達(dá)里諾爾湖沉積物中無機(jī)碳的形態(tài)組成

孫園園，何 江，2，* ，呂昌偉，2，王 維，2，樊明德，2，任麗敏，麻 濤

(1．內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，呼和浩特 010021;2．內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境地質(zhì)研究所，呼和浩特 010021)

碳是最主要的生源要素，它以CO2、CH4、碳酸鹽及有機(jī)化合物等多種形式在環(huán)境中不斷循環(huán)。碳循環(huán)是生物圈健康發(fā)展的重要標(biāo)志，是全球變化研究的熱點(diǎn)［1］。湖泊碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分。湖泊是流域內(nèi)降水和沖刷物質(zhì)(面源)、排放物質(zhì)(點(diǎn)源)和懸浮物質(zhì)(雨水吸附)的集聚地，是流域產(chǎn)生的溶解碳、顆粒碳及各種營養(yǎng)鹽的最終匯集場所［2］。湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有生物地球化學(xué)過程活躍、生物生產(chǎn)力高、生物泵功能強(qiáng)大等特點(diǎn)［3］。

沉積物是全球碳的重要源與匯，在碳循環(huán)中起重要作用。無機(jī)碳在沉積物中占有相當(dāng)份額，在全球碳循環(huán)中扮演重要角色。沉積物在碳循環(huán)中的作用與沉積物中無機(jī)碳的形態(tài)分布密切相關(guān)。不同形態(tài)無機(jī)碳在碳循環(huán)中的作用及再循環(huán)能力不同，沉積物中無機(jī)碳形態(tài)及其變化對湖泊水-沉積物界面的碳通量及碳過程起關(guān)鍵控制作用，無機(jī)碳形態(tài)研究是探討無機(jī)碳在碳循環(huán)中作用的基礎(chǔ)和前提［4］。沉積物中無機(jī)碳主要以不同形態(tài)的碳酸鹽礦物存在(如方解石、文石、白鉛礦、角鉛礦、菱鋅礦、菱鎂礦、菱錳礦、菱鈷礦等)［5］，根據(jù)其在不同pH介質(zhì)中的溶解能力將沉積物中的無機(jī)碳分為NaCl相、NH3·H2O相、NaOH相、NH2OH·HCl相和HCl相無機(jī)碳，不同形態(tài)的無機(jī)碳在沉積物中的結(jié)合強(qiáng)度不同。近年來，國內(nèi)外學(xué)者取得了沉積物中無機(jī)碳總量及其空間分布等一系列研究成果［6-7］，雖然無機(jī)碳總量研究對恢復(fù)和重建地質(zhì)歷史時期古氣候環(huán)境演化等是必要的，但不能為沉積物中無機(jī)碳的變化過程及其在碳循環(huán)中作用的研究提供有價值信息［8］。

內(nèi)蒙古高原湖區(qū)地處內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)，地表徑流對湖泊的補(bǔ)給水量少而蒸發(fā)量大，湖泊不斷向咸水湖或鹽湖方向演化［9］。內(nèi)蒙古高原湖泊濕地資源豐富，類型多樣，在我國湖泊濕地整體研究中占有重要位置。本文以地處半濕潤半干旱區(qū)的達(dá)里諾爾湖(Dali Lake，DLNE)為研究對象，開展了沉積物中無機(jī)碳的形態(tài)組成研究，綜合分析了表層沉積物與沉積柱芯中無機(jī)碳的形態(tài)分布特征，探討了沉積物中不同形態(tài)生源要素與無機(jī)碳的相互關(guān)系，以期為探討無機(jī)碳形態(tài)對湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的貢獻(xiàn)，評價內(nèi)蒙古高原區(qū)湖泊沉積物的碳源匯功能和強(qiáng)度，厘定內(nèi)蒙古高原湖泊碳的時空分布格局，合理開發(fā)與保護(hù)利用湖泊濕地資源提供科學(xué)依據(jù)，為湖泊濕地碳循環(huán)研究積累基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)域與研究方法

1．1 研究區(qū)概況

達(dá)里諾爾湖(E116°26'—116°45'，N43°13'—43°23')位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗西部，南依渾善達(dá)克沙地，是內(nèi)蒙古四大湖泊之一。湖泊面積約228 km2，湖盆東淺西深(圖1)，平均水深6．8 m，最大水深13 m，儲水量約1．6×109m3。湖區(qū)位處中溫帶半濕潤和半干旱區(qū)過渡帶，年降水量350—400 mm，年蒸發(fā)量1287 mm［10］。達(dá)里諾爾湖屬堰塞湖，無外流河流，湖泊補(bǔ)給水源主要來自貢格爾河、沙里河、耗來河、亮子河等入湖河流(圖2)及地下水和雨水，湖水的主要損耗方式為蒸發(fā)。該湖為碳酸鹽型半咸水湖泊，水質(zhì)類型為碳酸鈉Ⅰ型水，鹽分以碳酸鹽為主，總堿度高達(dá)53．57 mmol/L，pH值9．3—9．6。近年來，由于氣候干旱和人類活動的影響，水位連年下降，湖泊面積逐年萎縮，水質(zhì)鹽堿度不斷增高，富營養(yǎng)化程度日益加?。?1-13］，對達(dá)里諾爾國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的珍稀候鳥、漁業(yè)生產(chǎn)以及周邊區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了潛在威脅和風(fēng)險。

圖1 達(dá)里諾爾湖水深分布圖Fig．1 The water depth gradient of Dali Lake

1．2 樣品采集及分析方法

依據(jù)《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》，針對達(dá)里諾爾湖現(xiàn)有水域面積及湖泊生態(tài)系統(tǒng)類型設(shè)置采樣點(diǎn)。于2008年8月對達(dá)里諾爾湖進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測和樣品采集(圖2)。沉積物柱芯樣視湖泊深度分別用挪威Swedaq公司產(chǎn)KC mod A och B型無擾動采樣器和荷蘭Eijkelkamp公司產(chǎn)SA Beeker型沉積物原狀采樣器采集，現(xiàn)場以2 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)室于-24℃冷凍保存。采樣點(diǎn)用GPS定位。

無機(jī)碳的形態(tài)提取按文獻(xiàn)［14］的方法進(jìn)行，具體步驟見表1。實(shí)驗(yàn)在25℃下進(jìn)行，CO2含量用容量法測定。實(shí)驗(yàn)過程中同時進(jìn)行空白樣和平行樣測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均＜10%。上覆水鈣的測定采用原子吸收分光光度法(GB11905-89)，堿度的測定采用酸堿指示劑滴定法(HZHJSZ0130)，pH值的測定采用玻璃電極法(GB6920-86)，其它營養(yǎng)鹽指標(biāo)為本小組前期研究成果。表層沉積物中各指標(biāo)的空間分布圖均用Surfer 8．0完成，相關(guān)性分析用SPSS 16．0完成，其它數(shù)據(jù)處理均用Excel 2003完成。

表1 沉積物中無機(jī)碳的形態(tài)提取Table 1 Sequential extraction method of inorganic carbon in sediments

圖2 達(dá)里諾爾湖流域水系及采樣站位分布圖Fig．2 Locations of sampling points in the Dali Lake

2 結(jié)果與討論

2．1 表層沉積物(0—10 cm)中無機(jī)碳形態(tài)的分布特征

表層沉積物中各形態(tài)無機(jī)碳含量見表2。NH2OH·HCl相為表層沉積物中無機(jī)碳的主導(dǎo)形態(tài)，占總量的百分比范圍在 72．20%—90．69%，平均82．77%，占絕對優(yōu)勢，其余4相無機(jī)碳含量均較低，四者之和占總無機(jī)碳的百分比不足20%(圖3)。表層沉積物中各形態(tài)無機(jī)碳的平均含量序列為NH2OH·HCl相＞HCl相＞NaCl相＞NH3·H2O 相＞NaOH 相，與本小組前期對烏梁素海及岱海的研究結(jié)果類似［4］。與武漢東湖［15］、遼東灣［8］及渤海灣北部和西部［16］相比，達(dá)里諾爾湖表層沉積物中無機(jī)碳的含量高于前者。武漢東湖、遼東灣及渤海灣北部和西部均屬我國濕潤半濕潤氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)接受來自周邊河流的大量物質(zhì)輸入，地表沖刷作用均強(qiáng)于位于內(nèi)陸的達(dá)里諾爾湖，陸源物質(zhì)的輸入稀釋了沉積物中的無機(jī)碳而導(dǎo)致無機(jī)碳含量較低。此外，達(dá)里諾爾湖位于半濕潤和半干旱區(qū)過渡帶，水體蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致湖水對碳酸鈣過飽和度增加及較多的湖泊自生碳酸鹽沉淀。

圖3 達(dá)里諾爾湖表層沉積物中無機(jī)碳的形態(tài)分布特征Fig．3 Speciation distribution of inorganic carbon in surface sediments

表2 達(dá)里諾爾湖表層沉積物中不同形態(tài)無機(jī)碳的含量(n=9)Table 2 Speciation concentration of inorganic carbon in surface sediments

貢格爾河、沙里河是湖泊第一和第二大供給河流，分別從湖區(qū)東北部和東部入湖，但無機(jī)碳的空間分布卻呈現(xiàn)東低西高的趨勢(圖4)。大量碎屑沉積物的注入對碳酸鹽沉淀具有較強(qiáng)的稀釋作用，從而不利于湖泊自生碳酸鹽沉淀［17］。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，水深與無機(jī)碳具有良好的正相關(guān)性(R2=0．86，P＜0．01)，即隨水深增大，離湖岸距離越遠(yuǎn)，陸源碎屑物質(zhì)逐漸減少，碳酸鹽含量逐漸增大。這與湖盆西深東淺(圖1)及無機(jī)碳空間分布的客觀事實(shí)相一致，揭示入湖河流攜帶的陸源物質(zhì)對沉積物無機(jī)碳具有稀釋作用。

圖4 達(dá)里諾爾湖表層沉積物中各形態(tài)無機(jī)碳的空間分布/(mg/g)Fig．4 Pattern of horizontal distribution of inorganic carbon speciation in surface sediments from DLNE Lake

碳酸鈣過飽和是天然水體中碳酸鹽沉淀的必要條件，常用離子活度積(Ionic Activity Product，IAP)與平衡常數(shù)Ksp的關(guān)系作為判斷湖水碳酸鈣飽和性的依據(jù)，以飽和系數(shù)IAP/Ksp表示［6］。

式中，(Ca2+)和()分別是Ca2+和的離子活度和rHCO-3分別是Ca2+和的活度系數(shù);［Ca2+］為湖水Ca2+的濃度;K2是H2CO3的二級離解常數(shù);Alk是湖水總堿度;(H+)為H+的活度(pH=-lg(H+))。若IAP/Ksp＞1，則湖水碳酸鈣達(dá)過飽和。

計算結(jié)果(表3)表明，達(dá)里諾爾湖水碳酸鈣飽和系數(shù)遠(yuǎn)大于1(31．59＜IAP/Ksp＜166．92)，揭示該湖泊具備了自生碳酸鹽沉淀的必要條件。

2．2 柱狀沉積物中無機(jī)碳形態(tài)的分布特征

DLNE-3、DLNE-5、DLNE-8和 DLNE-10沉積柱芯中各形態(tài)無機(jī)碳含量見表4。4個沉積柱芯中，NH2OH·HCl相無機(jī)碳均為無機(jī)碳的主導(dǎo)形態(tài)，占無機(jī)碳總量的80%以上。各沉積柱芯中，NaCl相含量接近且變化不大;NH3·H2O相含量在0—8 cm內(nèi)隨深度遞增，8—26 cm內(nèi)波動較大，26 cm以下趨于穩(wěn)定;NaOH相含量在0—8 cm內(nèi)隨深度遞增，8—26 cm內(nèi)波動不大，DLNE-8沉積柱芯在26—34 cm隨深度遞減，34 cm以下呈微弱遞增趨勢;HCl相含量在0—24 cm內(nèi)波動較大，24 cm以下較為穩(wěn)定;NH2OH·HCl相與總無機(jī)碳的變化趨勢相一致，在所有沉積柱芯中含量波動不大(圖5)，這可能與NH2OH·HCl相為4個沉積柱芯中無機(jī)碳的主導(dǎo)形態(tài)，是無機(jī)碳的主要組成部分有關(guān)。

表3 達(dá)里諾爾湖不同年份湖水中碳酸鈣的飽和系數(shù)Table 3 The supersaturation coefficients of Calcium carbonate of different year in the water of Dali Lake

表4 達(dá)里諾爾湖沉積柱芯中不同形態(tài)無機(jī)碳的含量(n=62)Table 4 Speciation concentration of inorganic carbon in sediment cores form Dali Lake

DLNE-3和DLNE-5柱芯中NH2OH·HCl相無機(jī)碳含量明顯高于DLNE-8和DLNE-10，這可能與前2個柱芯位處深水區(qū)(圖1)，受陸源輸入稀釋作用影響較弱從而有利于碳酸鹽的沉淀，以及后2個柱芯位處淺水區(qū)(圖1)，受陸源輸入稀釋作用影響較強(qiáng)從而不利于碳酸鹽的沉淀有關(guān)。

2．3 無機(jī)碳與生源要素相互關(guān)系分析

研究表明，沉積物中有機(jī)碳與各形態(tài)無機(jī)碳均不存在顯著相關(guān)關(guān)系，表明有機(jī)質(zhì)的降解與礦化對無機(jī)碳的影響較小。沉積物中TN、Org-N、TP、活性磷、有機(jī)磷和生物硅等營養(yǎng)鹽與各無機(jī)碳形態(tài)均呈正相關(guān)關(guān)系(表5)，揭示營養(yǎng)鹽含量的增加可促使無機(jī)碳各形態(tài)含量增加。除大量碎屑沉積物的注入對碳酸鹽沉淀有重大影響外，碳酸鹽的發(fā)育與藻類的大量繁殖密切相關(guān)［17］。營養(yǎng)鹽含量的增加，可促使藻類等浮游植物的繁育，藻類增殖大量吸收CO2及部分藻類對水體中有機(jī)酸的吸收和重碳酸鹽的利用等均可導(dǎo)致水體pH值升高從而有利于碳酸鹽沉淀［18-19］。達(dá)里諾爾湖硅藻資源極為豐富［20］，水質(zhì)具有高堿度和高pH值特點(diǎn)，藻類的光合作用對水體理化性質(zhì)的改變可能是導(dǎo)致碳酸鈣過飽和進(jìn)而導(dǎo)致碳酸鹽沉淀的重要因素之一。

圖5 達(dá)里諾爾湖沉積柱芯無機(jī)碳垂向分布Fig．5 Vertical distribution of inorganic carbon speciation in sediment cores

表5 沉積柱芯中各形態(tài)無機(jī)碳與生源要素間的相關(guān)性(n=62)Table 5 Correlations between inorganic carbon speciation and trophic element in sediment cores

3 結(jié)論

達(dá)里諾爾湖表層沉積物中各形態(tài)無機(jī)碳含量平均值排序?yàn)?NH2OH·HCl相＞HCl相＞NaCl相＞NH3·H2O相＞NaOH相。NH2OH·HCl相無機(jī)碳為表層沉積物和沉積柱芯中無機(jī)碳的主導(dǎo)形態(tài)，約占無機(jī)碳總量的80%?？臻g分布上，湖心區(qū)為各形態(tài)無機(jī)碳的高值區(qū)，東部和北部湖區(qū)為低值區(qū)。近30余年來，達(dá)里諾爾湖水碳酸鈣飽和系數(shù)均遠(yuǎn)大于1(31．59＜IAP/Ksp＜166．92)，揭示達(dá)里諾爾湖具備形成自生碳酸鹽沉淀的條件。

沉積柱芯中氮、磷和生物硅與無機(jī)碳的相互關(guān)系反映了營養(yǎng)水平升高可促進(jìn)水體對碳酸鈣過飽和條件的形成，藻類的光合作用對水體理化性質(zhì)的改變可能是導(dǎo)致碳酸鹽沉淀的重要因素之一。

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