水环境影响论文:冻融对湿地水环境的影响

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作者：任伊滨任南琪李志强单位：哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室黑龙江省环境保护科学研究院

目前的研究多为农田土壤和中纬度湿地土壤，对中国高纬度的森林沼泽湿地的影响的研究未见报道。本研究有助于研究冻融周期循环下，冻融作用对中国高纬度、低温森林沼泽湿地及灌丛沼泽湿地土壤养分的影响，在理论上进一步完善冻融区湿地物质循环的机理，有助于从新的角度理解全球气候变暖和湿地开发活动对湿地有机质积累与释放的影响。

1材料与方法

1.1实验区概况乌伊岭国家级自然保护区位于黑龙江省东北部伊春市，地理坐标为48°33′～48°50′N，129°00′～129°30′E，总面积约为438.24km2。保护区湿地类型按植被划分，可分为森林沼泽、灌丛沼泽、草丛沼泽、浮毯沼泽，各类湿地主要分布于沟谷、河漫滩、河流及湖泊边缘。保护区属温带大陆性季风气候，平均海拔350‐400m，温度垂直变化明显，高度每加一百米，气温降低1.67℃；最低气温出现在1月份，平均气温‐24.6℃，极端最低气温可达‐47.9℃；最高气温出现在7月份，平均气温19.1℃。保护区10月中旬开始封冻，结冰期为6个月，最深冻层为2.78m。森林沼泽湿地采样点土壤0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cm含水量分别为84%、77%、75%、61%，灌丛沼泽湿地分别为72%、28%、30%和29%。森林沼泽湿地采样点土壤0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cmpH值分别为5.9、6.1、5.8和6.1，灌丛沼泽湿地分别为5.9、6.3、6.3和5.8。区内地带性土壤为暗棕壤，非地带性土壤有草甸土，沼泽土，泥炭土等。各类土壤的分布主要受地形的控制，一般以河流和河谷洼地为起点，向两侧随海拔升高呈现规律性的带状分布。

1.2研究方法采样时间与方法根据乌伊岭湿地管理局提供的历年气象及土壤数据选定冻融前期的2010年10月10日及融化期结束的2011年5月15日，在保护区的森林沼泽湿地，地理坐标为N48°35′15"～E129°24′0.7",灌丛沼泽湿地，地理坐标为N48°35′57"～E129°24′20"进行采样。在两种类型的湿地上分别布设间距为10m×10m的单元3块，在每个样点上开长1.5m，宽0.8m，深1.2m的剖面，采集枯枝落叶层及湿地0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cm土壤样品，每层样品采集1kg左右，每个单元内采3个重复样，装入密闭无菌存储袋。同时采取深层土壤下的湿地水样品，按照每个样地取混合水样的原则，每个样品设3个重复。土样迅速带回实验室采用四分法把土壤分成两份，一份自然风干后，研磨过0.25mm的筛，用于分析土壤TN、TP及TOC；另一部分鲜土放于4℃下冷藏用于分析其它土壤指标。湿地水样品送至哈尔滨市环境监测中心站进行分析。湿地土壤有机质测定采用重铬酸钾为氧化剂的容量分析法，湿地土壤腐殖质酸采用0.1mol/L焦磷酸钠和0.1mol/L氢氧化钠混合溶液提取土壤腐殖酸的方法，用重铬酸钾氧化‐外加热法测定。土壤TN采用硫酸钾‐硫酸铜为加速剂的消煮法测定，土壤TP采用氢氧化钠熔融法。数据采用方差分析（ANOVA）进行统计分析，所用工具软件为Excel2007。

2结果与分析

2.1冻融过程湿地水元素的变化特征冻融过程对湿地水中元素的变化特征有显著的影响。冻融后，森林沼泽湿地水pH值下降了14%；高锰酸盐指数增加了23.5%；氨氮增加了20.2%；总磷增加了38%；总氮增加了29.4%；硫酸盐指数下降了4.7%；硝酸盐增加了44.9%。冻融后森林沼泽湿地水指标变化规律见图1。冻融循环后，灌丛沼泽湿地水pH值下降了13%；高锰酸盐指数增加了19.9%；氨氮增加了27.6%；总磷增加了38.4%；总氮增加了34%；硫酸盐指数下降了4.8%；硝酸盐增加了84.4%。冻融过程对灌丛沼泽湿地的水体指标影响见图2。

2.2冻融过程湿地土壤元素的变化特征

2.2.1冻融过程对湿地土壤TN的影响冻融循环对不同类型的湿地中不同深度的土壤中TN的影响也不同，其中森林沼泽类型湿地由于有机质含量高，土壤养分较灌丛沼泽湿地丰富，TN含量在不同的土壤层之间均呈现下降趋势，0‐10cm，20‐40cm，40‐60cm土壤TN分别下降了11.3%、7.1%和14.7%；而10‐20cm土壤TN增加了22.4%；灌丛沼泽湿地的土壤TN分别下降了16.7%、7.2%、3.5%和2.9%。土壤养分最高的枯枝落叶层中TN的含量下降了11.02%，具体见图3。方差分析结果（表1）表明，冻融对湿地土壤中TN含量具有显著的影响，而湿地类型的差异对TN含量的影响不显著。

2.2.2冻融过程对湿地土壤TP的影响冻融循环对不同类型湿地土壤养分中TP的影响十分显著，森林沼泽湿地土壤中TP的含量呈现下降趋势，各取样土层分别下降了11.1%、21.5%、21.3%和26.4%；枯枝落叶层中TP下降了11.5%；灌丛沼泽湿地土壤各采样土层中TP含量先增加后降低，分别增加了8.6%、12.2%和降低了8.4%和6.6%，具体见图4。方差分析结果（表2）表明，冻融对湿地土壤中TP含量具有显著的影响，而湿地类型的差异对TP含量的影响不显著。

2.2.3冻融过程对湿地土壤有机质的影响两种类型湿地土壤中有机质含量在冻融作用后均呈现上升趋势，其中森林沼泽湿地各采样土层有机质含量分别增加了19.1%、17.8%、11.2%和2.9%；枯枝落叶层有机质增加了25.23%；灌丛沼泽湿地的有机质含量分别增加了13.8%、11.6%、8%和48.9%，具体见图5。方差分析结果（表3）表明，冻融及湿地类型的差异对湿地土壤有机质的含量均有显著影响。

2.2.4冻融过程对湿地土壤腐殖质酸的影响冻融作用对不同类型湿地土壤腐殖质酸的影响均呈现增加趋势，其中枯枝落叶层腐殖质酸增幅最高，增加了53.3%；森林沼泽湿地不同深度采样点土壤中腐殖质酸分别增加了35.3%、22.5%、28.2%和44.9；灌丛沼泽湿地不同采样深度的土壤中腐殖质酸含量分别增加了39.6%、22.4%、25%和82.6，具体见图6。方差分析结果（表4）表明，冻融作用和湿地类型的差异对湿地土壤中腐殖质酸具有一定影响。

3讨论

3.1冻融对湿地水环境元素的影响冻融作用对乌伊岭森林沼泽、灌丛沼泽湿地水中元素的变化有显著的影响。冻融期湿地上覆冰融化后向湿地水体中释放出各种元素，同时水和湿地土壤之间也存在着氮、磷元素的分配平衡，湿地土壤中的各种元素能够通过扩散、吸附等作用释放到湿地水中。湿地水中总氮、总磷的浓度与湿地及水中微生物的活性密切相连，冻融期湿地水的元素浓度变化是这个过程的综合体现。冻融后，森林沼泽湿地水中高锰酸盐指数增加了23.5%，灌丛沼泽湿地水中高锰酸盐指数增加了19.9%。由于冻融作用导致土壤团聚体的破坏以及导致土壤有机物质和矿质态氮的增加[10]，进而导致湿地水中的高锰酸盐含量的增加。冻融作用下，森林沼泽湿地和灌丛沼泽湿地水中氨氮含量分别增加了20.2%和27.6%，由于融化期土壤氨氮值比冻结期大，但是因土壤的温度和含水量及微生物的活动的影响，会出现冻结期土壤的氨氮值比融化后大[19]进而增加湿地水体中总氮的含量，同时冻融促进了土壤有机质的分解，增加了湿地土壤中矿质氮的含量进而导致了湿地水体中氨氮的浓度的增加。森林沼泽、灌丛沼泽湿地水中总磷、总氮含量在冻融后，分别增加了38%、29.4%和38.4%、34%，冻融作用影响了微生物的活性，在融化期死亡的动植物残体被微生物分解转化，土壤中的氮、磷元素被释放到水体中，导致其在水中的含量增加。这与已有的研究结果[20]相一致。森林沼泽、灌丛沼泽湿地水中硝酸盐在冻融后增加了44.9%和84.4%，硝酸盐主要来源是固氮菌固氮形成，冻融作用促进了植物对氮肥的吸收[8,11]，进而增加了湿地水中硝酸盐的含量。森林沼泽湿地与灌丛沼泽湿地的水体中硫酸盐的含量均有所下降，但下降幅度不大。采样点土壤有机质的含量较高，而土壤有机质中含有丰富的硫元素，由于森林沼泽湿地优势植物为针叶林的松树，而灌丛沼泽湿地优势植物为油桦和沼柳等植物。不同植物对硫元素具有不同的生物富集程度，进而影响着水中硫酸盐的含量。

3.2冻融对不同类型湿地土壤元素的影响冻融作用显著的影响着乌伊岭湿地不同土层中土壤元素的含量，冻融作用后乌伊岭森林沼泽湿地和灌丛沼泽湿地土壤中TN、TP的含量，除森林沼泽湿地的10‐20cm土层和灌丛沼泽湿地0‐20cm土层含量略有上升外，其它土壤中的元素含量呈下降趋势。土壤微生物先是在冻结期处于休眠状态，随着融化期的土壤温度增加和水分等条件的改善，逐渐恢复活性土壤中的腐殖质被微生物分解，可供植物利用的养分被释放到土壤中。由于研究区气候特点，湿地土壤的冻融期要大于融化期，不同冻融阶段微生物的活性及土壤理化特征也不相同，秋季地表养分输入和春季积雪融水导致土壤养分流失导致土壤中TN、TP的含量降低。这与Ross[14]的研究结果相符，也与土壤在冻融前后TP变化幅度很大，融化期土壤的TP明显低于冻融期[20]的结果相近。土壤中根系微生物和土壤微生物的固氮作用是土壤中氮元素的主要来源。冻融作用促进了植物对土壤元素的吸收，导致土壤中有效磷的流失，同时促进了土壤氮元素的消化作用，加速了铵态氮转化成硝态氮的速率，进而降低了土壤中总氮的含量。冻融后，森林沼泽湿地和灌丛沼泽湿地土壤中有机质含量最高增加了19.1%和48.9%，冻融作用对不同类型湿地土壤的有机质积累有很好的促进作用。冻融作用对枯落物、土壤有机质和土壤微生物的干扰，导致土壤团聚体的结构改变，进而增加土壤有机质[10]。由于冻融过程中转化的有机质大多是土壤有机质中易于分解的部分[18]，实验区湿地土壤多为未受人类活动影响的天然背景值高的区域，土壤有机质含量丰富，因而冻融循环后，土壤有机质含量增高，其中以枯枝落叶层最为显著，森林沼泽湿地的枯枝落叶层有机质在冻融后增加了25.23%。冻融过程中，湿地土壤冻结时间大于融化时间，土壤中动植物的残体的数量增加，经微生物的分解和转化成新的腐殖质，虽然冻融作用对土壤有机质的矿化有促进作用但进入土壤的有机物质的积累大于有机质的转化，所以有机质呈现总体增长的趋势。枯枝落叶层的腐殖质酸在冻融后增加了53.3%，森林沼泽和灌丛沼泽土壤腐殖质酸含量最高分别增加了44.9%和82.6%。土壤中的腐殖质酸是土壤中的动、植物残体在土壤微生物的分解和转化作用下，经一系列的化学过程积累产生，冻融过程对湿地土壤中微生物活性具有一定的影响，土壤孔隙中冰晶膨胀，导致土壤团聚体的破坏，影响土壤温度与含水量进而影响微生物的活性[3]冻融作用导致土壤中动植物残体增加，有机质含量增加，同时对微生物活动有促进作用，也是乌伊岭湿地不同深度土壤中腐殖质酸含量增加的原因之一。

4结论

（1）冻融作用对乌伊岭森林沼泽湿地和灌丛沼泽湿地水中各项指标均有显著影响，不同类型湿地水中高锰酸盐指数、氨氮、总磷增、总氮及硝酸盐含量均有所增加；硫酸盐指数与pH值均有所下降。2）冻融作用对乌伊岭不同类型湿地土壤养分影响程度不同，森林沼泽湿地对冻融作用的响应要高于灌丛沼泽湿地。而同一类型湿地的不同土层的土壤养分变化也不同，其中影响最大的是枯枝落叶层，其次为森林、灌丛沼泽湿地的0‐10cm、10‐20cm土层的土壤。3）冻融作用后，乌伊岭森林和灌丛沼泽湿地土壤腐殖质酸含量均有所增加，其中森林湿地枯枝落叶层腐殖质酸增幅最高。方差分析结果表明，冻融对湿地土壤中腐殖质酸具有促进作用。