鄱阳湖表层沉积物有机碳、氮同位素特征及其来源分析

王毛兰,赖建平,胡珂图,张丁苓,赖劲虎 (南昌大学环境与化学工程学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031)

鄱阳湖位于长江中下游的江西省北部,是我国最大的淡水湖,拥有丰富优质的淡水资源和生物资源,与赣江、抚河、信江、饶河、修水五条河流尾闾相接,湖水调蓄后经湖口注入长江,是一过水性、吞吐型、季节性的浅水湖泊.湖口最高水位22.59m 时(吴淞高程),面积达4070km2[1].鄱阳湖是长江重要的天然流量调节器,也是长江中游地区最大的洪水调节库,流域面积占整个江西省总面积的 97%,占长江流域面积的 9%[2].鄱阳湖水动力作用强烈,入湖河流携带大量泥沙,湖水总悬浮物含量较高[3].近几十年来,随着鄱阳湖流域农业和城市化的发展,大量营养物质不断流入湖泊,使湖水营养盐含量增加,水质呈现日益下降的趋势.

湖泊沉积物包含了丰富的生物、理化信息,沉积物中的有机质保存了原始生产力状况、水体营养状况转变过程及自然因素控制的水质改变进程等重要历史信息,可以用来重建湖泊古生产力变化,沉积有机质的来源以及随后的沉积演化过程,为恢复湖泊古环境和古气候提供了重要依据,是古环境信息的有效载体[4-8].湖泊沉积物中有机质的来源分内源和外源 2种.其中内源有机质主要来源于湖泊水体生物残体,外源输入主要是外界水源补给过程中携带进来的颗粒态和溶解态的有机质[9].沉积物中的稳定同位素碳、氮以及 C/N比值经常被用来指示水生系统中有机质来源或循环随时间的变化,这些示踪是建立在不同来源的有机质有不同的 C/N比值和稳定同位素组成的基础上的[10-12].鄱阳湖沉积物有机质碳、氮同位素的研究还尚未见报道,本研究通过对鄱阳湖表层沉积物中δ13Corg、δ15N、C/N比值、TOC和TN含量的测定,探讨了鄱阳湖表层沉积物碳氮同位素分布特征,为研究鄱阳湖受人类活动影响的湖泊生产力变化和富营养化过程提供参考.

1 材料与方法

1.1 样品的采集

2011年11月对鄱阳湖主航道及其主要支流入湖河口表层沉积物和水样进行了采集,采样点位见图1.水样在距水面约0.5m处采集,用聚乙烯瓶 4℃保存,当天运回实验室进行分析.采集表层0～5cm的沉积物样,采集后立即运回实验室,置于真空冷冻干燥机(ALPHA-1-4型,德国 Martin Christ公司生产)中冷冻干燥,待样品完全干燥后研磨过筛(200目),过筛后的沉积物置于聚乙烯塑料袋中密封保存,以备实验分析所用.

图1 鄱阳湖区采样示意Fig.1 Sampling locations in Poyang Lake

1.2 样品的处理与分析

研磨过筛后的沉积物样品,加入 0.5mol/L HCl酸化以去除无机碳酸盐,再用去离子水淋洗样品直至滤液呈中性,并用硝酸银溶液来检测样品中有无 Cl-残留,然后将去除无机碳的样品进行冷冻干燥.经过上述处理后的样品在国家海洋局第三海洋研究所用元素分析仪(Flash EA 1112HT)和同位素质谱仪(Delta V advantage)联用测定有机碳、氮的含量及稳定同位素组成,计算公式为:

式中:13C/12C和15N/14N分别对应于国际标准ViennaPDB与大气中的氮标准,分析误差为＜±0.2‰.样品的C/N比值可由测定的总有机碳含量与总氮含量计算得到.

现场测试水温,溶解氧(DO),pH 值,电导率和透明度等参数,NH4+-N,NO3--N,NO2--N,TN含量采用连续流动分析仪(FUTURA,法国Alliance)进行分析测定.

2 结果与讨论

2.1 研究区环境因子基本理化性质

由表 1可知,鄱阳湖水体呈中性偏碱性,pH值变化范围为 7.04～8.17,老爷庙处 pH 值最高,龙口港处最低;DO含量最小值也出现在龙口港处,为 6.22mg/L,三江口处最高,为 9.89mg/L;老爷庙处透明度最低,仅为 1.2cm,湖口处也较低,为3cm,三江口处最大,为 57cm.鄱阳湖区氨氮含量变化范围为 0.12～1.94mg/L,周溪处最小,龙口港处最大;硝态氮和总氮含量周溪处最小,分别为0.73,1.24mg/L,都昌采样点最大,分别为 1.83,2.62mg/L.各主要入湖口河水氨氮含量变化范围比较大,修水最小,为 0.15mg/L,赣江南支和饶河比较大,分别为 2.87,2.71mg/L;硝态氮含量最大值出现在赣江南支,为 3.05mg/L;最小值出现在抚河和信江,为0.65mg/L;TN含量最小值出现在信江,为 1.34mg/L,赣江南支和饶河比较大,分别为 6.86,4.22mg/L.对各形态氮总体分析发现,湖区龙口港和都昌处氮污染较严重,各主要入湖口河水中赣江南支和饶河氮污染较严重.饶河氮污染严重与鄱阳县发达的渔业养殖业有很大的关系,鱼虾的养殖将含有大量悬浮物质和营养盐的水排入河流中,致使河水氮含量明显偏高[13].赣江南支各形态氮含量都比其它河流高,赣江穿越江西省的主要农业产区,赣江南支下游更是有蒋巷镇–南昌重要农副产品生产基地,农业非点源污染对其氮含量的影响起了主要的作用.

2.2 鄱阳湖主航道表层沉积物有机碳同位素及来源

鄱阳湖区表层沉积物中有机碳(TOC)的含量范围是 0.63%～1.86%,见表 2,其平均值为(1.15±0.35)%(n=9).其中,鄱阳湖主航道下游湖口站位有机碳含量明显高于鄱阳湖区其他点位,为1.86%;中游康山、龙口港、周溪及老爷庙处有机碳含量均较高,为 1.2%左右,而三江口处有机碳含量明显低于其他点位,为0.63%.

有机碳同位素可被用来确定沉积物有机质的来源,通常碳同位素组成反映了不同生物体的光合作用中碳同化作用的动力学过程以及碳源的同位素碳组成.通常认为C3植物的δ13C范围为-30‰～-23‰, C4植物的 δ13C 范围为-17‰～-9‰[14],土壤有机质的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‰范围内[16-17], 卢凤云等[18]的研究得出潮白河水生维管束植物的 δ13C值为-16.0‰～-30.0‰, C/N 为 12.6～18.5;浮游植物的δ13C 值是-42‰～-24‰,平均值约为-30‰[14,19-20].C/N比是蛋白质含量的指示剂,蛋白质是生物体中最重要的含氮成分,不同类型有机质中所含的蛋白质不同[21],所以利用C/N比可以区分不同类型的有机质,判断有机质的来源,研究表明,陆生高等植物的 C/N比值一般＞15[22],土壤有机质的C/N比值在10～13之间[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].

鄱阳湖湖区各采样点沉积物中δ13C含量变化范围比较大,为-25.66‰～-12.56‰,平均值为(-22.48±4.10)‰(n=9).其中湖口处最高,星子点位也比较高,为-19.73‰,都昌处最低.三江口、康山、龙口港及周溪点位δ13C含量相差不大,初步推断鄱阳湖沉积物有机质来源具有的多样性.各采样点C/N比值相差比较大,在8.97到24.01之间,周溪采样点处最低,湖口处最大.

表层沉积物中的δ13C和C/N比值可以代表短期内水体有机物的输入[27].水体有机质的潜在来源主要包括: 陆生高等植物(C3和C4植物)、土壤有机质、水生维管束植物,浮游生物和藻类[22,28].鄱阳湖流经不同的城市和工农业区,汇入鄱阳湖的有机质来源差异性较大,既有水生植物,又有陆源C3、C4植物等,同位素信号极为复杂.因此,仅靠碳同位素很难分辨有机质的来源,本文将δ13C和C/N相结合来探讨不同来源(如湖泊藻类、水生植物、陆地C3植物和陆地C4植物)的有机质.将δ13C和C/N比值作图(图2),从图2可以看出,鄱阳湖沉积物有机质来源分为 3种情况:(1)主要来源为土壤有机质(吴城、三江口及老爷庙);(2)主要来源于水生维管束植物(星子、龙口港及康山); (3)间于土壤有机质和浮游植物之间,但土壤有机质贡献的比例更大(周溪、都昌).另外,湖口处不属于上述3种情况,其有机质主要来源于 C4植物,这与湖口县大面积种植玉米有很大的关系.从上述结果可以看出,一半以上的采样点有机质主要来源于土壤有机质,说明外源是鄱阳湖沉积有机质的主要来源.鄱阳湖流域水土流失严重[29]是其有机质来源为土壤有机质的主要原因之一.

表1 研究区水质基本参数Table 1 General characteristics of water samples in the Poyang Lake

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

图2 鄱阳湖沉积物有机质的δ13C和C/N关系Fig.2 Distinctive source combination of atomic C/N ratios and δ13C values from sediments in Poyang Lake

2.3 鄱阳湖各入湖河流表层沉积物有机碳同位素及来源

鄱阳湖各入湖河流TOC含量相差很大,平均值为(0.73±0.27)%(n=6),比鄱阳湖区TOC含量低,信江入湖口处TOC含量最低,为0.31%,赣江北支处最大,为1.15%,赣江南支处也较高为0.82%.鄱阳湖区比入湖河流TOC含量高,可能与鄱阳湖区人类活动有关.

各入湖河流沉积物有机质δ13C值变化范围为-25.24‰～-19.55‰,赣江北支处最正,赣江南支处最负.各入湖河流C/N比值变化不大,最低值出现在修水,为 10.09,最高值出现在赣江北支,为16.78.由图2可以看出,各入湖河流沉积物有机质来源比较相似,主要有2种情况,一种情况是主要来源于水生维管束植物(赣江北支、赣江南支、饶河及抚河);另一种情况是间于土壤有机质和浮游植物之间,但土壤有机质贡献的比例更大(信江和修水).信江、修水水土流失严重,携带大量河岸带泥沙进入河流并沉积下来,成为信江和修水土壤有机质贡献比例大的根本原因.

2.4 鄱阳湖主航道表层沉积物氮同位素特征

不同来源的含氮物质具有不同的氮同位素信号,因此,利用氮同位素可以有效的示踪污染物质的来源[30-31].沉积物中氮同位素信号能反映陆生和水生输入沉积物中的相对分布,外源输入中氮负荷的增加也可以导致δ15N升高.δ15N的变化也可以反应农业化肥以及城市污染物的输入.典型的海洋浮游生物的 δ15N 值范围为 4‰～10‰,平均为 6‰,陆源有机质的 δ15N 值的范围为-10‰～10‰,平均为2‰[32];合成化肥的δ15N值在-4‰～4‰之间变化[33],土壤有机氮硝酸盐的δ15N值在 4‰～9‰之间变化[33-34],人类和动物排泄的废物中的硝酸盐的 δ15N值在 10‰～20‰之间变化[35],大气沉降NO3-的 δ15N 值在 0.2‰～0.8‰之间变化[36].

鄱阳湖湖区表层沉积物有机质 TN含量变化范围为 0.063%～0.16%,三江口处最低,周溪处最高,都昌和老爷庙处也较高,分别为 0.14%和0.12%,见表 1.δ15N 值变化范围为 3.51‰～6.27‰,平均值为(4.71±0.95)‰(n=9),星子处最低,都昌处最高.结合Heaton[32]给出的不同来源有机质氮同位素取值范围分析可知,鄱阳湖沉积物氮素来源主要为土壤有机质,部分点位氮素(吴城和星子点位,其δ15N值分别为3.72‰和3.51‰)主要来源于人工合成肥料,说明这 2点位受农业面源污染影响比较大.

2.5 鄱阳湖各入湖河流表层沉积物氮同位素特征

鄱阳湖各入湖河流表层沉积物有机质 TN含量值比较低,各河流相差也不大,分布范围为0.034%～0.08%,平均值为(0.06±0.017)%(n=6),星子点位最低,其他点位均处在0.06%～0.08%之间.各河流沉积物δ15N值差异比较大,表明各河流污染物氮素来源的不同.信江点位最低,为 0.94‰,其氮素主要来源为人工合成肥料.

抚河和赣江北支沉积物δ15N值较高其它支流都高,分别为4.30‰和4.64‰,表现为氮素主要来源于土壤有机质.修水、饶河和赣江南支沉积物δ15N值均低于4‰,说明其沉积物氮素来源主要为人工合成肥料,这与前面水体氮含量分析结果相一致,修水发达的农业、饶河渔业的养殖及赣江南支蒋巷镇农业基地等对其河流水质氮素的输入均有较大的影响.

3 结论

3.1 鄱阳湖区表层沉积物中有机碳(TOC)的含量范围为 0.63%～1.86%(n=9),鄱阳湖各入湖河流TOC含量比鄱阳湖区低,分布范围为 0.31%～1.15%(n=6).鄱阳湖区沉积物中 TN 含量变化范围为 0.063%～0.16%,三江口处最低,周溪处最高.各入湖河流表层沉积物有机质 TN含量差异不大,处在0.034%～0.08%之间.

3.2 鄱阳湖区各采样点沉积物中δ13C含量变化范围比较大,为-25.66‰～-12.56‰(n=9),根据δ13C和C/N联合分析,鄱阳湖区沉积有机质为混合来源,外源为土壤有机质,内源为水生维管束植物和河流浮游生物.吴城、三江口及老爷庙沉积有机质主要来源为土壤有机质;星子、龙口港及康山主要来源于水生维管束植物;而周溪、都昌间于土壤有机质和浮游生物之间,但土壤有机质贡献的比例更大;湖口其有机质主要来源于 C4植物.

3.3 各入湖河流沉积物有机质δ13C值变化范围为-25.24‰～-19.55‰(n=6),其来源与鄱阳湖区来源比较相似,赣江北支、赣江南支、饶河及抚河沉积有机质主要来源于水生维管束植物;信江和修水沉积有机质来源于土壤有机质和浮游生物,但土壤有机质贡献的比例更大.

3.4 鄱阳湖区表层沉积物有机质δ15N值变化范围为 3.51‰～6.27‰(n=9),星子处最低,都昌处最高.除吴城和星子点位沉积物氮素主要来源于人工合成肥料外,其它沉积物氮素来源主要为土壤有机质.

3.5 各入湖河流中,抚河和赣江北支沉积物氮素主要来源于土壤有机质.修水、信江、饶河和赣江南支沉积物氮素来源主要为人工合成肥料.

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