貴州威寧草海濕地表層沉積物有機質(zhì)時空分布及其來源辨析

李林蔚，吳攀，曹星星*，楊詩笛，劉閃，廖家豪

（1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室，貴陽 550025）

濕地是水陸系統(tǒng)交互作用形成的具有特殊結(jié)構(gòu)的自然綜合體，是自然界三大生態(tài)系統(tǒng)之一。而巖溶濕地則是指以巖溶水為主要補給水源或主要分布在巖溶地區(qū)（包括地表、地下），具備巖溶地區(qū)特殊的高鈣偏堿性水土特征的內(nèi)陸濕地，由于受到特殊水文地質(zhì)的影響，其結(jié)構(gòu)和功能與其他類型的濕地差異較大。我國西南地區(qū)是典型的喀斯特巖溶地形地貌區(qū)，其獨特的地表地下雙重水系統(tǒng)及快速的水文變化過程使得該地區(qū)巖溶濕地生態(tài)環(huán)境復(fù)雜而脆弱，也因此受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。貴州威寧草海是我國最大的巖溶濕地湖泊，近幾十年來由于遭受城市生活污水及農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污水的污染，濕地面積大量萎縮，水環(huán)境和水功能下降明顯。

濕地沉積物是水體環(huán)境的重要組成部分，不僅能為濕地生物提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，還對濕地中污染物起著吸附沉降的作用，是各類污染物質(zhì)的“指示體”和“積蓄體”。研究沉積物有機質(zhì)的組成和分布特征對了解其在水環(huán)境中如何參與物質(zhì)循環(huán)至關(guān)重要，研究濕地沉積物中碳、氮元素及其同位素的特征有助于掌握水域營養(yǎng)狀況、水體初級生產(chǎn)力及物質(zhì)來源。通常濕地表層沉積物的有機質(zhì)來源分為內(nèi)源和外源，內(nèi)源一般來自動植物殘體、浮游生物及微生物等，外源主要來自于外排水中溶解態(tài)和顆粒態(tài)的有機質(zhì)等，其富集可能會造成濕地富營養(yǎng)化。對沉積物有機質(zhì)的含量、空間分布特征以及來源進行全面系統(tǒng)分析，對更深入了解沉積物在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的作用具有重要意義。

目前針對貴州草海自然保護區(qū)碳、氮等營養(yǎng)元素循環(huán)過程已開展相關(guān)研究工作并取得了一定成果。然而，對于表層沉積物有機質(zhì)空間分布特征及來源辨析尚不夠全面深入，且相關(guān)研究的樣點布設(shè)較少，采樣點位主要集中在湖心區(qū)域，呈線形條帶狀，且采樣時間多為一個季度，雖然進行了同季度分區(qū)域?qū)Ρ?，但是仍然缺少更詳細的時空參考性及不同類型的濕地/湖泊之間的對比。草海濕地面積遼闊，是重要的候鳥越冬遷移的停歇地，湖區(qū)水動力條件復(fù)雜，季節(jié)差異性大，近年來管理措施的逐步完善使得水環(huán)境得到改善，要全面反應(yīng)有機質(zhì)在草海中的空間分布情況，需要加強采樣點的空間布設(shè)、增加樣品的采集期數(shù)，同時在分析有機質(zhì)來源時進行定性和定量分析。基于此，本研究對草海全湖不同季節(jié)表層沉積物進行了樣品采集，以期揭示草海濕地表層沉積物總有機碳（TOC）和總氮（TN）的時空分布及碳同位素（δC）和氮同位素（δN）組成特征，定性和半定量地分析草海濕地有機質(zhì)的來源。研究結(jié)果可為草海濕地環(huán)境管理提供有效參考，亦可進一步豐富對巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草海屬國家級自然保護區(qū)，總規(guī)劃面積96 km，位于貴州省西部的威寧縣城西南角（26°47′~26°52′N，104°10′~104°20′E）。草海流域?qū)偕降嘏瘻貛駶櫦撅L(fēng)氣候，具有日照豐富、冬干夏濕等特點，年平均氣溫10.5℃，年均降水量950.9 mm，主要集中在下半年。由于受季節(jié)性降雨的影響，草海平水期水位為2 171.7 m，平均水深2.4 m，正常蓄水面積為25 km，相應(yīng)庫容為4 703.2萬m，而豐水期水位可達2 172.8 m，相應(yīng)水域面積達到29.85 km；枯水期水位則降至2 171.2 m，相應(yīng)水域面積縮小為15 km。草海地區(qū)貧困面廣、經(jīng)濟總量小，污水處理設(shè)備不足，草海內(nèi)污染物主要來自于周邊入湖的面源污染及周圍城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村的生活污水。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

本研究分別于2019年7月（豐水期）和2019年12月（枯水期）對保護區(qū)進行樣品采集，共設(shè)置25個點位（圖1），各采樣點使用GPS確定坐標和高程。使用沉積物采樣器分別采集10 cm以內(nèi)的表層沉積物樣品，裝入干凈的密封袋內(nèi)，避光低溫保存，帶回實驗室經(jīng)過冷凍干燥機干燥后，去除雜質(zhì)，過100目篩后存放于棕色聚乙烯瓶中密封保存。

圖1 草海采樣點分布圖Figure 1 Distribution of sampling sites of Caohai Lake

1.3 樣品分析方法

稱取過篩后的沉積物樣品0.5 g，置于50 mL離心管中，并加入0.5 mol·LHCl（優(yōu)級純）30 mL以去除無機碳酸鹽，期間每8 h搖動一次，浸泡24 h后，再用去離子水淋洗樣品直至濾液呈中性，并用AgNO溶液檢測樣品中是否有Cl殘留，然后將該樣品進行冷凍干燥。

采用元素分析儀（FLASH 2000HT，美國Thermo）和同位素質(zhì)譜儀（MAT253plus，美國Thermo）聯(lián)用系統(tǒng)對沉積物中有機碳/氮含量及其同位素組成進行測定，具體流程為：將預(yù)處理后的樣品用錫舟緊密包裹送入氧化爐中，在960℃的過氧環(huán)境下瞬間高溫燃燒，形成的碳、氮、氧各成分混合氣體在高純氦氣的運載下經(jīng)還原轉(zhuǎn)化成CO和N，燃燒產(chǎn)生的所有氣體在氦載氣流下帶入并通過分層充填CrO、還原銅和鍍銀CoO的氧化還原反應(yīng)管，氣體通過色譜柱（美國Thermo）將N和CO氣體分開后進入質(zhì)譜儀測試。計算公式為：

式中：=C/C或N/N，其中有機碳、氮同位素標準分別為VPDB和大氣中的氮，分析誤差小于0.02%。預(yù)處理及同位素分析測試工作分別在貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院及北京科薈測試技術(shù)有限公司完成。

有機質(zhì)來源的半定量分析，采用混合模型進行量化：

式中：δC為有機質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素構(gòu)成；sample代表樣品；為不同端元對應(yīng)的貢獻百分數(shù)；C/N為有機質(zhì)中碳、氮元素的含量比；淡水水生植物記為p；浮游藻類記為algae；土壤有機質(zhì)記為S。

1.4 數(shù)據(jù)分析

研究數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSSStatistics 20軟件進行處理及分析，所有數(shù)據(jù)均通過正態(tài)分布檢驗，采樣布點圖和數(shù)據(jù)分析圖采用ArcGIS 10.4和Origin 2018軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 草海濕地表層沉積物有機質(zhì)特征

2.1.1 表層沉積物TOC、TN時空分布特征

豐水期沉積物TOC含量變化范圍為3.75%~32.71%，平均值為14.34%；枯水期沉積物TOC含量變化范圍為1.26%~34.11%，平均值為12.46%；豐水期沉積物TN變化范圍為0.39%~2.90%，平均值為1.52%；枯水期TN變化范圍為0.18%~2.49%，平均值為1.12%。枯水期沉積物的TOC和TN含量略低于豐水期，這可能是由于豐水期降雨量大，外源含碳、氮物質(zhì)隨地表徑流進入濕地的量增多。TOC、TN在空間分布上表現(xiàn)為西南和湖心區(qū)域最高，東部和西北湖區(qū)較低（圖2和圖3）。由于西南湖區(qū)有大量的農(nóng)田，降雨時有機質(zhì)會隨陸源輸入沿地表徑流進入湖泊內(nèi)，使得總體上西南湖區(qū)的有機質(zhì)含量高于其他湖區(qū)；湖心的TOC、TN整體上變化不明顯，這是由于湖心距離兩岸較遠，生態(tài)系統(tǒng)保持較穩(wěn)定。

圖2 草海表層沉積物豐、枯水期TOC含量空間分布Figure 2 Spatial distribution of TOCcontent in Caohai Lake surface sediments during wet and dry seasons

圖3 草海表層沉積物豐、枯水期TN含量空間分布Figure 3 Spatial distribution of TNcontent in Caohai Lake surface sediments during wet and dry seasons

前人研究表明，沉積物中TOC、TN具有最低級別生態(tài)毒性效應(yīng)所對應(yīng)的含量為1%和0.055%，而草海濕地的平均TOC、TN含量超過限值的10倍，足夠引起嚴重級別的生態(tài)毒性效應(yīng)，對湖泊的生態(tài)水環(huán)境造成嚴重的威脅，說明草海濕地整體的初級生產(chǎn)水平較高，有機質(zhì)降解不夠徹底，同時部分地區(qū)還面臨富營養(yǎng)化風(fēng)險。

由表1可知，從2010年到2016年，草海濕地的TOC、TN含量有明顯的增加，這可能是由于當時的水處理設(shè)施較為落后，來自周圍農(nóng)村的生活污水直接排入濕地，使得有機質(zhì)受外源輸入影響增加；從2016年至今，由于流域環(huán)境管理措施逐漸完善，周圍的面源污染得到一定控制，因此由污染源輸入的有機物質(zhì)的量減小。

表1 草海不同時期TOC和TN的變化Table 1 Changes of TOCand TNin different periods of Caohai Lake

2.1.2 表層沉積物碳氮同位素時空分布特征

δC通常用來指示有機質(zhì)的來源及污染狀況，通常δC值越小說明污染越嚴重。草海濕地豐水期表層沉積物δC分布范圍在-2.55%~-1.97%，平均值為-2.23%；枯水期δC分布范圍在-2.75%~-1.96%，平均值為-2.35%。從圖4中可以看出，δC在空間分布上未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，說明有機質(zhì)來源組成差異性較小，同時東部湖區(qū)較其他湖區(qū)偏小，是因為東部湖區(qū)毗鄰縣城，污染物來源相對于其他區(qū)域較為復(fù)雜，沉水植物受破壞嚴重，導(dǎo)致草海東部成為全湖污染最嚴重的區(qū)域。由圖5可知，豐水期表層沉積物δN分布范圍為0.03%~0.37%，平均值為0.24%；枯水期δN分布范圍為0.10%~0.46%，平均值為0.30%?？菟诘摩腘比豐水期的高，這可能與豐水期大量降雨沖刷帶來無機氮存在于沉積物中，使其含量大于枯水期有關(guān)，因此豐水期有機氮同位素含量相對較小。

圖4 草海表層沉積物豐、枯水期δ13C組成空間分布Figure 4 Spatial distribution ofδ13Ccomposition of surface sedimentsin Caohai Lake during wet and dry seasons

圖5 草海表層沉積物豐、枯水期δ15N組成空間分布Figure 5 Spatial distribution ofδ15Ncomposition of surface sedimentsin Caohai Lake during wet and dry seasons

2.2 草海濕地表層沉積物有機質(zhì)來源分析

C/N在一定程度上可以用來指示有機質(zhì)的主要來源及營養(yǎng)成分的種類，不同的有機質(zhì)來源表現(xiàn)為C/N值的顯著差別，根據(jù)這一特性可以用C/N來判斷潛在輸入的有機質(zhì)來源，表征生態(tài)環(huán)境的演化過程。草海濕地豐水期表層沉積物的C/N變化范圍為6.35~13.73，平均值為9.24；枯水期表層沉積物的C/N變化范圍為6.95~13.68，平均值為10.06。C/N在時間上表現(xiàn)為枯水期大于豐水期，但是差異較小，說明沉積物中有機質(zhì)的來源較穩(wěn)定；空間分布上表現(xiàn)為西南和東部湖區(qū)高于西北湖區(qū)（圖6）。相關(guān)研究表明，當C/N>8時，通常認為有機質(zhì)既受陸源輸入影響，又受湖泊自身水環(huán)境的影響，屬于混合來源；當C/N<8時，認為有機質(zhì)來源以內(nèi)源為主。本研究中草海豐、枯水期分別有76%和80%的樣品點C/N>8，這表明有機質(zhì)應(yīng)屬于混合來源。

圖6 草海表層沉積物豐、枯水期C/N空間分布Figure 6 Spatial distribution of C/Nratioof surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons

現(xiàn)有研究中，C/N還可與δC一同用來區(qū)分湖泊中有機質(zhì)的起源。通常，湖泊沉積物的C/N隨時間的推移而下降，這是因為二氧化碳和甲烷作為降解產(chǎn)物被釋放，同時保留了氨以及微生物固定的氮。因此，有機質(zhì)來源應(yīng)結(jié)合C/N和δC共同進行識別。通常，水體中沉積物有機質(zhì)的來源主要分為兩大類：一是內(nèi)源有機質(zhì)，包括浮游生物、藻類、淡水水生植物等；二是外源有機質(zhì)，包括土壤有機質(zhì)、陸生C植物和C植物等。前人已經(jīng)對沉積物有機質(zhì)不同來源的C/N和δC含量變化范圍進行了詳細總結(jié)，例如典型藻類的C/N為4~10，而維管束陸生植物的C/N≥20。δC是判定有機質(zhì)來自湖泊植物或陸上植物更好的指標，來自典型陸地C植物的有機質(zhì)δC為-3.0%~-2.3%，平均值為-2.7%；而來自C植物有機質(zhì)的δC為-1.6%~-0.9%，平均值為-1.3%；浮游植物的δC為-2.4%和-1.7%，平均值為-2.1%；人類活動產(chǎn)生的污水的δC為-2.8%~-2.3%；土壤有機質(zhì)的δC為-2.6%~-2.2%。在本研究中，草海表層沉積物豐水期δC平均值為-2.23%，枯水期為-2.35%，沒有發(fā)現(xiàn)明顯季節(jié)性差異。結(jié)合C/N及δC含量初步判定草海濕地表層沉積物中有機質(zhì)的內(nèi)源以湖泊內(nèi)藻類物質(zhì)和淡水水生植物貢獻為主，外源主要來自土壤有機質(zhì)和陸生C植物的輸入。綜上，本文將端元物質(zhì)判定為4類，分別是浮游藻類、淡水水生植物、土壤有機質(zhì)、陸生C植物，將C/N和δC分布范圍繪制成四端元關(guān)系圖，通過圖7分析可知，草海濕地表層沉積物有機質(zhì)外源主要是土壤有機質(zhì)輸入，內(nèi)源以淡水水生植物為主要來源，浮游藻類貢獻次之。

圖7 草海表層沉積物豐、枯水期δ13C與C/N的端元關(guān)系圖Figure 7 End member relationship betweenδ13Cand C/Nof surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons

為量化每個端元的貢獻值以及分析草海表層沉積物有機質(zhì)的來源，本研究采用三端元混合模型進行半定量分析，該模型的原理是在形成沉積物的過程中C/N和δC遵循質(zhì)量守恒定律和保守性。根據(jù)前文分析將草海表層沉積物有機質(zhì)來源端元簡化確定為土壤有機質(zhì)、淡水水生植物及浮游藻類。將圖7中端元物質(zhì)分布范圍的平均值確定為3個端元的特征值進行模型計算，對應(yīng)的端元值分別為：（1）土壤有機質(zhì)，δC=-2.40%，C/N=10；（2）淡水水生植物，δC=-2.30%，C/N=20；（3）浮游藻類，δC=-2.70%，C/N=7。根據(jù)各采樣點表層沉積物的δC組成和C/N，結(jié)合上述端元值進行數(shù)值計算編制三元混合模型，得出3類端元對應(yīng)的貢獻率。豐水期沉積物有機質(zhì)中土壤有機質(zhì)的平均貢獻值為36.96%，淡水水生植物平均貢獻值為37.76%，浮游藻類的平均貢獻值為25.28%；而枯水期沉積物有機質(zhì)中土壤有機質(zhì)的平均貢獻值為32.26%，淡水水生植物平均貢獻值為42.31%，浮游藻類的平均貢獻值為25.43%。半定量分析進一步佐證了定性分析結(jié)果，草海濕地的沉積物有機質(zhì)來源是內(nèi)源與外源的結(jié)合，內(nèi)源貢獻的有機質(zhì)含量高于外源，反映出草海濕地內(nèi)沉水植物、挺水植物生長繁茂，自身的初級生產(chǎn)力較高。

2.3 與國內(nèi)其他湖泊沉積物有機質(zhì)來源對比

與國內(nèi)的其他湖泊相比（表2），草海濕地沉積物的TOC和TN含量比太湖、鄱陽湖、烏梁素海高出5倍以上，比同一流域背景下的紅楓湖和百花湖高出3倍左右。這一方面是由于濕地中大量生長的藻類和水生植物死亡后累積在沉積物的表層，相對厭氧的環(huán)境抑制了有機質(zhì)的降解，導(dǎo)致沉積物中有機碳、氮的蓄積量遠大于其他湖泊，間接表明草海濕地的初級生產(chǎn)力較高，濕地內(nèi)水生植被生長茂盛，且物種豐富，植物自身的光合呼吸作用、降解過程對有機質(zhì)的貢獻較大；另一方面也表明巖溶濕地由于受到巖溶水補給影響，巖溶地下水中豐富的無機碳可能對濕地水生植物生長具有施肥效應(yīng)，刺激著濕地內(nèi)植被的生長。此外，與藻型湖泊相比，大量生長茂盛的挺水植物、沉水植物等使得草型湖泊具有更高的初級生產(chǎn)力，因此其有機質(zhì)來源通常是以內(nèi)源生產(chǎn)為主，湖泊不同的地域環(huán)境可能會帶來一定量的陸源輸入；而藻型湖泊的有機質(zhì)一部分來自大量生長的各種藻類的降解作用，另一部分來自水中的浮游植物及周邊河流排水、陸地降雨的影響。同時，引起草型湖泊和藻型湖泊富營養(yǎng)化的一部分原因是內(nèi)源生產(chǎn)過量，因此可采取定期收割水生植物的措施來防止內(nèi)源污染物釋放，遏制湖泊富營養(yǎng)化的進程。

表2 草海表層沉積物相關(guān)數(shù)據(jù)與國內(nèi)部分湖泊對比Table 2 Comparison of surface sediment data of Caohai Lake with some lakes in China

3 結(jié)論

（1）草海濕地表層沉積物豐水期總有機碳（TOC）和總氮（TN）含量變化范圍分別為3.75%~32.71%和0.39%~2.90%，平均值分別為14.34%和1.52%；枯水期TOC、TN含量變化范圍分別為1.26%~34.11%和0.18%~2.49%，平均值分別為12.46%和1.12%。兩個水文期的TOC、TN含量在空間分布特征上都表現(xiàn)為西南和湖心區(qū)域大于東部和西北區(qū)域。

（2）草海濕地表層沉積物豐水期穩(wěn)定碳同位素（δC）和穩(wěn)定氮同位素（δN）分布范圍分別為-2.55%~-1.97%和0.03%~0.37%，平均值分別為-2.23%和0.24%；枯水期δC、δN分布范圍分別為-2.75%~-1.96%和0.10%~0.46%，平均值分別為-2.35%和0.30%。δC的空間分布特征表現(xiàn)為東部湖區(qū)較西部湖區(qū)明顯偏低，δN的時間分布特征表現(xiàn)為枯水期較豐水期高。

（3）端元混合模型對草海濕地表層沉積物來源的定性和半定量分析結(jié)果表明：草海濕地表層沉積物有機質(zhì)的來源可能是土壤有機質(zhì)、浮游藻類及淡水水生植物以一定比例的混合，其中來自內(nèi)源的有機質(zhì)貢獻大于來自外源的貢獻。