4.3.2 白洋淀湖泊湿地沉积物/土壤环境因子特征分析
4.3.2.1 沉积物/土壤有机质的分布特征
湿地沉积物/土壤中有机质的变化对氮素的迁移、转化等地球化学行为有着重要的影响作用（朱广伟等，2001）。不同的湿地类型，沉积物/土壤中有机质含量差异较大，即使是同一湿地，沉积物/土壤中有机质含量也不均一，具有高度的空间差异性（傅国斌等，2001）。沉积物/土壤中有机质含量取决于有机质的输入量和输出量，输入量主要来源于水中动植物残体的归还，输出量则主要是通过有机质的降解。从水体直接进入沉积物的有机质通量较大（王雨春，2001），进入沉积物的有机质在表层可以迅速发生降解（Westrich et al.，1984；王浩然，1996；肖保华，1996），最后难降解的或相对稳定的有机质在沉积物/土壤中保存下来（万国江等，2000）。
图4.14为白洋淀实验区湖心区沉积物中有机质的垂直分布图。由图4.14可以看出，各实验区湖心区沉积物中有机质的垂直分布规律大致相似，均呈现随深度的增加而减少的现象，这与有机质输入量由上向下依次减少相一致。湖中内源动植物残体和外源有机物都在沉积物表层累积，使沉积物上层有充足的有机质供微生物分解和动植物利用。随着沉积物深度的增加，有机质输入量减少，但芦苇繁密的根系并未减少，植物对有机质的主动吸收仍在发生（Jones et al.，1996）。芦苇发达的根系增强了根际环境的复合氧含量，10cm以下的沉积物微生物的呼吸作用相对旺盛，导致沉积物中有机质被不断分解，以供植物、微生物的生命所需，这些都会导致有机质含量明显减少。从白洋淀湖泊湿地沉积物有机质的水平分布看，王家寨沉积物中有机质含量高于小杨家淀和郭里口，这一现象可能与王家寨一带曾经有鱼场分布，积累了较多的鱼类残体和排泄物等有关。
图4.15显示了白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤有机质的空间分布。由图4.15可知，开阔水体中的有机质含量比较稳定，在3个不同实验区第1和第2采样点的沉积物中有机质含量变化不大，在水位变幅最大的第3采样点有机质含量都最小；而后3个采样点有机质含量又升高，说明白洋淀湖泊湿地湖滨带可能是有机质降解的活跃区。
图4.14 白洋淀实验区湖心区沉积物中有机质的垂直分布
图4.15 表层沉积物/土壤中有机质的空间分布
图4.16 白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤有机质的时间变化
白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤有机质含量在时间上也存在差异性。图4.16是白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤有机质的时间变化图，由图4.16可以看出，在一年的时间里，湖心区沉积物中有机质总体表现为累积的状态。在冰封期，冰层以下的各种生物将累积一年的有机质进行降解，以获得足够的能量生存，直到下一年的春天冰层融化。因此，沉积物中有机质含量在4月表现为全年较低水平。
湖滨带表层沉积物/土壤中有机质的含量和变化趋势与湖心区大致相同，只是在植物生长旺盛的8月沉积物/土壤有机质含量明显降低，之后又缓慢升高。这种现象的原因可能是为6—8月土壤温度升高，芦苇生长迅速，微生物活性增强，导致对沉积物/土壤有机质分解加速，经过这样一个相对强烈的生物降解过程，使得湖滨带沉积物/土壤中有机质含量明显减少。之后的几个月，芦苇开始由生长期过渡到成熟期，其对碳源的需求量相对减少，而其根系分泌物和死根的增多，促进了有机碳的累积，使得湖滨带沉积物/土壤有机碳含量呈现增加趋势。
由于陆地区与湖心区和湖滨带相比，缺少了水体的携带作用，物质的转化变得相对单一。陆地区有机质输入则主要以动植物残体的积累分解获得，而其输出也以微生物的降解和植物吸收为主要途径，所以陆地区有机质的变化呈现出明显的季节性，且土壤有机质含量也高，比湖心区和湖滨带高出2～3倍。随着白洋淀湖泊湿地干淀现象的频繁发生，陆地区面积不断扩大，其高水平的有机质含量可能会使白洋淀湖泊湿地成为环境中碳和氮的“源”，从而对温室气体CO2和N2O的生成和释放产生促进作用。
4.3.2.2 磷的分布特征
磷素是植物生长发育必需的营养元素之一，磷素的多少直接影响湿地植物、微生物的生长状况，进而影响湿地氮素的生物地球化学过程。自然湖泊湿地中的全磷含量主要来源于成土母质和动植物残体归还量（戎郁萍等，2001），湖泊湿地内的水生植物不仅可以从沉积物中吸收营养，同时也向沉积物/土壤释放氧和分泌酸性物质，进而影响磷的生物地球化学循环。
从空间上分析，白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤全磷的垂直分布和空间分布均与有机质的变化相似，见图4.17和图4.18，说明白洋淀湖泊湿地是磷素的汇，且湖滨带是生源要素生物地球化学过程的活跃区。
图4.17 白洋淀湖泊湿地湖心区沉积物全磷垂直分布趋势
图4.18 白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中全磷的空间分布
图4.19 白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤全磷的时间变化
从时间上分析，白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中全磷分布的时间变化表现为先减后增的趋势，见图4.19。这种现象主要与环境温度的升高和湿地中植物的生长有关。4月土壤刚刚开始解冻，生物生长缓慢，对磷素的吸收利用较少；随着温度升高，生物生长旺盛，对磷的吸收利用大幅度增加，从而导致8月时土壤全磷含量达到最低；9月以后，随着植物逐渐成熟，对磷素的需求量减少，且植物地上养分转移到地下，发生累积或被土壤胶体固定，导致了土壤尤其是表层土壤磷素的增加。
4.3.2.3 微生物分布特征
自然湿地具有“改善”相邻水体水质的能力，可以通过养分循环，即微生物的各种代谢活动，如硝化作用和反硝化作用等，有效地减少水体中氮素的浓度。总体上来说，湿地系统中的营养物质——氮主要由微生物的作用而去除（Lin et al.，2002），微生物在湿地系统的物质循环过程中起着重要的作用。
湿地中的微生物主要有菌类、藻类、原生动物和病毒，它们是其生态系统中的重要组成部分，特别是细菌，多数营养物质的降解转化都是由相应的细菌完成。有研究报道，湿地植物根区的细菌总数与BOD5去除率之间存在显著相关性（梁威等，2004），氨氮的去除率与根际硝化细菌的相关性极显著（周红菊等，2007）。在本书中，对白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中的细菌总数进行了监测，图4.20为白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中细菌总数的时空变化特征图。
由图4.20可以看出，白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中细菌总数有着明显的时空差异性。从空间上看，细菌总数表现为：湖心区＜陆地区＜湖滨带，原因可能是湖滨带处在水位变化带，表层沉积物/土壤中氧气充足、营养丰富、水分含量适宜，为细菌提供了最佳的生长繁殖环境，所以该区域细菌数量最多。湖心区常年淹水，沉积物基本处于缺氧或厌氧条件，多数好氧菌不能生长，只有厌氧菌和兼性厌氧菌能够生存。北方降雨较少，导致白洋淀湖泊湿地陆地区土壤多呈干燥状态，良好的通气状态使厌氧菌不能生长，所以陆地区细菌总数也少于湖滨带。湖滨带较多的细菌数量必然会影响此处营养物质的转化。从时间上看，白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中细菌总数有季节性变化特征。4月以后，随着温度的升高，细菌总数逐渐增多；5月和6月增长最快，增长量为127%，7月时细菌总数达到最大值；之后，天气逐渐变凉，温度下降，细菌总数又呈现减少的趋势。细菌的这种季节变化特征与白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中有机质和全磷含量的变化正相反，说明细菌是参与生源要素循环的主要成员。
图4.20 白洋淀湖泊湿地表层沉积物/土壤中细菌总数的时空变化特征图