(chǎn)生的影響不無關(guān)系. 而高程對總磷和磷酸鹽含量無顯著影響(P>0.05). 王業(yè)春等[26]對三峽消落帶的研究同樣得到類似結(jié)果，這可能是因為不同高程的土壤母質(zhì)具有相似性.

表1 消落帶不同高程和土地利用情況下有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽含量*

*同一土地利用類型不同高程下有機質(zhì)和各營養(yǎng)鹽含量上標相同字母代表無顯著差異(P>0.05)，不同字母代表有顯著性差異(P<0.05).

表2 農(nóng)田與林地各營養(yǎng)鹽差異性分析

*代表農(nóng)田與林地兩組數(shù)據(jù)有顯著性差異，P<0.05.

2.2.2 土地利用類型對消落帶(0～20 cm)有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽含量的影響土地利用類型對各營養(yǎng)鹽含量的影響在不同高程情況下有所不同(表2). 在133～137、137～142 m高程范圍內(nèi)，土地利用類型對有機質(zhì)、總氮和氨氮含量有顯著影響(P<0.05)，在142～146 m高程范圍內(nèi)，土地利用類型對有機質(zhì)、總氮和硝態(tài)氮含量有顯著影響(P<0.05). 在各高程范圍內(nèi)土地利用類型對總磷、磷酸鹽含量影響不顯著(P>0.05). 有相關(guān)研究表明，不同土地植被覆蓋下，土壤碳氮含量存在很大差異[27-29]，這可能是因為林地的枯落物豐富，且根系較多，交錯復雜，其土壤具有良好透性，能夠促進土壤微生物活動，對土壤氮素循環(huán)和土壤礦化過程有積極的促進作用[30]，所以林地總氮和有機質(zhì)含量比農(nóng)田高(表1). 而農(nóng)田和林地的總磷和磷酸鹽含量差別較小，表明土地利用類型不是影響密云水庫消落帶總磷和磷酸鹽含量的主要因素.

2.2.3 土壤深度對消落帶總氮、總磷、有機質(zhì)的影響有機質(zhì)、總磷和總氮含量隨著深度的增加而遞減(圖4). 在133～137、137～142、142～146 m高程范圍內(nèi)，有機質(zhì)隨土層深度增加而降低，總磷、總氮含量變化趨勢相似，先增高后降低，在5～10 cm土壤深度達最大值. 說明有機質(zhì)、總磷、總氮含量分布有較強的表聚性，有隨土層增加而降低的趨勢[31-32]. 此種現(xiàn)象可能與地表植被根系吸收土壤營養(yǎng)物質(zhì)進行生長，再以枯落物的形式歸還土壤，營養(yǎng)元素的循環(huán)過程有關(guān)[33]. 有機質(zhì)、總磷和總氮含量在各土壤深度的變化范圍也有明顯趨勢，其中0～5和5～10 cm的變異系數(shù)較大，在10～15、15～20 cm土壤深度變異系數(shù)較小，表明在表層0～10 cm土壤各營養(yǎng)物交換較為頻繁，可能受地表覆蓋物、表層水分及光照的影響較大.

圖4 不同高程和土壤深度有機質(zhì)、總氮、總磷含量分布Fig.4 The nutrient contents under different altitudes and soil depths

2.3 消落帶土壤基本理化特征及其與各營養(yǎng)鹽間的相互關(guān)系

有機質(zhì)與總氮、氨氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表3)， 表明有機質(zhì)與總氮、氨氮含量存在相似的消長關(guān)系，這也與之前的研究結(jié)論一致[34-35]. 總磷與磷酸鹽、總磷與亞硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與孫斌[36]得到的結(jié)果一致. 硝態(tài)氮與含水率、磷酸鹽與濕容重呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，由于土壤含水率與土壤容重的比值是常數(shù)，表明土壤水分可能是影響土壤硝態(tài)氮和磷酸鹽的因素. 因土壤水分影響微生物的活性，從而影響氮磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化.

表3 消落帶土壤基本理化特征及其與各營養(yǎng)鹽間的相互關(guān)系

*代表0.05水平下顯著相關(guān)，**代表0.01水平下顯著相關(guān)；樣本數(shù)n=40.

表4 不同高程各土地利用類型面積(km2)

2.4 消落帶各營養(yǎng)鹽儲量估算

2.4.1 不同土壤深度各營養(yǎng)鹽儲量分布特征內(nèi)湖消落帶0～5、5～10、10～15、15～20 cm土壤深度有機質(zhì)儲量分別為2630.27、1610.58、1268.07、974.57 t,儲量由表層到深層有逐漸降低的趨勢；總磷儲量分別為18.75、18.40、11.92、10.47 t，表層10 cm磷儲量差別不大，隨后有緩慢降低的趨勢；總氮儲量分別為142.20、117.38、89.73、64.70 t，儲量也隨著土層深度增加而降低.

表5 不同高程下各土地利用類型有機質(zhì)、總氮和總磷儲量分布

2.4.2 不同高程和土地利用類型各營養(yǎng)鹽儲量分布特征在133～137和137～142 m高程范圍內(nèi)，林地和農(nóng)田中有機質(zhì)、總磷和總氮儲量有顯著變化. 其中，在133～137 m高程內(nèi)，農(nóng)田的營養(yǎng)鹽儲量顯著高于林地，有機質(zhì)、總磷和總氮儲量分別為林地儲量的4.8、10.38和9.38倍. 而在137～142 m高程范圍內(nèi)，林地有機質(zhì)、總磷和總氮儲量分別為農(nóng)田的1.7、2.8和4.1倍. 142～146 m高程范圍內(nèi)，林地與農(nóng)田各營養(yǎng)鹽含量差別不大(表5).

3 結(jié)論

1)密云水庫內(nèi)湖消落帶有機質(zhì)、總磷、總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和無機磷含量分別為23.15±13.65 mg/g、0.17±0.09 mg/g、1.44±0.81 mg/g、10.86±3.54 μg/g、8.07±2.73 μg/g、0.41±0.71 μg/g和9.09±4.18 μg/g.

2)土地利用類型和高程是影響消落帶有機質(zhì)和氮含量的重要因素，而對于磷的作用不顯著.

3)內(nèi)湖消落帶在133～137 m高程范圍內(nèi)有機質(zhì)、總磷和總氮儲量分別為566.32、20.93和100.97 t；137～142 m高程范圍內(nèi)有機質(zhì)、總磷和總氮儲量分別為2407.62、14.00和116.03 t， 有機質(zhì)儲量與133～137 m高程范圍內(nèi)差別較大，總磷和總氮儲量相近. 在133～146 m高程范圍內(nèi)有機質(zhì)、總磷和總氮的儲量分別為5324.07、59.56 和414.02 t.

4)因此，需要加強對133～142和142～146 m高程范圍的消落帶進行防護，以防止水位的波動使大量有機質(zhì)和總氮進入水體.

5)密云水庫內(nèi)湖消落帶是巨大的有機質(zhì)、氮磷等元素的儲藏庫，階段性的淹水-落干過程對水庫水質(zhì)有重要的影響，需要進一步研究.

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Distribution of organic matter and nutrient content in water-level-fluctuating zone of Miyun Reservoir inner lake, Beijing

QIN Lihuan1,2, ZENG Qinghui1,2, LI Xuyong1**& QIN Yaomin1

(1:StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalScience,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,P.R.China)(2:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Water-level-fluctuating zone (WLFZ) is a special phenomenon for rivers, lakes and reservoirs. It is also the most active and important zone for water and soil matter and energy exchange. The shifts between wet and dry period affects the nutrient transformation of WLFZ and water-soil exchange. In normal water season of Miyun Reservoir, the organic matter(OM) and nutrient content (N and P) of the water-level-fluctuating zone of inner lake was investigated，while the correlation among the soil physical chemical characteristics，OM and nutrient content was also be analyzed．Results indicated that the content of organic matter, total phosphorus, total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, inorganic phosphorus of inner lake of Miyun Reservoir was 23.15±13.65 mg/g，0.17±0.09 mg/g，1.44±0.81 mg/g，10.86±3.54 μg/g，8.07±2.73 μg/g，0.41±0.71 μg/g，9.09±4.18 μg/g, respectively; Land use had impacts on content of total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, had no impact on the content of organic matter and total phosphorus. For the vertical distribution, organic matter, total phosphorus, total nitrogen all decreased with the soil depth increase. Correlation analysis showed that water content and organic matter were important factors for nitrogen and phosphorus transform. The reserve of organic matter， total nitrogen， total phosphorus in area between 133-146 m was 5324.07， 59.56 and 414.02 t, respectively. So the water-lever-fluctuating zone was a very important OM and nutrient storage area. To keep the water quality, further studies about it were very necessary.

Water-level-fluctuating zone; organic matter; nitrogen; phosphorus; Miyun Reservoir; altitude; land use; soil depth

*中國科學院“一三五”戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃重點項目(YSW2013B02-4)、城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室科研專項(SKLURE2013-1-05)和國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07203010)聯(lián)合資助.2015-07-15收稿；2015-12-01收修改稿.秦麗歡(1987～)，女，博士研究生；E-mail：proveqinlh@163.com.

**通信作者；E-mail: xyli@rcees.ac.cn.