巢湖富营养化与环境演变的地球化学沉积记录

吴 立 计 超 张梦翠 张诗陶



巢湖富营养化与环境演变的地球化学沉积记录

吴 立 计 超 张梦翠 张诗陶

通过对巢湖西湖区中心采集的湖泊沉积物柱状岩芯（CH）样品的有机碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）和碳氮比（C/N）值含量进行实验测定，并利用氮同位素与C/N值的比较，探讨了不同深度有机质及其氮素的来源，进而分析巢湖湖泊的富营养化与环境演变过程。结果表明，湖泊沉积物TOC来源主要是以利用与大气保持平衡的依靠水中溶解CO2为碳源的浮游植物为主，且TOC记录较好反映了两百多年来巢湖流域较大的洪涝事件；TN高低在1960s之前主要受水土流失影响，之后受到人类活动影响更加明显；1960s以前湖泊营养来源以自生有机质为主，1950s～1970s湖泊初级生产力明显提高，富营养化开始，1970s以后由于巢湖闸建成，原本半封闭的巢湖，湖水的更替更加缓慢，湖中营养物质富集更加迅速，湖泊初级生产力迅速提高，富营养化过程进一步加剧，其中人类生产、生活产生的外源输入是重要的影响因素。

湖泊的自然演化和它受人类活动影响的演变信息不仅可以作为了解湖泊变化过程的依据，更可以用来预测湖泊未来的变化趋势。已有研究表明，湖泊沉积物具有连续性好、沉积速率大、分辨率高和信息丰富的特点，可以用于推演过去的湖泊富营养变化和气候变化过程。同时，湖泊还是生态系统古环境历史重建最有效的手段之一，利用沉积物的总有机碳（TOC）、总氮（TN）、有机碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）的变化可以判断沉积物形成时的古环境演变历史，不同种类植物光合作用所利用的碳源存在差别而出现同位素分馏，湖泊沉积物δ13Corg组成可用于指示湖泊有机质来源、湖泊生态系统结构及湖泊初级生产力变化，而氮同位素δ15N也是鉴别湖泊沉积物中氮来源的有效手段。碳氮比（C/N）值也被广泛用于指示湖泊沉积物中不同来源的有机质贡献。

巢湖位处安徽省合肥市省会经济圈的中心区域，近年来多次暴发蓝藻水华，这与湖泊的富营养化及其环境演变过程息息相关。本文通过对巢湖西湖区中心采集的湖泊沉积物柱状岩芯（CH）样品有机碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）以及碳氮比（C/N）值含量进行实验测定，利用氮同位素与C/N值的比较，探讨不同深度有机质及其氮素来源，进而分析巢湖湖泊富营养化与近现代的环境演变过程，从而更好地为当今巢湖富营养化治理与区域社会经济可持续发展提供参考与科学依据。

材料与方法

巢湖概况

巢湖位于长江下游安徽省中部，是合肥市的重要水源地，也是我国富营养化最严重的三大湖泊之一。湖泊总面积760 km2，东西长54.5 km，南北平均宽15.1 km，平均水深2.4 m；风浪扰动作用强烈，入湖河流携带大量泥沙，湖水总悬浮物含量高，蓝藻发育，透明度低，湖泊基底是晚更新世的下蜀黄土层，上部的现代沉积物厚度约为50～100 cm。近百年来随着流域农业和城市化的发展，巢湖的湖泊富营养程度不断加剧，1962年巢湖市西南出口处建成巢湖闸使得湖水滞留时间显著增加，汇水盆地中污染物大量排入湖中，周边城镇化的快速发展使得湖泊水体受到更为严重的污染，湖泊富营养化程度不断加强，蓝藻水华问题日益严峻，为此政府不断加强对巢湖湖泊污染的治理，“十二五”期间巢湖流域水污染防治项目达167个，投资总额达113亿元。

样品采集与实验方法

在前期调查的基础上选择巢湖淤泥质沉积厚度较大的西湖区31°33′44.6″N，117°23′39.4″E位置（图1），利用船只搭建水上作业平台，使用荷兰Eijkelkamp公司生产的Beeker型沉积物采样器获取一根87 cm长湖泊沉积物柱状短芯，而后用PVC管对岩芯进行密封保存，运回实验室采取低温存放以防止样品氧化。为达到较高分辨率的要求，样品处理首先对采集的岩芯进行拍照和岩性描述，再每隔1 cm进行样品分割取样。整个岩芯主要是青灰色粉砂，其中，深度0～25 cm主要为青灰色细粉砂，25～87 cm为青灰色中粉砂偶夹细粉砂层。

样品碳氮地球化学分析在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成（表1）。首先，将样品加入5%的稀盐酸多次搅拌后在低温水浴环境下静置至少3h，以便完全去除碳酸盐；再将样品置入离心管内，用蒸馏水离心、清洗，使其呈中性，低温干燥去除碳酸盐的样品后，研磨至粉末状；之后取10 mg左右样品通过EA3000型元素分析仪测定TOC和TN含量，误差小于0.1%。碳氮比（C/N）根据质量比乘以1.167计算获得。有机质碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）组成根据有机碳含量和氮含量称取适量样品，通过Delta Plus同位素质谱仪测定，分析精度大于0.2‰，结果以VPDB标准表示。

图1　巢湖湖泊沉积CH岩芯采样点示意图

实验结果与分析

岩芯年代框架

本次采集的CH湖泊岩芯位于2003年华东师范大学的AC2取样点（31°33′31″N，117°24′17″E）附近，根据范斌采用的210Pb和137Cs比活度值，计算出AC2孔层位13 cm处应指示的是1963年的沉积，平均沉积速率约为0.325 cm/ year。因此，我们便以AC2孔沉积速率为参考，计算得出CH岩芯是公元1738年以来的湖泊沉积。

表1　巢湖CH岩芯碳氮地球化学环境代用指标实验结果

碳氮地球化学指标分析

根据表1中的实验结果，结合图2反映的δ15N、δ13Corg、TOC、TN和C/N值随深度变化的趋势分析，可以看出，δ15N的变化值在77 cm以下有逐渐的上升趋势，在83 cm出现一个峰值，δ15N值到达4.01‰，在19～75 cm间δ15N值变化相对稳定，δ15N值介于3.33‰～4.78‰之间，平均在4‰左右变化，在75 cm处δ15N值达到5.11‰。1～19 cm间δ15N值出现了大幅度变化，19～15 cm间δ15N值降低，5～15 cm之间迅速增加后又有降低趋势。δ13Corg 在53 cm以下相对稳定，其值在-22.50‰上下波动，变化幅度不大，1～53 cm岩芯δ13Corg值总体呈下降趋势，0～9 cm部分δ13Corg值迅速减少。TOC值在29～85 cm间呈相对稳定趋势，71 cm时出现一个峰值，1～29 cm样品TOC值呈阶段性上升趋势，分别在1～11 cm、13～19 cm、23～29 cm三阶段上升，TOC最终增加到0.97%。TN在27 cm以下相对稳定，TN值在0.04%～0.06%间变化，1～27 cm总氮含量不断增加，1 cm处总氮含量达到了0.16%。C/ N值在69 cm以下有剧烈的变化，29～69 cm间变化幅度小，数值维持在5～10，1～29 cm出现小幅度剧烈变化后又处于稳定阶段。

图2　巢湖CH岩芯碳氮地球化学环境代用指标变化

成岩作用分析

巢湖CH岩芯中的有机氮含量变化主要受两种因素影响：一是物源及湖泊初始生产力因素，二是受到湖泊早期成岩作用的影响。早期成岩作用对于沉积物中化学元素的影响主要是沉积物有机质13C的亏损，从而导致δ13Corg的降低；也有研究表明早期成岩作用中N会优先矿化，有机质的选择性降解会致使C/N值的改变，藻类有机质的降解使TN的含量降低，且符合指数衰减模式，进一步导致C/N值增加。根据实验数据的分析比较，早期C/N值在71 cm以下存在一个明显的增加区间，存在上述描述的C/N值增加的条件，但是从TOC、TN、δ13Corg的对比分析可以看出，C/N值增加的原因主要是源于TOC含量的增加，TN含量并没有发生显著的指数减少表现，δ13Corg的变化在C/N值和TOC变化峰值时的前一阶段处于稳定数值，所以不存在沉积物13C的亏损和δ13Corg的降低。上述分析表明，早期的成岩作用不会影响巢湖CH岩芯中TOC和TN含量及C/N值，实验所得数据可以用来指示沉积物有机质的来源和湖泊的初始生产力，可以用来反映巢湖的富营养化与环境演化过程。

讨论

沉积物有机质来源

湖泊沉积物中有机质有两种来源，分别为外源陆生植物和内源水生植物，不同来源的有机质的含量与形成有机质的物源条件、搬运条件和保存条件关系密切。因此，有机质的来源判定及含量分析能有效的反映形成有机质的外在条件。

湖泊沉积物的外源有机质主要指的是陆生植物。根据光合作用的不同途径，陆生植物主要分为三种：C3植物、C4植物和CAM植物。C3植物的δ13Corg值分布范围为-37‰～-24‰， C4植物的δ13Corg值分布范围为-19‰～-9‰，CAM植物δ13Corg值分布范围介于C3和C4之间。内源有机质主要是来源于湖泊中动植物在死亡后与陆源碎屑一起沉积形成的湖泊沉积物。水生植物按照它们在湖泊中的分布位置差异，可分为挺水植物、浮游植物和沉水植物三类。挺水植物直接利用空气中的CO2作为碳源，与陆源C3植物具有很好的可比性，δ13Corg值分布范围为-30‰～-24‰。沉水植物主要利用湖水中溶解的HCO3-作为碳源，变化范围为-20‰～-12‰。浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，如果浮游植物以水中溶解的与大气保持平衡的CO2作为碳源，δ13Corg值与陆源C3植物相近，如果以湖水中的HCO3-为碳源，则δ13Corg值明显较高。

湖泊沉积物C/N值可以大体判断有机质的来源是湖泊自生还是外源输入为主。陆生维管植物主要含有纤维素，蛋白质含量低，水中藻类植物主要含有蛋白质，纤维素含量低。因此，根据岩芯的C/N值可以分析有机质来源：藻类有机质C/N值在3～8之间，陆生高等植物中C/N值约为20甚至更高，土壤有机质的C/N在10～13。湖泊沉积物有机质C/N值大于8通常认为其受到了陆源和藻类有机质的相互作用。

根据以上分析，结合图2和表2可以发现，CH岩芯沉积物有机质来源主要以湖泊自生为主，C/N值在样品中大部分均低于8，只有部分层位间断性的达到8～13范围，71～77 cm部分出现了异常的大于13的阶段，这一现象说明巢湖CH岩芯沉积物大部分沉积时段有机质的来源都以湖泊自生为主，部分年代由于极端洪涝事件等原因会出现水土流失，使得陆源有机质大量进入湖泊，δ15N和δ13Corg降低，C/N值升高。根据《巢湖地区简志》记载，清代296年中发生了大水55次，平均每5.4年一次。岩芯深度63 cm以下，约为19世纪中期之前，巢湖的δ13Corg和其它指标数据变化频繁，反映外源物质的输入较多。

上述分析可见，总体上湖泊中有机质碳主要源于湖泊自生，且岩芯δ13Corg值始终低于-20‰，表明在湖心CH样点处，有机质碳来源主要是以利用与大气保持平衡的水中溶解CO2为碳源的浮游植物为主。

氮的来源及其富营养化指示意义

含氮物质来源不同，δ15N会发生改变，可以用来反映氮同位素的来源。不同物质来源，δ15N含量不同，土壤流失氮的δ15N值在2‰～4‰之间，人工合成肥料δ15N值在-4‰～4‰之间，污水δ15N值在10‰～20‰之间，大气沉降NO3-的δ15N值在0.2‰～0.8之间。

结合以上δ15N的指示意义和图2、表1的分析可以看出，巢湖CH岩芯21 cm以下沉积物δ15N值变化不明显，δ15N平均值约为3.8‰，表明在20世纪60年代以前，巢湖湖心沉积物氮素主要来源于水土流失。在3～19 cm阶段，岩芯δ15N值变化明显，平均值约为4.45‰，其它数据也发生较为显著的变化，TN和TOC含量迅速增加，δ13Corg值迅速降低，表明沉积物受外源影响强烈，人工合成肥料等外源输入使得氮素含量增加。0～3 cm处δ15N值发生了下降，平均为2.16‰。

根据表1和图2的数据，综合以上讨论分析，可以看出，巢湖湖心CH样点的沉积环境变化主要分为五个阶段。深度63 cm以下为第一阶段，这一阶段按照沉积速率约为19世纪中期之前，巢湖的沉积物受外源影响强烈，各地球化学指标数据波动变化大，依据资料可以推论其主要是极端洪涝灾害事件造成的，且这一段时期的总氮和氮同位素的含量都相对偏低，说明湖泊初级生产力较低；第二阶段为深度25～63 cm（19世纪50年代到20世纪50年代），这一阶段的湖泊受外源影响较少，各指标相对稳定，外源输入较少，说明该阶段人类对湖泊的影响较小，湖泊仍处于初级生产力较低的阶段；第三阶段为17～25 cm（20世纪50年代到70年代），δ15N、TN、TOC在总体上都出现了增大，结合氮来源的分析，说明了外源输入开始增加，湖泊初级生产力开始提高，湖泊的富营养化过程开始，δ13Corg值出现明显下降的趋势，说明水体的富营养化导致浮游植物开始生长，因为浮游植物的生长利用空气中富含12C的CO2导致δ13Corg下降，而且C/N值的下降也表明浮游植物贡献比例增大，大型水生植物比例下降。第四阶段为深度3～17 cm（20世纪70年代到20世纪末），这一阶段TOC、TN和δ15N含量都迅速，表明湖泊的生产力大大提高，富营养化程度进一步加剧，浮游植物被迫利用和富集15N，δ15N值增加，生产力增加，同时，δ13Corg值的减小说明1962年巢湖闸建成使C/N循环发生改变，碳氮来源分离，氮源需求量增加，富营养化进一步促进藻类生长，使得有机质分解作用增强，产生更多的CO2被藻类利用，从而导致了δ13Corg的降低。第五阶段为0～3 cm（20世纪末期至今），数据较少，但可以看出TOC 和TN含量都在增加，δ15N出现了明显的下降，说明巢湖已经处于富营养化阶段。

结语

1）巢湖湖泊沉积物中有机质碳来源主要是以利用与大气保持平衡的水中溶解CO2为碳源的浮游植物为主，且很好反映了两百多年来的巢湖区域的较大洪涝事件。

2）巢湖湖泊沉积物总氮高低在20世纪60年代之前主要受水土流失的影响，之后受人类活动的影响更加明显，人工氮肥等对于巢湖沉积物中的氮元素影响比重增加。

3）巢湖在20世纪60年代之前处于相对稳定的自然状态，受人类影响相对较小，碳氮地球化学指标的较大变化主要与自然界的极端洪涝灾害事件有关；该时期沉积物有机质主要来源于水生浮游植物的死亡沉积，以湖泊自生有机质为主，巢湖的湖泊生产力处于初级阶段。20世纪50年代到70年代，湖泊的初级生产力提高，富营养化开始，湖泊受人类活动的影响增大，可能与当时中国进行三大改造时期人类的生产、生活密切相关，人类的活动加剧了营养物质的输入，藻类生长，富营养化过程不容忽视。70年代以后主要是由于巢湖闸的建成，原本半封闭的巢湖，其湖水更替更加缓慢，湖中营养物质富集更加迅速，湖泊初级生产力迅速提高，富营养化过程进一步加剧，其中人类生产、生活产生的外源输入也是重要的影响因素。

由结果可见，在整个刹车过程中温差电单体的平均理想功率输出大致处于30至40mW量级。另外，刹车余热回收系统中热电材料的输出随刹车热流具有变化大、不稳定的特点。由于机动车刹车本身具有较大不确定性，因此欲实现该技术的实际应用还需深入研究相应的刹车统计规律、电路储能和控制方案。

吴 立 计 超 张梦翠 张诗陶

安徽师范大学国土资源与旅游学院

吴立，男，博士，副教授，安徽师范大学国土资源与旅游学院，主要研究方向为湖泊沉积与环境演变。

本文为国家自然科学基金项目（批准号：41401216）资助

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.004