季寧寧，劉 永，王圣瑞

(1：北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)河流全物質(zhì)通量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

(2：粵港水安全保障聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)珠海校區(qū)水科學(xué)研究中心，珠海 519087)

(3：北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

(4：云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650034)

近幾十年來, 湖泊富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象頻繁發(fā)生，氮、磷等營養(yǎng)鹽的過量輸入是主要因素之一[1]. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，沉積物和懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)是營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫，是營養(yǎng)鹽周轉(zhuǎn)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]. 自然條件下，湖泊沉積物和懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)主要來源于水體內(nèi)源自生(如水生植物和浮游生物等)及外源輸入(如陸生植物碎屑和土壤有機(jī)質(zhì)等). 不同來源有機(jī)質(zhì)記錄有機(jī)質(zhì)的生物活性及環(huán)境效應(yīng)歸宿[3]，影響著水生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽的生物利用度及其生物地球化學(xué)循環(huán), 如細(xì)菌和微藻類來源的有機(jī)質(zhì)更易降解，促進(jìn)營養(yǎng)鹽循環(huán)[4]; 降雨增加陸源有機(jī)質(zhì)輸入，從而改變湖泊有機(jī)質(zhì)來源組分. 因此，鑒別沉積物和懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)來源是理解與富營養(yǎng)化相關(guān)的營養(yǎng)鹽內(nèi)循環(huán)過程的基礎(chǔ)，有利于從源頭上控制營養(yǎng)鹽負(fù)荷.

隨著同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展，研究湖泊有機(jī)碳、氮穩(wěn)定同位素已成為揭示水生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮來源的強(qiáng)有力手段，它們能有效地識別湖泊生態(tài)環(huán)境的演變過程和人為影響因素[5]. 湖泊有機(jī)碳同位素能有效指示水生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力變化和有機(jī)碳來源及其變化規(guī)律[6]. 氮同位素不僅可以示蹤有機(jī)質(zhì)來源，而且能夠反映氮來源及指示相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[7]. 如倪兆奎等[8]運(yùn)用穩(wěn)定碳、氮同位素技術(shù)，研究了洱海不同河流水體懸浮顆粒物中有機(jī)碳、氮的來源，并探討了其與流域環(huán)境和人類活動(dòng)之間的關(guān)系. Xu等[9]研究了撫仙湖和星云湖顆粒態(tài)有機(jī)碳、氮同位素分布特征，揭示了貧、富營養(yǎng)湖泊碳、氮同位素的差異；王毛蘭等[10]利用碳、氮同位素研究了鄱陽湖及其支流表層沉積物有機(jī)質(zhì)來源. 此外，不同來源有機(jī)質(zhì)中C/N比值差異明顯，如多數(shù)細(xì)菌等微生物C/N比值分布在2.6～4.3之間，浮游植物C/N比值范圍為7.7～10.1，而高等植物C/N比值高達(dá)50以上. 一般來講，有機(jī)質(zhì)中C/N比值較高表明陸源性來源，而比值較低表明內(nèi)源藻類或者浮游生物有機(jī)殘?bào)w來源[11]. 因此，湖泊懸浮顆粒物和沉積物有機(jī)碳、氮穩(wěn)定同位素和C/N比值時(shí)空變化的綜合信息對于有效地指示水生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳與氮來源及營養(yǎng)鹽循環(huán)具有重要意義. 然而，已有研究多為單獨(dú)研究懸浮顆粒物或沉積物中有機(jī)碳與氮來源[12]，而對比分析懸浮顆粒物和沉積物有機(jī)碳與氮來源的時(shí)空差異，并揭示其與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的研究鮮有報(bào)道. 特別是在藻華期，湖泊內(nèi)源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)增大，加之湖泊水環(huán)境改變，懸浮顆粒物和沉積物有機(jī)碳與氮同位素受到一定的影響，其水質(zhì)指示意義未見報(bào)道.

近20年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類生產(chǎn)活動(dòng)，特別是農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展引起流域面源污染負(fù)荷快速增加，導(dǎo)致洱海水質(zhì)惡化[13]，水體透明度明顯下降，水生植物嚴(yán)重退化，洱海處于由中營養(yǎng)向富營養(yǎng)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期. 由于洱海流域人類活動(dòng)變化及其自身水生態(tài)環(huán)境演變，懸浮顆粒物和沉積物有機(jī)碳與氮來源結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一定的改變，這些變化可能對洱海水質(zhì)及藻華暴發(fā)產(chǎn)生重要影響. 因此，對洱海懸浮顆粒物和沉積物有機(jī)碳與氮的溯源研究是進(jìn)行營養(yǎng)鹽負(fù)荷源頭控制的關(guān)鍵步驟.

本文試圖分析洱海懸浮顆粒物與表層沉積物有機(jī)碳與氮穩(wěn)定同位素的時(shí)空分布特征，建立端元混合模型并結(jié)合C/N比值定性和定量分析懸浮顆粒物與表層沉積物有機(jī)碳與氮來源及貢獻(xiàn)率差異，探究其水質(zhì)指示作用，并結(jié)合環(huán)境因子等信息，利用隨機(jī)森林回歸分析懸浮顆粒物與表層沉積物有機(jī)碳與氮來源特征對水質(zhì)的影響，以期為有效地控制洱海污染負(fù)荷提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與樣品采集

洱海 (25°36′～25°58′N，100°06′～100°18′E)是中國西南地區(qū)第二大淡水湖，是云南省大理市重要的飲用水源[14]. 其流域面積2565 km2，水面面積249 km2(圖1)，平均水深為10.5 m，最大水深為20.7 m. 該流域?qū)賮啛釒髂细咴撅L(fēng)氣候帶，年均氣溫15.1℃，年均降水量1000 mm，95%降雨集中于5-10月，稱為雨季，其余月份為旱季. 洱海流域入湖河溪共計(jì)117條，由彌苴河、羅時(shí)江、永安江構(gòu)成的“北三江”水系，南部波羅江水系和西部“蒼山十八溪”是洱海主要入湖通道，洱海唯一出湖河流為西洱河[15]，水流總體由北向南流動(dòng). 由于河流流入量高于流出量，且平均停留時(shí)間為2.75年，這意味著外源負(fù)荷和內(nèi)部循環(huán)對水質(zhì)變化至關(guān)重要[16]. 北部和中西部的農(nóng)業(yè)及南部區(qū)域的人類活動(dòng)是洱海污染的主要來源. 近10年來，洱海水質(zhì)總體為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅱ～Ⅲ類，但每年9-10月水華高風(fēng)險(xiǎn)期，洱海流域污染物隨降雨集中入湖，在適宜的溫度和光照等條件下，藍(lán)藻水華時(shí)有發(fā)生[17]，特別在2013年暴發(fā)大規(guī)模水華，全湖平均葉綠素a(Chl.a)濃度高達(dá)39.6 μg/L，洱海處于富營養(yǎng)化初期階段和治理的關(guān)鍵期.

圖1 洱海流域及采樣點(diǎn)

根據(jù)湖底地形可將洱海分為北部 (康廊-海舌以北)、中部 (挖色湖心為中心，龍龕-海舌)和南部 (龍龕以南) 3個(gè)湖區(qū)[18]. 按照代表不同時(shí)空特征的原則[19]，分別于2013年4月、2013年7月、2013年10月和2014年1月，利用GPS定位，同時(shí)采集北部、中部和南部的表層水體樣品(水面下0.5 m)及表層沉積物樣品(0～10 cm)(圖1). 1月和4月為旱季，7月和10月為雨季. 采集洱海水樣儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中低溫避光保存，并于48 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室分析. 所有水樣通過預(yù)先500℃下灼燒 4 h 左右的玻璃纖維濾膜 (Whatman GF/F, 0.7 μm, 47 mm)過濾收集懸浮顆粒物，冷凍干燥，在4℃黑暗中保存直至分析. 利用抓斗式底泥采樣器現(xiàn)場采集表層沉積物(0～10 cm)，放自封袋中標(biāo)號低溫保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后去除植物碎屑、碎石和貝殼等，放冷凍干燥機(jī)中真空冷干，然后取適量樣品研磨過篩(孔徑為0.075 mm)后置于自封袋中備用.

1.2 樣品的處理與分析

1.2.2 碳氮元素分析及碳氮同位素測定 研磨過篩后的沉積物樣品和冷干稱重后懸浮顆粒物濾膜滴加1 mol/L鹽酸完全浸濕，并置于含濃鹽酸的干燥器中熏蒸48 h，去除樣品中的無機(jī)碳，再用超純水反復(fù)洗滌，直至pH值為7左右，再將其冷凍干燥[20]. 經(jīng)上述處理后的樣品在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所用元素分析儀(Flash EA 2000HT)和同位素質(zhì)譜儀(Thermo Fisher Scientific Inc., USA)聯(lián)用測定總有機(jī)碳、總氮含量及穩(wěn)定同位素組成[21]，計(jì)算公式分別為:

δ13C (‰)=[(Rsample-Rstandard)/Rstandard]×1000,R=13C/12C

(1)

δ15N (‰)=[(Rsample-Rstandard)/Rstandard]×1000,R=15N/14N

(2)

式中，Rsample為待測樣品同位素比值；Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)參比樣品同位素比值；13C/12C和15N/14N分別對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)Vienna PDB與大氣中的氮標(biāo)準(zhǔn). 樣品C/N比值可由測定的TOC與TN含量計(jì)算得到. δ13C和δ15N的平均分析誤差約為0.13‰和0.1‰.

1.2.3 有機(jī)碳與氮來源端元貢獻(xiàn)率估算 由于湖泊有機(jī)碳、氮同位素來源的復(fù)雜性，本研究利用端元平衡混合模型(Iso Source)，計(jì)算每種來源端元的貢獻(xiàn)率(%). 端元混合模型是以質(zhì)量守恒混合模型為基礎(chǔ)，開發(fā)用于計(jì)算源頭值超過n+1(n為多種同位素值)的潛在貢獻(xiàn)比值[22]. 該模型在一定增量范圍內(nèi)，通過實(shí)測同位素信息，使用標(biāo)準(zhǔn)線性混合模型模擬不同端元物質(zhì)所占比例[23]. 該模型的質(zhì)量守恒等式為：

δm=fa·δa+fb·δb+fc·δc

(3)

1=fa+fb+fc

(4)

式中，δm代表樣品中的同位素值；δa、δb、δc分別代表a、b、c 3種來源端元同位素分布范圍的中間值作為端元值；fa、fb、fc分別代表a、b、c 3種端元物質(zhì)相應(yīng)的貢獻(xiàn)百分比.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.2 隨機(jī)森林 隨機(jī)森林是以決策樹為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和回歸的新工具[26]. 隨機(jī)森林的分析方法是通過對數(shù)據(jù)的每一個(gè)解釋變量分別隨機(jī)置換以得出每個(gè)解釋變量對被解釋變量的貢獻(xiàn)程度，以均方誤差(MSE)表示. 本研究利用隨機(jī)森林回歸模型(random forest analysis) 探究懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳、氮同位素以及水環(huán)境因子對多營養(yǎng)鹽循環(huán)指標(biāo)和Chl.a濃度影響的貢獻(xiàn)程度，MSE值越高表示該變量越重要. 利用R軟件中“random forest” 數(shù)據(jù)包進(jìn)行隨機(jī)森林模型預(yù)測; 利用“rf Utilities”數(shù)據(jù)包對模型整體檢驗(yàn); 利用“rf Permute”數(shù)據(jù)包對隨機(jī)森林中每個(gè)變量對模型貢獻(xiàn)程度的顯著性檢驗(yàn). 最后，使用Sigmaplot 14.0 軟件進(jìn)行科學(xué)繪圖.

1.3.3 其他分析 利用Spearman相關(guān)系數(shù)評估有機(jī)碳、氮穩(wěn)定同位素和水體營養(yǎng)鹽指標(biāo)之間關(guān)系. 使用非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗(yàn)比較營養(yǎng)鹽及有機(jī)碳、氮同位素的時(shí)空差異性. 采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析. 采用OriginPro 2017等相關(guān)軟件進(jìn)行制圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 洱海水質(zhì)時(shí)空變化特征分析

研究區(qū)水體基本理化性質(zhì)見表1，旱季ρ(DO)(均值為7.42 mg/L±0.08 mg/L)顯著高于雨季(6.23 mg/L±0.29 mg/L)(P<0.05)，其在北、中、南湖區(qū)差異性不顯著(P>0.05). ORP值在旱季為99.9～138.8 mV(均值為122.5 mV±14.2 mV)，氧化性較強(qiáng)；在雨季為-70.7～14.7 mV(均值為-4.3 mV±27.1 mV)，還原性較強(qiáng). ORP影響水體營養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化和有效性，較高的ORP有利于好氧微生物的生長，而較低的ORP則利于厭氧菌的繁殖，進(jìn)而使水質(zhì)變壞[27]. 洱海水體pH在旱、雨季差異不顯著(P>0.05)，其變化范圍為8.53～8.76，呈弱堿性. WT在雨季(21.9℃±2.2℃)顯著高于旱季(12.4℃±1.2℃)(P<0.05)，其區(qū)域性差異不顯著(P>0.05). 旱季陸源輸入負(fù)荷較低[16], WT較低，浮游植物生物量較低，水生植物占優(yōu)勢，其通過光合作用消耗了CO2，促使水體pH和DO濃度升高，為氧化環(huán)境；而雨季陸源輸入負(fù)荷增加，加之WT升高，藻類快速繁殖，藻類等浮游植物占優(yōu)勢，透明度下降[28]，水生植物退化，水生和浮游植物殘?bào)w及陸源有機(jī)質(zhì)分解，消耗DO，釋放CO2，促使水體DO濃度和pH值下降，為還原環(huán)境.

2.2 洱海懸浮顆粒物有機(jī)碳與氮同位素特征及來源

由圖2可知，洱海懸浮顆粒物POM濃度在旱、雨季差異顯著(P<0.05)，雨季(8.6 mg/L±1.5 mg/L)是旱季(2.5 mg/L±0.6 mg/L)的3.4倍；空間分布特征為南部(9.9 mg/L)>中部(8.4 mg/L)>北部(7.6 mg/L). POM濃度的時(shí)空特征與Chl.a濃度一致，說明其與Chl.a具有同源性. 懸浮顆粒物的δ13C在旱、雨季差異顯著(P<0.05)，其變化范圍分別為-31.75‰～-18.21‰(均值為-25.34‰±4.14‰)和-23.8‰～-14.7‰(均值為-20.2‰±3.3‰). 雨季δ13C空間異質(zhì)性顯著(P<0.05)，偏負(fù)程度為北部(-22.8‰±3.14‰)>中部(-20.9‰±2.14‰)>南部(-16.9‰±4.14‰). 如圖3所示，根據(jù)懸浮顆粒物δ13C值變化范圍初步判定有機(jī)碳來源于陸源植物(如C3、C4植物)、土壤有機(jī)質(zhì)、水生植物和浮游植物等[8,29]. 旱季以陸源C3植物、土壤有機(jī)質(zhì)和水生植物混合為主，雨季以水生植物、浮游植物和陸源C4植物混合為主.

由圖2可知，δ15N在旱、雨季差異顯著(P<0.05)，變化范圍分別為4.9‰～7.4‰(均值為6.4‰±1.3‰)、7.4‰～10.8‰(均值為9.3‰±1.8‰). δ15N結(jié)果顯示水生植物(5.53%±5.12‰)和浮游植物(7.36%±3.89%)并不存在顯著差異(P>0.05)，因此，水生植物和浮游植物合并為一個(gè)氮來源端元. 根據(jù)δ15N值初步判斷其來源主要為土壤流失氮、大氣干濕沉降、工業(yè)及生活污水、化肥、水生植物和浮游植物等混合輸入[30]. 有機(jī)質(zhì)C/N比值較高代表陸源植物來源，一般大于15[31]；而比值較低代表內(nèi)源菌藻類或者浮游生物有機(jī)殘?bào)w，介于3～10之間[11]；且隨C/N比值降低分解程度增加[32]. 由圖3所示，旱季懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)C/N比值(9.1～16.9(均值為13.3±2.7))顯著高于雨季(4.6～8.9(均值為7.1±1.6))，表明懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)來源在雨季以內(nèi)源菌藻降解產(chǎn)物為主，易被降解；在旱季陸源貢獻(xiàn)相對增加，不易降解.

圖2 洱海懸浮顆粒物δ13C、δ15N、C/N和POM特征值的時(shí)空分布特征

圖3 洱海懸浮顆粒物δ13C(a)、δ15N(b)和C/N(c)的來源分布特征[12,33]

2.3 洱海表層沉積物有機(jī)碳與氮同位素特征及來源

如圖4、5所示，表層沉積物有機(jī)質(zhì)含量w(TOM)在雨季(81.5 g/kg±26.2 g/kg)高于旱季(70.6 g/kg±19.4 g/kg). 全年w(TOM)的空間異質(zhì)性表現(xiàn)為：北部(85.7 g/kg±31.2 g/kg)>南部(77.1 g/kg±14.9 g/kg)>中部(53.3 g/kg±12.7 g/kg). 可能由于北三江為洱海的主要水源，攜帶大量污染物在北部沉積，且北部湖灣水草茂盛，近年來水生植物退化腐爛導(dǎo)致大量內(nèi)源有機(jī)碎屑沉積，使洱海北部w(TOM)較高. 中部區(qū)域水深較深，且由于環(huán)流作用，有機(jī)質(zhì)以小顆粒沉積為主，且隨著深度增加，DO濃度較低，有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物作用下不斷礦化分解，從而使w(TOM)在中部呈下降趨勢. 洱海表層沉積物δ13C在旱、雨季差異不顯著(P>0.05)，變化范圍分別為-25.1‰～-8.6‰(均值為-18.5‰±5.5‰)和-24.3‰～-13.0‰(均值為-18.9‰±4.2‰)；δ13C空間異質(zhì)性顯著(P<0.05)，δ13C偏負(fù)程度為中部(-22.9‰±1.5‰)>南部(-17.9‰±1.3‰)>北部(-14.8‰±0.3‰). 因此，初步判斷表層沉積物有機(jī)碳來源主要受陸源C4、C3植物、土壤有機(jī)質(zhì)和水生植物影響. 北部以陸源C4植物和水生植物混合為主，中部以陸源C3植物、土壤有機(jī)質(zhì)和水生植物混合為主，南部以陸源C4植物為主. 洱海表層沉積物δ15N在旱、雨季差異顯著(P<0.05)，變化范圍分別為1.9‰～4.9‰(均值為3.6‰±1.5‰)和0.7‰～7.8‰(均值為4.2‰±1.8‰)；北、中、南部分別為3.8‰±0.1‰、4.5‰±0.5‰、4.2‰±0.2‰. 相比3大富營養(yǎng)化湖泊太湖(4.5‰～15.2‰)、巢湖(3.3‰～10.4‰)和滇池(5.2‰～11.0‰)的沉積物δ15N范圍[30,34-35]，洱海表層沉積物δ15N變化范圍較小，說明洱海沉積物受外源氮污染負(fù)荷影響相對較小. 根據(jù)δ15N值范圍初步判斷洱海表層沉積物氮受土壤流失、化肥、陸源植物、工業(yè)及生活污水、水生植物和浮游植物等來源共同影響. 洱海表層沉積物有機(jī)質(zhì)C/N在旱、雨季無顯著差異(P>0.05)，變化范圍分別為8.5～25.6(均值為12.8±5.3)和8.5～17.1(均值為11.4±3.2)；區(qū)域性差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為北部(15.0±0.8)>南部(12.1±0.4)>中部(9.6±0.7). 先前研究認(rèn)為沉積物有機(jī)質(zhì)C/N>8，即被認(rèn)為是受2種物源的影響，而陸源有機(jī)質(zhì)所占的比例越高，C/N值越大，說明洱海表層沉積物有機(jī)質(zhì)來源有一定的復(fù)雜性[20].

圖4 洱海表層沉積物δ13C、δ15N、C/N及TOM的時(shí)空分布特征

圖5 洱海表層沉積物δ13C(a)、δ15N(b)和C/N(c)的來源分布特征

2.4 洱海懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳與氮來源特征差異

利用δ13C、δ15N和C/N 3種不同組合綜合分析懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)質(zhì)來源(圖6)，不斷縮小特征范圍，降低同位素重合的部分，從而精確懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)質(zhì)來源特征[12,35]. 結(jié)果表明，洱海懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)旱季以水生植物和土壤有機(jī)質(zhì)混合來源為主；雨季以浮游植物來源為主. 表層沉積物來源復(fù)雜，在旱、雨季均以水生植物、土壤有機(jī)質(zhì)和陸源植物混合來源為主. 因此，懸浮顆粒物與表層沉積物之間聯(lián)系并不緊密, 雨季藻類快速繁殖對懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較大，其沉降過程易降解，導(dǎo)致表層沉積物有機(jī)質(zhì)浮游植物貢獻(xiàn)較低，以物理侵蝕產(chǎn)物或長期沉積的懸浮物為主.

圖6 洱海旱季(a、b、c)和雨季(d、e、f)懸浮顆粒物和表層沉積物δ13C、δ15N和C/N之間的關(guān)系(A：浮游植物；B：水生植物 ；C：土壤有機(jī)質(zhì) ；D：陸源植物)

利用Iso Source模型分別計(jì)算懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳、氮來源端元貢獻(xiàn)率(圖7). 結(jié)果表明：懸浮顆粒物有機(jī)碳來源貢獻(xiàn)在旱季為陸源C3植物(38.2%～51.2%)>水生植物(13.0%～32.9%)>陸源C4植物(2.5%～20.4%)>土壤有機(jī)質(zhì)(8.8%～13.4%)>浮游植物(4.2%～12.8%)；在雨季為浮游植物(38%～50%)>土壤有機(jī)質(zhì)(24%～27%)>陸源C3(4%～19%)>C4植物(7%～17%)>水生植物(12%～14%). 懸浮顆粒物氮來源貢獻(xiàn)在旱季以陸源植物(34%～47%)和工業(yè)及生活污水(18%～22%)為主，在雨季以水生和浮游植物(32%～45%)以及化肥(18%～26%)為主. 說明從旱季到雨季，藻類等浮游植物來源的有機(jī)碳和氮貢獻(xiàn)增大；懸浮顆粒物氮來源由外源向內(nèi)源、由點(diǎn)源向面源轉(zhuǎn)變. 表層沉積物有機(jī)碳在旱、雨季來源均以陸源C4植物為主(48.2%±19.1%)，氮來源旱季以陸源植物為主(44.3%±10.1%)轉(zhuǎn)變?yōu)橛昙疽曰蕿橹?30.3%±6.8%). 先前研究表明[36]，2013-2014年洱海流域種植作物主要為C3植物，占總種植面積的50%以上，包括稻谷、大麥、蠶豆、蔬菜等. C4植物主要為玉米，種植距離洱海水體較近，約占總種植面積的20%，集中于洱海流域北部(上關(guān)鎮(zhèn)、挖色鎮(zhèn)、雙廊鎮(zhèn)、右所鎮(zhèn))和南部(鳳儀鎮(zhèn))(圖1)，因此，洱海北部和南部湖區(qū)表層沉積物C4植物來源的有機(jī)碳較高. 北部水生植物生物量和覆蓋度較大，導(dǎo)致表層沉積物北部水生植物來源有機(jī)碳(23%～32%)高于中部和南部(4%～19%)；南部藻類生物量(26.9 μg/L±2.7 μg/L)高于北部(19.4 μg/L±3.3 μg/L)和中部(22.6 μg/L±4.7 μg/L)(表1)，導(dǎo)致南部懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳浮游植物來源貢獻(xiàn)(14%～50%)高于北部(1%～41%)和中部(5%～38%). 表層沉積物氮來源在旱季以陸源植物為主(33%～52%)，在雨季以化肥為主(25%～38%)，特別是在北部(38%)高于中部和南部(25%～28%)，證實(shí)雨季洱海北部受流域農(nóng)業(yè)面源污染影響增大，北部流域農(nóng)田密布，長期不合理施用化肥，導(dǎo)致大量農(nóng)田氮素流失[37].

圖7 不同端元物質(zhì)對樣品有機(jī)碳與氮的貢獻(xiàn)率

懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳、氮來源特征差異性(圖8)表現(xiàn)為：懸浮顆粒物有機(jī)碳旱季以陸源C3植物(46%)和雨季以浮游植物(44%)為主轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺映练e物有機(jī)碳在旱、雨季均以陸源C4植物(48%～58%)和土壤有機(jī)質(zhì)(17%～26%)為主，表明懸浮顆粒物在沉降過程中浮游植物和陸源C3植物來源有機(jī)碳易降解，參與水體營養(yǎng)鹽循環(huán)，而陸源C4植物和土壤有機(jī)質(zhì)來源有機(jī)碳易沉積，對水質(zhì)影響相對較小. 雨季懸浮顆粒物氮以水生和浮游植物來源(40%)為主轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺映练e物氮以化肥(30%)、土壤流失(22%)和陸源植物(21%)來源為主，推斷懸浮顆粒物在沉降過程中水生和浮游植物來源氮易降解，而陸源植物、土壤流失和化肥氮易沉降累積. 此外，C/N是能量-物質(zhì)傳輸效率的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[38].懸浮顆粒物沉降過程中有機(jī)氮優(yōu)先礦化降解導(dǎo)致表層沉積物C/N(11.4±3.2)高于懸浮顆粒物C/N(7.1±1.6). 表層沉積物C/N升高可能降低跨營養(yǎng)水平能量傳遞效率[39]，在一定程度上控制沉積物營養(yǎng)鹽釋放，對水質(zhì)影響較小. 表層沉積物δ15N值明顯低于懸浮顆粒物也表明15N消耗是懸浮顆粒物沉降過程中N循環(huán)過程的重要組成部分[40-41]. 先前研究也證實(shí)洱海表層沉積物有機(jī)質(zhì)礦化程度低，以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖質(zhì)為主[42].

懸浮顆粒物與表層沉積物δ13C、δ15N、C/N沒有顯著相關(guān)性(表2)，進(jìn)一步證實(shí)表層沉積物來源于降解轉(zhuǎn)化后長期沉積的懸浮物或者物理侵蝕的產(chǎn)物[20]，局部環(huán)境的改造作用也使懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)質(zhì)δ13C、δ15N、C/N產(chǎn)生差異[39]. 因此，懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳和氮來源特征差異性揭示不同來源端元有機(jī)碳和氮遷移的轉(zhuǎn)化和降解特征(圖8)，記錄和反映其生物地球化學(xué)循環(huán).

圖8 懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳與氮來源貢獻(xiàn)差異分析

2.5 洱海懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳與氮來源特征對水質(zhì)的指示意義

表2 洱海懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳、氮來源特征與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

隨機(jī)森林預(yù)測變量重要性估計(jì)表明(圖9)，影響水體多營養(yǎng)循環(huán)指標(biāo)的主導(dǎo)因子是懸浮顆粒物δ13C和C/N，重要度分別為6.9%和5.7%，其次是水環(huán)境因子中ORP和WT，重要度分別為4.3%和4.0%；影響Chl.a濃度最重要的指標(biāo)是WT，重要度為10.7%，其次是POM和C/N，重要度分別為9.5%和9.3%；表層沉積物有機(jī)質(zhì)及其碳、氮同位素對水體多營養(yǎng)循環(huán)指標(biāo)和Chl.a影響程度最小，說明POM來源特征結(jié)合環(huán)境因子顯著影響水質(zhì)，而表層沉積物有機(jī)質(zhì)來源對水質(zhì)無顯著影響. 洱海POM來源變化特征與水質(zhì)波動(dòng)具有良好的響應(yīng)關(guān)系，其水質(zhì)的指示意義為：從旱季到雨季，洱海POM濃度增加，且有機(jī)碳與氮來源由以陸源植物為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿∮沃参餅橹?，?3C、δ15N均呈現(xiàn)增大趨勢，這是因?yàn)樵孱惔罅糠敝?，?dāng)水體中溶解性CO2和硝酸鹽無法滿足藻類需求時(shí)，浮游植物開始富集13C、15N，隨著水體中碳酸鹽和硝酸鹽的減少，有機(jī)質(zhì)δ13C、δ15N逐漸偏正[47]. 懸浮顆粒物與表層沉積物有機(jī)碳與氮來源特征差異表明浮游植物來源的POM在沉降過程易降解釋放溶解態(tài)營養(yǎng)鹽，是重要的營養(yǎng)鹽源，導(dǎo)致水體ρ(DON)、ρ(TOC)、ρ(TN)和ρ(TP) 增大(表1)，ρ(SRP)和ρ(NH3-N)降低是由于SRP和NH3-N被藻類大量吸收利用，從而影響水體營養(yǎng)鹽循環(huán)；由于POM礦化作用消耗DO，ORP值降低，處于還原性環(huán)境(表1)，利于厭氧菌的繁殖[27]，導(dǎo)致水體惡性循環(huán). 先前研究證實(shí)POM中有機(jī)氮通過礦化作用釋放氨氮，同時(shí)O2消耗刺激堿性磷酸酶活性促進(jìn)磷釋放，從而驅(qū)動(dòng)藻華暴發(fā)[48]. 有機(jī)氮優(yōu)先礦化導(dǎo)致C/N比值增加，所以POM礦化分解影響Chl.a濃度[4]. 由此可見，湖泊浮游植物來源POM增加驅(qū)動(dòng)了水體營養(yǎng)鹽循環(huán)，造成嚴(yán)重的水質(zhì)問題，對藻華暴發(fā)具有重要指示意義，需引起關(guān)注. 洱海表層沉積物主要來源于長期沉積降解轉(zhuǎn)化后的懸浮物、難降解的陸源植物或者土壤侵蝕物，有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，對水質(zhì)影響相對較小. 先前研究也證實(shí)洱海沉積物有機(jī)質(zhì)比長江中下游湖泊有機(jī)質(zhì)含量高，但其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易降解，生物有效性較低[49-50].

圖9 基于隨機(jī)森林模型的多營養(yǎng)鹽循環(huán)指標(biāo)(a)和葉綠素a(b)的主要預(yù)測因素(*表示0.05水平下變量對模型的貢獻(xiàn)顯著. 懸表示懸浮顆粒物，沉表示表層沉積物)

根據(jù)洱海有機(jī)碳和氮來源端元貢獻(xiàn)的時(shí)空差異，對洱海保護(hù)提出針對性管理措施. 在加強(qiáng)控制外源負(fù)荷的同時(shí)(如提高洱海流域植被覆蓋率，減少土壤流失；重點(diǎn)削減北部農(nóng)業(yè)面源及周邊村落生活污染源等)，雨季還需重點(diǎn)采取除藻措施，不僅有效地控制藻生物量，而且對阻斷藻-水質(zhì)內(nèi)源惡性循環(huán)，防止“二次水華”暴發(fā)也具有積極作用.

3 結(jié)論

洱海懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳與氮同位素時(shí)空變化特征提供了其來源信息，研究結(jié)果為洱海水華期水質(zhì)變化的解析提供了新的視角，并為提出針對性管理措施提供了理論依據(jù). 主要研究結(jié)論如下：

1)懸浮顆粒物和表層沉積物有機(jī)碳與氮來源差異明顯. 懸浮顆粒物有機(jī)碳來源旱季以陸源C3植物為主(46.0%±6.9%)轉(zhuǎn)變?yōu)橛昙疽愿∮沃参餅橹?43.3%±6.1%)，氮來源旱季以陸源植物為主(40.7%±6.5%)轉(zhuǎn)變?yōu)橛昙疽运透∮沃参餅橹?39.9%±6.6%)；表層沉積物有機(jī)碳在旱、雨季來源均以陸源C4植物為主(48.2%±19.1%)，氮來源旱季以陸源植物為主(44.3%±10.1%)轉(zhuǎn)變?yōu)橛昙疽曰蕿橹?30.3%±6.8%). 兩者有機(jī)碳與氮來源差異揭示水生和浮游植物來源的有機(jī)碳、氮易降解，對水質(zhì)影響較大，而陸源C4植物和土壤來源的有機(jī)碳和化肥氮易沉積，對水質(zhì)影響相對較小.

2)POM來源差異(δ13C、C/N)、ORP和WT是影響水體多營養(yǎng)循環(huán)指標(biāo)的重要因子，POM、C/N和WT是影響Chl.a濃度的重要因子，說明POM來源特征結(jié)合水環(huán)境因子顯著影響水質(zhì)，對水華暴發(fā)具有重要指示意義，需引起關(guān)注. 而表層沉積物有機(jī)碳與氮來源特征對水質(zhì)影響不顯著. 從旱季到雨季，WT升高，浮游植物快速生長，浮游植物來源POM增加，δ13C偏負(fù)程度降低，C/N值下降，其易降解，成為重要的營養(yǎng)鹽源，進(jìn)而影響水體營養(yǎng)鹽循環(huán)，促進(jìn)藻類“二次”暴發(fā)；由于POM礦化降解耗氧，改變水體ORP，造成水質(zhì)惡性循環(huán).

3)對于洱海保護(hù)，根據(jù)洱海有機(jī)碳與氮來源貢獻(xiàn)的時(shí)空差異，提出針對性的管理措施. 除加強(qiáng)外源負(fù)荷控制，雨季還應(yīng)重點(diǎn)控制浮游植物生物量，避免“二次”水華發(fā)生.