崇明東灘修復(fù)濕地水域有機(jī)物與營養(yǎng)鹽的主要來源解析

張嘉陸 董浩宇 梅文萱 劉浩廷 馮雪松 魯冰花 吳 巍 王 磊,*

（1 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2 崇明東灘自然保護(hù)區(qū)管理事務(wù)中心，上海 202183; 3 長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，環(huán)境資源學(xué)院，湖南 長沙 410004 ）

崇明東灘濕地位于長江入?？冢侨蛏锒鄻有员Ｗo(hù)的關(guān)鍵區(qū)域（曹世偉等，2019）。在上世紀(jì)70年代，因互花米草（Spartina alterniflora）在促淤造陸和消浪護(hù)堤方面作用顯著，其被研究人員引入崇明東灘濕地（韓定定, 2018）。隨著互花米草的快速繁衍、擴(kuò)散，本地植物不斷受到排擠，如海三棱藨草（Scirpus mariqueter）逐漸消失等，導(dǎo)致鳥類棲息地大量喪失，使得東灘濕地鳥類的種類和數(shù)量大量降低。此外，互花米草會堵塞濕地中的潮溝，使大量魚類和底棲動物喪失棲息地，對濕地生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞（湯臣棟, 2016）。針對以上問題，上海市崇明東灘自然保護(hù)區(qū)于2011年建設(shè)了“互花米草生態(tài)控制與鳥類棲息地優(yōu)化工程”，以控制并消除入侵物種互花米草，對鳥類棲息地進(jìn)行修復(fù)（王思凱等, 2020）。通過構(gòu)建帶有涵閘的大壩，將崇明東灘2 200 hm2互花米草區(qū)全部圈圍，并對圈圍區(qū)域內(nèi)的互花米草采取刈割、水淹等措施，基本上消滅了圈圍區(qū)內(nèi)的互花米草。該生態(tài)修復(fù)工程使2 200 hm2修復(fù)濕地的水環(huán)境由天然潮汐轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^涵閘來調(diào)控水位的半封閉水環(huán)境（Wu et al., 2018），修復(fù)區(qū)域內(nèi)水體存在水深較淺（Xu et al., 2018）和水動力較差（Pethick, 1994）等問題，容易造成修復(fù)區(qū)域內(nèi)水體中污染物的積累（吳悅琦，2021; Wang et al., 2023）。

目前，關(guān)于崇明東灘修復(fù)濕地的研究大多聚焦于濕地實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程后對沉積地貌、植被和生物多樣性等方面的影響（丁文慧, 2016; 馬金妍, 2010; 鄒業(yè)愛, 2014; 鄭鑫, 2020; 王苗勛,2022），修復(fù)濕地區(qū)水環(huán)境狀況尚缺乏系統(tǒng)的研究。崇明東灘修復(fù)濕地的有機(jī)物和營養(yǎng)鹽的現(xiàn)狀、主要來源及其貢獻(xiàn)權(quán)重，目前均未有明確的結(jié)論。鑒于此，本研究選擇東灘修復(fù)濕地作研究對象，研究修復(fù)濕地區(qū)有機(jī)物和營養(yǎng)鹽的現(xiàn)狀及變化規(guī)律，并探究其主要來源和貢獻(xiàn)權(quán)重，研究結(jié)果將為強(qiáng)化崇明東灘修復(fù)濕地的管理、維持和提升水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

崇明東灘濕地（31°25′—31°38′ N, 121°50′—122°05′ E）位于長江入海口，是長江口地區(qū)最大的河口型潮汐灘涂濕地，屬于亞熱帶海洋性氣候，氣候四季分明且溫和潮濕，年平均氣溫為15.3℃，降雨主要集中在4—9月，年平均降水量為1 022 mm（曹牧等, 2018）。崇明東灘保護(hù)區(qū)實(shí)施了互花米草生態(tài)控制和鳥類棲息地優(yōu)化工程，該工程在崇明東灘濕地北部地區(qū)修筑了新大堤，堤壩上修建了3個聯(lián)通內(nèi)外水文的水閘，該水閘可調(diào)控生態(tài)修復(fù)區(qū)的水位，區(qū)域內(nèi)原有潮溝也因蓄水變成河道。堤壩外區(qū)域?yàn)樘烊怀睘怨鉃┖秃Ｈ馑懖轁竦貫橹?，有天然的潮汐漲落。

1.2 采樣點(diǎn)及采樣方法

在崇明東灘修復(fù)濕地內(nèi)選取最大的開闊水面作為采樣區(qū)域（31°31′9″ N, 121°57′42″ E），樣區(qū)內(nèi)采取梅花樁布點(diǎn)法，設(shè)置5個采樣樣點(diǎn)（圖1），并于修復(fù)濕地圩堤外（31°32′11″ N,121°58′23″ E）采集潮汐水樣作為對照。此外，在修復(fù)濕地區(qū)采集植物樣品和底泥樣品。

圖1 修復(fù)濕地內(nèi)及天然潮汐采樣位點(diǎn)Fig.1 Sampling sites of the restored wetland and natural tidal

1）水樣采集。于2021年10月28日至2023年4月1日共采樣8次，4次處于高水位時期，4次屬于低水位時期。采水器采水后倒入1000 mL聚乙烯瓶中。采集的水樣加硫酸使其pH＜2，并放于4℃冰箱冷藏保存。

2）植物采集。在樣區(qū)內(nèi)使用剪刀采集植物，包括根、莖、葉部分，將所采集的植物混合在一起裝入采集袋中，作為1個樣點(diǎn)。采集的植物常溫避光保存。

3）底泥采集。使用鍬式采樣器采取底泥樣品（深度為0～10 cm），隨機(jī)取3個樣點(diǎn)的底泥混合均勻作為該采樣點(diǎn)的樣品，于4℃冰箱冷藏保存。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

總有機(jī)碳（TOC）、總氮(TN)、硝氮(NO-3-N)、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）的測定均采用GB 17378.4-2007《海洋監(jiān)測規(guī)范-海水分析》中的標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.4 有機(jī)碳和營養(yǎng)鹽釋放模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)中采用修復(fù)濕地區(qū)水樣作為空白對照，并分別設(shè)置加入植物、加入底泥、加入植物和底泥組。所采用的容器為2 000 mL大燒杯，其底面積為133 cm2；由于目前實(shí)際修復(fù)濕地主要植物為蘆葦(Phragmites australis)，并結(jié)合實(shí)際環(huán)境中植物和底泥所占比例，選擇所加植物為蘆葦，添加量為15 g，鋪設(shè)底泥厚度約1.5 cm，體積約200 cm3。于特定時間對燒杯內(nèi)水中C、N、P相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)（檢測方法同1.3）進(jìn)行測定。

1.5 植物、底泥和水樣的δ13C含量分析方法

將經(jīng)過冷凍干燥處理的水樣以及干燥粉碎處理的植物和底泥樣品在錫箔帽中稱量處理。采用MAT-253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA）檢測樣品的δ13C（反映同位素的組成特征），并根據(jù)二元混合模型公式計(jì)算得出崇明東灘修復(fù)濕地水體中有機(jī)物來自底泥釋放或植物腐爛的強(qiáng)度和相對比例。以下是二元混合模型公式（Millard et al, 2008; Phillips,2001）：

式中：δ13CW表示水體中穩(wěn)定同位素δ13C值，?表示不同來源的碳對水體中13C的貢獻(xiàn)比例。Cp、CS分別表示水樣中碳的植物來源和底泥來源。

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS中spearman相關(guān)性分析的方法對季節(jié)、水位對于有機(jī)物和營養(yǎng)鹽含量的影響進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)濕地水體中有機(jī)物與營養(yǎng)鹽含量與變化規(guī)律

2.1.1 修復(fù)濕地水體中有機(jī)物與營養(yǎng)鹽含量 由表1可知：修復(fù)濕地水體中TOC含量為14.20 mg/L，高于天然潮汐水體中的5.80 mg/L。修復(fù)濕地內(nèi)外水體中TN含量分別為1.89 mg/L和1.94 mg/L，其中，修復(fù)濕地水體中NH4+-N含量為0.67 mg/L，略高于修復(fù)濕地外天然潮汐水體的0.57 mg/L；NO3--N含量為0.27 mg/L，遠(yuǎn)低于修復(fù)濕地外天然潮汐水體的0.74 mg/L。此外，修復(fù)濕地水體中TP含量（0.14 mg/L）略高于修復(fù)濕地外天然潮汐水體（0.12 mg/L）。

表1 修復(fù)區(qū)內(nèi)外水體中有機(jī)碳和營養(yǎng)鹽的年平均值Table 1 The annual average of organic carbon and nutrients in the water inside and outside the restoration wetland.

表2 修復(fù)濕地水體中有機(jī)碳和營養(yǎng)鹽含量變化與水位和季節(jié)的spearman相關(guān)性分析Table 2 The spearman correlation analysis of the changes of organic carbon and nutrient content in the water of the restored wetland with the water level and season

2.1.2 修復(fù)濕地水體中有機(jī)物與營養(yǎng)鹽的變化規(guī)律 根據(jù)上海市崇明東灘自然保護(hù)區(qū)管理事務(wù)中心所提供的修復(fù)濕地內(nèi)生境管理記錄中的水位情況（2.5 m為線），利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析。結(jié)果表明：修復(fù)濕地水體中TOC含量僅與季節(jié)變化有關(guān)（r=0.501,p＜0.05）；NO3--N含量變化和水位有較強(qiáng)相關(guān)性（r=0.655,p＜0.05）（圖2a、2b），在低水位時期NO3--N含量較低，在高水位時NO3--N含量較高（圖2g、2h)；TP含量變化與季節(jié)和水位均有一定相關(guān)性（r分別為0.451和-0.436,p＜0.05）（圖2I、2J）；TN（圖2c、2d）和NH4+-N（圖2e、2f）含量隨季節(jié)變化和水位變化均無明顯規(guī)律。

圖2 修復(fù)濕地和天然潮汐水體中有機(jī)物及營養(yǎng)鹽含量的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of organic matter and nutrient content in the water inside the restoration wetland and from natural tidal

2.2 修復(fù)濕地水體中植物與底泥的有機(jī)碳模擬釋放規(guī)律

由2.1的結(jié)果可初步推測濕地水體中有機(jī)物不是外源輸入，而可能與植物腐爛降解和底泥釋放有關(guān)，為進(jìn)一步探究水體中有機(jī)物的主要來源和權(quán)重，開展了實(shí)驗(yàn)室模擬釋放實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：修復(fù)濕地水體中加入植物、底泥、底泥+植物后TOC的含量隨時間均有一定的改變。在僅加入底泥組中TOC含量變化較小，與空白較為接近；僅加入植物組和加入底泥+植物組的TOC含量變化趨勢較接近，在3—7 d達(dá)到第一個峰值，TOC含量分別為105.65 mg/L和159.19 mg/L，表明有機(jī)碳的主要來源是植物腐爛降解釋放（圖3）。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)中TOC釋放的時間變化規(guī)律Fig.3 Variation of TOC release in simulation experiments

2.3 水樣、植物及底泥中13C分析結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證2.2所得結(jié)論，并探究植物和底泥對水樣區(qū)域碳增量的貢獻(xiàn)比例，采用穩(wěn)定同位素示蹤法對有機(jī)物來源進(jìn)行溯源（表3）。根據(jù)2.1中所知修復(fù)濕地水體中有機(jī)物主要來源于內(nèi)源輸入，設(shè)定本研究修復(fù)濕地水體中的δ13C全部來自于底泥釋放和植物（蘆葦）降解。將表3中穩(wěn)定同位素測定結(jié)果代入式（1）中計(jì)算得到以下結(jié)果：濕地水體中有機(jī)碳來源于植物和底泥的占比分別為72.3%和27.7%。結(jié)果表明修復(fù)濕地有機(jī)碳來源于植物的比例遠(yuǎn)高于底泥，可認(rèn)為修復(fù)濕地的有機(jī)物主要來源與植物腐爛釋放有機(jī)物有關(guān)（王榮欣等，2018）。

表3 植物、底泥與水體有機(jī)碳中13C穩(wěn)定同位素測定結(jié)果Table 3 Results of 13C stable isotope organic carbon in plant,sediment and water

2.4 修復(fù)濕地水體中植物與底泥的營養(yǎng)鹽模擬釋放規(guī)律

采用實(shí)驗(yàn)室模擬釋放實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究氮磷營養(yǎng)鹽的主要來源及歸趨（圖4）。從圖4可看出：修復(fù)濕地水體加入底泥后TN的含量隨時間變化較小，幾乎和空白一致，可推測底泥釋放不是含氮營養(yǎng)鹽的主要來源。加入植物和加入底泥+植物組TN釋放量均有顯著的提高，且在第3—7 d達(dá)到釋放的峰值，可認(rèn)為植物腐爛降解釋放是含氮營養(yǎng)鹽的主要來源。

圖4 模擬修復(fù)濕地內(nèi)水環(huán)境實(shí)驗(yàn)中氮磷營養(yǎng)鹽釋放的時間變化規(guī)律Fig.4 Variation of nitrogen and phosphorus nutrient release in simulation experiments about the water of the restored wetland

NH4+-N的釋放趨勢與TN相似，濕地水體中加入底泥后NH4+-N的含量隨時間變化較小，幾乎和空白一致，但在加入植物十底泥和植物的水體中NH4+-N濃度顯著提高，加入底泥十植物的水體中NH4+-N濃度在第7天達(dá)到峰值，加入植物的在第40天達(dá)到峰值，NH4+-N濃度分別為25.79 mg/L和11.04 mg/L，且釋放量占TN釋放量的較大比例（分別占93.65%和81.30%）（圖4）。以上結(jié)果表明：NH4+-N是植物腐爛降解釋放含氮營養(yǎng)鹽的主要形態(tài)。對于NO-3-N，加入植物、底泥和底泥+植物與空白相對比，均無明顯差異，表明NO3-N不是植物腐爛降解釋放含氮營養(yǎng)鹽的主要形態(tài)。加入底泥后TP隨時間變化規(guī)律和空白一致，而在加入植物和加入底泥+植物后，TP釋放量有顯著的提高，故認(rèn)為植物腐爛降解釋放是含磷營養(yǎng)鹽的主要來源（圖4）。

3 討論

3.1 東灘修復(fù)濕地水體中有機(jī)物的主要來源與影響因素

修復(fù)濕地水體中TOC含量高于天然潮汐，且修復(fù)濕地水體中的TOC含量僅與季節(jié)變化有關(guān)（r=0.501,p＜0.05），可以確定潮汐輸入不是修復(fù)濕地水體中有機(jī)碳的主要來源。結(jié)合模擬釋放實(shí)驗(yàn)和13C測定結(jié)果可知修復(fù)濕地有機(jī)碳主要來源于植物腐爛降解釋放。此外，通過進(jìn)一步對比僅加入植物組和加入底泥+植物組的后期實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3），發(fā)現(xiàn)第一個峰值后底泥+植物組中TOC降解較快，這與底泥的加入增加了水體中微生物種群多樣性有關(guān)，微生物既可促進(jìn)植物腐爛降解釋放TOC，又可促進(jìn)水體中TOC去除。該結(jié)論與蔣玲燕（2007）研究所得的結(jié)論相似，其研究發(fā)現(xiàn)在濕地系統(tǒng)中微生物多樣性與有機(jī)物去除率的關(guān)系呈正相關(guān)。基于以上結(jié)論，通過對修復(fù)濕地水體中枯萎植物及時收割的措施來降低水體中TOC含量。

3.2 東灘修復(fù)濕地水體中營養(yǎng)鹽的主要來源及其影響因素

由于修復(fù)濕地水體中NO3--N含量（0.27 mg/L）遠(yuǎn)低于濕地外水體（0.74 mg/L），且NO3-N的含量與水位變化有較強(qiáng)相關(guān)性（r=0.655,p＜0.05），可認(rèn)為潮汐輸入（外源輸入）是NO3--N的主要來源。由模擬釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知植物腐爛降解釋放（內(nèi)源輸入）是NH4+-N的主要來源。內(nèi)外源輸入N的主要形態(tài)不同，與水體中溶解氧含量有關(guān)：修復(fù)濕地水體屬于半封閉水體，其含氧量較低導(dǎo)致氨的硝化作用不強(qiáng)烈，而天然潮汐中含氧量較高使得硝化作用進(jìn)行得更徹底（李金榮等, 2012）。

此外，對比模擬釋放實(shí)驗(yàn)中加入植物和加入底泥+植物組（圖3），TN濃度在第64 d時比峰值分別降低了13.27%和65.07%，說明底泥+植物組中含氮營養(yǎng)鹽的去除速度大于僅有植物組，這是因?yàn)榈啄嗑哂形胶驮黾铀w中微生物量的作用,可促進(jìn)含氮營養(yǎng)鹽的去除。該結(jié)果與鄔淑婷（2021）研究所得結(jié)論一致，其研究證明了水體中微生物量和底泥的吸附與截留作用對凈化富營養(yǎng)化水體中的含氮營養(yǎng)鹽起著重要作用。但目前修復(fù)濕地水體中TN含量與天然潮汐水體中的含量相似，表明修復(fù)濕地水體中植物腐爛釋放N，但濕地生態(tài)系統(tǒng)對氮有較強(qiáng)的去除能力，兩者基本保持了動態(tài)平衡

結(jié)合修復(fù)濕地水體中含磷營養(yǎng)鹽含量略高于天然潮汐的現(xiàn)狀和模擬釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，植物腐爛降解釋放是含磷營養(yǎng)鹽的主要來源。在模擬釋放實(shí)驗(yàn)中植物組和底泥+植物組的TP含量在第47 d前呈波動上升趨勢，第47 d后開始緩慢下降，由此可看出所釋放的磷在水體中存在較為穩(wěn)定?；谝陨辖Y(jié)論，可采取對修復(fù)濕地水體中枯萎植物及時收割的措施來降低水體中TP含量（蘇云華等, 2018）。

4 結(jié)論

1）崇明東灘濕地修復(fù)區(qū)內(nèi)水體中有機(jī)物濃度顯著高于濕地修復(fù)區(qū)域外水體，營養(yǎng)鹽含量基本相同或略低于濕地修復(fù)區(qū)域外潮汐水體；有機(jī)物的主要來源為植物腐爛降解釋放，其所占比例為72.3%。

2）含氮營養(yǎng)鹽的主要來源是植物腐爛降解釋放，釋放的主要形態(tài)為NH4+-N，還有部分來源于潮汐輸入，其主要形態(tài)為NO3--N。含磷營養(yǎng)鹽的主要來源也為植物腐爛降解釋放，且所釋放的磷在水體中存在較為穩(wěn)定。

3）修復(fù)濕地水體中有機(jī)物和氮磷營養(yǎng)鹽的主要來源均與枯落植物的降解釋放有關(guān)，通過適時收割修復(fù)濕地中即將枯落的植物，可顯著降低修復(fù)濕地水體中TOC含量，也對降低氮磷營養(yǎng)鹽含量有一定的貢獻(xiàn)。