2019, Vol. 40
2. 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007;
3. 福建师范大学亚热带湿地研究中心, 福州 350007
2. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fuzhou 350007, China;
3. Research Centre of Wetlands in Subtropical Region, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
滨海湿地作为海洋和陆地相互作用形成的过渡生态系统, 在净化污染物、改善资源状况和维护自然生态平衡等方面发挥着重要作用[1, 2].频繁的人类活动对滨海湿地营养盐的浓度、迁移和转化造成了巨大的影响[3~5].当自然过程(径流和潮汐)和人类活动向滨海湿地输入的氮、磷等营养盐超过湿地沉积物的吸附和接纳能力时, 营养盐会在一定条件下释放到上覆水中[6], 释放过程是引起水环境恶化甚至发生富营养化的重要化学过程[7].研究滨海湿地上覆水氮、磷营养盐浓度是评价河口和海湾水体环境质量和了解沉积物对外源营养盐载入负荷能力的基础工作, 一方面可以反映当地人类活动对水环境的影响, 另一方面也可以反映当地滨海湿地的营养状况.
福建省海岸线漫长曲折, 河口和海湾数量众多.潮汐沼泽湿地主要分布于沙埕港及福宁湾、三都澳、罗源湾、闽江口、福清湾及海坛岛、兴化湾、晋江河口及泉州湾、九龙江河口及厦门港、漳浦县海岸和东山湾等地沿岸[8].目前, 福建省滨海湿地受到来自自然和人类活动的双重威胁.本研究通过采集和测定福州市兴化湾、福清湾、闽江口、敖江口和罗源湾潮汐沼泽湿地的上覆水营养盐浓度, 对5个海湾和河口上覆水营养盐的空间分布特征和不同植物群落类型下的上覆水营养盐特征进行探讨, 以期为福建沿海海湾和河口水质管理和保护提供基础数据.
1 材料与方法 1.1 研究区和采样点设置在福建省福州市境内选择5个主要海湾和河口, 由南至北分别为兴化湾(福清一侧)、福清湾、闽江口、敖江口和罗源湾(图 1).其中, 兴化湾位于福建省中南部, 是福建省最大的海湾, 湾口朝向东南, 湾内水域和滩涂宽阔, 湾顶有木兰溪、秋芦溪和渔溪等河流注入[9, 10], 水产养殖活动释放的废水是该海湾水体主要的污染源之一.福清湾位于福建省福清市龙高半岛东北, 海湾内有植物覆盖的湿地主要分布在鸬鹚屿、海口农场、龙江出海口、东阁华侨农场、东壁岛和八尺岛等滩涂上[11], 该海湾水体受陆源污染较大, 以畜禽养殖业的排污量为主[12].闽江是福建省最大的河流, 径流量丰富, 年径流量为548.7×109 m3, 属丰水少沙水系[13], 河口水体同样受陆源污染较大, 海洋赤潮时有发生[14].敖江为福建第六大河流, 是闽东独立水系, 发源于古田县东北部鹫峰山脉, 流经罗源县, 至连江县, 在浦口与东岱口注入东海.罗源湾位于闽东沿海, 海湾曲折, 口窄腹大, 形似葫芦[15], 罗源湾与福清湾都属于半封闭形海湾, 与其它海湾和河口相比, 罗源湾水体污染除受水产养殖活动影响外, 临海工业和港口运输业的兴起是其水体污染的重要原因之一, 水环境质量的不断恶化使该海湾水质在福建省13个主要海湾中位于倒数第二[16].在各海湾和河口, 设置数量不等的采样点.各研究区地理坐标、采样点数量和优势植物见表 1.
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图 1 河口、海湾的位置及采样点分布示意 Fig. 1 Location of the estuaries and bays and distribution of the sampling sites |
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表 1 采样区和采样点概况 Table 1 Description of the sampling sites and study areas |
1.2 样品采集与测定
于2015年10月24日~11月15日, 用聚乙烯塑料瓶, 在每个采样点低洼处, 采集500 mL上覆水水样(沉积物以上5~10 cm), 每个采样点3个重复.在水样中滴加硫酸至pH＜2后, 将所有样品置于保温箱中低温遮光保存, 在6 h内运回实验室, 并立刻用0.45 μm混合纤维滤膜过滤, 过滤后的水样装入容积为50 mL的聚乙烯瓶内, 置于冰箱中4℃冷藏, 保存备用.
利用连续流动分析仪(SKALAR San++, 荷兰)测定上覆水中的NH4+-N、NO3--N和PO43--P浓度[17].其中, NH4+-N采用次溴酸钠氧化法, NO3--N采用镉铜还原法, PO43--P采用抗坏血酸还原磷钼蓝法.仪器最低检测限为0.005 mg·L-1.利用HI 98121便携式pH/氧化还原电位/温度计, 现场测定上覆水体pH、氧化还原电位和水温; 利用HI8734便携式TDS测定仪测定水体总溶解固体浓度, 利用YSI 550A便携式溶氧仪测定上覆水体溶解氧浓度, 利用便携式盐度计测定盐度.
1.3 数据处理与统计分析数据统计与分析分别采用EXCEL和SPSS 19.0软件, 绘图用Origin 8.其中, 用EXCEL计算平均值和标准误; 利用SPSS 19.0进行ANOVA方差检验和LSD多重比较, 差异比较采用独立样本T检验, 显著性水平为P < 0.05, 上覆水理化指标与营养盐浓度之间的相关性利用Pearson相关分析法, 进一步采用多元逐步回归分析, 构建上覆水营养盐浓度与主要影响因素的回归方程.
2 结果与分析 2.1 上覆水理化指标5个海湾和河口沼泽湿地上覆水的pH、氧化还原电位、盐度、水温、总溶解固体浓度和溶解氧浓度均存在显著差异(表 2).与水产养殖同样发达的罗源湾相比, 兴化湾沼泽湿地上覆水pH、盐度、总溶解固体浓度和溶解氧浓度均无显著差异, 但水温和氧化还原电位显著高于罗源湾(P < 0.01);福清湾沼泽湿地上覆水pH、盐度、总溶解固体浓度和水温都显著高于同样因地表径流和人为活动带来较多污染物的闽江口(P < 0.01);敖江口沼泽湿地上覆水的氧化还原电位及水温均高于同为河口区的闽江口(P < 0.01).总体上, 兴化湾沼泽湿地上覆水的pH、盐度、水温、总溶解固体浓度、溶解氧浓度均高于其他地区, 同为河口区的闽江口及敖江口沼泽湿地上覆水的pH、盐度、总溶解固体浓度则相对较低.
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表 2 5个海湾和河口沼泽湿地上覆水理化指标特征1) Table 2 Physical and chemical characteristics of the overlying water in the wetlands of five estuaries/bays |
2.2 各海湾和河口沼泽湿地上覆水中营养盐的浓度
5个海湾和河口沼泽湿地上覆水中的NH4+-N浓度为0.35~1.41 mg·L-1, 由高到低排序依次为福清湾(1.41±0.23) mg·L-1、闽江口(1.26±0.59) mg·L-1、敖江口(0.88±0.12) mg·L-1、罗源湾(0.49±0.16) mg·L-1和兴化湾(0.35±0.09) mg·L-1; 上覆水中的NO3--N浓度为0.27~1.83 mg·L-1, 由高到低排序依次为福清湾(1.83±0.61) mg·L-1、闽江口(0.93±0.15) mg·L-1、罗源湾(0.65±0.02) mg·L-1、敖江口(0.58±0.03) mg·L-1和兴化湾(0.27±0.06) mg·L-1; 上覆水中的PO43--P浓度为0.09~0.26 mg·L-1, 由高到低排序依次为福清湾(0.26±0.04) mg·L-1、兴化湾(0.17±0.01) mg·L-1、罗源湾(0.13±0.01) mg·L-1、闽江口(0.12±0.02) mg·L-1和敖江口(0.09±0.03) mg·L-1.
如图 2, 不同海湾和河口沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度均差异显著(P < 0.05).主要表现为：福清湾上覆水中的NH4+-N浓度在不同程度上高于其他地区, 与兴化湾差异达到显著水平(P < 0.05), 与闽江口、敖江口和罗源湾之间差异不显著(P>0.05);福清湾上覆水中的NO3--N浓度显著高于其他4个地区(P < 0.05), 而兴化湾、闽江口、敖江口、罗源湾4个地区之间差异不显著(P>0.05);福清湾PO43--P浓度也显著高于其他4个地区(P < 0.05), 但兴化湾、罗源湾、闽江口之间无显著差异(P>0.05), 敖江口PO43--P浓度不仅显著低于福清湾(P < 0.05), 同时显著低于兴化湾(P < 0.05).总体来看, 福清湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度均较高, 兴化湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N浓度则较低, 敖江口沼泽湿地上覆水中的PO43--P浓度最低.
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图 2 5个海湾和河口湿地上覆水中的营养盐浓度 Fig. 2 Nutrient concentrations of the overlying water of the wetlands of the five bays/estuaries |
兴化湾互花米草和南方碱蓬群落上覆水中的NH4+-N浓度分别为(0.38±0.07) mg·L-1和(0.24±0.03) mg·L-1, NO3--N浓度分别为(0.34±0.03) mg·L-1和(0.05±0.02) mg·L-1, PO43--P浓度分别为(0.18±0.01) mg·L-1和(0.14±0.01) mg·L-1.不同植物群落下沼泽湿地上覆水NH4+-N浓度无显著差异(P>0.05), NO3--N及PO43--P浓度差异显著(P < 0.05), 如图 3所示.其中, 南方碱蓬群落上覆水中的NO3--N及PO43--P浓度均显著小于互花米草(P < 0.05).
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图 3 单个海湾/河口尺度内不同植物群落湿地上覆水营养盐浓度 Fig. 3 Concentrations of NH4+-N, NO3--N, and PO43--P in overlying water from different plant communities in the vegetated wetlands of a single bay/estuary |
福清湾互花米草、南方碱蓬群落上覆水中的NH4+-N浓度分别为(0.91±0.06) mg·L-1和(1.79±0.11) mg·L-1, NO3--N浓度分别为(1.60±0.20) mg·L-1和(2.22±0.42) mg·L-1, PO43--P浓度分别为(0.20±0.01) mg·L-1和(0.38±0.04) mg·L-1.不同植物群落下沼泽湿地上覆水中的NH4+-N和PO43--P浓度均差异显著(P < 0.05), NO3--N浓度无显著差异(P>0.05), 如图 3.其中, 南方碱蓬群落上覆水中的NH4+-N和PO43--P浓度均显著大于互花米草群落(P < 0.05).
闽江口互花米草、短叶茳芏和芦苇群落上覆水中的NH4+-N浓度为(0.31±0.02)、(0.68±0.12)、(1.02±0.18) mg·L-1, NO3--N浓度分别为(0.91±0.08)、(1.06±0.11)和(0.98±0.21) mg·L-1, PO43--P浓度分别为(0.05±0.01)、(0.14±0.02)和(0.20±0.03) mg·L-1.不同植物群落下沼泽湿地上覆水中的NO3--N浓度无显著差异(P>0.05), NH4+-N和PO43--P浓度差异显著(P < 0.05).其中, 互花米草群落上覆水中的NH4+-N和PO43--P浓度均显著小于短叶茳芏群落及芦苇群落(P < 0.05).
敖江口互花米草和芦苇群落上覆水中的NH4+-N浓度为(0.90±0.02) mg·L-1和(0.83±0.01) mg·L-1, NO3--N浓度为(0.61±0.03) mg·L-1和(0.56±0.01) mg·L-1, PO43--P浓度为(0.10±0.03) mg·L-1和(0.04±0.01)mg· L-1.不同植物群落下沼泽湿地上覆水中的NO3--N和NH4+-N浓度无显著差异(P>0.05), PO43--P浓度差异显著(P < 0.05).
罗源湾互花米草群落上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度分别为：(0.49±0.17)、(0.65±0.02)和(0.13±0.01) mg·L-1.
5个海湾和河口不同植物群落下沼泽湿地上覆水中的营养盐浓度特征见表 3, 其中互花米草群落下沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度均低于其他3种植物群落, 并与南方碱蓬群落之间差异达到显著水平(P < 0.05).
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表 3 不同植被类型下的沼泽湿地上覆水营养盐浓度1) Table 3 Concentrations of NH4+-N, NO3--N, and PO43--P in overlying water from different plant communities in the vegetated wetlands of 5 bays/estuaries |
2.4 上覆水营养盐浓度与水体理化指标间的关系
将5个海湾和河口沼泽湿地上覆水中的营养盐浓度与上覆水的理化性质进行相关分析.结果显示(表 4), 上覆水中的NH4+-N浓度与水体盐度、总溶解性固体浓度、溶解氧浓度之间均存在显著负相关关系(P < 0.05), NO3--N浓度与水体盐度、总溶解性固体浓度之间同样存在显著负相关关系(P < 0.05);而上覆水中的PO43--P浓度与水体各项理化指标之间相关性不显著(P>0.05).
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表 4 沼泽湿地上覆水营养盐浓度与水体理化性质间的相关关系1) Table 4 Correlation between the nutrient concentrations and the physico-chemical properties of the overlying water in the wetland |
为进一步探讨上覆水各理化因子对上覆水NH4+-N、NO3--N浓度的贡献大小, 利用多元回归分析中逐步回归法, 分别建立上覆水NH4+-N、NO3--N浓度(分别为Ya、Yb)与上覆水pH值(X1)、氧化还原电位(X2)、盐度(X3)、水温(X4)、总溶解性固体浓度(X5)、溶解氧浓度(X6)之间的最优回归方程(表 5).结果表明, 上覆水NH4+-N浓度与上覆水溶解氧浓度相关性更明显, 上覆水NO3--N浓度与上覆水总溶解性固体浓度相关性更明显.
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表 5 上覆水氮营养盐与上覆水理化因子的多元回归线性拟合方程 Table 5 Multiple regression equations between the N nutrient concentrations and physico-chemical properties of the overlying water |
3 讨论
本研究结果表明, 福清湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度在5个海湾和河口中处于较高水平.原因在于：第一, 福清湾地区大量水产养殖场的存在, 特别是对虾养殖, 有研究发现, 2015年福州市南美白对虾养殖总面积6 433.3 hm2, 在各县(市、区)中, 福清市的养殖面积最大, 达4 466.6 hm2[18], 养殖产生的残饵和排泄物进人水体, 以有机或无机物的溶解态和颗粒态存在, 水体中N、P浓度升高, 在水动力作用下, 会影响到邻近水域生态环境[19~21]; 第二, 周边地区的农业活动以及工业废弃物的排放, 福清湾直排入海的污染物量远大于福州其它的沿海县(市), 其中以畜禽养殖业的排污量尤为突出, 人为增加了河口湿地上覆水体中的营养盐浓度; 第三, 福清湾东侧有平潭岛和一系列小岛阻隔, 属半封闭形海湾, 不利于与外海间的水质交换, 污染物易积聚[12], 这些因素的综合作用, 促使福清湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N、PO43--P浓度处于较高水平.
此外, 兴化湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N浓度则比较低.一方面, 兴化湾沼泽湿地上覆水总溶解性固体浓度及盐度最高, 说明其受到潮汐的影响较为显著, 涨潮时, 潮水一般会带来盐度较高(平均盐度29.4~33.2)、营养盐浓度较低(活性磷酸盐：0.037 mg·L-1, 无机氮：0.23 mg·L-1)的海水[10, 22], 会对上覆水营养盐起到一定的稀释作用[23], 同时增加水体总溶解性固体浓度, 这些潮水在河口和海湾停留一段时间, 与陆源(包括河水和地下水)径流带来的营养盐浓度不同, 会对河口和海湾上覆水中的营养盐浓度造成影响, 相关研究表明, 上覆水中的NO3--N浓度通常与盐度负相关[24, 25], 当盐度增加时, 沉积物中的硝化和反硝化速率会显著减小[26~30], 兴化湾采样点上覆水盐度、总溶解性固体浓度显著高于其它海湾和河口, 因此其NO3--N浓度处于最低水平; 另一方面, 兴化湾沼泽湿地上覆水的溶解氧浓度最高, 同样也表明其受潮汐扰动影响, 促使水体溶解氧浓度增加, 除此以外, 该地区存在海带、紫菜、龙须菜等养殖活动, 植物和藻类通过光合作用释放氧气[31], 使水体保持相对较高的溶解氧浓度, 本研究中通过多元逐步回归分析发现, 上覆水NH4+-N浓度更多受上覆水溶解氧浓度的影响, 并与之呈显著负相关关系(表 4), 这与大多数研究结果一致, 较高的溶解氧环境会抑制或降低沉积物NH4+-N的释放[32~34], 因此兴化湾上覆水中NH4+-N浓度最低.综合以上因素, 使得兴化湾沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N浓度水平较低.
本研究中, 南方碱蓬沼泽湿地上覆水中的氮营养盐浓度较高, 这与其植株矮小、生物量低, 因此对氮营养盐的吸收和转化能力差相关.研究发现, 湿地植物氮、磷吸收量与其生物量显著正相关[35~37].与其它植物群落相比, 互花米草群落下的沼泽湿地上覆水中NH4+-N、NO3--N和PO43--P浓度相对较低, 可能由于互花米草根系发达, 地下部分通常由短而细的须根和长而粗的地下茎(根状茎)组成, 能很好地将地上部分光合作用产生的氧气输送到根部, 并从根毛分泌出来, 致使根系周围的环境保持一定的好氧状态, 为多种微生物生存创造了有利的条件, 间接影响氮、磷的去除和转化, 并且它具有更高的氮、磷吸收潜力, 从而有利于对营养物质的吸收[38~42].本研究还发现, 同一个海湾或河口不同植物群落下沼泽上覆水中的营养盐浓度存在差异, 可能因为不同植物群落位于河口、海湾的位置不同.此外, 不同植物对污染物质的去除能力和净化效果有较大的差异, 这与植物的生长速度、生长阶段、植物的生物量、植物自身氮磷累积量和植物根际微生物作用有关[43~46].
4 结论(1) 福州市兴化湾(福州一侧)、福清湾、闽江口、敖江口和罗源湾5个海湾和河口沼泽湿地中, 兴化湾沼泽湿地上覆水中的氮营养盐浓度最低, 福清湾上覆水中的N、P营养盐浓度最高, 主要与区域水产养殖、陆源污染、区域地形有关.沼泽湿地上覆水中的NH4+-N浓度随水体盐度、总溶解性固体浓度、溶解氧浓度的增加而降低, 受溶解氧浓度影响更显著, NO3--N浓度同样随水体盐度、总溶解性固体浓度的升高而降低, 且总溶解性固体浓度对其影响更显著, 而上覆水中的PO43--P浓度与水体各理化因子之间相关性并不显著.
(2) 植被类型对同一河口/海湾内沼泽湿地上覆水营养盐浓度有一定影响, 但规律复杂.南方碱蓬群落沼泽湿地上覆水中的氮营养盐浓度较高, 互花米草群落沼泽湿地上覆水中的NH4+-N、NO3--N和PO43--P浓度最低, 这与植株的大小、生物量、根系发达程度有关.
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