水環境影響論文:凍融對濕地水環境的影響

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作者：任伊濱任南琪李志強單位：哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室黑龍江省環境保護科學研究院

目前的研究多為農田土壤和中緯度濕地土壤，對中國高緯度的森林沼澤濕地的影響的研究未見報道。本研究有助于研究凍融周期循環下，凍融作用對中國高緯度、低溫森林沼澤濕地及灌叢沼澤濕地土壤養分的影響，在理論上進一步完善凍融區濕地物質循環的機理，有助于從新的角度理解全球氣候變暖和濕地開發活動對濕地有機質積累與釋放的影響。

1材料與方法

1.1實驗區概況烏伊嶺國家級自然保護區位于黑龍江省東北部伊春市，地理坐標為48°33′～48°50′N，129°00′～129°30′E，總面積約為438.24km2。保護區濕地類型按植被劃分，可分為森林沼澤、灌叢沼澤、草叢沼澤、浮毯沼澤，各類濕地主要分布于溝谷、河漫灘、河流及湖泊邊緣。保護區屬溫帶大陸性季風氣候，平均海拔350‐400m，溫度垂直變化明顯，高度每加一百米，氣溫降低1.67℃；最低氣溫出現在1月份，平均氣溫‐24.6℃，極端最低氣溫可達‐47.9℃；最高氣溫出現在7月份，平均氣溫19.1℃。保護區10月中旬開始封凍，結冰期為6個月，最深凍層為2.78m。森林沼澤濕地采樣點土壤0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cm含水量分別為84%、77%、75%、61%，灌叢沼澤濕地分別為72%、28%、30%和29%。森林沼澤濕地采樣點土壤0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cmpH值分別為5.9、6.1、5.8和6.1，灌叢沼澤濕地分別為5.9、6.3、6.3和5.8。區內地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤有草甸土，沼澤土，泥炭土等。各類土壤的分布主要受地形的控制，一般以河流和河谷洼地為起點，向兩側隨海拔升高呈現規律性的帶狀分布。

1.2研究方法采樣時間與方法根據烏伊嶺濕地管理局提供的歷年氣象及土壤數據選定凍融前期的2010年10月10日及融化期結束的2011年5月15日，在保護區的森林沼澤濕地，地理坐標為N48°35′15"～E129°24′0.7",灌叢沼澤濕地，地理坐標為N48°35′57"～E129°24′20"進行采樣。在兩種類型的濕地上分別布設間距為10m×10m的單元3塊，在每個樣點上開長1.5m，寬0.8m，深1.2m的剖面，采集枯枝落葉層及濕地0‐10cm，10‐20cm，20‐40cm，40‐60cm土壤樣品，每層樣品采集1kg左右，每個單元內采3個重復樣，裝入密閉無菌存儲袋。同時采取深層土壤下的濕地水樣品，按照每個樣地取混合水樣的原則，每個樣品設3個重復。土樣迅速帶回實驗室采用四分法把土壤分成兩份，一份自然風干后，研磨過0.25mm的篩，用于分析土壤TN、TP及TOC；另一部分鮮土放于4℃下冷藏用于分析其它土壤指標。濕地水樣品送至哈爾濱市環境監測中心站進行分析。濕地土壤有機質測定采用重鉻酸鉀為氧化劑的容量分析法，濕地土壤腐殖質酸采用0.1mol/L焦磷酸鈉和0.1mol/L氫氧化鈉混合溶液提取土壤腐殖酸的方法，用重鉻酸鉀氧化‐外加熱法測定。土壤TN采用硫酸鉀‐硫酸銅為加速劑的消煮法測定，土壤TP采用氫氧化鈉熔融法。數據采用方差分析（ANOVA）進行統計分析，所用工具軟件為Excel2007。

2結果與分析

2.1凍融過程濕地水元素的變化特征凍融過程對濕地水中元素的變化特征有顯著的影響。凍融后，森林沼澤濕地水pH值下降了14%；高錳酸鹽指數增加了23.5%；氨氮增加了20.2%；總磷增加了38%；總氮增加了29.4%；硫酸鹽指數下降了4.7%；硝酸鹽增加了44.9%。凍融后森林沼澤濕地水指標變化規律見圖1。凍融循環后，灌叢沼澤濕地水pH值下降了13%；高錳酸鹽指數增加了19.9%；氨氮增加了27.6%；總磷增加了38.4%；總氮增加了34%；硫酸鹽指數下降了4.8%；硝酸鹽增加了84.4%。凍融過程對灌叢沼澤濕地的水體指標影響見圖2。

2.2凍融過程濕地土壤元素的變化特征

2.2.1凍融過程對濕地土壤TN的影響凍融循環對不同類型的濕地中不同深度的土壤中TN的影響也不同，其中森林沼澤類型濕地由于有機質含量高，土壤養分較灌叢沼澤濕地豐富，TN含量在不同的土壤層之間均呈現下降趨勢，0‐10cm，20‐40cm，40‐60cm土壤TN分別下降了11.3%、7.1%和14.7%；而10‐20cm土壤TN增加了22.4%；灌叢沼澤濕地的土壤TN分別下降了16.7%、7.2%、3.5%和2.9%。土壤養分最高的枯枝落葉層中TN的含量下降了11.02%，具體見圖3。方差分析結果（表1）表明，凍融對濕地土壤中TN含量具有顯著的影響，而濕地類型的差異對TN含量的影響不顯著。

2.2.2凍融過程對濕地土壤TP的影響凍融循環對不同類型濕地土壤養分中TP的影響十分顯著，森林沼澤濕地土壤中TP的含量呈現下降趨勢，各取樣土層分別下降了11.1%、21.5%、21.3%和26.4%；枯枝落葉層中TP下降了11.5%；灌叢沼澤濕地土壤各采樣土層中TP含量先增加后降低，分別增加了8.6%、12.2%和降低了8.4%和6.6%，具體見圖4。方差分析結果（表2）表明，凍融對濕地土壤中TP含量具有顯著的影響，而濕地類型的差異對TP含量的影響不顯著。

2.2.3凍融過程對濕地土壤有機質的影響兩種類型濕地土壤中有機質含量在凍融作用后均呈現上升趨勢，其中森林沼澤濕地各采樣土層有機質含量分別增加了19.1%、17.8%、11.2%和2.9%；枯枝落葉層有機質增加了25.23%；灌叢沼澤濕地的有機質含量分別增加了13.8%、11.6%、8%和48.9%，具體見圖5。方差分析結果（表3）表明，凍融及濕地類型的差異對濕地土壤有機質的含量均有顯著影響。

2.2.4凍融過程對濕地土壤腐殖質酸的影響凍融作用對不同類型濕地土壤腐殖質酸的影響均呈現增加趨勢，其中枯枝落葉層腐殖質酸增幅最高，增加了53.3%；森林沼澤濕地不同深度采樣點土壤中腐殖質酸分別增加了35.3%、22.5%、28.2%和44.9；灌叢沼澤濕地不同采樣深度的土壤中腐殖質酸含量分別增加了39.6%、22.4%、25%和82.6，具體見圖6。方差分析結果（表4）表明，凍融作用和濕地類型的差異對濕地土壤中腐殖質酸具有一定影響。

3討論

3.1凍融對濕地水環境元素的影響凍融作用對烏伊嶺森林沼澤、灌叢沼澤濕地水中元素的變化有顯著的影響。凍融期濕地上覆冰融化后向濕地水體中釋放出各種元素，同時水和濕地土壤之間也存在著氮、磷元素的分配平衡，濕地土壤中的各種元素能夠通過擴散、吸附等作用釋放到濕地水中。濕地水中總氮、總磷的濃度與濕地及水中微生物的活性密切相連，凍融期濕地水的元素濃度變化是這個過程的綜合體現。凍融后，森林沼澤濕地水中高錳酸鹽指數增加了23.5%，灌叢沼澤濕地水中高錳酸鹽指數增加了19.9%。由于凍融作用導致土壤團聚體的破壞以及導致土壤有機物質和礦質態氮的增加[10]，進而導致濕地水中的高錳酸鹽含量的增加。凍融作用下，森林沼澤濕地和灌叢沼澤濕地水中氨氮含量分別增加了20.2%和27.6%，由于融化期土壤氨氮值比凍結期大，但是因土壤的溫度和含水量及微生物的活動的影響，會出現凍結期土壤的氨氮值比融化后大[19]進而增加濕地水體中總氮的含量，同時凍融促進了土壤有機質的分解，增加了濕地土壤中礦質氮的含量進而導致了濕地水體中氨氮的濃度的增加。森林沼澤、灌叢沼澤濕地水中總磷、總氮含量在凍融后，分別增加了38%、29.4%和38.4%、34%，凍融作用影響了微生物的活性，在融化期死亡的動植物殘體被微生物分解轉化，土壤中的氮、磷元素被釋放到水體中，導致其在水中的含量增加。這與已有的研究結果[20]相一致。森林沼澤、灌叢沼澤濕地水中硝酸鹽在凍融后增加了44.9%和84.4%，硝酸鹽主要來源是固氮菌固氮形成，凍融作用促進了植物對氮肥的吸收[8,11]，進而增加了濕地水中硝酸鹽的含量。森林沼澤濕地與灌叢沼澤濕地的水體中硫酸鹽的含量均有所下降，但下降幅度不大。采樣點土壤有機質的含量較高，而土壤有機質中含有豐富的硫元素，由于森林沼澤濕地優勢植物為針葉林的松樹，而灌叢沼澤濕地優勢植物為油樺和沼柳等植物。不同植物對硫元素具有不同的生物富集程度，進而影響著水中硫酸鹽的含量。

3.2凍融對不同類型濕地土壤元素的影響凍融作用顯著的影響著烏伊嶺濕地不同土層中土壤元素的含量，凍融作用后烏伊嶺森林沼澤濕地和灌叢沼澤濕地土壤中TN、TP的含量，除森林沼澤濕地的10‐20cm土層和灌叢沼澤濕地0‐20cm土層含量略有上升外，其它土壤中的元素含量呈下降趨勢。土壤微生物先是在凍結期處于休眠狀態，隨著融化期的土壤溫度增加和水分等條件的改善，逐漸恢復活性土壤中的腐殖質被微生物分解，可供植物利用的養分被釋放到土壤中。由于研究區氣候特點，濕地土壤的凍融期要大于融化期，不同凍融階段微生物的活性及土壤理化特征也不相同，秋季地表養分輸入和春季積雪融水導致土壤養分流失導致土壤中TN、TP的含量降低。這與Ross[14]的研究結果相符，也與土壤在凍融前后TP變化幅度很大，融化期土壤的TP明顯低于凍融期[20]的結果相近。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來源。凍融作用促進了植物對土壤元素的吸收，導致土壤中有效磷的流失，同時促進了土壤氮元素的消化作用，加速了銨態氮轉化成硝態氮的速率，進而降低了土壤中總氮的含量。凍融后，森林沼澤濕地和灌叢沼澤濕地土壤中有機質含量最高增加了19.1%和48.9%，凍融作用對不同類型濕地土壤的有機質積累有很好的促進作用。凍融作用對枯落物、土壤有機質和土壤微生物的干擾，導致土壤團聚體的結構改變，進而增加土壤有機質[10]。由于凍融過程中轉化的有機質大多是土壤有機質中易于分解的部分[18]，實驗區濕地土壤多為未受人類活動影響的天然背景值高的區域，土壤有機質含量豐富，因而凍融循環后，土壤有機質含量增高，其中以枯枝落葉層最為顯著，森林沼澤濕地的枯枝落葉層有機質在凍融后增加了25.23%。凍融過程中，濕地土壤凍結時間大于融化時間，土壤中動植物的殘體的數量增加，經微生物的分解和轉化成新的腐殖質，雖然凍融作用對土壤有機質的礦化有促進作用但進入土壤的有機物質的積累大于有機質的轉化，所以有機質呈現總體增長的趨勢。枯枝落葉層的腐殖質酸在凍融后增加了53.3%，森林沼澤和灌叢沼澤土壤腐殖質酸含量最高分別增加了44.9%和82.6%。土壤中的腐殖質酸是土壤中的動、植物殘體在土壤微生物的分解和轉化作用下，經一系列的化學過程積累產生，凍融過程對濕地土壤中微生物活性具有一定的影響，土壤孔隙中冰晶膨脹，導致土壤團聚體的破壞，影響土壤溫度與含水量進而影響微生物的活性[3]凍融作用導致土壤中動植物殘體增加，有機質含量增加，同時對微生物活動有促進作用，也是烏伊嶺濕地不同深度土壤中腐殖質酸含量增加的原因之一。

4結論

（1）凍融作用對烏伊嶺森林沼澤濕地和灌叢沼澤濕地水中各項指標均有顯著影響，不同類型濕地水中高錳酸鹽指數、氨氮、總磷增、總氮及硝酸鹽含量均有所增加；硫酸鹽指數與pH值均有所下降。2）凍融作用對烏伊嶺不同類型濕地土壤養分影響程度不同，森林沼澤濕地對凍融作用的響應要高于灌叢沼澤濕地。而同一類型濕地的不同土層的土壤養分變化也不同，其中影響最大的是枯枝落葉層，其次為森林、灌叢沼澤濕地的0‐10cm、10‐20cm土層的土壤。3）凍融作用后，烏伊嶺森林和灌叢沼澤濕地土壤腐殖質酸含量均有所增加，其中森林濕地枯枝落葉層腐殖質酸增幅最高。方差分析結果表明，凍融對濕地土壤中腐殖質酸具有促進作用。