Coupling effects of pipeline installation and offshore distance on sediment properties and ecological stoichiometry in coastal wetlands

本研究区位于海南省文昌市东南部近海区域（19°24′N，110°45′E），该地区属于热带海洋性季风气候，有明显的干季和雨季之分，光照充足、平均气温为22 ℃，年平均光照时间为2 200，年平均降水量为1 639 mm，约70%以上的降水集中在5—10月，达1 500 mm^[22]。该区属于半封闭海湾，水域相对开阔，受混合潮汐影响，与外海的水交换能力较强^[23]。

作为海南省重要的水产养殖区，文昌周围环绕着最具影响力的东风螺和虾苗育种基地，如会文镇。经过数十年的发展，海洋水产养殖业已逐渐形成规模，主要养殖石斑鱼（Epinephelus）、东风螺（Babylonia areolata）、南美白对虾（Penaeus vannamei Boone），主要以工厂化和池塘养殖为主，水产养殖户数量已达数千户，养殖水面面积超过数千公顷^[24]。其中边海村沿岸有大量取排水管道，养殖所需的海水通过开沟引水至沿岸，通过管道抽到养殖塘中。管道一部分直接铺设在海底表面，部分通过挖沟埋置在沟底，其地形沟壑纵横。边海村西南部南兴村，没有管道的铺设，地形平坦，为自然潮滩。通过对比分析近20年的遥感影像，发现挖沟、埋管活动在2012—2013年较为频繁，随后挖沟、埋管活动减少，经过长时间的稳定，挖沟翻动导致的影响逐渐减小，对表层沉积物的扰动影响逐渐趋于稳定。基于此，本研究聚焦于探讨在挖沟、埋管活动后期，当沉积物状态恢复至相对稳定状态时，管道遗留效应对沉积物中C、N、P含量及其生态化学计量特征的长远影响。

Figure 1.  Remote sensing imagery of the study area - 2012 (Left), 2013 (Middle), and 2024 (Right)

为探究管道铺设是否改变沉积物C、N、P及生态化学计量特征。参考相关滨海湿地沉积物碳氮磷及生态化学计量特征的研究^[20]，将沉积物分为0～10、10～20 cm。表层沉积物易受潮汐冲刷、生物扰动（如蟹类、贝类活动）等短期因素干扰，0～10 cm可以直接反映沉积物养分的近期动态，10～20 cm可能揭示管道铺设对沉积物孔隙度，压实度等物理结构的长期影响。此外，考虑到现实的采样及分析成本原因，由于在研究区设置了较多的采样点，仅将每个样点的样本分为0～10和10～20 cm两层。

湿地具有高度空间异质性，不同点位可能差异显著，由于人为管道铺设和自然潮汐等活动，可能存在人为或自然形成的周期性分布特征。直线采样可能遗漏某些规律性分布的生态要素，而“S”型采样通过迂回覆盖，跨越多个梯度，更全面地反映研究区的连续变化，更均匀地捕捉不同区域的变异。“S”型采样通过增加采样点的空间分布多样性，减少因局部集中导致的偏差。此外，由于样地受潮汐影响，在退大潮时间范围内在样地进行采样，对采样时间要求较为严苛，为保证采样时间间隔较短，选择“S”型采样，“S”型路线在保证代表性的同时减少了长距离移动的时间成本，适用于本研究的湿地调查。

因此，在低潮时（水深20～50 cm）分别对边海村沿岸的管道铺设区（A区）和南新村自然潮滩区（B区）用“S”型取样法进行采样（图2）。这两个区域的总面积约为6 km²，每个区域共设置50个取样点，取样点间距约为100 m，从近岸逐渐延伸至离岸约2 km的位置。在每个采样点，使用直径为25 mm的PVC柱状采样管，通过3点取样法采集0～10 cm和10～20 cm深度的沉积物样品。最终共采集到200个沉积物样品。

Figure 2.  Schematic diagram of sampling points

将采集好的土样带回实验室，剔除其中植物碎屑、贝壳等杂质后，自然风干，研磨过100目筛后封装保存，再进行沉积物总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）和总有机碳（TOC）含量的测定。其中，TC、TN浓度的测定使用元素分析仪（Elemental ECS4010，德国），按照燃烧法进行测定^[25]，TP在用HClO₄-H₂SO₄消化后，使用流动注射分析仪（Proxima1022/1/1，法国）测定，TC、TN、TP等指标检测限为1～5 μg，准确度为0.2%（基准物），精确度位0.1%（基准物），在重复条件下，两侧独立测定结果的相对偏差小于5%，TOC按照重铬酸钾外加热法进行测定^{[26 − 27]}，每20个样品测定2个平行双样，两个测定结果的相对偏差≤10.0%。

使用SPSS 21（IBM，美国）软件进行数据统计分析，在检验数据正态性和方差齐性后，若符合正态分布及方差齐性，则使用独立样本t检验，反之则使用非参数检验（Mann-Whitney 检验）来评估管道铺设下沉积物C、N、P及生态化学计量特征C∶N（TOC与TN的比值），C∶P（TOC与TP的比值），N∶P（TN与TP的比值）之间的差异。通过线性回归分析离岸距离与沉积物C、N、P及生态化学计量特征的关系。使用R（4.1.3），运用非参数多因素方差分析（Robust ANOVA）^{[28 − 29]}的方法探究管道铺设、沉积物深度、离岸距离之间的交互作用对沉积物C、N、P及生态化学计量特征的影响。采用Spearman相关性分析，探究沉积物C、N、P及生态化学计量特征之间的相关性。采用GraphPad prism 8.0（GraphPad，美国）进行绘图。使用ArcGIS10.8（Esri，美国）软件中的地理统计分析扩展工具进行普通克里金插值，可视化沉积物养分含量及生态化学计量特征，对数据进行对数或者Box-Cox变换，稳定数据方差，选择稳定的半变异函数模型，提高插值结果的精度和可靠性，考虑空间自相关性，减小由于忽略空间结构而导致的估计误差。计算变异系数（CV）以评估不同区域沉积物C、N、P含量及化学计量的变异性。

在A区和B区，沉积物TC、TN、TP和TOC含量均呈现出空间变异性。在0～10 cm的沉积物中，TC、TN和TOC的CV范围为10%～30%，表明数据的离散程度适中，呈现出中等变异性。而TN的CV范围超过30%，显示出数据的离散程度较大，属于高度变异。此外，在10～20 cm的沉积物中，TP的CV与0～10 cm沉积物相比表现出高度变异（>30%），而TC、TN、TOC的变异情况与0～10 cm沉积物一致（表1，图3）。

Figure 3.  The impact of pipeline laying on the contents of C, N, and P in sediments at different depths and the spatial distribution characteristics

管道铺设对不同深度沉积物的TC，TN，TOC均具有显著影响（P<0.05）。在0～10 cm沉积物中，TN与TOC表现出相似的空间模式，A区的TN、TOC比B区分别高53.33%、38.04%。TC表现出相反的趋势，A区显著低于B区8.67%（图3−a、b、d）。10～20 cm沉积物TC，TN，TOC在空间分布趋势与0～10 cm沉积物一致。与B区相比，A区的TN和TOC分别高出49.98%和54.25%，而A区的TC则显著低于B区6.17%（图3−a、b、d）。然而，管道铺设对不同深度沉积物的TP并没有显著影响（P>0.05）（图3−c）。

在A区和B区，不同深度沉积物的C∶N、C∶P和N∶P均表现出空间变异性。具体而言，不同深度沉积物的C∶N和N∶P的CV均超过30%，表明数据具有较高的离散程度，属于高度变异。对于C∶P，A区不同深度沉积物的CV同样超过30%，显示出高度变异特征，而B区不同深度沉积物的CV为10%～30%，表现出中等程度的变异（表2，图4）。

Figure 4.  The impact of pipeline laying on the ecological stoichiometric characteristics and spatial distribution of sediments

管道铺设对不同深度沉积物的C∶N、C∶P和N∶P均具有显著影响（P<0.05）。在0～10 cm沉积物中，A区的C∶P、N∶P分别比B区高出52.29%、50.00%，而C∶N表现出相反的趋势，A区显著低于B区21.72%。在10～20 cm沉积物中，A区的C∶P和N∶P与0～10 cm沉积物中的趋势一致，A区比B区分别高出63.08%和45.24%。而C∶N则与0～10 cm沉积物的趋势相反，A区显著高于B区9.16%（图4−a、b、c）。

A区和B区的沉积物C、N、P含量及其生态化学计量特征的水平分布格局随离岸距离的变化而存在差异。在近岸区域，A区与B区的TN、TOC、C∶N、C∶P和N∶P均大于远岸区域（图5，6）。A区TC和TOC在两个深度沉积物中均随离岸距离增加而显著降低；而在B区，仅0～10 cm沉积物中的TC表现出显著降低的趋势（P<0.05）。此外，A区0～10 cm和10～20 cm沉积物中TC和TOC的斜率绝对值均大于B区，表示A区具有更大的变化幅度（图5−a，d，e，h）。然而，对于TN、TP来说，只有0～10 cm沉积物中A区的TN、B区的TP变化趋势不显著，其他区域和沉积物层的则表现出相反的水平分布模式，即随着离岸距离的增加而增加。在0～10 cm沉积物中，A区TN的变化幅度小于B区，而不同深度沉积物中的TP和10～20 cm沉积物中的TN的变化幅度则相反（图5−b，c，f，g）。

Figure 5.  The relationship between offshore distance of pipeline laying and the contents of C, N, and P in sediments

Figure 6.  The relationship between offshore distance of pipeline laying and the ecological stoichiometric characteristics of sediments

在生态化学计量特征方面，A区不同深度沉积物中的C∶N和C∶P均随离岸距离增加而显著降低（P<0.05），而B区不同深度沉积物中的C∶N以及10～20 cm沉积物中的C∶P也表现出相似趋势。在0～10 cm沉积物中，A区C∶N的变化幅度小于B区（A = 9.27，B = 12.80），而不同深度沉积物中的C∶P以及10～20 cm沉积物中的C∶N变化幅度则相反（图6−a，b，d，e）。相比之下，只有B区0～10 cm沉积物中的N∶P随离岸距离增加而显著增加（图6−c）。

离岸距离对所有指标均表现出显著影响（P<0.05）。管道铺设显著影响TC、TN、TOC、C∶P和N∶P（P<0.05），但对TP、C∶N无显著效应（P>0.05）。沉积物深度则主要显著影响TP、C∶N和C∶P（P<0.05）。交互效应分析表明，管道铺设与沉积物深度的交互作用仅对C∶N表现出显著影响，而管道铺设与离岸距离的交互作用显著影响TC、C∶P与N∶P，沉积物深度与离岸距离的交互作用则对TP和C∶P具有显著影响（P<0.05）。此外，3因素（管道铺设、沉积物深度、离岸距离）的三重交互作用仅在TN上达显著水平（P<0.05）。总体而言，离岸距离对各指标的的作用最为全面，管道铺设与沉积物深度及其交互作用仅对部分指标呈选择性的显著影响（表3）。

如图7所示，除了TC和TOC、N∶P；TN和C∶P；TOC和TP、C∶N；TP和N∶P没有显著相关性之外，其余C、N、P及生态化学计量特征均两两相关，其中，TC与TP、C∶N的相关性最强，分别呈显著负相关和正相关。TN与N∶P的相关性最强，呈显著正相关；TOC与C∶P的相关性最强，呈显著正相关；TP和C∶N的相关性最强，呈显著负相关；C∶N与TN的相关性最强，呈显著负相关。

Figure 7.  Spearman correlation analysis of sediment carbon, nitrogen, phosphorus contents and ecological stoichiometric characteristics in vertical and horizontal directions under pipeline laying

沉积物中的C、N、P含量及其分布特征可以揭示生态系统的物质循环和能量流动情况，有助于理解生态系统的整体功能^[30]。本研究发现，研究区的沉积C、N、P及生态化学计量特征呈现出中高程度的变异性（表1、2），具体表现为A区TN和TOC显著高于B区，TC则相反（图3）。TN和TOC的差异可能归因于管道铺设对有机碎屑的截流作用^[31]，能有效拦截泥沙与有机颗粒并增加泥沙密度，从而促进沉积物有机质和N源的积累，这与拦砂坝的作用类似^[32]。B区沉积物因水流扰动减少，氧气渗透受限，形成厌氧微环境。厌氧条件抑制好氧微生物的分解作用，导致沉积物TOC、TN的积累。其次，管道为底栖生物、微生物等的生长提供潜在附着基质，这些生物在生长、死亡后进一步为沉积物提供额外的有机质和N源^[33]。沉积物TC是TOC和总无机碳（TIC）的和，A区相对于B区TOC高而TC低，则说明A区的TIC相对较少，这可能是因为在厌氧环境下，微生物驱动的酸化作用，降低沉积物pH，促进碳酸盐溶解成为可溶性钙离子和碳酸氢根，导致TIC随孔隙水的迁移消失^[34]。还有可能是硫酸盐还原菌活动增强，在厌氧条件下降硫酸盐还原为硫化氢，进一步与碳酸盐反应生成可溶性硫化物，加速TIC的化学风化^{[35 − 36]}。

C∶N的变化不仅能体现沉积物有机质的矿化程度，还可用于预估沉积物有机质及植物残体的分解速度，其值越低对应较高的分解速率^{[37 − 38]}。在0～10 cm沉积物中，A区的C∶N小于B区，而在10～20 cm沉积物中则相反（图4−a），研究结果表明管道铺设和沉积物深度的交互作用对C∶N有影响（表4），这可能是因为在0～10 cm沉积物中，A区可能有管道维护等人为扰动或局部水流，形成微氧环境，促进好氧微生物活动，加速有机质分解，加之短暂的好氧条件抑制微生物的反硝化作用，减少N的流失，提高TN留存效率，导致C∶N低于B区；而在10～20 cm沉积物中，A区可能因管道扰动导致沉积物压实，氧气渗透深度减少，形成强还原环境。而厌氧分解效率低，导致木质素、脂类等高C∶N有机碳积累。在B区由于潮汐作用或生物扰动（如蟹类活动），氧气渗透较深，好氧微生物持续分解有机物，TOC损失更多，C∶N相对较低。其次，N的垂向迁移限制也可能是导致C∶N差异的因素，A区深层铵态氮（NH₄⁺）可能由于黏土矿物吸附，难以向上迁移至表层，导致深层TN相对减少，C∶N升高^[39]。此外，B区深层Fe³⁺氧化层可能更稳定，通过“P陷阱”固定PO₄³⁻，而管道区厌氧条件下Fe³⁺还原为Fe²⁺，释放P并可能促进微生物对N的竞争性利用，间接提高C∶N^{[40, 41]}。沉积物C∶P是P元素矿化能力的反映，其值越小，P在沉积物中的利用率越高^[42]。本研究发现A区不同深度中沉积物C∶P均大于B区，可能是因为A区具有较高的C∶P表示微生物分解沉积物有机质受P的限制较大，P的生物有效性较低。沉积物N∶P可以反映沉积物的营养供应状况，为生态系统中的N和P限制提供见解^[43]，研究区沉积物N∶P均小于16，表明该区域主要受到N限制^[6]。本研究发现A区不同深度沉积物N∶P比B区高，管道铺设缓解了沉积物的N限制，使得比值上升。可能是因为管道更易富集N源，而P常受铁氧化物、钙质矿物等多种组分的固定影响，管道的存在对P的积累作用有限^{[44, 45]}。

本研究发现，在垂直方向上，只有C∶N受沉积物深度和管道交互作用影响，其余指标垂向分布变化不大（表3）。在水平方向上，管道铺设和离岸距离的交互作用只对沉积物TC、TOC和C∶P有显著影响，但TC、TN、TP、C∶N、C∶P和N∶P均受离岸距离的显著影响（P<0.05）（表4）。随着离岸距离的增加，A区沉积物的TC、TOC、C∶P、C∶N的下降趋势大于B区（图5）。相关性分析表明，TC与TP、C∶N呈显著负相关和正相关；TOC与C∶P呈显著正相关；C∶N与TN呈显著负相关（图7）。

TC与TP呈负相关可能是管道铺设扰动沉积物导致再悬浮增加，再悬浮的颗粒有机质暴露于高氧水体中加速氧化分解，从而降低TC^[32]。与此同时，沉积物中的铁、铝、钙等金属离子与水体中的PO₄³⁻结合，形成不溶性的磷酸盐沉淀，增加TP^[46]。此外，TC与C∶N也存在负相关关系，这可能是随着离岸距离的增加，水动力的改变，沉积物孔隙水交换改善，氧气渗透深度增加，好氧微生物活性升高，微生物分解有机质速率增加，导致TOC和C∶N下降^[47]。TOC与C∶P的呈显著正相关，而TN与C∶N呈显著负相关（图7），这是由于有机质在近岸区域的沉积速率相对较快，随着离岸距离的增加，沉积速率减慢，导致TOC下降^[48]；而TN、TP随着离岸距离的增加而增加可能是由于离岸区更接近外源性养殖尾水管口，人为营养盐的输入导致TN、TP负荷增加。此外，随着离岸距离的增加，氧化条件增强，抑制反硝化细菌活性，减少N以气态形式（N₂、N₂O）的损失，导致TN净积累^[49]。其次，好氧条件促进氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的活性，将NH₄⁺转化为NO₃⁻，后者易被吸附或参与同化作用，增加TN留存^[50]。近岸区厌氧环境下，Fe³⁺还原为Fe²⁺，导致结合态P释放至孔隙水；而随着氧化条件恢复Fe³⁺，重新固定P，但外源输入可能掩盖这一效应^[51]。还可能受到干湿沉降的影响，随离岸距离的增加，大气沉降的影响更加显著，从而导致TN、TP的增加，进而使得C∶P和C∶N下降^[52]。TN与N∶P之间呈显著正相关，可能是TN受大气沉降的影响比TP更大，导致N∶P的增加，使近岸沉积物的N限制强于远岸^[53]。此外，随着离岸距离增加，沉积物中TOC减少，导致颗粒态P的吸附能力下降^[54]，更多的P以溶解态存在，从而沉积物的TP升高，同时TOC减少导致C∶N降低，表现出TP和C∶N的负相关（图7）。

管道铺设虽能够富集沉积物中的TOC和N，但由于缺乏生产者（如盐沼植物、大型藻类）对养分的固定，这些C、N难以长期稳定贮存。TOC作为碳汇是有益的，但在潮汐冲刷或微生物活动驱动下，大量不稳定的C、N可能向水体释放，引起藻类过度生长和富营养化，消耗水体溶解氧、导致生物缺氧、水质恶化；向大气释放，加剧温室效应等连锁生态风险^[55]。但值得注意的是，随着离岸距离增加，A区与B区的C、N、P差异逐渐缩小，这与其水动力交换增强、管道截流作用减弱密切相关。因此在管道铺设选址上，需要优先远离敏感生境，采用深层埋置式安装，规避高生产力区，减少对C、N固定功能的干扰。此外，选择水动力较强的远岸区域铺设管道，利用自然交换能力削弱养分富集风险。结合人工湿地修复技术。如在管道铺设区周边移植耐污型盐沼植物或人工海草床，通过根系固C和吸收溶解N、P提升养分稳定性。因此，进一步评估沉积物C、N含量在时间尺度上的变化，以及对其稳定性的评估是至关重要的。

为了理解人为干扰湿地退化的原因，本研究考察了管道铺设对沉积物C、N、P及其生态化学计量特征的影响。结果表明：（1）管道铺设对沉积物C、N、P及生态化学计量特征有显著影响。具体而言，A区TOC、TN、C∶P和N∶P显著高于B区，而TC和C∶N却相反，对TP无显著影响。（2）离岸距离是影响沉积物C、N、P含量及生态化学计量特征的关键因素。沉积物TC、TN、TP、C∶N、C∶P和N∶P均受离岸距离的显著影响，其中TC、TOC、C∶N和C∶P随离岸距离增加而减少，TN和TP则随离岸距离增加而增多。（3）在管道铺设与离岸距离交互作用的影响下，A区沉积物的TC、TOC、C∶N和C∶P的水平变化幅度比B区更大。总体在近岸差异大于远岸，表明随着离岸距离的增加会削弱管道对沉积物C、N、P及生态化学计量特征的影响。后续可从时间尺度评估沉积物C、N、P稳定性的变化，定量评估离岸距离和潮汐水动力对沉积物的影响，为近海管道的选址、铺设方式及后续生态恢复措施提供科学依据，兼顾经济效益与环境保护，如可避开生态敏感区集中开挖沟渠，延伸至水动力交换较强的区域，将管道埋置在沟中，集中管理等，为科学规划近海工程及保护海洋生态环境奠定坚实基础。