潮灘濕地圍墾為菜地后土壤生源要素含量變化及潛在生態(tài)風(fēng)險

汪 蓉

(上海清寧環(huán)境規(guī)劃設(shè)計有限公司，上海 200051)

1 引言

河口潮灘濕地在全球濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的地位，而土壤是該生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是碳、氮和磷等生源要素的重要源與匯[1]。碳、氮和磷等元素深刻影響著潮灘濕地生產(chǎn)力，通過生物地球化學(xué)過程影響著物質(zhì)的生產(chǎn)與傳輸，從而一定程度影響生態(tài)環(huán)境[2]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，潮灘濕地圍墾成為緩解河口地區(qū)人多地少矛盾的重要方式之一[3]。潮灘濕地圍墾后，其土地利用和管理方式發(fā)生改變，這勢必會影響土壤理化性質(zhì)以及碳、氮和磷等元素含量及生物地球化學(xué)循環(huán)[4]。因此，研究天然潮灘濕地圍墾后土壤碳、氮和磷等元素含量變化，并進行潛在生態(tài)風(fēng)險評估對于河口濕地綜合管理與環(huán)境保護具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

目前，針對天然潮灘濕地土壤碳、氮和磷含量開展了許多相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)植被類型、水文特征和鹽度梯度等對其生源要素含量具有重要的影響[5～7]。然而，對于潮灘濕地圍墾后，土壤有機碳(TOC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量變化的報道較少，對其造成的潛在生態(tài)風(fēng)險認(rèn)識也不甚清楚。當(dāng)前，土壤TOC、TN和TP生態(tài)風(fēng)險評價的標(biāo)準(zhǔn)較少，主要采用加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的沉積物質(zhì)量評價指南[5]。為此，本研究以長江口為典型研究區(qū)，選取崇明東灘天然潮灘濕地和不同圍墾年限菜地土壤為研究對象，分析潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤TOC、TN和TP含量的變化，并進行潛在生態(tài)風(fēng)險評估，旨為長江口濕地保護與合理開發(fā)利用提供科學(xué)基礎(chǔ)參考。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

長江口崇明東灘濕地位于長江入海口，其面積約為1267 km2。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，年平均氣溫為15.3 ℃，年均降雨量為1003.7 mm。崇明東灘濕地受潮汐影響，為不規(guī)則半日潮，平均潮幅為2.4～4.6 m。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，為解決人多地少的矛盾，歷史上對崇明島東灘濕地進行了多次圍墾，形成一系列不同圍墾年限的農(nóng)業(yè)用地(如菜地、稻田和養(yǎng)殖塘等)。

2.2 研究方法

2.2.1 實驗設(shè)計與樣品采集

基于野外調(diào)查和遙感數(shù)據(jù)，以崇明東灘濕地及3個不同圍墾年限(約20年、28年和52年)的菜地土壤為研究對象(圖1)。每個用地類型布設(shè)50 m×50 m樣方作為采樣區(qū)，隨機確定3個采樣點，樣點間距離為10～15 m，并于2019年夏季(8月份)和冬季(12月份)進行采樣。采樣時，用不銹鋼土鉆采集0～10 cm土壤樣品，并混合均勻，裝入自封袋，放入4 ℃保溫箱，于4 h內(nèi)帶回實驗室。實驗室內(nèi)，將一部分樣品放入4 ℃冰箱保鮮，另一部分自然風(fēng)干。風(fēng)干的土壤樣品過2 mm篩，之后再取一小部分過0.149 mm篩，待測。

圖1 研究區(qū)和采樣地布設(shè)

2.2.2 樣品測定

土壤TOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[8]，土壤TN和TP分別用碳氮元素分析儀(ElementarVario MAX CN, Germany)和SMT法測定[9]。土壤pH值和電導(dǎo)率(EC)分別利用奧立龍868型酸度計和DDS-307型電導(dǎo)儀測定。采用烘干法和環(huán)刀法測定土壤含水量和容重[8]，F(xiàn)e2+和Fe3+利用鄰菲羅啉比色法測定，并計算Fe2+/Fe3+值[8]。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

土壤TOC、TN、TP達到一定濃度會對土壤及生物產(chǎn)生一定的毒害作用。目前，關(guān)于土壤TOC、TN和TP等生源要素生態(tài)風(fēng)險評價暫無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與方法，較多采用單因子污染指數(shù)法[5]，單一污染因子i的一般標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)關(guān)系式為：

Pi=Ci/Cs

(1)

式(1)中，Pi為單項評價指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Ci和Cs分別為評價因子i的實測值和標(biāo)準(zhǔn)值。土壤生源要素含量生態(tài)風(fēng)險評價多采用加拿大安大略省制定的環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，即能引起最低級別生態(tài)風(fēng)險效應(yīng)，其TOC、TN和TP濃度分別為10 g/kg，0.55 g/kg和600 g/kg。根據(jù)Pi的大小，一般可將評價區(qū)域土壤分為四級，其中Ⅰ級表示清潔(PTOC<1、PTN<1和PTP<0.5)，Ⅱ級表示輕度污染(1≤PTOC<5，1≤PTN<2，0.5≤PTP<1)，Ⅲ級表示中度污染，(5≤PTOC<10，2≤PTN<3，1≤PTP<1.5)，Ⅳ級表示重度污染(PTOC≥10，PTN≥3，PTP≥1.5)。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行處理統(tǒng)計，利用Pearson相關(guān)系數(shù)表征土壤生源要素含量與理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，用Origin 8.0繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)

長江口崇明東灘濕地與圍墾菜地土壤理化性質(zhì)如表1所示。表1顯示圍墾菜地土壤pH值總體上小于天然潮灘濕地，且隨圍墾年限的延長而減小，但夏季和冬季土壤pH值總體無明顯差異。此外，天然潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤EC、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值也具有顯著的變化(表1)。其中，菜地土壤EC(1.19～1.24 mS/cm2)顯著小于天然潮灘濕地(3.13～3.23 mS/cm2)。天然潮灘濕地土壤容重和含水量分別介于1.46～1.52 g/cm3和50.67～52.33%，而圍墾為菜地后其容重和含水量顯著降低(表1)。天然潮灘濕地和菜地土壤Fe2+/Fe3+值介于0.71～0.94，總體上表現(xiàn)為菜地大于潮灘濕地，但不同年限菜地之間Fe2+/Fe3+值無顯著差異(表1)。

表1 天然濕地和不同年限菜地土壤理化性質(zhì)

3.2 土壤TOC、TN和TP含量

天然潮灘濕地土壤TOC含量介于14.90～16.09 g/kg，季節(jié)上表現(xiàn)為夏季高于冬季(圖2)。不同圍墾年限菜地土壤TOC含量范圍為18.44～20.79 g/kg，在季節(jié)上總體無明顯差異。從天然潮灘濕地和菜地對比看，菜地土壤TOC含量顯著高于潮灘濕地，且圍墾28年的菜地具有最高的TOC含量(圖2)。土壤TN含量變化與TOC相似，天然潮灘濕地和菜地土壤TN含量介于1.27～2.36 g/kg，其中圍墾菜地的TN含量總體上高于天然潮灘濕地，且隨圍墾年限延長，其含量也略有增加。天然潮灘濕地和菜地土壤TN含量均無顯著季節(jié)差異(圖2)。天然潮灘濕地土壤TP含量介于674.11～697.39 mg/kg，而菜地土壤TP含量范圍為822.68～1134.39 mg/kg，總體表現(xiàn)為菜地土壤TP含量高于潮灘濕地。夏季，土壤TP含量隨著圍墾年限的延長而逐漸增加，但冬季表現(xiàn)為圍墾52年>圍墾28年≈圍墾20年>天然濕地。天然潮灘濕地和菜地土壤TP含量在季節(jié)上無明顯差異。

圖2 天然潮灘濕地和不同年限菜地土壤有機碳、全氮和全磷的含量

3.3 土壤TOC、TN和TP含量與理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤TOC與TN和TP均有極顯著正相關(guān)關(guān)系，且TN和TP也具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。土壤pH和EC與TOC、TN和TP均呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)關(guān)系(表2)。土壤容重與TOC和TN呈顯著負相關(guān)，但與TP無顯著相關(guān)。土壤含水率與TOC和TP呈顯著負相關(guān)，而與TN無顯著相關(guān)關(guān)系。土壤Fe2+/Fe3+值與TOC、TN和TP也具有顯著的負相關(guān)關(guān)系。

圖3 土壤TOC、TN和TP之間的相關(guān)關(guān)系

表2 土壤TOC、TN和TP含量與沉積物理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3.4 土壤TOC、TN和TP潛在風(fēng)險評價

天然潮灘濕地和圍墾菜地土壤TOC、TN和TP的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均大于1，表明具有一定的污染風(fēng)險(表3)。天然濕地和圍墾菜地的TOC單因子污染指數(shù)小于5，均為Ⅱ級輕度污染。從TN單因子污染指數(shù)可知，圍墾菜地的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)顯著大于天然潮灘濕地。此外，圍墾菜地也一定程度增加了TP單因子污染指數(shù)，但僅圍墾52年菜地顯著增加了TP潛在生態(tài)風(fēng)險等級。

表3 天然潮灘濕地與圍墾菜地土壤TOC、TN和TP潛在風(fēng)險指數(shù)與等級

4 討論

4.1 土壤理化性質(zhì)變化

潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤pH值總體上有所降低，這主要是因為潮灘濕地長期受潮汐影響[10]。此外，圍墾菜地土壤EC也顯著小于潮灘濕地，這也與土地利用方式有關(guān)。土壤EC是與鹽度密切相關(guān)，是鹽度大小的重要表征，潮灘濕地受海水影響，EC相對較高，而圍墾為菜地后在人為干擾作用下，土壤EC顯著降低[11]。圍墾菜地土壤含水率下降也與管理方式密切相關(guān)，潮灘濕地受潮汐周期性淹沒的影響，其含水率相對較高。潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤容重也顯著下降，這主要是由于菜地土壤受人為耕作影響較為疏松，從而降低了土壤容重[10]。本研究中，進一步計算了Fe2+/Fe3+值，結(jié)果表明潮灘濕地圍墾為菜地后，F(xiàn)e2+/Fe3+值有所降低(表1)。Fe2+/Fe3+值是土壤氧化還原潛力的重要表征，說明潮灘濕地圍墾成菜地后，土壤由弱還原向氧化環(huán)境過渡，這主要是由于菜地為旱地，而耕作導(dǎo)致土壤通透性較好，從而降低了Fe2+/Fe3+值。

4.2 土壤TOC、TN和TP含量及潛在污染風(fēng)險變化

土壤是濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，TOC、TN和TP等生源要素是反映土壤營養(yǎng)程度的重要標(biāo)志[12]。研究發(fā)現(xiàn)，潮灘濕地圍墾為菜地后，土壤TOC、TN和TP含量總體上有所上升，且隨著圍墾年限的延長而不斷增加(圖2)，這種現(xiàn)象可能與菜地人為施肥活動有關(guān)。有報道指出，在崇明島圍墾區(qū)，每年施肥將近300 kg/hm2，這顯著增加了土壤TOC、TN和TP等生源要素含量[13]。分析圍墾菜地和潮灘濕地土壤TOC、TP、TN含量間相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖3)，土壤TOC、TN和TP之間關(guān)系非常密切，這與胡敏杰等[5]和陳桂香等[14]研究相似。此外，TOC、TN和TP還受容重和氧化還原狀況等的影響。本研究發(fā)現(xiàn)TOC、TN和TP與容重和Fe2+/Fe3+值呈顯著負相關(guān)(表2)。土壤容重越小，其通透性越好，這使得土壤理化性質(zhì)得到改善，有利于養(yǎng)分的貯存[15, 16]。潮灘濕地圍墾成菜地后，由于施肥影響，土壤TOC、TP、TN含量增加，而土壤容重降低有利于這些生源要素的儲存與積累。此外，強厭氧環(huán)境有利于促進有機物質(zhì)的厭氧分解，增加其消耗速率，若好氧環(huán)境增強，其消耗速率可能相對較低，而碳、氮、磷三者之間具有密切的相互耦合關(guān)系，促使圍墾的菜地保持較高的TOC、TP和TN含量[17]。

土壤TOC、TN、TP含量達到一定的濃度會對土壤環(huán)境產(chǎn)生一定的風(fēng)險[18]。本研究單因子評價結(jié)果顯示，潮灘濕地圍墾成菜地后，TOC、TN和TP單因子污染指數(shù)總體上有所上升，特別是TN和TP的單因子污染指數(shù)。從TOC而言，圍墾菜地沒有改變土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險，但顯著增加了TN和TP的潛在生態(tài)風(fēng)險。因此，在潮灘濕地圍墾成菜地的農(nóng)業(yè)活動中需進一步提高養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率，這對提高經(jīng)濟效益和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[14]。

5 結(jié)論

通過對比天然潮灘濕地和不同圍墾年限菜地土壤的TOC、TN和TP含量，并進行潛在生態(tài)風(fēng)險評估，得到以下主要結(jié)論：

(1)相比天然潮灘濕地，圍墾菜地土壤TOC、TN和TP含量相對較高，且總體上隨著圍墾年限延長而呈增加趨勢。

(2)土壤TOC與pH值、電導(dǎo)率、容重、含水率和Fe2+/Fe3+值均呈顯著負相關(guān)，土壤TN僅與pH值、電導(dǎo)率、容重和Fe2+/Fe3+值密切相關(guān)，而TP與pH值、電導(dǎo)率、含水率和Fe2+/Fe3+值顯著相關(guān)。

(3)長江口天然潮灘濕地和圍墾菜地土壤TOC、TN和TP的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均大于1，表明具有一定的污染風(fēng)險，且圍墾菜地一定程度上增加了TOC、TN和TP潛在生態(tài)風(fēng)險。