施媛媛，李一平，羅 凡，郭晉川,李榮輝

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

桉樹(Eucalyptus)是桃金娘科桉樹屬植物的總稱[1-3]，因生長(zhǎng)速度快、木材用途廣而具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而大面積發(fā)展桉樹人工林會(huì)帶來許多生態(tài)環(huán)境問題[4]。我國(guó)南方尤其是廣西水庫眾多且桉樹種植廣泛，全區(qū)桉樹種植面積超過159萬hm2[5]，僅南寧市750座各類型水庫中就有550座種有桉樹，種植面積占水庫集水面積的58%；50座飲用水水源地水庫中45座種植了桉樹，且很多都出現(xiàn)了不同程度的水質(zhì)惡化現(xiàn)象[6]。

一些含氮、磷的溶解性或顆粒態(tài)物質(zhì)通過絮凝、吸附、沉降等作用蓄積于水庫沉積物中，使得表層沉積物的總氮(TN)和總磷(TP)濃度增加[7-9]；然而邱祖凱等[10]在研究福建山美水庫時(shí)發(fā)現(xiàn)底泥中總氮與總磷含量隨著深度變化不大，呈現(xiàn)持續(xù)較低的狀態(tài)。杜宏偉等[11-12]在對(duì)華陽河湖群底泥特性的研究中發(fā)現(xiàn)，如果總氮與有機(jī)質(zhì)(OM)的相關(guān)性顯著，則表明總氮污染與有機(jī)質(zhì)沉積之間的協(xié)同性較高，主要由漁業(yè)養(yǎng)殖餌料以及植物腐殖質(zhì)進(jìn)入底泥所造成；如果總氮與有機(jī)質(zhì)弱相關(guān)，則表明總氮主要是外源輸入造成；如果湖泊中總磷和有機(jī)質(zhì)具有顯著相關(guān)性，則表明泊湖中總磷外源輸入較小，主要是內(nèi)源污染造成的?，F(xiàn)有研究[13-16]表明，水庫底泥氮、磷、有機(jī)質(zhì)的分布規(guī)律并不單一，桉樹經(jīng)營(yíng)活動(dòng)、氣象水文條件、水動(dòng)力特征等均會(huì)對(duì)林區(qū)水庫氮、磷和有機(jī)質(zhì)的空間分布產(chǎn)生重要影響。此外，分析水庫底泥氮、磷與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)關(guān)系還有助于解析部分氮、磷的污染來源，為預(yù)防和治理水庫污染提供理論依據(jù)。

本文以南寧市那降水庫作為桉樹人工林區(qū)典型水庫，分析該水庫底泥中氮、磷、有機(jī)質(zhì)的分布特征及其相關(guān)性，并評(píng)價(jià)底泥肥力狀況，為桉樹人工林的經(jīng)營(yíng)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南寧市位于北回歸線南側(cè)，屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤(rùn)，年均降雨量達(dá)1 304.2 mm，降雨主要集中在5—9月，平均相對(duì)濕度為79%，氣候特點(diǎn)是夏季炎熱潮濕，冬季溫和干燥，干濕季節(jié)分明。那降水庫位于廣西南寧市隆安縣，是一個(gè)以灌溉為主，兼顧發(fā)電、供水、養(yǎng)魚功能的水利工程。那降水庫的總庫容為2 634 m3，有效庫容為1 880 m3，集雨面積為63 km2，庫區(qū)桉樹種植面積達(dá)65%，砍伐歷史超過10年，水庫在冬季會(huì)偶爾出現(xiàn)明顯的泛黑水現(xiàn)象。水庫主要影響下游城廂鎮(zhèn)的寶塔村、震東村，總?cè)丝?.85萬人，耕地面積為480 hm2。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)那降水庫庫區(qū)水深以及水文水質(zhì)特征，并根據(jù)所確立的樣點(diǎn)應(yīng)對(duì)研究區(qū)域的多項(xiàng)調(diào)查指標(biāo)有較好代表性的原則，共設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，NJ1采樣點(diǎn)位于壩前，水深約30 m；NJ2采樣點(diǎn)位于入庫支流段，水深約21 m；NJ3采樣點(diǎn)位于入庫干流段，水深約20 m。NJ1與NJ2周邊林區(qū)桉樹種植密度較小，NJ3所在水域附近桉樹的種植密度較大。于2015年夏季(8月25日)和冬季(12月19日)在每個(gè)采樣點(diǎn)用沉積物柱狀采泥器WB-PM分層采集底泥沉積物。每個(gè)采樣點(diǎn)采集約25 cm的底泥沉積物泥柱，并將每根泥柱均分為5層，分別裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

圖1 那降水庫采樣點(diǎn)分布

1.3 底泥理化參數(shù)測(cè)定方法

a. 含水率。將泥樣放入鋁盒中，用分析天平稱重，精確到0.01 g。然后將樣品放入105℃的烘箱，放置12 h后取出到干燥器內(nèi)冷卻30 min再稱重。取3次平行測(cè)定的平均值。底泥經(jīng)風(fēng)干后磨碎過100目篩，用以測(cè)定總氮、總磷、總有機(jī)碳(TOC)和有機(jī)質(zhì)。

b. 總氮含量。根據(jù)GB11891—1989《水質(zhì)凱氏氮測(cè)定法》測(cè)定。

c. 總磷含量。根據(jù)GB8937—1988《土壤全磷測(cè)定法》，采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定。

d. 總有機(jī)碳含量。按1∶5泥水比將風(fēng)干泥樣與超純水混合，在300 r/min的條件下連續(xù)振蕩24 h，然后以4 000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜(預(yù)先450℃下灼燒，恒溫5 h)濾液為溶解性有機(jī)質(zhì)提取液，用總有機(jī)碳測(cè)定儀(Aurora1030C)測(cè)定。

e. 有機(jī)質(zhì)含量。采用水和熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)，采用IBM SPSS Statistics 23分析底泥總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫水文水動(dòng)力特征

以每月的月徑流量(即每月通過該水庫的總水量)計(jì)算換水周期，計(jì)算公式為

T=V/v

(1)

其中

v=psr

式中：T為換水周期，月；V為有效庫容，m3；v為月入庫水量，m3/月；p為月降雨量，m/月；s為集雨面積，m2；r為徑流系數(shù)。

徑流系數(shù)取用珠江流域徑流系數(shù)多年均值0.52。從表1可以看出，5—9月以及11月?lián)Q水周期較短，平均換水周期約4個(gè)月，1—4月及12月?lián)Q水周期長(zhǎng)，平均換水周期在30個(gè)月左右，是5—9月?lián)Q水周期的8倍。

表1 那降水庫水文數(shù)據(jù)

2.2 含水率分布

含水率反映底泥的疏松情況，直接影響底泥的再懸浮程度。底泥的再懸浮是營(yíng)養(yǎng)鹽在底泥與上覆水之間重新分配的重要途徑，能促進(jìn)沉積物中磷的釋放[17]。除此之外，含水率的高低還會(huì)影響各形態(tài)磷含量變化速率，且含水率越高變化越快，這主要與底泥-間隙水之間的磷濃度梯度有關(guān)[18]。不同含水率的底泥具有不同的形態(tài)：85%以上含水率的底泥呈流態(tài)，65%～85%呈塑態(tài)，低于60%呈固態(tài)。那降水庫3個(gè)采樣點(diǎn)處底泥的含水率測(cè)定結(jié)果表明表層底泥的含水率均不高于85%(圖2，圖中H為底泥厚度)，說明底泥在不受干擾的情況下不輕易與上覆水交混。8月3個(gè)采樣點(diǎn)的底泥含水率的平均值分別為63.1%、61.8%和62.6%，水平相近，而12月3個(gè)采樣點(diǎn)的底泥含水率的平均值分別為59.7%、53.1%和70.7%，差異性相對(duì)較大，但整體都處于40%～70%的變化范圍內(nèi)。各層采樣深度處的底泥含水率在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)值波動(dòng)較大，穩(wěn)定性差。整體而言，那降水庫3個(gè)采樣點(diǎn)表層底泥含水率的變化并不大，都在70%左右，且含水率隨深度的增加呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。

(a) 8月25日采樣 (b) 12月19日采樣

2.3 總氮、總磷分布

圖3為那降水庫底泥總氮垂向分布圖，3個(gè)采樣點(diǎn)底泥總氮的平均質(zhì)量比分別為2 297 mg/kg、2 037 mg/kg 和2 230 mg/kg。由圖3可知，就表層底泥而言，NJ3處的總氮質(zhì)量比總是最大，且在8月的優(yōu)勢(shì)更明顯；垂直方向上，3個(gè)采樣點(diǎn)在8月和12月的變化趨勢(shì)大致相同，表層底泥總氮的質(zhì)量比隨深度增加持續(xù)降低，區(qū)別在于8月的降低幅度更大，但中下層幾乎穩(wěn)定不變。8月和12月總氮的平均質(zhì)量比分別為2 199 mg/kg和1 994 mg/kg，即12月總氮質(zhì)量比略低于8月。

(a) 8月25日采樣 (b) 12月19日采樣

磷一般以無機(jī)鹽的形式儲(chǔ)存在底泥中[8]。圖4為那降水庫底泥總磷垂向分布圖，3個(gè)采樣點(diǎn)底泥總磷的平均質(zhì)量比分別為275 mg/kg、226 mg/kg和262 mg/kg。由圖4可知，3個(gè)采樣點(diǎn)NJ1表層底泥的總磷質(zhì)量比最高，NJ2最低，NJ1和NJ3的差距不大，但NJ2與另外兩點(diǎn)的差距較為明顯，與總氮的分布類似。8月總磷質(zhì)量比的垂直變化趨勢(shì)與同月總氮質(zhì)量比的變化類似，但12月上下層底泥無明顯差距。8月和12月總磷的平均質(zhì)量比分別為256 mg/kg和230 mg/kg，即12月總磷質(zhì)量比也略低于8月。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖4那降水庫底泥總磷分布

2.4 總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)分布

有機(jī)碳往往能直接反映生物量的多少，也能間接預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)含量的高低。就8月而言，測(cè)點(diǎn)NJ1和NJ3處總有機(jī)碳的質(zhì)量比變化呈現(xiàn)隨深度的增加而降低的相似趨勢(shì)(圖5)，而NJ2先降后升再降；12月的分布變化則相對(duì)復(fù)雜，NJ2處總有機(jī)碳總體隨深度增加而降低，且在中下層下降幅度最大，另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處在垂直方向上變化不明顯。8月和12月總有機(jī)碳的平均質(zhì)量比分別為20 mg/kg和442 mg/kg，即12月總有機(jī)碳質(zhì)量比也明顯高于8月。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖5那降水庫底泥總有機(jī)碳分布

有機(jī)質(zhì)作為底泥的重要組成部分，能夠有效反映有機(jī)營(yíng)養(yǎng)程度[19]，并且有機(jī)結(jié)合態(tài)也是氮、磷在底泥中的一種重要的賦存形式。圖6為那降水庫底泥有機(jī)質(zhì)垂向分布圖，3個(gè)采樣點(diǎn)底泥有機(jī)質(zhì)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.4%、2.6%和3.0%。8月和12月有機(jī)質(zhì)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.7%和3.3%，冬季有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于夏季。

(a) 8月25日采樣

(b) 12月19日采樣

圖6那降水庫底泥有機(jī)質(zhì)分布

3 討 論

3.1 底泥氮、磷與有機(jī)質(zhì)分布特征

那降水庫底泥氮、磷及有機(jī)質(zhì)的垂向分布特征相似，大都呈現(xiàn)隨深度的增加而逐漸降低的趨勢(shì)，這與水庫底泥表層累積效應(yīng)及深層厭氧環(huán)境有關(guān)，但是支流段(NJ2測(cè)點(diǎn)處)的有機(jī)質(zhì)分布變化有所差異，呈現(xiàn)出表層氮、磷及有機(jī)質(zhì)含量最高，中下層突降的規(guī)律，這是因?yàn)镹J2測(cè)點(diǎn)處狹長(zhǎng)流速大、水力停留時(shí)間短均導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)難以累積，輕質(zhì)物質(zhì)向下層的遷移受阻，只有少部分密度大的沉積物累積在底泥表層。壩前段(NJ1測(cè)點(diǎn)處)水深最大，是各支流最終的匯集點(diǎn)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集累積程度高，所以該處氮、磷質(zhì)量比最高；干流段(NJ3測(cè)點(diǎn)處)的氮、磷質(zhì)量比也很高，這主要與其周邊桉樹種植密度大有關(guān)，緩慢的流速也為物質(zhì)在此處的沉降提供了很好的水力條件。

農(nóng)必昌等[20]對(duì)廣西4個(gè)林場(chǎng)的桉樹造林區(qū)施肥與林區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究發(fā)現(xiàn)，桉樹林區(qū)對(duì)氮肥的極大需求以及整地施肥方法都會(huì)造成林區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)過剩。那降水庫周邊桉樹林區(qū)所施用的化肥主要有尿素、氮磷復(fù)合肥等，氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過30%。多數(shù)林區(qū)管理處的施肥時(shí)間集中，一年一次，量多頻次低，造成大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)難以被桉樹利用而流失進(jìn)入土壤。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水庫的途徑主要有以下兩種：一是夏季降雨頻率高、強(qiáng)度大，導(dǎo)致人工培育時(shí)所累積在水庫周邊土壤中的肥料隨泥土沖刷直接進(jìn)入水庫；二是肥料在降雨的作用下加速入滲地下水，經(jīng)水力傳導(dǎo)間接進(jìn)入水庫。除此之外，秋冬季節(jié)覆蓋在地表的桉樹落葉能夠有效地截留肥料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加之季節(jié)更替導(dǎo)致庫區(qū)自身的水文水動(dòng)力條件變化，這些因素均可能造成夏季水庫底泥氮、磷含量略高于冬季。然而，底泥有機(jī)質(zhì)含量的季節(jié)性變化卻與氮、磷相反，8—12月經(jīng)歷秋季，桉樹落葉積累，形成沉積物，隨著雨水徑流進(jìn)入水庫，隨后通過沉降作用到達(dá)水庫底部；較長(zhǎng)的換水周期也使得底泥表層的累積效應(yīng)更加顯著，以致有機(jī)物含量增大。

3.2 季節(jié)性水溫分層對(duì)底泥氮、磷及有機(jī)質(zhì)分布的影響

水深大于10 m的水庫易形成顯著的水溫分層現(xiàn)象[21-22]，那降水庫水深超過20 m，是典型的深水型水庫。8月那降水庫正處于水溫分層時(shí)期，水溫分層結(jié)構(gòu)一旦形成將長(zhǎng)期穩(wěn)定，上層水體水溫較高，密度較小，而下層水體溫度較低，密度較大，因此上下層水體之間的交換受阻，導(dǎo)致下層水體及底泥中的溶解氧無法得到補(bǔ)足，下層水體與底泥形成缺氧或是厭氧環(huán)境[23-24]。與此同時(shí)，夏季高溫加快藻類生長(zhǎng)，消耗大量溶解氧，下層水體及底泥的缺氧乃至厭氧狀態(tài)加劇，導(dǎo)致磷從沉積物中釋放。但穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)抑制了磷向上層水體擴(kuò)散，依舊聚集在水庫的泥水交界面處，直至水溫分層結(jié)構(gòu)在秋冬季節(jié)失去穩(wěn)定，上下層水溫逐漸趨于相等，各水層的物理化學(xué)特性趨于均一。在水力誘導(dǎo)下，表層底泥與上覆水進(jìn)行物質(zhì)交換，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體。因此表層底泥的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，但水體內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn)加劇。

表2 那降水庫夏季(8月)各測(cè)點(diǎn)底泥總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)三者的相關(guān)系數(shù)

注：**在p=0.01(雙尾)，相關(guān)性顯著；*在p=0.05(雙尾)，相關(guān)性顯著。表3同。

表3 那降水庫冬季(12月)各測(cè)點(diǎn)底泥總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)三者的相關(guān)系數(shù)

表4 底泥肥力評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 那降水庫底泥中有機(jī)碳、有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)指數(shù)

3.3 總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

表2和表3分別為8月和12月那降水庫各測(cè)點(diǎn)底泥總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)三者的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，8月總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，表明底泥中的氮、磷主要以有機(jī)物的形式存在，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來自林區(qū)肥料。桉樹的高產(chǎn)伴隨人工施肥頻率的加大，肥料中含有大量難生物降解的含氮含磷有機(jī)物，長(zhǎng)時(shí)間累積在林區(qū)地表，在夏季高強(qiáng)度、高頻率的降雨作用下，大部分以地表徑流形式直接進(jìn)入水庫，小部分滲入地表水經(jīng)水力傳導(dǎo)間接進(jìn)入水庫；而在冬季，除支流段(NJ2測(cè)點(diǎn))總氮與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性明顯較高之外，大多數(shù)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較低的相關(guān)水平(因天氣因素NJ3測(cè)點(diǎn)采集測(cè)定的數(shù)據(jù)量較少而缺乏代表性，不作為參考)，說明支流段含氮有機(jī)物的存量依舊不少，這主要與支流段的環(huán)境特征接近河道有關(guān)，有機(jī)氮被分解后隨水流遷移，測(cè)點(diǎn)NJ2處剩余的氮仍以有機(jī)物形式為主。12月總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)三者的相關(guān)關(guān)系說明兩種情況：一是秋冬季節(jié)水庫底泥中的有機(jī)質(zhì)主要來自進(jìn)入水庫的桉樹凋落物，凋落物大部分為腐殖質(zhì)，主要成分為有機(jī)碳，有機(jī)氮和有機(jī)磷極少；二是在底部缺氧或厭氧條件下，原儲(chǔ)存在底泥中的有機(jī)氮和有機(jī)磷被分解成無機(jī)鹽，在水溫分層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后遷移至上部水體。

3.4 底泥肥力狀況評(píng)價(jià)

參照王書錦等[25]對(duì)洱海流域入湖河口濕地沉積物的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，采用有機(jī)指數(shù)法對(duì)那降水庫底泥肥力狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。底泥有機(jī)指數(shù)等于有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積。表4為借鑒巢湖底泥肥力的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所制定的適用于那降水庫的底泥肥力評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表5為實(shí)測(cè)那降水庫底泥中有機(jī)碳、有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)指數(shù)，其中各測(cè)點(diǎn)有機(jī)質(zhì)以及總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為各測(cè)點(diǎn)深度方向質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值。由表4、5可知，那降水庫的底泥有機(jī)指數(shù)遠(yuǎn)大于0.05，屬于Ⅲ級(jí)肥污染狀態(tài)，內(nèi)源污染負(fù)荷超高，水體自身生產(chǎn)力旺盛，富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境污染物風(fēng)險(xiǎn)上升。

Molinero等[26]基于小型溪流區(qū)桉樹人工林對(duì)有機(jī)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物含量的影響研究發(fā)現(xiàn)，相比于榿木和橡樹，桉樹的樹葉長(zhǎng)且重，更容易被保留在底泥中，對(duì)遷移性有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)較少，并且在各種凋落物中，花朵和果實(shí)為主要的營(yíng)養(yǎng)物載體。在廣西地區(qū)，除了桉樹外，雜交相思、馬尾松和由灰木蓮、米老排、火力楠與杉木等組成的混交林也普遍存在，然而楊鈣仁等[27]對(duì)各林區(qū)樹種凋落物的淋溶試驗(yàn)結(jié)果表明，桉樹凋落物各組分氮的淋溶速率和淋溶累積量均顯著大于其他樹種，且桉樹凋落葉255 d淋溶累積量(8 623.1 mg/kg)分別是雜交相思、馬尾松凋落葉的3.51和4.05倍，是混交林中凋落葉的3.80倍。可見，桉樹對(duì)于林區(qū)水體氮、磷及有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)更為顯著，是林區(qū)水庫底泥肥污染的重要原因之一，對(duì)桉樹人工林的凋落物進(jìn)行針對(duì)性攔截收集，有利于保障飲用水水源地安全。

4 結(jié)論及建議

a. 桉樹人工林區(qū)的那降水庫底泥氮、磷的分布特征相似：多數(shù)情況下氮、磷含量隨著深度的加深而降低；8月底泥氮、磷平均質(zhì)量比分別為2 199 mg/kg和256 mg/kg，均略高于12月底泥氮、磷平均質(zhì)量比(1 994 mg/kg和230 mg/kg)。

b. 桉樹培育期施用的肥料是底泥氮、磷的重要來源，農(nóng)藥及砍伐后的殘枝落葉是底泥有機(jī)質(zhì)的主要成分；那降水庫的底泥有機(jī)指數(shù)遠(yuǎn)大于0.05，屬于Ⅲ級(jí)肥污染狀態(tài)。

c. 為保障那降水庫的飲用水水源，應(yīng)調(diào)節(jié)桉樹的栽種和砍伐周期，并合理使用肥料和農(nóng)藥，少量多次，及時(shí)清理砍伐后的殘枝落葉?？稍谒畮熘苓呍O(shè)置攔截設(shè)施，對(duì)水庫定期清淤。