沟渠化是指以排水垦殖为主要目的，在天然河网基础上人工挖掘彼此连通的水道的过程或景观. 排水疏干降低地下水位是农作物种植的前提，而沟渠系统在湿地垦殖过程中发挥着基础性作用. 对于农田-湿地复合生态系统而言，由不同等级沟渠所形成的网络不仅是排水通道，也是氮磷营养盐和污染物从农田进入湿地和其它水体中的重要路径，导致这些受纳水体富营养化和其它生态环境风险增加，因此，大多数研究者都已将沟渠化视为相关生态环境问题的根源^{[1, 2, 3, 4]}.

天然湿地垦殖化是三江平原主要土地利用方式，与之伴生的沟渠化过程不仅导致大量天然湿地被排水疏干，还以高度连通的直线沟渠代替弯曲树枝状的沼泽水系^[5]. 经过20世纪80年代以来的农业规模化、 现代化发展，三江平原目前已经形成完整的排水沟渠系统及其配套设施建设，沟渠密度大为提高^[6]. 三江平原沟渠系统具有国内外农田沟渠系统的代表性： 一方面，沟渠系统是联系农田和受纳水体的过渡带和景观廊道，对于农田径流是汇，而对于受纳水体是源； 另一方面，沟渠系统本身也已发育成从局域到区域尺度上的一个由物理-化学-生物过程所形成的复杂生态系统，具有水文调控、 水质净化、 生物地化循环和维持生物多样性等多种生态系统功能^{[5, 6, 7, 8, 9]}.

目前国内外对沟渠化导致的碳、 氮、 磷迁移关注较多^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}，而对铁元素的研究还不多见^{[11, 12, 13]}. 作为氧化还原性质活泼的过渡金属元素，铁在湿地生物地化循环和生态系统功能形成过程中发挥着重要作用^{[14, 15, 16, 17]}. 湿地沉积过程研究几乎都是采用沉积芯剖面采集放射性测年的方法，而鲜有采集当年沉积物测定通量及成分的尝试^{[18, 19, 20, 21]}. 本研究以三江平原为例，利用已获得专利的沉积板连续两年采集了天然湿地-农田-沟渠系统中沉积物，比较了天然湿地和沟渠沉积通量的差异，分析了沉积物中铁、 碳、 氮、 磷元素总量及其不同类型铁氧化物含量的分异，探讨了沟渠化对铁沉积过程的影响，并提出了天然湿地保护恢复和农田用水管理的建议. 研究结果对三江平原的粮食安全和生态安全具有一定的参考价值. 1 材料与方法 1.1 研究区概况

三江平原作为我国面积最大的淡水沼泽湿地连片分布区和国家商品粮基地，目前已经形成了完整的沟渠系统及其配套设施，在景观上呈现为2400 m×800 m的大网络. 这些具有不同等级的沟渠系统结构充分利用地貌的多层次性和地表坡降的特点，由斜坡向下等级逐渐增加，最后都汇入乌苏里江和黑龙江. 按地形和控制面积大小，三江平原的沟渠系统由低向高可以分为农渠、 斗渠、 支渠、 干渠和总干渠五级^[5]. 这些多等级沟渠系统交错相连，成为物质沉积和运移的主要通道. 本研究选择的天然湿地-农田-沟渠系统典型研究区属于浓江河流域，具体位于洪河农场第八作业区浓江河附近和洪河国家级自然保护区上游，其中心地理坐标为47°43′N，133°32′E^[13]. 天然湿地为残存的一段浓江河旧河道，已被河堤与周边农田隔开，主要植物为漂筏苔草(Carex pseudocuraica)、 灰脉苔草(C. appendiculata)、 芦苇(Phragmites australis)、 和小叶章(Calamagrostis angustifolia). 农渠、 斗渠、 支渠、 干渠四级渠道由低级到高级逐级连通. 其中，干渠即与浓江河旧河道平行的浓江河主排干，因为人为水利工程养护，两岸几乎无植被； 支渠、 斗渠和农渠的部分渠段生长有芦苇和狭叶香蒲(Typha angustifolia)等挺水植物. 依靠沟渠系统排水和灌溉的农田主要作物为水稻和大豆. 随着近年来该区“旱地改水田”强度的增加，稻田所占比例逐年增大，旱地和残存的天然湿地有全部转化为稻田的趋势. 1.2 样品采集与处理

沉积物的采集装置为已获得国家发明专利的一种短期风成、 水成沉积物采集板(专利号： ZL 201010535053)，该沉积板表面有多个凹槽，位于采集板中心的固定杆可垂直插入天然湿地或沟渠沉积物中并紧贴沉积物表面，然后定期收集采集板上捕获的水成沉积物，供通量计算及理化性质分析. 2012年5月在研究区的多级沟渠系统内沿等级在各沟渠底部布设沉积板，同时还在沟渠系统临近的天然湿地(浓江河旧河道河漫滩)中另外布设了同等规格的沉积板，共计24个，同年10月成功回收14个； 2013年5月再次在相同的位置布设沉积板24个，同年10月回收9个，连续两年共获得23份沉积物样品，其中天然湿地沉积物样品3份，农渠沉积物样品7份，斗渠沉积物样品4份，支渠沉积物样品4份，干渠沉积物样品5份. 将所有沉积物样品带回实验室挑出植物枯落物，与泥沙分别风干后，结合沉积板面积，分别计算了天然湿地和不同等级沟渠的年沉积通量. 为了消除年际差异，并增加平行样本数量，将两年采集的同一等级的沉积物样品视为平行样品. 1.3 测定方法

所有沉积物样品经风干、 过200目筛后备分析测试. 总有机碳采用重铬酸盐-外加热法测定； 总铁采用湿法消解后原子吸收光度法(GBC-906，澳大利亚)测定； 总氮、 总磷采用湿法消解后连续流动分析法(SKALAR SAN⁺⁺，荷兰)测定； 各形态氧化铁(游离态、 无定形态和络合态)的测定分别采用DCB、 草酸铵和焦磷酸钠溶液浸提化冻后的鲜土，再用分光光度法(岛津UV-2550，日本)测定^[22,23]. 1.4 数据处理与分析

不同沟渠沉积物之间沉积通量、 总铁、 总有机碳、 总氮、 总磷、 各类型铁氧化物含量及其相关比值的差异采用PASW Statistics 18.0提供的单因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相关分析程序； 各铁含量分布图利用Origin Pro 8.0绘制.

2 结果与分析 2.1 天然湿地和不同等级沟渠沉积物的沉积通量差异

单因素方差分析表明： 无论沉积板中搜集到的枯落物(F=1.554,P=0.229)、 泥沙(F=1.689,P=0.196)还是总沉积通量，在各级沟渠中都没有显著差异(F=1.307,P=0.305). 由此将所有等级沟渠视为整体，求其平均枯落物沉积通量为(57.00±16.90) g ·(m² ·a)^-1，显著低于天然湿地[(120.26±19.42) g ·(m² ·a)^-1]，而沟渠中的泥沙沉积通量[(3997.57±798.98) g ·(m² ·a)^-1]则显著高于天然湿地[(35.41±11.15) g ·(m² ·a)^-1]，受泥沙通量控制的总沉积通量也表现为沟渠沉积物[(4054.57±792.91) g ·(m² ·a)^-1]显著高于天然湿地[(155.67±20.75) g ·(m² ·a)^-1].

对天然湿地和不同等级沟渠的沉积通量的多重比较发现，枯落物沉积通量有沿沟渠等级增大而减少的趋势. 泥沙和总沉积通量变化规律相似，天然湿地中最小，而支渠中最大，表现为沿沟渠等级增大先增加后减少的趋势(图 1).

图 1

Fig. 1

不同的小写字母表示天然湿地和沟渠之间存在显著性差异(P<0.05) 图 1 天然湿地和沟渠系统沉积速率的差异 Fig. 1 Differences in litter,mud/sand and total sediment fluxes between natural wetland and canals

单因素方差分析结果表明，天然湿地和不同等级沟渠沉积物总铁(F=0.869,P=0.501)和游离态铁(F=1.998,P=0.138)含量差异不显著，而无定形态铁(F=5.827,P=0.003)和络合态铁(F=6.835,P=0.002)含量存在显著性差异.

根据对沉积物中铁含量的多重比较，尽管总铁含量在不同沉积物中没有显著性差异，但铁氧化物的含量却与各级沟渠沉积物存在显著性差异： 天然湿地沉积物中的游离态铁含量高于各级沟渠沉积物； 天然湿地沉积物的无定形铁和络合态铁含量都与斗渠、 支渠和干渠沉积物的两种铁氧化物含量相近，且都高于农渠沉积物(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 天然湿地和沟渠系统沉积物铁及其氧化物含量的差异 Fig. 2 Differences in iron and iron oxide concentrations between natural wetland and canals

为了进一步分析不同沉积物铁氧化物的组成，并藉此反映湿地土壤和农田土壤的发育状况，本研究比较了游离度、 络合度和活化度的差异. 结果表明，天然湿地和不同等级沟渠沉积物中铁氧化物的游离度存在显著性差异(F=6.170,P=0.003)，而铁氧化物的络合度(F=0.962,P=0.452)和活化度(F=1.158,P=0.362)都没有显著性差异.

通过对上述3个铁氧化物指标的多重比较发现，天然湿地沉积物中铁氧化物的游离度约为各级沟渠沉积物中铁氧化物含量平均值的1.66倍，而络合度和活化度都没有显著性差异. 整体而言，各点络合度的平均值为活化度平均值的2.09倍(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 天然湿地和沟渠系统沉积物中铁氧化物组成指标的差异 Fig. 3 Differences in composition indexes of iron oxides between natural wetlands and canals

单因素方差分析结果表明，天然湿地和不同等级沟渠沉积物有机质(F=84.525,P0.001)和总磷(F=5.118,P=0.006)含量存在显著性差异，而总氮(F=1.523,P=0.238)的差异不显著.

对碳、 氮、 磷含量的多重比较发现，天然湿地沉积物中的总有机碳含量显著高于各级沟渠沉积物； 天然湿地沉积物中的总氮含量显著高于干渠沉积物，而其它各级沟渠沉积物的总氮含量介于其中； 天然湿地沉积物中的总磷含量显著高于各级沟渠沉积物. 天然湿地沉积物中的总有机碳、 总氮和总磷含量分别为各级沟渠沉积物均值的6.85、 3.17和2.44倍(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 天然湿地和沟渠系统沉积物碳、 氮、 磷含量的差异 Fig. 4 Differences in total organic carbon,nitrogen and phosphorus between natural wetlands and canals

将所有沉积物中的总铁、 铁氧化物及其组成指标与碳、 氮、 磷进行相关分析表明，总有机碳、 总氮和总磷之间存在显著的正相关，而总铁与这3种生源要素之间没有显著的相关性； 游离铁和络合铁与总有机碳呈显著的正相关，而无定形铁的相关性不显著； 游离度与总有机碳、 总氮和总磷之间都存在显著的正相关，而络合度仅与总铁呈显著的负相关(表 1).

表 1(Table 1)

表 1 总有机碳、 氮、 磷、 铁与铁氧化物及其指标之间的相关性 1) Table 1 Correlations between total organic carbon,nitrogen,phosphorus,iron,iron oxide and their indexes 总氮 总磷 总铁 游离铁 无定形铁 络合铁 游离度 络合度 活化度 总有机碳 0.501* 0.758** -0.338 0.492* 0.331 0.549** 0.734** 0.100 -0.195 总氮 1 0.345 -0.142 0.369 0.159 0.238 0.506* -0.068 -0.225 总磷 1 0.040 0.518 0.392 0.334 0.565** -0.113 -0.214 总铁 1 0.390 0.065 -0.105 -0.091 -0.425* -0.408 1)*表示显著性水平P＜0. 05； **表示显著性水平P＜0.01,n=23

表 1 总有机碳、 氮、 磷、 铁与铁氧化物及其指标之间的相关性 1) Table 1 Correlations between total organic carbon,nitrogen,phosphorus,iron,iron oxide and their indexes

天然湿地由于植被覆盖率较高，水流缓慢，各种颗粒物和悬浮物易于发生沉积^[19]. 因此，湿地具有促进沉降净化水质的重要生态系统功能. 根据沉积板的调查发现，研究区残存的天然湿地沉积通量为(155.67±20.75) g ·(m² ·a)^-1(图 1)，远小于根据用¹³⁷ Cs、²¹⁰ Pb测定沉积年代并结合恒定放射性通量模式推算出的三江平原七星河湿地平均沉积通量[300～4800 g ·(m² ·a)^-1]^[21]和向海[2700～9600 g ·(m² ·a)^-1]^[19]，以及采用特征沉积层化学标记法测定的美国佛罗里达Everglades大沼泽[565～2400 g ·(m² ·a)^-1]^[18]. 究其原因，除了测定方法的不同外，主要是由于本研究中的残留天然湿地与河流之间的地表水力联系仅仅发生在汛期，河流带来的外源泥沙沉积很少，而主要来自湿地自身产生的枯落物，占到总通量的77%以上，远低于沟渠沉积物. 沟渠沉积物中的枯落物所占的比例随沟渠等级的提高而逐渐降低，其中农渠为3.4%，斗渠为1.5%，支渠为0.9%，而干渠为0.2%(图 1). 除支渠外，各级沟渠中泥沙和总沉积通量随沟渠等级增加而增加，表明逐级汇流后可沉降颗粒物流量随河水流量的增加而增加. 支渠中沉积通量大于更高等级的干渠，可能与支渠中生长有挺水植被而干渠中没有挺水植被且水流流速较快有关^[5]. 3.2 沟渠化对沉积物中铁元素分异的影响

铁氧化物作为土壤矿物的重要组分，能够参与土壤中多种生物地球化学过程，但水溶性较差导致其移动性不高. 湿地中溶解性铁主要是土壤母质分解和/或通过地表地下径流汇集的铁胶体或铁离子，极易在氧化环境中沉淀或析出而难以迁移^[14,15]，但在长期被水淹没或饱和的湿地土壤中却存在明显的水平和垂直迁移过程，表现出一定的随水迁移能力^[12,13]. 根据天然湿地的沉积通量与沉积物中总铁含量的乘积，可以计算出天然湿地总铁沉积通量为3.46 g ·(m² ·a)^-1(图 2)，低于美国Everglades大沼泽[5.45 g ·(m² ·a)^-1]^[18]，可能是由于本研究区表层土壤铁元素含量背景值较低，径流携带的铁元素本身并不高^[12]，加上天然湿地由于水力阻隔，一年之中仅汛期能少量接受上游来水中外源铁输入的补充，导致总铁含量较低.

天然湿地与各级沟渠沉积物中的总铁含量没有显著性差异(图 2)，表明铁在湿地沟渠化和沉积物随水迁移过程中都没有发生“分馏”现象，在湿地沟渠化过程中并没有出现流失，而仅表现为随水的物理迁移和多重来源沉积物的混合，其迁移远近同时受含铁矿物粒径及沟渠水动力因子的影响. 由于低等级沟渠直接接受农田退水，因此其沉积物的组成主要反映了农田土壤的属性； 高等级沟渠同时接受农田退水和天然湿地汛期排水，其沉积物中无论是总铁含量还是铁氧化物组成都与天然湿地没有显著性差异，表明来自天然湿地的沉积物“混淆”了来自农田的沉积物组成的差异. 天然湿地排水具有季节性特征，尽管沉积物含量不高，但对湿地下游沟渠沉积物中 铁矿物的组成仍起着重要作用. 因此，定量分析沟渠化对区域现代沉积过程的影响时，天然湿地汛期排水的作用不可忽视.

对沉积物中铁氧化物的组成分析表明(图 3)，天然湿地沉积物铁氧化物的游离度为各级沟渠沉积物的1.66倍，表明其来源大都为风化程度较高的风成颗粒，而沟渠收集的农田退水中的土壤颗粒可能更多来自因长期淹水而导致风化程度相对较弱的稻田中. 络合度为活化度的2.09倍，表明较多的铁氧化物以与有机质络合的形态存在，而较少以无定形态存在，即铁氧化物在沉积板中以发生老化过程为主，而活化过程相对较弱. 这可能是由于沉积板都不能如湿地或稻田土壤一样，随季节变化出现反复淹水的情况，一旦汛期过去，沉积板出露水面后，其搜集的沉积物将逐渐干燥，铁氧化物也沿着“离子态 非晶质 隐晶质 晶质”的单向发育^[14]. 3.3 沟渠化对养分迁移的影响

生源要素碳、 氮、 磷与铁的迁移行为(图 2)不同，无论总有机碳，还是氮、 磷营养盐，天然湿地沉积物中的含量都显著高于沟渠沉积物中，而不同等级的沟渠沉积物中的碳、 氮、 磷含量则没有显著性差异(图 4)，这与Guo等^[9]的研究结果相同，表明生源要素在湿地沟渠化过程中都出现了不同程度的流失. 对总有机碳、 氮、 磷、 铁与铁氧化物及其指标之间的相关分析(表 1)表明，天然湿地沉积物中总氮含量与有机质含量呈显著的正相关，与于君宝等^[20]、 李瑞利等^[21]在三江平原的研究结果相同，表明总氮主要以有机氮形态存在； 总磷含量也与有机质含量呈显著的正相关，与李瑞利等相同而与于君宝等相反，这可能与沟渠沉积物中汇集有来自农田径流中排出的磷肥有关.

不论天然湿地或是沟渠水体中的有机质含量都很丰富，部分铁氧化物在发育过程中与有机质络合，形成了Fe-OM的稳定胶体，不仅实现了铁元素的随水迁移，也对湿地有机质输出起到了促进作用^[24]，部分未能随水向下游迁移的胶体聚合沉降于沉积板中，随着沉积物的水分丧失而被氧化并形成络合态铁氧化物，表现出与总有机碳之间的显著正相关(表 1). 此外，铁的游离度同时与碳、 氮、 磷都呈显著的正相关，表明沉积物中铁氧化物的转化除了水分丧失本身带来的化学驱动外，还受微生物作用影响，充足的氮、 磷养分保证了微生物的活性，使得微生物在铁氧化物晶体发育过程中发挥着重要作用^[25]. 3.4 对天然湿地保护恢复和农田用水管理的启示

农业开发是目前我国东北地区天然湿地丧失和退化的最主要因素，而农业开发的主要途径是开挖排水渠道，排干湿地造田. 这些沟渠不仅是农田用水管理的重中之重，还是天然湿地的重要威胁. 在区域或流域尺度，对过去成片分布的天然湿地而言，网络化的沟渠系统在景观上表现为隔离作用^[3]，宏观的湿地动植物迁移和微观的元素循环都被沟渠所阻断^[6]，破碎化的结果就是整个湿地生态系统的退化乃至丧失； 对于具体的某一农田中的残存湿地而言，附近的挖沟排水降低了天然湿地水位，促进了降水期间和降水后的排水，形成了与农业生产密切相关的径流条件，显著影响沉积过程及沉积物中元素的分布(图 1～4)，原生的和由农业开发活动新产生的污染物将沿着沟渠系统向下游输出，最终导致全流域甚至跨流域的环境生态问题^[26]. 因此，系统研究排水渠系的湿地生态系统的影响，在农业用水管理中增加对区域湿地保护和恢复的考量，寻求切实可行的水资源管理调控方案和生态水利工程措施，已成为湿地保护和恢复的关键. 重建沟渠的沼泽河流属性，恢复沟渠中的湿生植被，促进湿地对颗粒物的沉降和对水质的净化效能，无论是对区域的粮食生产，还是生态安全，都具有重要价值.

4 结论

(1)沟渠系统的沉积通量不仅显著高于天然湿地，而且在沉积物的组成上也有显著差异： 前者的泥沙占绝对优势，而后者以枯落物为主.

(2) 各级沟渠和天然湿地沉积物中的总铁含量没有显著性差异，但铁氧化物及其组成已发生了改变.

(3)各级沟渠沉积物中的总有机碳、 总氮和总磷含量都没有显著差异，但都低于天然湿地，表现为生源要素的流失.

(4)沟渠化显著影响铁的沉积过程及元素的分布和迁移，并最终将对区域生态环境造成直接或潜在影响，因此推荐合理的农田用水管理以避免由此带来的环境生态风险.

致谢： 感谢黑龙江省洪河国家级自然保护区和洪河农场对本研究的支持.