烏梁素海沉積物腐殖質(zhì)的組成及分布特征*1

付緒金，賈克力，史小紅，趙勝男，崔鳳麗，樊才睿，高宏斌

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018)

湖泊沉積物可以分為化學沉積、生物沉積和碎屑沉積3種類型，來自于水體內(nèi)部和水體外部2種途徑.沉積物作為湖體中一切沉降物的載體，不斷接納來自流域內(nèi)隨水體入湖的大部分無機和有機顆粒物、湖體內(nèi)水生生物的死亡殘體和排泄物，以及水體內(nèi)化學與生物化學作用的沉淀物等［1］.所以湖泊沉積物被視為湖泊環(huán)境的重要信息庫，既能成為水體污染的匯，又可能成為水體污染的源［2-3］.由于有機質(zhì)的普遍存在，使其具有重要的生態(tài)和環(huán)境意義，作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，它對全球變化有重要影響，也是生態(tài)系統(tǒng)中能量與物質(zhì)循環(huán)的重要途徑，更是各種養(yǎng)分(碳、氮、磷和硅)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4］.由于有機質(zhì)礦化過程大量耗氧，同時釋放出C、N、P、S等營養(yǎng)鹽，可以造成嚴重的水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化［5］.此外，還有可能造成湖泊萎縮、生物多樣性下降等一系列威脅湖泊生態(tài)安全的問題，進而嚴重影響湖泊在城鄉(xiāng)飲用供水、工農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)養(yǎng)殖及其旅游業(yè)等方面的重要作用.有機質(zhì)在湖泊環(huán)境中扮演著重要角色，國內(nèi)外許多學者一直致力于有機質(zhì)對于湖泊環(huán)境的研究［6-12］.近年來，關(guān)于湖泊有機質(zhì)的研究集中于湖泊水體與沉積物等方面，包括其分布特征、影響因素、污染評估、組成成分等［13-17］.有機質(zhì)的化學組成、結(jié)構(gòu)和來源是研究其影響湖泊環(huán)境的基礎(chǔ)，紫外-可見光譜、熒光光譜、高效體積排阻色譜和沉積物中的微生物DNA分析技術(shù)等研究手段的應(yīng)用，使得有機質(zhì)組分研究取得了更為深入和廣泛的進展［18-22］.有機質(zhì)的最主要成分是腐殖質(zhì)［23］，腐殖質(zhì)廣泛存在于土壤、水體及沉積物中，是自然環(huán)境中廣泛存在的一類無定形、呈棕褐色或棕黑色、親水性、酸性、多分散的天然有機大分子物質(zhì).腐殖質(zhì)內(nèi)帶有多種活性官能團，如羥基、酚羥基、醇羥基、羧基等，具有較強的絡(luò)合、螯合、吸附和強氧化能力［24-27］，其主要組成元素為C、H、O、N和S.根據(jù)在水體中溶解性的不同，腐殖質(zhì)可以分為3類:胡敏酸(humic acids，HA，僅溶于堿性溶液而不溶于酸性溶液)、富里酸(fulvic acids，F(xiàn)A，既溶于堿性又溶于酸性溶液)、胡敏素(humin，HM，既不溶于堿性也不溶于酸性溶液).可溶解部分的HA和FA合稱為可提取腐殖質(zhì)(HE).因此，腐殖質(zhì)對湖泊營養(yǎng)元素循環(huán)過程起著重要作用.

目前，國內(nèi)湖泊中有機質(zhì)的研究主要集中于東部平原湖區(qū)與云貴高原湖區(qū)，對于高寒、干旱半干旱地區(qū)的蒙新高原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)、青藏高原湖區(qū)的湖泊有機質(zhì)的污染研究涉及較少，而這些地區(qū)季節(jié)溫差大、湖泊冰封期長、太陽輻射強、降雨稀少、蒸發(fā)強烈、干濕期差異大，特別是秋末冬初，受冷空氣活動影響且寒潮天氣過程比較頻繁.烏梁素海位于中國北方寒旱區(qū)黃河河套平原末端，屬于蒙新高原湖區(qū)的草型湖泊，是當?shù)剞r(nóng)田退水、工業(yè)廢水和生活污水的唯一承泄渠道.由于農(nóng)田退水、工業(yè)廢水、生活污水攜帶大量營養(yǎng)鹽、有機質(zhì)等排入烏梁素海，使其富營養(yǎng)化嚴重，湖泊內(nèi)水生植物逐年遞增，水生植物的死亡以及外源有機污染物的輸入造成湖底高程逐年增高，沉積物中的有機質(zhì)含量發(fā)生變化，水環(huán)境發(fā)生惡性循環(huán)［28-31］.因此在這種氣候和上游污染物排放特性的影響下，烏梁素海有機質(zhì)和腐殖質(zhì)的組成、分布特征等必定有其特殊性.此外，烏梁素海是全球同緯度最大的濕地，不僅對維持湖泊流域地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡起著重要作用，并且集河套灌區(qū)排水、漁業(yè)生產(chǎn)、蘆葦養(yǎng)殖和旅游等多個社會功能于一體，具有較大的生態(tài)意義.但是關(guān)于烏梁素海沉積物有機質(zhì)組分的研究尚不深入，因此，本文以烏梁素海為研究對象，對其沉積物有機質(zhì)含量、組成和影響因子進行深入分析，不僅可為干旱半干旱地區(qū)湖泊污染治理和科學管理體系的建立提供基礎(chǔ)資料，也為湖泊生態(tài)安全、合理利用湖泊自然資源等方面的技術(shù)研究提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏梁素海位于我國北方的內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，是黃河改道后形成的牛軛湖，是全球范圍內(nèi)荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的具有生物多樣性和環(huán)境保護等多功能的大型草型湖泊.烏梁素海(40°36'～41°03'N，108°43'～108°57'E)是全球同緯度地區(qū)內(nèi)最大的湖泊，現(xiàn)有水域面積 285.38 km2，蘆葦區(qū)面積118.97 km2，明水區(qū)面積111.13 km2.明水區(qū)中85.7 km2為沉水植物密集區(qū)，其余為沼澤區(qū).湖水于每年11月初結(jié)冰，直到翌年3月末到4月初開始融化，冰封期約為5個月［32］.烏梁素海是河套灌區(qū)排灌水系的重要組成部分，是當?shù)剞r(nóng)田退水、工業(yè)廢水和生活污水的唯一承泄渠道.由于河套灌區(qū)化肥和農(nóng)藥的用量不斷加大，而且化肥利用率較低，上游的工業(yè)廢水和生活污水隨著農(nóng)田退水進入烏梁素海，使得大量營養(yǎng)鹽沉積，腐爛的水草和挺水植物、各種浮游生物殘骸以每年10 mm左右的速度沉積至湖底，形成內(nèi)源污染，也加快了烏梁素海的沼澤化進程［33］.

1.2 樣品采集

根據(jù)《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》［34］，于2012年2月14日進行了樣品采集.根據(jù)烏梁素海地形地貌及湖面冰凍特點，設(shè)置11個采樣點(圖1).由于采樣時間處于冬季冰封期，湖區(qū)南部冰凍層較薄，無法進行采樣.冰凍湖面破冰鉆孔后，利用自行研制的柱狀采泥器采集表層柱狀樣品10 cm，裝入聚乙烯塑封袋封口冷藏保存.樣品帶回實驗室，新鮮樣品置于4℃冰箱中保存;自然條件下風干，剔除動植物殘體，過篩裝袋得到風干樣品備用.

1.3 分析方法

有機質(zhì)總量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定［35］，腐 殖 質(zhì) 采 用 0.1 mol/L 焦 磷 酸 鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉混合液提取法測定［36-37］，pH采用土液比 1∶2.5 進行測定［38］.實驗數(shù)據(jù)分析及圖形繪制分別采用SPSS和ArcGIS軟件.

圖1 烏梁素海采樣點分布Fig.1 Location of sampling sites of Lake Wuliangsuhai

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物腐殖質(zhì)的含量及分布特征

烏梁素海表層沉積物有機質(zhì)水平分布呈現(xiàn)出一定的區(qū)域特點，總體含量在1.06%～5.38%之間，平均值為3.23%(圖2a).烏梁素?？偱鸥扇牒谔幍腏11點有機質(zhì)含量比較低，為1.57%，低于湖區(qū)平均水平，這主要是因為河口處水力條件比較強烈，水流速度較快，不能為動植物及微生物殘體尤其是蘆葦根部的沉積提供好的動力條件.與J11點處于同一緯度的J13點有機質(zhì)含量最低，為1.06%，這主要是因為該點處于開闊水域，同時沉水植物較少，表層沉積物來源較少.湖泊東部的M14點及P11點有機質(zhì)含量較低，有機質(zhì)含量分別為2.35%和1.97%，主要由于這2點均處于旅游區(qū)附近，人為干擾比較強烈.有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化過程包括礦化和腐殖化過程，關(guān)于昆明湖的沉積物有機質(zhì)特征的研究發(fā)現(xiàn)，旅游活動強大的水域水體沉積物有機質(zhì)礦化作用明顯較強［39］.同樣，烏梁素海旅游區(qū)的有機質(zhì)含量較低，很可能也是礦化作用的結(jié)果.有機質(zhì)含量較高的點有湖區(qū)中部蘆葦密集區(qū)的L11、M12點和湖區(qū)南部的沉水植物密集區(qū)Q8點，有機質(zhì)含量分別為5.38%、4.50%和4.56%.總體來講，烏梁素海表層沉積物有機質(zhì)水平分布特征為湖區(qū)西部高于東部.表層沉積物中有機質(zhì)主要來源于湖中大面積分布的、以蘆葦為主的挺水植物和以龍須眼子菜為優(yōu)勢種的湖底沉水植物，烏梁素海水體富營養(yǎng)化具有明顯的內(nèi)源性，這與相關(guān)研究結(jié)論一致［40-41］.

各組分含量及占有機質(zhì)的百分比表明(表1)，HA的含量范圍為0.65～2.78 g/kg，平均值為1.37 g/kg;FA 的含量范圍為2.19～8.72 g/kg，平均值為 5.08 g/kg;HM 的含量范圍為 3.28 ～20.92 g/kg，平均值為12.29 g/kg.從水平分布上看HE、HA、FA、HM分布特點均與有機質(zhì)分布特點相似，東部開闊水域含量較低，西部蘆葦密集區(qū)及湖區(qū)南部含量較高(圖2)，這說明提取的HA、FA、HM與直接提取的有機質(zhì)分布具有一致性.

烏梁素海表層沉積物腐殖質(zhì)中不溶性的HM占主導地位，HM是腐殖質(zhì)中與土壤礦物質(zhì)結(jié)合最緊密的組分，酸堿及有機溶劑等均無法提取，是一種惰性腐殖質(zhì)，可以在土壤中存在上千年，HM失去溶解性的根本原因是它和鐵鋁化合物及黏粒礦物等無機組分牢固結(jié)合［42］.烏梁素海表層沉積物腐殖質(zhì)可溶解部分的FA平均含量高于HA，F(xiàn)A和HA的形成順序及相互轉(zhuǎn)化主要是由環(huán)境條件的不同造成的［43］.整體而言，烏梁素海表層沉積物腐殖質(zhì)各組分的平均含量大小為:HM＞FA＞HA(表1).

圖2 烏梁素海表層沉積物有機質(zhì)、FA、HA、HM分布特征Fig.2 The distribution characteristics of organic matter，F(xiàn)A，HA and HM of the surface sediment of Lake Wuliangsuhai

表1 烏梁素海表層沉積物有機質(zhì)(OM)及組分分析Tab.1 Composition and total content of OM of the surface sediment of Lake Wuliangsuhai

2.2 腐殖質(zhì)與環(huán)境因素的相關(guān)性

湖泊沉積物腐殖質(zhì)的含量與分布差異，主要受湖泊外部的環(huán)境條件如溫度、濕度以及湖泊水環(huán)境的內(nèi)部條件如酸堿性、氧化還原性等各種因素共同影響.研究沉積物腐殖質(zhì)組成對湖泊水環(huán)境的影響機制，必須從探討其影響因素出發(fā)，找出影響因子對其進行調(diào)控.本研究利用數(shù)據(jù)分析工具，結(jié)合野外定期采樣的實驗數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)理論，對腐殖質(zhì)與環(huán)境因子間的關(guān)系進行綜合研究.

有機質(zhì)含量與HA、FA、HM均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到 0.5425、0.6118 和 0.9566(圖3a，P ＜0.01)，這表明腐殖質(zhì)各組分含量均隨著有機質(zhì)含量的增加而增加.

沉積物的酸堿性對有機質(zhì)的影響主要包括降低有機質(zhì)的溶解性，改變具有可變負電荷的土壤中有機物 礦質(zhì)相互作用，增加生物毒性陽離子的數(shù)量，改變微生物種群組成和數(shù)量以及沉積物中微生物活性和酶活性.沉積物酸堿度的變化必然會影響沉積物有機質(zhì)周轉(zhuǎn)過程［44］.烏梁素海表層沉積物pH在7.6～8.2 之間，屬于中性 弱堿性環(huán)境.烏梁素海表層沉積物的pH值與HM呈顯著負相關(guān)(R2=0.5142，P ＜0.05)，HA、FA 與表層沉積物pH值相關(guān)性不顯著(圖3b).相關(guān)研究表明，pH值主要通過影響微生物的活動，從而影響土壤有機質(zhì)的分解與礦化，pH值越高，有機碳分解速度越快，有機質(zhì)含量越低［45］.

水體溶解氧反映大氣溶解與植物光合作用放氧過程和生物呼吸作用好氧過程之間的暫時平衡.溶解氧的變化會改變水土界面和沉積物內(nèi)部微生物的區(qū)系組成、種群組合和數(shù)量［46］，進而影響沉積物中腐殖質(zhì)的含量.烏梁素海冰封期約為5個月，在冰雪覆蓋下，且冬季光照條件較差，水體光合作用很低，而呼吸作用一直在持續(xù)，從而導致烏梁素海水體溶解氧的降低.在非冰封期，光照條件充足，光合作用強，水體溶解氧含量較高.水體溶解氧與FA呈極顯著正相關(guān)(R2=0.9514，P＜0.01);與 HM 呈顯著正相關(guān)(R2=0.3716，P ＜0.05)(圖3c).由此說明，烏梁素海水體溶解氧含量影響著FA、HM的含量，溶解氧越高，生物氧化的進行和微生物間相互作用越強，F(xiàn)A、HM的含量越高.

圖3 烏梁素海表層沉積物有機質(zhì)(a)、pH(b)和水體溶解氧(c)與HA、FA、HM相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation of organic matter(a)，pH(b)of the surface sediment and water dissolved oxygen(c)with HA，F(xiàn)A，HM in Lake Wuliangsuhai

2.3 腐殖化程度分析

腐殖化過程指在微生物的作用下，土壤或江河湖海等水體沉積物中有機質(zhì)轉(zhuǎn)變成腐殖質(zhì)的過程.沉積物腐殖化的程度是衡量腐殖質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣及穩(wěn)定性的標志之一［47］，可以用PQ值來表示，PQ值是HA占可提取腐殖質(zhì)(HE)的質(zhì)量分數(shù)，表征腐殖質(zhì)組成的變化.HA所占的比例越高，腐殖質(zhì)品質(zhì)越好，肥力越高［48］.烏梁素海PQ值介于9.50%～27.06%之間，平均值為21.47%(圖4).這可能是因為烏梁素海處于溫帶干旱半干旱地區(qū)，采樣時間處于冬季，氣溫較低，降雨量較小，不利于發(fā)生腐殖質(zhì)縮合反應(yīng)，導致其腐殖化程度較低;也可能是因為腐殖質(zhì)在微生物的作用下發(fā)生礦化作用，有機碳及營養(yǎng)物質(zhì)再次被分解為簡單的無機物，具體原因尚需進一步研究.不同采樣點表層沉積物PQ值變化較大，表明表層沉積物腐殖化程度存在空間差異，蘆葦和沉水植物密集區(qū)腐殖化程度比較嚴重，從一定程度上反映了腐殖化進程與水生植物的關(guān)系.

圖4 烏梁素海表層沉積物PQ值分布特征Fig.4 The PQ value distribution characteristics of the surface sediments of Lake Wuliangsuhai

HE的相對含量即為可提取腐殖質(zhì)占沉積物總有機質(zhì)的百分比.HE與有機質(zhì)的比值(HE/OM)表示腐殖化進程中的有機碳的活性.HE組成復雜，存在各種各樣官能團，能夠影響和控制水體中重金屬和持久性有機污染物的遷移轉(zhuǎn)化，進而影響其毒性和生物可得性［24］.隨著表層沉積物有機質(zhì)含量的不斷上升，HE的相對含量呈逐漸下降趨勢，且兩者呈負相關(guān)(R2=0.3891，P＜0.05)(圖5，圖6a).HE的絕對含量與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)(R2=0.7196，P＜0.01)(圖6b).這種情況可能說明，HE與有機質(zhì)含量同時增加，但是HE增加的幅度小于有機質(zhì)增加的幅度.

3 討論

烏梁素海有機質(zhì)含量為1.06%～5.38%，HA占有機質(zhì)的百分比為2.69%～7.96%，F(xiàn)A占有機質(zhì)百分比為11.98%～25.62%，HM占有機質(zhì)百分比為27.02%～42.64%(表1).對比長江中下游洞庭湖、鄱陽湖、巢湖、太湖、月湖和玄武湖等亞熱帶湖泊沉積物理化性質(zhì)［3］發(fā)現(xiàn)，烏梁素海各項組分在有機質(zhì)中的百分比及腐殖化程度均低于長江中下游湖泊.與同樣處于干旱半干旱地區(qū)的內(nèi)蒙古東部高原的碳酸鹽堿湖泊達里諾爾湖相比，烏梁素海表層沉積物腐殖質(zhì)各組分含量中FA的含量高于達里諾爾湖，HM含量低于達里諾爾湖，也沒有表現(xiàn)出徑向分異特征［49］.

綜合分析，湖泊沉積物腐殖質(zhì)的形成以及積累是各種自然因素綜合作用的結(jié)果，包括水熱條件、微生物作用、地理位置、氣候條件等，其中水熱條件尤為重要.文啟孝認為腐殖質(zhì)的組成變異表明排水不良或漬水條件有利于HA的積累，高溫或常年低溫不利于HA積累［50］;湖泊沉積物中有機質(zhì)與腐殖質(zhì)之間的關(guān)系十分密切，沉積物中有機質(zhì)形成和積累同樣以水熱條件最為重要［51］;其次，沉積物中微生物活動旺盛，微生物與結(jié)構(gòu)復雜、性質(zhì)穩(wěn)定的腐殖質(zhì)之間相互作用可使其全部或部分分解，與此同時產(chǎn)生新的腐殖質(zhì)使有機質(zhì)得到更新［52］;此外，金相燦等的研究還發(fā)現(xiàn)，我國東部的黑龍江、松花江、黃河、長江、錢塘江、閩江等27條河流懸浮沉積物中有機質(zhì)的含量及組成具有明顯的地帶性分布，腐殖酸含量則自北而南逐漸降低［53］;因地理位置改變而呈現(xiàn)的氣候變化，同樣影響了微生物活動，從而影響有機質(zhì)的變化，涼爽季節(jié)向溫暖季節(jié)轉(zhuǎn)化會導致有機質(zhì)的變化，熱、濕潤氣候有利于有機質(zhì)的分解［54］.因此，腐殖質(zhì)的形成與所處的環(huán)境條件密切相關(guān).烏梁素海地處中國北方寒旱區(qū)，季節(jié)溫差大、太陽輻射強、降雨稀少、蒸發(fā)強烈、干濕期差異大，湖泊冰封期長，每年大約有4～6個月的冰封期，使得湖泊長期處于低溫狀態(tài)，因此沉積物中腐殖質(zhì)各組分含量較低，較其他湖泊具有一定的特殊性，本文的研究結(jié)果也為其他高寒、干旱半干旱地區(qū)湖泊有機質(zhì)污染研究提供了一定的數(shù)據(jù)支撐與研究基礎(chǔ).

致謝:審稿專家對本文的修改提出了許多寶貴建議，謹致謝忱.

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