基于放射性同位素的雙龍庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽歷史重構(gòu)*

吳姍姍，楊 浩

(1 無(wú)錫開(kāi)放大學(xué)環(huán)境與藝術(shù)系，江蘇 無(wú)錫 214000；2 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

沉積物是水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要蓄積庫(kù)，在養(yǎng)分循環(huán)和富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中起著重要的作用。高分辨率的沉積物記錄了人類(lèi)活動(dòng)及自然活動(dòng)的演變過(guò)程。水庫(kù)作為半自然半人工的特殊水體，其水生生態(tài)系統(tǒng)、水動(dòng)力特征等均與普通湖泊存在較大差異[1]。近年來(lái)隨著昆明市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，滇池水質(zhì)惡化，富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重，水污染事件頻發(fā)[2-4]。雙龍水庫(kù)作為滇池下游的一座中小型水庫(kù)，其水體生態(tài)系統(tǒng)必然受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。因此，本文基于沉積柱營(yíng)養(yǎng)鹽，放射性同位素，解析沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽歷史演變，有機(jī)質(zhì)來(lái)源，探究了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)沉積環(huán)境的影響，為該流域生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

雙龍水庫(kù)位于中國(guó)云南省昆明市晉寧縣境內(nèi)，是云南省晉寧縣的重要水源地，屬于滇池流域。水庫(kù)建成于1956年，流域面積約66 km2，庫(kù)容為1.22×107m3，水庫(kù)水位年際變化為12～27 m。由于雙龍水庫(kù)開(kāi)發(fā)較早，受周邊人類(lèi)活動(dòng)影響較大，自建立后接受小流域內(nèi)徑流及其攜帶的大量碎屑泥沙，其生態(tài)環(huán)境受損較為嚴(yán)重，近年來(lái)水質(zhì)呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)[3-4]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

水庫(kù)以北，由于水流入庫(kù)區(qū)流速大，對(duì)沉積物擾動(dòng)嚴(yán)重，不符合沉積物柱狀樣采集條件。而水庫(kù)南部，流速小，沉積物擾動(dòng)輕微且上游物質(zhì)大部分在此沉積，底泥淤積豐富。因此選擇水庫(kù)南部作為主要采樣區(qū)域。于2012年7月進(jìn)行沉積物樣品的采集，采樣點(diǎn)及位置如圖1所示。樣點(diǎn)剖面深度為70 cm，采用分層采樣的方式，每層1 cm，共70層。分層樣品置于自封袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室-20 ℃保存待測(cè)。

圖1 雙龍水庫(kù)地理位置及采樣點(diǎn)位置

2.2 樣品分析方法

2.2.1 放射性核素測(cè)定

稱(chēng)取冷凍干燥，研磨過(guò)100目篩的樣品10±0.5 g，裝滿同一規(guī)格的塑料小罐中，蠟封20 d，使放射性核素處于永久衰變平衡體系，然后利用高純鍺γ譜儀(GWL-120-15，ORTEC，USA)進(jìn)行放射性核素(210Pb和137Cs)的測(cè)量，每個(gè)樣品的測(cè)量時(shí)間≥40000 s(實(shí)時(shí))。其中210Pbex的比活度為210Pb和226Ra的比活度的差值。210Pb和137Cs的比活度分別根據(jù)γ射線譜峰面積(46.5 keV，661.6 keV)獲得，而226Ra的比活度則由214Pb在351.9 keV處的γ射線譜峰面積求算得到[5]。

2.2.2 沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定

將冷凍干燥過(guò)的樣品，用瑪瑙研缽研磨過(guò)200目篩，用于沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽：總氮(TN)，總磷(TP)和總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定。TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀法，TP濃度采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨法[6-7]，TOC濃度使用島津TOC儀(TOC-LCSH，島津，日本)測(cè)定[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 放射性核素垂向分布特征及沉積年代

沉積物柱芯中放射性核素210Pbex和137Cs的比活度垂直分布如圖2所示。其中210Pbex比活度隨著深度增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且具有一定的負(fù)向指數(shù)擬合關(guān)系(R2=0.52)。由于研究區(qū)域受周?chē)祟?lèi)活動(dòng)影響較大，且沉積速率存在較大波動(dòng)，故采用CRS(穩(wěn)恒沉積通量)計(jì)年法來(lái)計(jì)算沉積柱芯的年代序列。CRS模式計(jì)年法的計(jì)算公式如下：

t=λ-1·ln(A0/Ax)

(1)

式中：t為沉積年代；A0為沉積柱芯中210Pbex的總累計(jì)輸入，Bq·cm-2；Ax為深度x以下各沉積層210Pbex的累計(jì)輸入總量，Bq·cm-2；λ為210Pb放射性衰變常數(shù)(λ=0.03114 a-1)。

本文利用CRS計(jì)算得到沉積柱年代序列以及雙龍庫(kù)區(qū)沉積速率隨深度的變化如圖2所示。同時(shí)137Cs于39 cm處出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的蓄積峰，推測(cè)為1964年。將該層沉積物柱芯作為1964年計(jì)年時(shí)標(biāo)，與利用210Pbex構(gòu)建庫(kù)區(qū)沉積物年代學(xué)序列一致。

沉積速率及其變化反映了區(qū)域自然因素和人類(lèi)活動(dòng)影響下，沉積環(huán)境的歷史變化。由圖2可以看出庫(kù)區(qū)近百年來(lái)沉積速率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升速度逐漸增加，平均沉積速率為0.36 g·cm-2·a-1。水庫(kù)建立前(～1956年)研究區(qū)域人為輸入較少，使得該階段初期沉積速率保持在較低的水平。1956年后，各類(lèi)人類(lèi)活動(dòng)的不斷加劇。上游滇池的涸湖、圍湖等行為，導(dǎo)致滇池流域土壤侵蝕嚴(yán)重。滇南小流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，加上養(yǎng)殖業(yè)也逐步展開(kāi)，水資源開(kāi)發(fā)過(guò)度，大量工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、養(yǎng)殖業(yè)排污等進(jìn)入水體，作為小流域內(nèi)接受徑流及其攜帶的碎屑泥沙及污染物質(zhì)的“匯”，雙龍水庫(kù)的沉積速率在此階段不斷增加。較為特殊的是，2003-2006年沉積速率出現(xiàn)了小幅的降低。根據(jù)調(diào)查顯示[9]，1999年我國(guó)提出“退耕還林還草”政策，2002年該工程全面鋪開(kāi)，滇池流域被列為重點(diǎn)整治區(qū)域之一，在植被恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境整治方面取得了一定的成效。泥沙的來(lái)源得到有效的控制，沉積速率也相應(yīng)有所降低。

圖2 S1雙龍水庫(kù)沉積物年代構(gòu)建與沉積速率分布

3.2 物營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布特征及分析

沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽(TN，TP和TOC)的濃度剖面分布特征如圖3(a)所示。根據(jù)研究結(jié)果可知TN與TOC含量剖面變化趨勢(shì)類(lèi)似，兩者具有良好的相關(guān)關(guān)系，均呈現(xiàn)隨深度增加而遞減的趨勢(shì)，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[10-14]。而沉積物TP剖面濃度變化較TN、TOC波動(dòng)更為劇烈，但整體上仍呈現(xiàn)隨深度遞減的趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算可知，雙龍水庫(kù)沉積柱芯中營(yíng)養(yǎng)鹽的累積通量年際變化較大，且具有相似的垂向變化趨勢(shì)，如圖3(b)所示。結(jié)合定年結(jié)果，營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度及沉積通量垂向分布可分為以下三個(gè)階段：第一階段：44～70 cm(1869-1955年)，該階段恰為雙龍水庫(kù)建成前，指示了人為擾動(dòng)較少的時(shí)期沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽情況。沉積通量較低且基本穩(wěn)定(<0.5 mg·cm2·a-1)。表明該階段以自然沉積為主，沉積物基本維持近自然狀態(tài)演化造成了該階段較低的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及沉積通量。第二階段：16～43 cm(1956-1999年)，沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽濃度不斷增加且濃度含量較為穩(wěn)定。同時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽沉積通量也呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。這與該時(shí)期研究區(qū)域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。20世紀(jì)60年代末，人類(lèi)于滇池小流域內(nèi)展開(kāi)大規(guī)模的圍湖造田和蠶食湖灣的活動(dòng)，加劇了土壤侵蝕的過(guò)程，致使大量營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)地表徑流、土壤侵蝕等途徑進(jìn)入湖泊水庫(kù)中，一定程度上增加了沉積物中碳氮營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度。第三階段：0～15 cm(2000-2010年)，此階段的TN，TOC，TP的沉積通量分別為20世紀(jì)50年代的沉積通量的約25倍，20倍和12倍。究其原因可歸納為兩個(gè)方面。首先，此階段沉積物屬于沉積物表層，多為水體、沉積物間物質(zhì)能量交換的介質(zhì)，大量植物碎屑?xì)報(bào)w集中于此，造成此階段沉積物碳氮濃度遠(yuǎn)高于其他階段。其次，驟增的流域人口、無(wú)法控制的人類(lèi)活動(dòng)及頻發(fā)的異常氣候均導(dǎo)致了雙龍庫(kù)區(qū)所在小流域植被覆蓋率的減少和土壤侵蝕的加劇，進(jìn)一步加速了水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化的演化。這些外源負(fù)荷的輸入造成了較高的表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽沉積通量。

圖3 (a) S1沉積物TN、TOC及TP濃度剖面變化； (b) TN、TOC及TP沉積通量剖面變化

3.3 基于C/N及穩(wěn)定性碳同位素的有機(jī)質(zhì)溯源

沉積物有機(jī)質(zhì)對(duì)環(huán)境污染物質(zhì)遷移、釋放等行為起著關(guān)鍵的作用，其源解析對(duì)流域污染防治有著指導(dǎo)作用。通常認(rèn)為T(mén)OC/TN是能夠有效辨析沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源的重要指標(biāo)。根據(jù)以往的研究結(jié)果顯示，來(lái)自底棲生物和細(xì)菌有機(jī)質(zhì)的C/N約為4.5，浮游動(dòng)物的C/N約5，來(lái)自藻類(lèi)的有機(jī)質(zhì)C/N值為3～8，水生無(wú)維管束植物碎屑的C/N值為4～10，維管束植物碎屑的C/N>20，而來(lái)自陸源高等植物的有機(jī)質(zhì)C/N值>20，陸生禾木科或莎草科植物的C/N比值可高達(dá)45～50[15-16]。當(dāng)沉積物中C/N值介于8～20時(shí)，認(rèn)為是受內(nèi)外源共同作用的影響。雙龍水庫(kù)沉積物C/N值變化范圍是4.39～9.57(圖4)，與我國(guó)大部分湖泊沉積物C/N值(6～14)基本一致[11,15]。說(shuō)明研究區(qū)域沉積物有機(jī)質(zhì)受到兩種物源的影響。建國(guó)前1867-1945年(51～70 cm)人類(lèi)活動(dòng)影響小，沉積環(huán)境基本維持自然狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)主要受內(nèi)源作用影響。隨著人類(lèi)生產(chǎn)生活活動(dòng)不斷加劇，外源輸入比例也不斷增加，C/N值也在波動(dòng)上升，至表層達(dá)到峰值9.57。沉積物有機(jī)質(zhì)輸入從內(nèi)源水生植物逐步演變?yōu)閮?nèi)外源共同作用。

圖4 沉積物C/N剖面變化

4 結(jié) 論

(1)利用CRS模型計(jì)算得到雙龍庫(kù)區(qū)沉積速率，平均值為0.47 g·cm-2·a-1，整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升速度經(jīng)歷由快變慢的過(guò)程。當(dāng)流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展昌盛，人口增加，沉積速率迅速增加；2002年大規(guī)模正式開(kāi)展退耕還林工程緩解了雙龍水庫(kù)泥沙淤積，使得沉積物率有所降低。

(2)沉積物中TN、TP和TOC濃度垂向變化趨勢(shì)相近，隨深度增加呈自上而下不斷減少。雙龍水庫(kù)建立前(1956年前)人為擾動(dòng)較少，沉積環(huán)境穩(wěn)定。20世紀(jì)60年代末隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇，大量工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)尾水和生活污水排入水體，造成了沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的富集，TN、TP和TOC濃度及沉積通量也隨之增長(zhǎng)，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇。

(3)綜合沉積物中C/N的變化范圍為4.42～12.05，指示了沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于藻類(lèi)，浮游動(dòng)植物。