于玲紅，王銘浩，李衛(wèi)平*，楊文煥，樊愛(ài)萍，苗春林

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市生態(tài)濕地保護(hù)管理中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.包頭南海子濕地保護(hù)區(qū)管理處，內(nèi)蒙古 包頭 014040）

湖泊被認(rèn)為是一種特殊的自然綜合體，與土壤圈、生物圈、大氣圈等密切相關(guān)，是地表水載體賦存的最佳場(chǎng)所[1-2]。湖泊對(duì)環(huán)境變化極其敏感，一直被當(dāng)作研究全球環(huán)境變化的典型區(qū)域，特別是內(nèi)陸湖泊一直被認(rèn)為是湖區(qū)氣候變化和環(huán)境變異的指示器[3-4]。湖泊有機(jī)碳庫(kù)是生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫(kù)之一[5]，湖泊碳循環(huán)又是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中起到非常重要的作用[6-7]。近幾十年來(lái)，全球氣候變化日益加劇，湖泊有機(jī)碳庫(kù)作為大氣CO2的重要碳匯[8]，在穩(wěn)定全球氣候變化中的貢獻(xiàn)愈發(fā)受到重視[9]，因此研究湖泊碳庫(kù)的穩(wěn)定性對(duì)穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)及全球氣候變化有著重要意義?；钚杂袡C(jī)碳有效性較高，易被微生物分解利用部分有機(jī)質(zhì)[10-11]，易受到外界干擾，不利于碳庫(kù)的穩(wěn)定；惰性有機(jī)碳的生物活性相對(duì)較低，很難被微生物利用，為穩(wěn)定碳庫(kù)。趙海超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，洱海表層沉積物有機(jī)質(zhì)中活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)含量的10.80%～46.97%，主要受水生植物、人類活動(dòng)及水體深度的影響，有機(jī)碳活性較高；易文利等[13]研究發(fā)現(xiàn)，活性有機(jī)質(zhì)含量占總有機(jī)質(zhì)含量的19.62%～31.86%，并得出污染嚴(yán)重的城市湖泊沉積物中活性有機(jī)質(zhì)含量較高的結(jié)論。

沉積物中的有機(jī)碳是湖泊中碳的重要來(lái)源[14]，近年來(lái)關(guān)于湖泊沉積物有機(jī)碳的研究逐漸增多，但大都集中在洞庭湖、巢湖、洱海等一些較大的湖泊[12，15-18]，對(duì)于內(nèi)蒙古地區(qū)研究較多的是烏梁素海[19-21]。包頭南海濕地作為內(nèi)蒙古重要濕地之一，2006年，南海濕地自然保護(hù)區(qū)被列入國(guó)家濕地保護(hù)工程規(guī)劃的重點(diǎn)保護(hù)名錄。南海湖作為南海濕地的核心區(qū)域，不僅可以為城市居民提供必要的水資源，還具有為城市提供蓄水、防御自然災(zāi)害、補(bǔ)充地下水源、降解有毒物質(zhì)、凈化空氣、調(diào)節(jié)小氣候、吸附粉塵、凈化污水、美化環(huán)境等服務(wù)功能，因此對(duì)于南海湖的生態(tài)研究愈發(fā)重要并且迫在眉睫?；谏鲜銮闆r，本文通過(guò)對(duì)總有機(jī)碳的研究并引入活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳兩個(gè)指標(biāo)，以包頭南海濕地南海湖為研究對(duì)象，對(duì)其沉積物有機(jī)碳空間分布特征進(jìn)行分析，了解其有機(jī)碳分布特點(diǎn)及碳庫(kù)穩(wěn)定性，以期對(duì)南海湖資源的合理開(kāi)發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

包頭南海濕地（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E）北靠包頭市，南鄰黃河[22]，因特殊的地理位置、氣候特征和水文地質(zhì)條件，使其成為高緯度寒旱區(qū)獨(dú)特的河流濕地生態(tài)系統(tǒng)[23]。該區(qū)氣候?qū)儆诎敫珊抵袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，保護(hù)區(qū)內(nèi)的地表水主要來(lái)源于黃河水，其次為地下水和大氣降水。南海湖是黃河河段南移后留下的河跡湖，湖面約333 hm2，東西長(zhǎng)3.5 km，南北寬1.2 km，湖深0.9～3.5 m。

1.2 樣品采集

2017年1 月通過(guò)GPS定位，對(duì)南海湖進(jìn)行200 m×200 m的空間網(wǎng)格剖分，利用網(wǎng)格交點(diǎn)進(jìn)行梅花布點(diǎn)，并在出水口、進(jìn)水口及湖中蘆葦區(qū)增設(shè)點(diǎn)位。冬季湖區(qū)部分點(diǎn)位冰層較薄，無(wú)法取樣，故只取湖中20個(gè)點(diǎn)位，采樣點(diǎn)分布圖如圖1所示（NH1位于進(jìn)水口，NH3、NH18位于蘆葦區(qū)，NH6位于排污口，NH8位于湖心小島，NH9位于旅游船區(qū)，NH10為湖心）。取樣時(shí)分別用彼得遜抓斗式表層沉積物采泥器采集南海湖表層（0～10 cm）沉積物樣品，重力式沉積物采泥器采集南海湖底層（10～20、20～30、30～40、40～50 cm）沉積物樣品。取樣后現(xiàn)場(chǎng)以10 cm間隔分層，沉積物樣品裝入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，磨細(xì)過(guò)100目篩，用四分法取其中一部分，保存待測(cè)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

有機(jī)碳總量采用重鉻酸鉀氧化法-硫酸外加熱法測(cè)定[24]，活性有機(jī)碳含量采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測(cè)定[25-27]，惰性有機(jī)碳取總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳平均值的差值[28]。

圖1 南海湖采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Locations of sampling plots in Nanhai Lake

1.4 數(shù)據(jù)討論

采用Excel 2003對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，SPSS 21.0軟件對(duì)整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 9進(jìn)行繪圖，空間插值制圖采用ArcGIS 10.2軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 南海湖沉積物有機(jī)碳的垂直分布特征

2.1.1 沉積物有機(jī)碳垂直分布

由于南海湖底泥厚度不同，各采樣點(diǎn)沉積物采集深度不能都取到50 cm，挑選特殊分布區(qū)域的8個(gè)點(diǎn)位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和NH18）著重分析其垂直分布。NH1位于進(jìn)水口、NH3和NH18位于蘆葦區(qū)、NH8位于湖心小島、NH10為湖心、NH2和NH14分別位于進(jìn)水口和蘆葦區(qū)附近。

南海湖總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量見(jiàn)表1。由表1 可知，活性有機(jī)碳含量為 1.16～16.47 g·kg-1，平均值為 6.12 g·kg-1，總有機(jī)碳含量為 3.96～28.35 g·kg-1，平均值為13.11 g·kg-1，活性有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳含量的34.19%～54.64%。趙海超等[12]研究表明，洱海表層沉積物中活性有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的10.80%～46.97%，可見(jiàn)，南海湖沉積物中活性有機(jī)碳含量整體所占比例較大，碳庫(kù)穩(wěn)定性不高。毛海芳等[19]研究表明，烏梁素海沉積物中總有機(jī)碳含量為4.50～22.83 g·kg-1，平均值為 11.80 g·kg-1；活性有機(jī)碳含量平均值為2.11 g·kg-1，岱海沉積物中總有機(jī)碳含量為6.84～23.46 g·kg-1，平均值為 14.94 g·kg-1，活性有機(jī)碳含量平均值為3.62 g·kg-1，可見(jiàn)南海湖沉積物中總有機(jī)碳含量與烏梁素海和岱海相比相差不大，但活性有機(jī)碳含量卻比烏梁素海高約2倍，比岱海高約70%。因此南海湖沉積物有機(jī)碳活性較強(qiáng)，相比而言，南海湖沉積物碳庫(kù)穩(wěn)定性偏低，但由表1可以看出隨著深度的增加，南海湖沉積物有機(jī)碳庫(kù)越來(lái)越趨于穩(wěn)定。

南海湖有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)方差和變異系數(shù)見(jiàn)表2。由表2得知，南海湖整體變異系數(shù)較高，活性有機(jī)碳含量變異系數(shù)最高，為不穩(wěn)定碳類型。根據(jù)變異系數(shù)（CV）對(duì)空間變異性進(jìn)行劃分[29]：CV＜10%為弱變異性，10%～100%為中等變異性，CV＞100%為強(qiáng)變異性。據(jù)此說(shuō)明，南海湖沉積物有機(jī)碳屬于中等變異性。

南海湖8個(gè)采樣點(diǎn)總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳的整體垂直分布如圖2所示。由表1和圖2可知，南海湖有機(jī)碳含量整體隨沉積物深度增加而減小。符合一般沉積物的自然沉積規(guī)律，具有明顯的“沉降-降解-堆積”三個(gè)階段，在沉降階段，有機(jī)碳的分解速度可視為零，或者降解作用很微弱；降解階段，在一定深度域中，沉積物有機(jī)碳發(fā)生明顯的氧化作用，有機(jī)碳的增加明顯小于有機(jī)碳的分解量，所以在垂向分布上呈現(xiàn)出衰減的特征；堆積階段，該階段在降解域以下，有機(jī)碳處于聚集狀態(tài)，此階段有機(jī)碳分解緩慢且分解難度增加，處于含量穩(wěn)定的狀態(tài)[20]。隨著深度的增加，底層沉積物受到的各類污染較少，活性有機(jī)碳的含量比例逐漸降低，整體以惰性有機(jī)碳為主，碳庫(kù)相對(duì)較為穩(wěn)定。南海湖為旅游之地，易受到游客影響，不同位置有機(jī)碳含量差異較大且沉積物有機(jī)碳含量形成明顯的斷層（20 cm處為斷層分界處），20 cm以上沉積物中有機(jī)碳處于沉降階段，外界干擾和蘆葦區(qū)根系固碳作用使得該區(qū)域有機(jī)碳含量較高，20 cm以下沉積物受到干擾減少，且隨著有機(jī)碳的降解，有機(jī)碳含量逐漸降低，慢慢趨于堆積階段，有機(jī)碳含量趨于穩(wěn)定。

表1 總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量Table 1 Total organic carbon and active organic carbon content

表2 有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)Table 2 Organic carbon content standard variance and coefficient of variation

圖2 南海湖有機(jī)碳含量隨深度的變化Figure 2 Changes of organic darbon in Nanhai Lake with sediment depth

南海湖各采樣點(diǎn)沉積物有機(jī)碳含量垂直變化詳見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：NH1和NH8比較特殊，其他點(diǎn)位基本類似。NH1點(diǎn)在10～20 cm層有機(jī)碳含量大于0～10 cm層，因?yàn)镹H1點(diǎn)處于進(jìn)水口位置，水體攜帶的有機(jī)碳隨著進(jìn)水而進(jìn)入湖泊，由于水體沖刷，0～10 cm層的有機(jī)碳一部分流向其他位置，還有一部分則滯留并沉向下層，使得10～20 cm層的有機(jī)碳含量增加而大于0～10 cm層。之后，活性有機(jī)碳含量減少，惰性有機(jī)碳含量增加，碳庫(kù)趨向于穩(wěn)定。NH8位于湖中心旅游小島處附近，島內(nèi)養(yǎng)殖的動(dòng)物的糞便和游客扔棄的垃圾等會(huì)使0～10 cm層有機(jī)碳含量增加而遠(yuǎn)大于10～20 cm層，之后有機(jī)碳含量呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

由上述各點(diǎn)有機(jī)碳含量分布圖可以看出，0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機(jī)碳含量變化較大，因此進(jìn)一步分析表層沉積物垂直分布。

2.1.2 0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機(jī)碳的垂直分布

南海湖0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機(jī)碳垂直分布詳見(jiàn)圖4。0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機(jī)碳的峰值主要集中在0～10 cm層。由圖4可知，南海湖0～10 cm層、10～20 cm層沉積物中有機(jī)碳含量在 8.91～28.35 g·kg-1之間，平均值為 16.52 g·kg-1。0～10 cm層變異系數(shù)為0.30，10～20 cm層變異系數(shù)為0.12，均屬于中等變異，該層整體碳庫(kù)穩(wěn)定性不高，易受到各類影響因素干擾。但10～20 cm層明顯比0～10 cm層的變異系數(shù)小很多，與0～10 cm層相比，10～20 cm層的有機(jī)碳含量整體趨同，碳庫(kù)也更為穩(wěn)定。

2.2 南海湖沉積物有機(jī)碳的水平分布特征

2.2.1 南海湖各分層沉積物有機(jī)碳的水平分布

各層沉積物有機(jī)碳水平分布詳見(jiàn)圖5，其中40～50 cm層含量分布圖只有8個(gè)點(diǎn)位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和 NH18）的數(shù)據(jù)。由圖 5 可見(jiàn)，有機(jī)碳含量水平分布大致呈現(xiàn)從湖心向四周逐減的趨勢(shì)，但個(gè)別點(diǎn)位有機(jī)碳含量較為特殊。如旅游區(qū)（NH8處為湖心小島附近、NH9為旅游船區(qū)）受人為影響較多，NH8處受到各類污染（人為污染、島上養(yǎng)殖動(dòng)物、游船等）較為嚴(yán)重，造成有機(jī)碳含量較高，而NH9處僅有旅游船（冬天游客較少且結(jié)冰后船只無(wú)法行駛），相對(duì)于NH8污染較少，有機(jī)碳含量相對(duì)較??；蘆葦區(qū)（NH3、NH18）由于植物根系吸收營(yíng)養(yǎng)元素，具有明顯的固碳作用，并且在冬季冰封期，蘆葦?shù)目葜Ω癄€會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加，使有機(jī)碳的含量增高[30]；雷澤湘等[31]研究表明，有草區(qū)的沉積物中有機(jī)質(zhì)含量高于無(wú)草區(qū)，通過(guò)本文研究也印證了其研究。由排污口（NH6靠近排污口）進(jìn)入湖體的污染物過(guò)多，污染物中各類指標(biāo)都比較高，導(dǎo)致該處有機(jī)碳含量隨著污染物的排入而增加；出水口（NH20）處隨著水體流動(dòng)，各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)隨著水體流動(dòng)向出水口附近移動(dòng)，致使該處有機(jī)碳含量較高，但在0～10 cm層有機(jī)碳含量小于10～20 cm層，因?yàn)殡S著水體沖刷，0～10 cm層沉積物中有機(jī)碳會(huì)隨著水體流動(dòng)而流出南海湖，而部分有機(jī)碳會(huì)沉淀下來(lái)，造成10～20 cm層的有機(jī)碳含量有所增加。

圖3 南海湖各采樣點(diǎn)有機(jī)碳含量隨深度的變化Figure 3 The change of organic carbon content in eight sampling points of Nanhai Lake with sediment depth

圖4 南海湖表層沉積物有機(jī)碳含量變化Figure 4 Changes of organic carbon in surface sediments of Nanhai Lake

圖5 南海湖各分層沉積物有機(jī)碳含量水平分布Figure 5 Horizontal distribution of organic carbon in sediments of Nanhai Lake

南海湖活性有機(jī)碳水平分布如圖6所示。因30～40 cm、40～50 cm取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不全且數(shù)據(jù)太小，故沒(méi)有分析該兩層數(shù)據(jù)圖。由圖6可知0～10 cm層活性有機(jī)碳含量分布差異較大，湖中心含量較大，NH8（湖心小島）處受島上養(yǎng)殖動(dòng)物和人類活動(dòng)影響較大，有機(jī)碳活性較高；10～20 cm層NH6點(diǎn)位數(shù)據(jù)較大，因該點(diǎn)位于排污口附近，0～10 cm層含量亦不低，10～20 cm層含量也稍大于其他點(diǎn)位，排污口進(jìn)入湖體的污染物攜帶有機(jī)碳含量較大，造成該處有機(jī)碳活性較高。不同層中NH3、NH18（蘆葦區(qū)）活性有機(jī)碳含量都大于其他點(diǎn)位，而NH3處又靠近進(jìn)水口附近，其活性有機(jī)碳含量要高于NH18處，說(shuō)明蘆葦對(duì)有機(jī)碳的吸收不僅使附近有機(jī)碳含量較高，活性有機(jī)碳含量也較高。

對(duì)比圖5和圖6可知，總有機(jī)碳含量越高，活性有機(jī)碳含量也越高，NH8（湖心小島）處活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳含量的44.16%，NH10（湖心）處為43.47%。但蘆葦區(qū)總有機(jī)碳含量最高，而活性有機(jī)碳含量卻較低，活性有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳含量的39.78%，這主要是因?yàn)樘J葦根系吸收營(yíng)養(yǎng)元素，具有固碳作用，蘆葦區(qū)以穩(wěn)定的惰性有機(jī)碳為主，屬穩(wěn)定碳庫(kù)，說(shuō)明蘆葦對(duì)碳庫(kù)穩(wěn)定較為有利。

3 結(jié)論

圖6 南海湖沉積物活性有機(jī)碳含量水平分布Figure 6 Horizontal distribution of active organic carbon in sediments of Nanhai Lake

（1）有機(jī)碳含量在垂向總體呈現(xiàn)隨沉積物采集深度的增加而降低的趨勢(shì)。0～10 cm層、10～20 cm層沉積物中有機(jī)碳易受到干擾，各點(diǎn)位之間有機(jī)碳含量差距較大，碳庫(kù)穩(wěn)定性不高，20 cm以下以惰性有機(jī)碳為主，屬穩(wěn)定的碳庫(kù)。可見(jiàn)，南海湖沉積物碳庫(kù)穩(wěn)定性受人為活動(dòng)影響較大，隨沉積物深度增加碳庫(kù)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（2）有機(jī)碳含量在水平方向總體呈現(xiàn)從湖心到四周逐漸減小的規(guī)律，但進(jìn)水口和蘆葦區(qū)的有機(jī)碳含量較高，活性有機(jī)碳在湖心區(qū)較高?？傆袡C(jī)碳含量越高的點(diǎn)位，活性有機(jī)碳所占的比例也越高，碳庫(kù)呈不穩(wěn)定性。但蘆葦區(qū)屬穩(wěn)定碳庫(kù)，可見(jiàn)蘆葦對(duì)碳庫(kù)穩(wěn)定性和碳匯具有重要作用。

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