王毛蘭,賴建平,胡珂圖,張丁苓,賴勁虎 (南昌大學環(huán)境與化學工程學院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,江西 南昌 330031)

鄱陽湖位于長江中下游的江西省北部,是我國最大的淡水湖,擁有豐富優(yōu)質的淡水資源和生物資源,與贛江、撫河、信江、饒河、修水五條河流尾閭相接,湖水調蓄后經湖口注入長江,是一過水性、吞吐型、季節(jié)性的淺水湖泊.湖口最高水位22.59m 時(吳淞高程),面積達4070km2[1].鄱陽湖是長江重要的天然流量調節(jié)器,也是長江中游地區(qū)最大的洪水調節(jié)庫,流域面積占整個江西省總面積的 97%,占長江流域面積的 9%[2].鄱陽湖水動力作用強烈,入湖河流攜帶大量泥沙,湖水總懸浮物含量較高[3].近幾十年來,隨著鄱陽湖流域農業(yè)和城市化的發(fā)展,大量營養(yǎng)物質不斷流入湖泊,使湖水營養(yǎng)鹽含量增加,水質呈現日益下降的趨勢.

湖泊沉積物包含了豐富的生物、理化信息,沉積物中的有機質保存了原始生產力狀況、水體營養(yǎng)狀況轉變過程及自然因素控制的水質改變進程等重要歷史信息,可以用來重建湖泊古生產力變化,沉積有機質的來源以及隨后的沉積演化過程,為恢復湖泊古環(huán)境和古氣候提供了重要依據,是古環(huán)境信息的有效載體[4-8].湖泊沉積物中有機質的來源分內源和外源 2種.其中內源有機質主要來源于湖泊水體生物殘體,外源輸入主要是外界水源補給過程中攜帶進來的顆粒態(tài)和溶解態(tài)的有機質[9].沉積物中的穩(wěn)定同位素碳、氮以及 C/N比值經常被用來指示水生系統(tǒng)中有機質來源或循環(huán)隨時間的變化,這些示蹤是建立在不同來源的有機質有不同的 C/N比值和穩(wěn)定同位素組成的基礎上的[10-12].鄱陽湖沉積物有機質碳、氮同位素的研究還尚未見報道,本研究通過對鄱陽湖表層沉積物中δ13Corg、δ15N、C/N比值、TOC和TN含量的測定,探討了鄱陽湖表層沉積物碳氮同位素分布特征,為研究鄱陽湖受人類活動影響的湖泊生產力變化和富營養(yǎng)化過程提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2011年11月對鄱陽湖主航道及其主要支流入湖河口表層沉積物和水樣進行了采集,采樣點位見圖1.水樣在距水面約0.5m處采集,用聚乙烯瓶 4℃保存,當天運回實驗室進行分析.采集表層0～5cm的沉積物樣,采集后立即運回實驗室,置于真空冷凍干燥機(ALPHA-1-4型,德國 Martin Christ公司生產)中冷凍干燥,待樣品完全干燥后研磨過篩(200目),過篩后的沉積物置于聚乙烯塑料袋中密封保存,以備實驗分析所用.

圖1 鄱陽湖區(qū)采樣示意Fig.1 Sampling locations in Poyang Lake

1.2 樣品的處理與分析

研磨過篩后的沉積物樣品,加入 0.5mol/L HCl酸化以去除無機碳酸鹽,再用去離子水淋洗樣品直至濾液呈中性,并用硝酸銀溶液來檢測樣品中有無 Cl-殘留,然后將去除無機碳的樣品進行冷凍干燥.經過上述處理后的樣品在國家海洋局第三海洋研究所用元素分析儀(Flash EA 1112HT)和同位素質譜儀(Delta V advantage)聯用測定有機碳、氮的含量及穩(wěn)定同位素組成,計算公式為:

式中:13C/12C和15N/14N分別對應于國際標準ViennaPDB與大氣中的氮標準,分析誤差為＜±0.2‰.樣品的C/N比值可由測定的總有機碳含量與總氮含量計算得到.

現場測試水溫,溶解氧(DO),pH 值,電導率和透明度等參數,NH4+-N,NO3--N,NO2--N,TN含量采用連續(xù)流動分析儀(FUTURA,法國Alliance)進行分析測定.

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)環(huán)境因子基本理化性質

由表 1可知,鄱陽湖水體呈中性偏堿性,pH值變化范圍為 7.04～8.17,老爺廟處 pH 值最高,龍口港處最低;DO含量最小值也出現在龍口港處,為 6.22mg/L,三江口處最高,為 9.89mg/L;老爺廟處透明度最低,僅為 1.2cm,湖口處也較低,為3cm,三江口處最大,為 57cm.鄱陽湖區(qū)氨氮含量變化范圍為 0.12～1.94mg/L,周溪處最小,龍口港處最大;硝態(tài)氮和總氮含量周溪處最小,分別為0.73,1.24mg/L,都昌采樣點最大,分別為 1.83,2.62mg/L.各主要入湖口河水氨氮含量變化范圍比較大,修水最小,為 0.15mg/L,贛江南支和饒河比較大,分別為 2.87,2.71mg/L;硝態(tài)氮含量最大值出現在贛江南支,為 3.05mg/L;最小值出現在撫河和信江,為0.65mg/L;TN含量最小值出現在信江,為 1.34mg/L,贛江南支和饒河比較大,分別為 6.86,4.22mg/L.對各形態(tài)氮總體分析發(fā)現,湖區(qū)龍口港和都昌處氮污染較嚴重,各主要入湖口河水中贛江南支和饒河氮污染較嚴重.饒河氮污染嚴重與鄱陽縣發(fā)達的漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)有很大的關系,魚蝦的養(yǎng)殖將含有大量懸浮物質和營養(yǎng)鹽的水排入河流中,致使河水氮含量明顯偏高[13].贛江南支各形態(tài)氮含量都比其它河流高,贛江穿越江西省的主要農業(yè)產區(qū),贛江南支下游更是有蔣巷鎮(zhèn)–南昌重要農副產品生產基地,農業(yè)非點源污染對其氮含量的影響起了主要的作用.

2.2 鄱陽湖主航道表層沉積物有機碳同位素及來源

鄱陽湖區(qū)表層沉積物中有機碳(TOC)的含量范圍是 0.63%～1.86%,見表 2,其平均值為(1.15±0.35)%(n=9).其中,鄱陽湖主航道下游湖口站位有機碳含量明顯高于鄱陽湖區(qū)其他點位,為1.86%;中游康山、龍口港、周溪及老爺廟處有機碳含量均較高,為 1.2%左右,而三江口處有機碳含量明顯低于其他點位,為0.63%.

有機碳同位素可被用來確定沉積物有機質的來源,通常碳同位素組成反映了不同生物體的光合作用中碳同化作用的動力學過程以及碳源的同位素碳組成.通常認為C3植物的δ13C范圍為-30‰～-23‰, C4植物的 δ13C 范圍為-17‰～-9‰[14],土壤有機質的δ13C值是-25‰～-22‰[15],淡水水生植物的 δ13C 值是-43‰～-12‰,大部分落在-28‰～-18‰范圍內[16-17], 盧鳳云等[18]的研究得出潮白河水生維管束植物的 δ13C值為-16.0‰～-30.0‰, C/N 為 12.6～18.5;浮游植物的δ13C 值是-42‰～-24‰,平均值約為-30‰[14,19-20].C/N比是蛋白質含量的指示劑,蛋白質是生物體中最重要的含氮成分,不同類型有機質中所含的蛋白質不同[21],所以利用C/N比可以區(qū)分不同類型的有機質,判斷有機質的來源,研究表明,陸生高等植物的 C/N比值一般＞15[22],土壤有機質的C/N比值在10～13之間[23-24],水生植物的C/N比值一般在10～30左右[22],淡水浮游植物的C/N比值一般在5～8左右[25-26].

鄱陽湖湖區(qū)各采樣點沉積物中δ13C含量變化范圍比較大,為-25.66‰～-12.56‰,平均值為(-22.48±4.10)‰(n=9).其中湖口處最高,星子點位也比較高,為-19.73‰,都昌處最低.三江口、康山、龍口港及周溪點位δ13C含量相差不大,初步推斷鄱陽湖沉積物有機質來源具有的多樣性.各采樣點C/N比值相差比較大,在8.97到24.01之間,周溪采樣點處最低,湖口處最大.

表層沉積物中的δ13C和C/N比值可以代表短期內水體有機物的輸入[27].水體有機質的潛在來源主要包括: 陸生高等植物(C3和C4植物)、土壤有機質、水生維管束植物,浮游生物和藻類[22,28].鄱陽湖流經不同的城市和工農業(yè)區(qū),匯入鄱陽湖的有機質來源差異性較大,既有水生植物,又有陸源C3、C4植物等,同位素信號極為復雜.因此,僅靠碳同位素很難分辨有機質的來源,本文將δ13C和C/N相結合來探討不同來源(如湖泊藻類、水生植物、陸地C3植物和陸地C4植物)的有機質.將δ13C和C/N比值作圖(圖2),從圖2可以看出,鄱陽湖沉積物有機質來源分為 3種情況:(1)主要來源為土壤有機質(吳城、三江口及老爺廟);(2)主要來源于水生維管束植物(星子、龍口港及康山); (3)間于土壤有機質和浮游植物之間,但土壤有機質貢獻的比例更大(周溪、都昌).另外,湖口處不屬于上述3種情況,其有機質主要來源于 C4植物,這與湖口縣大面積種植玉米有很大的關系.從上述結果可以看出,一半以上的采樣點有機質主要來源于土壤有機質,說明外源是鄱陽湖沉積有機質的主要來源.鄱陽湖流域水土流失嚴重[29]是其有機質來源為土壤有機質的主要原因之一.

表1 研究區(qū)水質基本參數Table 1 General characteristics of water samples in the Poyang Lake

表2 鄱陽湖及其主要入湖河流碳氮含量及其碳氮同位素組成Table 2 δ13C and δ15N values, TOC and TN contents, C/N ratios in Poyang Lake and its main tributaries sediments

圖2 鄱陽湖沉積物有機質的δ13C和C/N關系Fig.2 Distinctive source combination of atomic C/N ratios and δ13C values from sediments in Poyang Lake

2.3 鄱陽湖各入湖河流表層沉積物有機碳同位素及來源

鄱陽湖各入湖河流TOC含量相差很大,平均值為(0.73±0.27)%(n=6),比鄱陽湖區(qū)TOC含量低,信江入湖口處TOC含量最低,為0.31%,贛江北支處最大,為1.15%,贛江南支處也較高為0.82%.鄱陽湖區(qū)比入湖河流TOC含量高,可能與鄱陽湖區(qū)人類活動有關.

各入湖河流沉積物有機質δ13C值變化范圍為-25.24‰～-19.55‰,贛江北支處最正,贛江南支處最負.各入湖河流C/N比值變化不大,最低值出現在修水,為 10.09,最高值出現在贛江北支,為16.78.由圖2可以看出,各入湖河流沉積物有機質來源比較相似,主要有2種情況,一種情況是主要來源于水生維管束植物(贛江北支、贛江南支、饒河及撫河);另一種情況是間于土壤有機質和浮游植物之間,但土壤有機質貢獻的比例更大(信江和修水).信江、修水水土流失嚴重,攜帶大量河岸帶泥沙進入河流并沉積下來,成為信江和修水土壤有機質貢獻比例大的根本原因.

2.4 鄱陽湖主航道表層沉積物氮同位素特征

不同來源的含氮物質具有不同的氮同位素信號,因此,利用氮同位素可以有效的示蹤污染物質的來源[30-31].沉積物中氮同位素信號能反映陸生和水生輸入沉積物中的相對分布,外源輸入中氮負荷的增加也可以導致δ15N升高.δ15N的變化也可以反應農業(yè)化肥以及城市污染物的輸入.典型的海洋浮游生物的 δ15N 值范圍為 4‰～10‰,平均為 6‰,陸源有機質的 δ15N 值的范圍為-10‰～10‰,平均為2‰[32];合成化肥的δ15N值在-4‰～4‰之間變化[33],土壤有機氮硝酸鹽的δ15N值在 4‰～9‰之間變化[33-34],人類和動物排泄的廢物中的硝酸鹽的 δ15N值在 10‰～20‰之間變化[35],大氣沉降NO3-的 δ15N 值在 0.2‰～0.8‰之間變化[36].

鄱陽湖湖區(qū)表層沉積物有機質 TN含量變化范圍為 0.063%～0.16%,三江口處最低,周溪處最高,都昌和老爺廟處也較高,分別為 0.14%和0.12%,見表 1.δ15N 值變化范圍為 3.51‰～6.27‰,平均值為(4.71±0.95)‰(n=9),星子處最低,都昌處最高.結合Heaton[32]給出的不同來源有機質氮同位素取值范圍分析可知,鄱陽湖沉積物氮素來源主要為土壤有機質,部分點位氮素(吳城和星子點位,其δ15N值分別為3.72‰和3.51‰)主要來源于人工合成肥料,說明這 2點位受農業(yè)面源污染影響比較大.

2.5 鄱陽湖各入湖河流表層沉積物氮同位素特征

鄱陽湖各入湖河流表層沉積物有機質 TN含量值比較低,各河流相差也不大,分布范圍為0.034%～0.08%,平均值為(0.06±0.017)%(n=6),星子點位最低,其他點位均處在0.06%～0.08%之間.各河流沉積物δ15N值差異比較大,表明各河流污染物氮素來源的不同.信江點位最低,為 0.94‰,其氮素主要來源為人工合成肥料.

撫河和贛江北支沉積物δ15N值較高其它支流都高,分別為4.30‰和4.64‰,表現為氮素主要來源于土壤有機質.修水、饒河和贛江南支沉積物δ15N值均低于4‰,說明其沉積物氮素來源主要為人工合成肥料,這與前面水體氮含量分析結果相一致,修水發(fā)達的農業(yè)、饒河漁業(yè)的養(yǎng)殖及贛江南支蔣巷鎮(zhèn)農業(yè)基地等對其河流水質氮素的輸入均有較大的影響.

3 結論

3.1 鄱陽湖區(qū)表層沉積物中有機碳(TOC)的含量范圍為 0.63%～1.86%(n=9),鄱陽湖各入湖河流TOC含量比鄱陽湖區(qū)低,分布范圍為 0.31%～1.15%(n=6).鄱陽湖區(qū)沉積物中 TN 含量變化范圍為 0.063%～0.16%,三江口處最低,周溪處最高.各入湖河流表層沉積物有機質 TN含量差異不大,處在0.034%～0.08%之間.

3.2 鄱陽湖區(qū)各采樣點沉積物中δ13C含量變化范圍比較大,為-25.66‰～-12.56‰(n=9),根據δ13C和C/N聯合分析,鄱陽湖區(qū)沉積有機質為混合來源,外源為土壤有機質,內源為水生維管束植物和河流浮游生物.吳城、三江口及老爺廟沉積有機質主要來源為土壤有機質;星子、龍口港及康山主要來源于水生維管束植物;而周溪、都昌間于土壤有機質和浮游生物之間,但土壤有機質貢獻的比例更大;湖口其有機質主要來源于 C4植物.

3.3 各入湖河流沉積物有機質δ13C值變化范圍為-25.24‰～-19.55‰(n=6),其來源與鄱陽湖區(qū)來源比較相似,贛江北支、贛江南支、饒河及撫河沉積有機質主要來源于水生維管束植物;信江和修水沉積有機質來源于土壤有機質和浮游生物,但土壤有機質貢獻的比例更大.

3.4 鄱陽湖區(qū)表層沉積物有機質δ15N值變化范圍為 3.51‰～6.27‰(n=9),星子處最低,都昌處最高.除吳城和星子點位沉積物氮素主要來源于人工合成肥料外,其它沉積物氮素來源主要為土壤有機質.

3.5 各入湖河流中,撫河和贛江北支沉積物氮素主要來源于土壤有機質.修水、信江、饒河和贛江南支沉積物氮素來源主要為人工合成肥料.

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