基于多指標(biāo)分析的博斯騰湖表層沉積物有機(jī)碳來(lái)源*

于志同，王秀君，趙成義，蘭海燕

(1：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011)

(2：新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046)

(3：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

基于多指標(biāo)分析的博斯騰湖表層沉積物有機(jī)碳來(lái)源*

于志同1，2，3，王秀君1，趙成義1**，蘭海燕2

(1：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011)

(2：新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046)

(3：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

通過(guò)有機(jī)碳穩(wěn)定同位素(δ13Corg)、有機(jī)碳、氮含量及其比值(C ∶ N)的測(cè)定，結(jié)合已有的正構(gòu)烷烴空間分布特征數(shù)據(jù)，對(duì)新疆博斯騰湖表層沉積物的有機(jī)碳來(lái)源進(jìn)行綜合研究. 結(jié)果表明：博斯騰湖表層沉積物δ13Corg值在-26.7‰～-24.1‰之間波動(dòng)，變幅較??；C ∶ N 的波動(dòng)范圍為4.8～8.5，平均值約為7.4；正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍為nC13～nC35，所有采樣點(diǎn)樣品的主峰碳以nC17和nC23為主. 參考博斯騰湖文獻(xiàn)調(diào)查資料，基于δ13Corg值、C ∶ N及正構(gòu)烷烴等指標(biāo)的空間分布狀況，發(fā)現(xiàn)博斯騰湖表層沉積物中的有機(jī)碳主要來(lái)自湖泊內(nèi)部浮游生物的殘?bào)w；而不同湖區(qū)沉積物有機(jī)碳的內(nèi)、外源貢獻(xiàn)比例不同，其中陸源碎屑、挺水植物、沉水植物的貢獻(xiàn)空間差異較大. 博斯騰湖有機(jī)碳來(lái)源的空間差異主要表現(xiàn)在湖泊東部近岸水域表層沉積物有機(jī)碳主要為外源貢獻(xiàn)，中心湖泊東部和西部淺水區(qū)表層沉積物有機(jī)碳由外源和內(nèi)源共同貢獻(xiàn)，而其余大部分水域表層沉積物有機(jī)碳則主要為內(nèi)源貢獻(xiàn).

博斯騰湖；有機(jī)碳來(lái)源；C ∶ N；有機(jī)碳穩(wěn)定同位素；正構(gòu)烷烴

湖泊作為內(nèi)陸水體的重要組成部分，與陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生著強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量交換，具有較高的生產(chǎn)力[1]. 同時(shí)，湖泊是流域內(nèi)物質(zhì)的主要匯集場(chǎng)所，其沉積速率較高，是研究全球環(huán)境變化的重要載體[2]. 盡管湖泊水體占地球表面積較小，越來(lái)越多的研究表明湖泊是一個(gè)不容忽視的碳匯[3-4]，其生物地球化學(xué)強(qiáng)度分別是陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的 33 和 115 倍，而且有機(jī)碳埋藏速率甚至大于海洋[5].

世界各地湖泊，如北美[6]、西歐[7-8]、東亞[9-10]及其他湖區(qū)[11]的研究表明，湖泊表層沉積物中有機(jī)碳的含量空間差異很大. 影響湖泊表層沉積物中有機(jī)碳含量高低的因素很多，包括水體初級(jí)生產(chǎn)力、陸源有機(jī)質(zhì)輸入、沉積特征及微生物降解的速率等[12-13]. 其中，有機(jī)碳內(nèi)、外源的貢獻(xiàn)直接影響著其含量在表層沉積物中的空間分布[4， 7]，可能是湖泊生產(chǎn)力和湖泊形態(tài)等不同造成的[14]. 一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)力較高的湖泊，其沉積物中有機(jī)碳主要來(lái)自于湖泊本身，而生產(chǎn)力低的湖泊，則主要來(lái)源于水體外的有機(jī)碳[6]；小而淺的湖泊，其有機(jī)碳可能主要來(lái)源于湖岸帶，而大而深的湖泊，特別是峽灣湖泊，則主要來(lái)源于湖泊水體內(nèi)浮游生物的增殖[14-16]. 目前，區(qū)分沉積物中有機(jī)碳來(lái)源的方法主要有同位素法(δ14C & δ13C)、元素比值法(C ∶ N)及生物標(biāo)志物法(正構(gòu)烷烴、脂肪酸)等[10-11， 17]，并且被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者應(yīng)用于湖泊物源示蹤及生物地球化學(xué)過(guò)程機(jī)理的研究.

博斯騰湖作為新疆地區(qū)最大的湖泊，是干旱區(qū)湖泊的典型代表. 前人對(duì)該湖碳循環(huán)的研究較少，多數(shù)是利用沉積物中的有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳含量進(jìn)行古環(huán)境、古氣候方面的反演與重建[18-21]，僅張成君等[22]探討過(guò)該湖表層沉積物無(wú)機(jī)碳C、O同位素的組成及影響因素，指出湖水滯留時(shí)間和水-氣CO2交換量影響無(wú)機(jī)碳同位素的組成，而對(duì)無(wú)機(jī)碳的來(lái)源、空間分布及影響因素未作深入探討. 近年來(lái)，對(duì)博斯騰湖水體有機(jī)碳和表層沉積物無(wú)機(jī)碳的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，博斯騰湖水體的有機(jī)碳時(shí)空變化明顯且受外源影響較大[23]，表層沉積物無(wú)機(jī)碳主要為湖泊自生碳酸鹽，其空間分布受開(kāi)都河、黃水溝等入湖河水和局部水動(dòng)力條件的影響[24]. 在人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾下，博斯騰湖的水位和水質(zhì)變化較大[25-27]，尤其是入湖徑流量的改變可能對(duì)湖泊有機(jī)碳來(lái)源及分布有著直接或間接的影響. 然而，目前對(duì)于博斯騰湖表層沉積物有機(jī)碳的來(lái)源及沉積機(jī)制的研究相對(duì)較少. 因此，深入研究博斯騰湖沉積物中有機(jī)碳的來(lái)源及空間差異，不僅可以補(bǔ)充并完善該湖碳循環(huán)的研究?jī)?nèi)容，而且能深化對(duì)湖泊系統(tǒng)內(nèi)部有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳累積轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)，為干旱區(qū)湖泊碳循環(huán)研究提供新的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

博斯騰湖(41°32′～42°14′N，86°19′～87°26′E)地處新疆天山南麓，是焉耆盆地的最低點(diǎn)(圖1). 湖面海拔 1048 m，流域面積約為 55600 km2，湖區(qū)東西長(zhǎng) 55 km，南北寬 25 km，總面積 1646 km2( 2002 年水位最高時(shí)數(shù)據(jù)). 1950s以來(lái)，在氣候和人類活動(dòng)的影響下[28-29]，博斯騰湖水位多次急劇變化，波動(dòng)幅度在 1044～1049 m 之間.

湖區(qū)深居歐亞大陸中心，屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫 8.4℃，多年平均降水量 94.7 mm，年均蒸發(fā)量 1880 mm. 博斯騰湖主要由開(kāi)都河來(lái)水補(bǔ)給，是唯一常年有水入湖的河流，開(kāi)都河山口處多年平均徑流量為 34.12 × 108m3，約占入湖徑流量的 95%[30]；同時(shí)流入博斯騰湖的河流還有黃水溝、清水河、烏拉斯臺(tái)河、曲惠河和烏什塔拉河等，均為季節(jié)性補(bǔ)給. 博斯騰湖具有開(kāi)都河來(lái)水的水資源調(diào)控、孔雀河流域農(nóng)田灌溉、工業(yè)及城鄉(xiāng)生活用水、流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和向塔里木河中下游緊急調(diào)水等多種功能，在塔里木河流域乃至新疆生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)中處于特殊地位[31].

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 博斯騰湖分為大小兩個(gè)湖區(qū)，大湖的西南端分布著一連串的淺水小湖，盛長(zhǎng)蘆葦，稱為小湖葦區(qū)，本文主要以大湖區(qū)為研究對(duì)象. 根據(jù)博斯騰湖的水體形態(tài)設(shè)置了13個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，使用重力采樣器對(duì)表層沉積物進(jìn)行采集，現(xiàn)場(chǎng)將頂部2 cm樣品封裝于自封袋內(nèi)，并冷藏于保溫箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室在-4℃保存.

1.2.2 元素分析 將真空冷凍干燥后的樣品研磨至 80 目左右的粉末狀，用錫囊封裝好直接送入 EA 3000 (Euro Vector， Italy) 型元素分析儀進(jìn)行總氮(TN)的測(cè)定. 取適量?jī)龈珊髽悠贩湃霕?biāo)準(zhǔn)銀杯中，滴加 2 滴 5%的HCl，置于電熱板上 60℃ 烘 2 h，之后再滴加 1～2 滴，調(diào)至 40℃，直至將樣品蒸干后，用錫囊封裝好送入 EA 3000 (Euro Vector， Italy) 型元素分析儀，進(jìn)行總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定[32].

圖1 博斯騰湖及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of Lake Bosten and sampling sites

1.2.3 有機(jī)碳穩(wěn)定同位素分析 取一定量的凍干研磨后的沉積物樣品，加入10%的稀鹽酸去除樣品中碳酸鹽后，用去離子水反復(fù)清洗至中性烘干，研磨至80目以下. 稱取一定量樣品用錫囊封裝好，經(jīng)過(guò)Flash EA1112元素分析儀燃燒后將氣體送入Thermo DeltaPlusAdvantage同位素質(zhì)譜儀測(cè)定δ13C. 有機(jī)碳穩(wěn)定同位素(δ13Corg)的結(jié)果以VPDB為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量誤差為±0.1‰.

1.3 數(shù)據(jù)處理與成圖

正構(gòu)烷烴的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[33]，采樣點(diǎn)設(shè)置如圖1 所示，本研究采用克里格空間差值法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得出正構(gòu)烷烴4個(gè)不同參數(shù)的空間分布狀況. 其中，∑nC23-/∑nC25+為短鏈與長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴之比；CPI為正構(gòu)烷烴碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)；奇偶優(yōu)勢(shì)指數(shù)OEP = (nC23+6nC25+nC27) / (4nC24+4nC26)；參數(shù)Paq = (nC23+nC25) / (nC23+nC25+ nC29+nC31) ，用來(lái)區(qū)分沉水/浮游植物相對(duì)于挺水植物與陸生高等植物物源貢獻(xiàn). 其余數(shù)據(jù)均來(lái)自本課題組采樣分析，用 Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，博斯騰湖及采樣點(diǎn)位置、等深線圖采用ArcGIS 10.0 & CorelDRAW X3 軟件繪制，空間分布圖由 Surfer 9.0 & CorelDRAW X3 軟件繪制.

2 結(jié)果

2.1 δ13Corg的空間分布特征

博斯騰湖表層沉積物δ13Corg的變化范圍為-26.7‰～-24.1‰ ，變幅較小，最為偏負(fù)的樣品出現(xiàn)在41.9～42.0°N 和 86.9～87.0°E之間，而最為偏正的樣品出現(xiàn)在靠近西北黃水溝入湖口處. 總體上，δ13Corg值在東部和中心湖區(qū)要比西北和西南湖區(qū)偏負(fù)(圖2a).

2.2 C ∶ N的空間分布特征

博斯騰湖表層沉積物C ∶ N 的變化范圍為4.8～8.5，平均值約為7.4. C ∶ N整體上表現(xiàn)為中部湖區(qū)比其他湖區(qū)高，最大值出現(xiàn)在西部中心深水區(qū)(偏南部)，而最低值出現(xiàn)在西北黃水灣湖區(qū). C ∶ N與δ13Corg大致呈現(xiàn)出相反的空間分布格局(圖2b).

圖2 博斯騰湖表層沉積物δ13Corg(a)和C ∶ N(b)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of δ13Corg(a) and C ∶ N ratio(b) of TOC in the surface sediment of Lake Bosten

2.3 正構(gòu)烷烴的空間分布特征

圖3 博斯騰湖表層沉積物正構(gòu)烷烴的空間分布Fig.3 Spatial distribution of n-alkanes in the surface sediment of Lake Bosten

3 討論與結(jié)論

3.1 基于多指標(biāo)綜合探討博斯騰湖表層沉積物的有機(jī)碳來(lái)源

湖泊沉積物有機(jī)碳或是內(nèi)源(產(chǎn)自湖中)或是外源(即從湖泊周圍地區(qū)搬運(yùn)到湖泊中)，其相對(duì)含量取決于湖泊中生物產(chǎn)率和匯水區(qū)的特征[34]. 目前，一系列的技術(shù)方法已經(jīng)被應(yīng)用于湖泊沉積物有機(jī)碳來(lái)源的區(qū)分[7， 35-37].

由于不同物源的同位素特征值有交疊的部分[43-44]，因此，還需借助有機(jī)物的 C ∶ N 比值來(lái)推測(cè)其主要來(lái)源. 已有研究表明，不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)具有不同的 C ∶ N 比值范圍：湖泊浮游植物的 C ∶ N 比值是5～10[44-45]；大多數(shù)細(xì)菌等微生物的 C ∶ N 比值在3～5之間[46]；陸地植物具有較高的 C ∶ N 比值，通常大于 20[44-45]；而土壤有機(jī)質(zhì)的 C ∶ N 比值范圍為 8～15[46]. 另外，湖周荒漠灌叢植物和表層土壤的平均C ∶ N值分別為22.1 和10[42]. 博斯騰湖表層沉積物C ∶ N 的變化范圍為4.8～8.5，平均值約為7.4，大致可以推斷出該湖表層沉積物有機(jī)碳是以湖泊內(nèi)源貢獻(xiàn)為主.

隨著有機(jī)化學(xué)分析中的色譜和色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展，使得生物標(biāo)志物被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者應(yīng)用于湖泊物源示蹤研究[8， 11， 35]. 其中，正構(gòu)烷烴是湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)的常見(jiàn)組分，較難被微生物降解，主要來(lái)自不同生物的類脂化合物，其碳數(shù)組成差異較大. 一般來(lái)說(shuō)，短鏈正構(gòu)烷烴(nC13～nC21)主要來(lái)源于光合作用的微生物和各種藻類，中等碳鏈長(zhǎng)度的正構(gòu)烷烴(nC21～nC25)主要來(lái)自沉水植物和漂浮植物，而長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴(nC25～nC35)主要源自陸生維管束高等植物和挺水植物[37， 47]. Meyers的研究指出正構(gòu)烷烴奇碳數(shù)分布優(yōu)勢(shì)主要與有機(jī)質(zhì)的來(lái)源有關(guān)，細(xì)菌和藻類等微生物主峰碳為C15或C17，呈單峰型分布[48]；苔蘚植物、漂浮植物和沉水植物等水生植物多以C21、C23、C25合成正構(gòu)烷烴[49]；而陸生高等植物和挺水植物主峰碳為C27、C29、C31，奇偶優(yōu)勢(shì)明顯且呈單峰型分布[50]. 因此，湖泊沉積物中以單峰型且低碳數(shù)為主峰反映出有機(jī)碳主要來(lái)自低等菌藻類；以單峰型、高碳數(shù)為主峰的正構(gòu)烷烴主要由陸生高等植物或挺水植物貢獻(xiàn)；而以雙峰型碳數(shù)分布則表明有機(jī)碳是混合來(lái)源[51-52]. 博斯騰湖表層沉積物正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍為nC13～nC35，全湖主峰碳以nC17和nC23為主，表明有機(jī)碳主要來(lái)自菌藻類、漂浮植物和沉水植物等.

綜上所述，博斯騰湖表層沉積物有機(jī)碳整體上以內(nèi)源貢獻(xiàn)為主，主要來(lái)自湖泊水體浮游生物. Wünnemann 等[53]發(fā)現(xiàn)博斯騰湖近百年來(lái)沉積物中存在大量的綠藻和硅藻等浮游植物殘?bào)w，這也印證了本研究的結(jié)果.

3.2 博斯騰湖表層沉積物有機(jī)碳內(nèi)、外源貢獻(xiàn)的空間差異性

博斯騰湖中不同湖區(qū)沉積物有機(jī)碳的內(nèi)、外源貢獻(xiàn)比例不同，而且空間差異較大. 正構(gòu)烷烴∑nC23-/∑nC25+指標(biāo)顯示湖泊西部水域內(nèi)源貢獻(xiàn)明顯高于外源，而西南河口區(qū)、東部湖區(qū)(偏南岸)陸源組分比例較高；Paq(<0.4)顯示在西部淺水沿岸帶及中心東部湖區(qū)(偏南岸)陸源貢獻(xiàn)及挺水植物貢獻(xiàn)較大，而中心西部湖區(qū)則以浮游植物貢獻(xiàn)為主，東部湖區(qū)以沉水植物和浮游植物為主(圖4). CPI和OEP在東部湖區(qū)和西北黃水溝水域數(shù)值較低，說(shuō)明上述區(qū)域有機(jī)質(zhì)在沉積過(guò)程中存在一定的后期改造過(guò)程.

根據(jù)博斯騰湖文獻(xiàn)調(diào)查資料[54]：挺水植物以蘆葦?shù)纳锪孔畲?，主要分布在黃水灣區(qū)和大湖西岸區(qū)；而水生植物分布最廣的種類是金魚藻(Ceratophyllumdemersum)，其次是狐尾藻(Myriophyllum)、菹草(Potamogetoncrispus)、眼子菜(Potamogeton)、大茨藻(Najasmarina)等，集中在河口區(qū)到黑水灣、黃水灣一帶和烏什塔拉漁場(chǎng)和縣科委實(shí)驗(yàn)站附近的北部、東部淺水區(qū)域；沿岸帶(1～2 m水深區(qū))和亞沿岸帶(5～6 m水深區(qū))也有沉水植物，而大湖湖中深水區(qū)無(wú)沉水植物. 參考上述湖泊調(diào)查資料，通過(guò)對(duì)δ13Corg值、C ∶ N和正構(gòu)烷烴空間分布特征的綜合對(duì)比研究，表明博斯騰湖湖泊主體水域表層沉積物有機(jī)碳主要為內(nèi)源貢獻(xiàn)，而東部近岸水域表層沉積物有機(jī)碳主要是為外源貢獻(xiàn)，中心湖泊東部和西部淺水區(qū)表層沉積物有機(jī)碳由外源和內(nèi)源共同貢獻(xiàn). 此外，西北黃水灣水域由于接納了流域內(nèi)大量有機(jī)污染物，湖泊水體已達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平，導(dǎo)致西北湖區(qū)有機(jī)碳來(lái)源比較復(fù)雜.

總體上，博斯騰湖表層沉積物中的有機(jī)碳主要來(lái)自湖泊內(nèi)部浮游生物的殘?bào)w，而陸源碎屑、挺水植物和沉水植物的貢獻(xiàn)空間差異較大. 一些研究表明，小而淺的湖泊有機(jī)碳外源貢獻(xiàn)較大，大而深的湖泊一般以內(nèi)源貢獻(xiàn)為主，有機(jī)碳主要來(lái)自水體的浮游生物[14-16]. 博斯騰湖作為中國(guó)內(nèi)陸最大的淡水湖，表層沉積物中有機(jī)碳以內(nèi)源為主，與世界很多面積較大的湖泊具有相似性. 這一現(xiàn)象在青藏高原湖區(qū)[10， 55]、長(zhǎng)江流域[56]和東北平原湖區(qū)[57]也較為常見(jiàn). 而不同區(qū)域湖泊表層沉積物的有機(jī)碳空間分布格局具有較大差異性，這主要與有機(jī)碳物源的供應(yīng)、沉積速率的改變、氧氣曝光時(shí)間的長(zhǎng)短、微生物活動(dòng)強(qiáng)弱等因素有關(guān)[58-59].

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Source characterization of organic carbon using elemental， isotopic and n-alkanes proxies in surface sediment from Lake Bosten， Xinjiang

YU Zhitong1，2，3， WANG Xiujun1， ZHAO Chengyi1& LAN Haiyan2

(1：StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology，XinjiangInstituteofEcologyandGeography，ChineseAcademyofSciences，Urumqi830011，P.R.China)

( 2：CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences，XinjiangUniversity，Urumqi830046，P.R.China)

( 3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Lake sediment is an important carbon reservoir thus plays a role in the terrestrial carbon cycle. However， little is known on the dynamics and sources of organic carbon in the lake surface sediment from northwest China. In this paper， we applied element analyses， isotopic and n-alkanes approach to study the sources of organic carbon in the Lake Bosten， the largest inland lake in Xinjiang. We found that there was some spatial variability in C ∶ N (4.8-8.5) and stable carbon isotopic composition in δ13Corgvalues (-26.7‰ to -24.1‰). The carbon numbers of n-alkanes ranged from C13 to C35， with the dominating compounds C17 and C23 in most samples. Further analyses showed that organic carbon in the surface sediments was generally from the autochthonous sources. There existed a relatively large spatial variability in contributions from different sources. According to the lake survey data and the spatial distribution characteristic of C ∶ N， δ13Corgand n-alkanes， we estimated that the organic carbon sources in the east near-shore lake area， central-east section and western shallow lake area， and the other lake parts were mainly attributable to allochthonous， autochthonous plus allochthonous， and autochthonous sources， respectively.

Lake Bosten； sources of organic carbon； C ∶ N； δ13Corg； n-alkanes

*中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技碳專項(xiàng)(XDA05020202)、中德合作項(xiàng)目(GZ867)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41403072)聯(lián)合資助. 2015-06-30收稿；2015-07-21收修改稿.于志同(1985～)，男，博士研究生；E-mail：yztgeo@ms.xjb.ac.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 983-990

DOI 10.18307/2015.0526

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：zcy@ms.xjb.ac.cn.