大屯海和長橋海表層沉積物粒度和營養(yǎng)鹽分布特征*

張龍吳 張虎才 角媛梅# 李 婷 段立曾

(1.云南師范大學地理學部,云南 昆明650500;2.云南大學生態(tài)與環(huán)境學院,高原湖泊生態(tài)與治理研究院,云南 昆明650500)

湖泊沉積物是湖泊營養(yǎng)鹽的重要儲存庫,沉積物中營養(yǎng)元素對水體生態(tài)環(huán)境具有重要的指示意義,表層沉積物營養(yǎng)鹽對上覆水體的“源/匯”效應(yīng),影響著整個水體的營養(yǎng)鹽循環(huán)[1-2]。沉積物粒度是一個重要的物理參數(shù),能夠很好反映湖泊水動力狀況[3]346,而湖泊水動力狀況直接或間接影響著沉積物的化學組成和礦物組成,對沉積物吸附和釋放營養(yǎng)鹽的能力有重要影響[4]151,湖泊沉積物在富營養(yǎng)化湖區(qū)充當湖泊環(huán)境氮的緩沖體[5],在某些條件下,湖泊沉積物中的營養(yǎng)鹽含量和賦存形式可能成為湖泊富營養(yǎng)化的主導因素[6]。不同地區(qū)湖泊沉積物營養(yǎng)鹽和粒度的變化規(guī)律存在差異:杞麓湖和巢湖的營養(yǎng)鹽與營養(yǎng)化水平基本相符,而瀘沽湖、程海和青海湖等沉積物中的營養(yǎng)鹽與營養(yǎng)化水平無明顯相關(guān)性[7]2396。巢湖沉積物營養(yǎng)鹽和粒度的相關(guān)分析表明,總有機碳(TOC)與總氮(TN)之間具有明顯的正相關(guān)性,說明該湖泊中氮主要以有機物的形態(tài)存在;其中TN、總磷(TP)與無機磷(IP)之間也表現(xiàn)明顯的正相關(guān)性,說明沉積物中氮源和磷源之間存在著一定的同源性[4]153。洱海表層沉積物營養(yǎng)鹽與粒度分布的相互關(guān)系顯示,湖泊深水靜水區(qū)沉積物TP與黏土組分呈正相關(guān),淺水湖區(qū)沉積物中TN、TOC、氨氮和殘留磷富集也與粉砂組分呈正相關(guān)[3]347。

隨著流域內(nèi)人類活動強度日益增加,湖泊水質(zhì)不斷惡化,已成為生態(tài)環(huán)境問題研究的熱點地區(qū)之一[4]148。云南高原湖泊對于人類生產(chǎn)生活發(fā)揮著重要的作用,近年來,由于流域內(nèi)人口集中,經(jīng)濟活動頻繁,造成了嚴重的水生態(tài)環(huán)境問題,制約區(qū)域社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。因此,研究湖泊沉積物營養(yǎng)鹽分布特征及其與粒度關(guān)系對于揭示湖泊沉積物生物地球化學循環(huán)過程具有重要作用。以往在蒙自盆地兩大淺水湖泊——大屯海和長橋海開展的相關(guān)研究主要集中在周邊工農(nóng)業(yè)發(fā)展對湖泊生物和生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響[8-9],而對湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽及其環(huán)境意義的研究相對較少?；诖?本研究選擇大屯海和長橋海這兩大淺水湖泊,探討湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽和粒度分布特征及兩者的關(guān)系,研究結(jié)果將對深入了解湖泊沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)進程有重要意義。

1 研究區(qū)概況

蒙自盆地位于滇南地區(qū),其內(nèi)分布有多個湖泊,其中最大的為大屯海和長橋海;盆地四周有山體圍繞,海拔介于1 300~1 700 m;東部山脈海拔介于1 700~2 239 m;南部山脈海拔介于1 700~2 502 m;盆地底部為碳酸鹽巖地層[10]。蒙自盆地處于印度洋季風和東亞季風交匯區(qū)域,屬山地亞熱帶季風氣候,全年氣溫高于0 ℃,年平均氣溫18.7 ℃,年平均降雨量817.5 mm。

大屯海和長橋海屬于珠江流域南盤江水系,湖泊水源主要來自于南部的南溪河,通過工農(nóng)大溝引入沙拉河、沙甸河和新溝河,最后注入兩個湖區(qū),經(jīng)出湖口匯入瀘江后注入南盤江,主要靠降水和地表徑流補給。氣候變化和人類活動使得湖泊幾次干涸,經(jīng)過多年來的水體整治和工程建設(shè),大屯海成為了一個水庫型湖泊[11-12],其東側(cè)毗鄰長橋海,湖面類似長方形,北側(cè)水體受人類影響嚴重,西部和南部是重要的工業(yè)園區(qū)。長橋海位于蒙自市區(qū)北側(cè)約6 km 處,是蒙自城市生活和生產(chǎn)的主要水源。大屯海和長橋海相關(guān)信息匯總于表1。

2 材料與方法

2.1 湖泊樣品采集

2018年3月,開展了大屯海和長橋海湖泊水體和沉積物的野外采樣工作。根據(jù)湖泊的形態(tài)特征和水深分布等因素,在大屯海和長橋海各布設(shè)31、34個點位(見圖1),以確保點位覆蓋全湖;利用HTH重力采樣器在兩個湖泊中多個位置提取20~40 cm的鉆孔,分析鉆孔表層1 cm 的樣品作為表層沉積物;選取大屯海4個點和長橋海5個點采集水樣,以便分析水質(zhì)的TP 和TN。把表層沉積物樣品取回實驗室后,通過離心法獲取間隙水,具體方法:將取回的沉積物放入離心管中,蓋緊蓋子,從氮氣箱中拿出,以5 000 r/min離心20 min,離心后在氮氣箱中過濾上清液,制得沉積物間隙水。

2.2 樣品測定方法

湖泊表層沉積物粒度采用全樣粒度分析方法[13],以Master-sizer 2000 激光粒度儀進行測定;TOC和TN 采用快速燃燒法[14],以MAT 253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用Flash EA 元素分析儀測定;湖泊沉積物間隙水TP和TN 參考文獻[15]測定,TN使用堿性過硫酸鉀消解/紫外分光光度法測定,TP使用過硫酸鉀消解/鉬銻抗顯色分光光度法測定。

3 結(jié) 果

表1 研究區(qū)湖泊信息

圖1 大屯海和長橋海水深分布及點位布局

圖2 大屯海表層沉積物中C1、C2和C3空間分布

3.1 湖泊表層沉積物粒度空間分布特征

根據(jù)Udden-Wentworth分類方法,將湖泊表層沉積物粒度劃分為3個主要組分,分別為黏土(記為C1,粒徑小于4μm)、粉砂(記為C2,粒徑介于4~63μm)和砂(記為C3,粒徑大于63μm),以便解釋研究區(qū)表層沉積物粒度環(huán)境意義[16-17]。

由圖2可以看出:大屯海表層沉積物中C1主要富集在北部深水靜水區(qū),整體分布不均勻,最高值出現(xiàn)在湖區(qū)東北部,北部和西部分布著兩個高值區(qū),而中部則圍繞小島成低值區(qū);C2分布呈現(xiàn)為南北高中部低,最高值在湖區(qū)北部,湖區(qū)南部也存在較高值,該區(qū)域受湖泊水動力及人類活動的作用較強,最低值出現(xiàn)在湖區(qū)中部;C3整體呈同心圓狀空間分布(湖心向四周遞減),主要富集在湖區(qū)中部,最高值位于湖心,東南部新溝河入湖口處含量較高,呈現(xiàn)扇形,與曾海鰲等[18]在太湖河口的研究結(jié)論一致,湖區(qū)北部和西南部屬于低值區(qū),最低值位于湖區(qū)西北部。

由圖3可以看出:長橋海表層沉積物中C1主要分布在湖區(qū)西北部,最高值出現(xiàn)在西北部錐形口處,最低值出現(xiàn)在湖區(qū)東南部,湖區(qū)中北部、西南沿岸及沙拉河入湖口處存在低值區(qū);C2主要富集在湖區(qū)東南部入湖口和西北端出湖口,整體分布不均勻,最高值出現(xiàn)在湖區(qū)東南部,最低值位于湖區(qū)西北部錐形口偏中部區(qū)域;C3主要富集在湖區(qū)北部和西北部錐形口處,湖區(qū)C3含量整體偏低。相比大屯海,長橋海較深,儲水量多,細顆粒含量相對較高,粗顆粒含量則相對較低。

圖3 長橋海表層沉積物中C1、C2和C3空間分布

圖4 湖泊表層沉積物M z空間分布

表2 湖泊表層沉積物粒度統(tǒng)計

平均粒徑(Mz)能夠充分反映沉積物粒度分布聚集趨勢,是衡量沉積物顆粒平均尺寸的指標,能夠很好地解釋湖泊水動力狀況[19-20];Mz可以用來指示源區(qū),Mz越大,離源區(qū)越近[21-22]。大屯海粗顆粒主要富集在湖區(qū)中北部島嶼周圍和東南端河流入湖口處,此區(qū)域Mz大于65μm;長橋海粗顆粒主要富集在湖區(qū)中北部和西北端錐形口,此區(qū)域存在Mz大于11μm 的高值區(qū)(見圖4)。研究區(qū)湖泊沉積物Mz與C3空間分布特征具有相似性。

研究區(qū)表層沉積物以C2和C1為主,其中C2為研究區(qū)的優(yōu)勢粒度,在大屯海表層沉積物中平均占54.40%,在長橋海表層沉積物中平均占53.56%(見表2)。

3.2 湖泊表層沉積物間隙水TP 和TN 空間分布特征

由圖5(a)和圖5(b)可以看出:大屯海表層沉積物間隙水TP含量表現(xiàn)為湖區(qū)南部高于北部,最高值位于西南部,最低值位于湖泊的東北部;長橋海表層沉積物間隙水TP 最高值出現(xiàn)在湖區(qū)的西北部,并在此區(qū)域形成高值區(qū),并以此為中心向東南方向遞減,此外仁厚村附近出現(xiàn)TP較高的區(qū)域,其余位置TP含量偏低。

由圖5(c)和圖5(d)可以看出:大屯海表層沉積物間隙水TN 最高值分布在湖區(qū)西南部,總體南部高于北部;長橋海表層沉積物間隙水TN 整體低于大屯海,仁厚村附近出現(xiàn)高值區(qū),成團塊狀分布,湖區(qū)南部沙甸河入湖口以及錐形口北岸TN 含量較高,湖區(qū)東南部沙拉河入湖口和北部存在低值區(qū)。

圖5 大屯海和長橋海表層沉積物間隙水TP和TN空間變化

3.3 湖泊表層沉積物營養(yǎng)鹽空間分布特征

由圖6可以看出,湖泊表層沉積物TN 和TOC分布特征具有相似的變化趨勢,且整體上為同心圓狀的空間分布特征。大屯海表層沉積物TN 介于0.21%~0.81%,平均值為0.50%,最高值位于湖心區(qū)域,而最低值位于北部;長橋海TN 介于0.01%~0.53%,平均值為0.28%,最高值分布在西南部,最低值出現(xiàn)在西北部錐形口附近。

大屯海表層沉積物TOC 介于1.91%~8.78%,平均值為5.09% ;長橋海表層沉積物TOC 介于0.17%~4.70%,平均值為2.83%。

4 討 論

4.1 湖泊表層沉積物粒度環(huán)境指示意義

湖泊沉積物粒度空間分布特征跟流域內(nèi)沉積物源和沉積環(huán)境有關(guān)。沉積環(huán)境水動力特征是影響沉積物顆粒分布的重要因素,與其他環(huán)境要素(如水草分布和島嶼位置等因素)綜合作用最終決定了不同區(qū)域的沉積物類型。大屯海表層沉積物細顆粒北部高于南部,這與湖流帶動泥沙運移軌跡有關(guān)。蒙自盆地常年盛行南風和東南風,大屯海入湖口在南部而出湖口在北部,湖流與盛行風向基本吻合,湖流在運移的過程中,將淺水湖泊底泥擾動,來源于湖區(qū)南部及東南部的細顆粒在湖流的作用下懸移至大屯海北部并沉積下來。湖區(qū)中部和東南部入湖口粗顆粒較多,這是由于湖中有島嶼,靠近物源區(qū),受人類活動影響較強;且東南部河流是湖區(qū)主要水源,新溝河搬運帶來大量的粗顆粒物質(zhì)。C2是研究區(qū)表層沉積物的優(yōu)勢粒度,主要分布在南部和北部,反映出水動力強。

長橋海C1整體呈東南向西北逐漸遞增的趨勢,這與河流注入、湖流方向和湖水外流產(chǎn)生定向水流等因素有關(guān)。東南部的沙拉河和沙甸河給湖區(qū)注入了大量水源,豐水期時通過西北部的永豐渠流出,因此,粗顆粒主要出現(xiàn)在入湖口和出湖口。湖區(qū)北部發(fā)現(xiàn)大量的粗顆粒,此區(qū)域靠近北岸村莊,是村寨排水的主要入口;研究區(qū)湖泊屬于典型的城市淺水型湖泊,湖泊流域人口密集,表層沉積物粒度受到人類活動影響較大,分布特征與深水湖泊相比存在明顯差異。

圖6 大屯海和長橋海表層沉積物TN和TOC空間分布

Mz與C3含量空間分布特征基本吻合,表明研究區(qū)沉積物粒度分布受控于C3分布的影響[23],大屯海Mz大于長橋海,說明大屯海湖區(qū)粗顆粒物質(zhì)沉積較多,而長橋海較少,這與外圍人類活動、湖泊走向和深度有關(guān)[24]。大屯海湖泊水位淺且外圍村鎮(zhèn)密布,人類活動影響較大;長橋海湖泊水位深,儲水量多,受人類活動的影響小,所以湖區(qū)表層沉積物細顆粒物質(zhì)較多。

4.2 湖泊水體TP和TN 環(huán)境指示意義

大屯海表層沉積物間隙水TP在湖泊中央深水區(qū)出現(xiàn)高值區(qū),其深度大于2.4 m,最高值出現(xiàn)在湖區(qū)西南部。TN 與TP 分布特征大致相似,在湖區(qū)西南部和新溝河入湖口出現(xiàn)高值區(qū)。長橋海表層沉積物間隙水TP 和TN 于西北部錐形口出現(xiàn)最高值,這與湖泊深度密切相關(guān);此外,仁厚村附近出現(xiàn)高值區(qū),初步斷定這與流域內(nèi)人類活動有關(guān)。

據(jù)紅河州水資源公報顯示,大屯海2005年水質(zhì)綜合評價為Ⅳ類,為中度污染,而2013、2015 和2018年水質(zhì)為Ⅴ類,為重度污染;長橋海2000年水質(zhì)綜合評價為Ⅲ類,為輕度污染,2015和2018年水質(zhì)為Ⅴ類,為重度污染。蒙自盆地兩大淺水湖泊水質(zhì)污染日趨嚴重,且大屯海湖區(qū)TP(0.23~0.27 mg/L,平均值0.24 mg/L)高于長橋海(0.07~0.12 mg/L,平均值0.09 mg/L)。大屯海流域內(nèi)人口密度大,工農(nóng)業(yè)設(shè)施集中,大量的生產(chǎn)和生活污水注入湖區(qū),大屯海湖泊旅游、河口圍墾和修筑堤壩等人類活動也會對湖泊和流域生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響。其中TP 和TN 高值區(qū)在河流入湖口和村莊附近,說明對外源河流輸入的控制是改善湖泊生態(tài)環(huán)境的主要任務(wù)[25]。

4.3 湖泊表層沉積物粒度和營養(yǎng)鹽相關(guān)性及其指示意義

湖泊沉積物粒徑差異使其化學元素產(chǎn)生差異,粗顆粒即使在強烈的環(huán)境變化時也不易破碎使氮溶出,只有顆粒外層的氮或湖水中自生細顆粒中的氮才能充分參與循環(huán)[26-29]。一般在深水湖中細顆粒吸附營養(yǎng)鹽能力大于粗顆粒,細顆粒占比較高的湖區(qū)污染程度也相應(yīng)較高;但在水動力較大的淺水湖區(qū),污染程度與顆粒較粗的C2和C3占比的關(guān)系更為緊密[7]2395。

選擇粒徑最小與最大的C1與C3分別研究其與TN、TOC的關(guān)系,由圖7可以看出:大屯海表層沉積物TN 與C1呈負相關(guān)關(guān)系(R=-0.15),與C3呈正相關(guān)關(guān)系(R=0.32);TOC 與C1呈負相關(guān)關(guān)系(R=-0.27),與C3 呈正相關(guān)關(guān)系(R=0.44)。相比之下,長橋海表層沉積物營養(yǎng)鹽與顆粒組分的相關(guān)性較弱。大屯海屬于小型淺水湖泊,表層沉積物中TN、TOC與C3呈正相關(guān),進而說明氮素與水動力存在相關(guān)性。大屯海表層沉積物TN 和TOC富集在湖心,以此為高值中心逐漸向四周遞減,C3分布與TN 和TOC具有相同的趨勢,因此C3含量越高的湖區(qū),營養(yǎng)鹽越集中,形成類似于同心圓狀的分布特征[30]。入湖口和出湖口分布在南部和北部,此區(qū)域水動力相對較強,湖心水域水動力較弱。長橋海TN 和TOC 也富集在湖中央,分布趨勢與大屯海相似,受控于沉積物分布和水動力的狀況,營養(yǎng)鹽隨著流水搬運從湖盆四周匯集到湖中心。湖心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。研究區(qū)作為典型的城市淺水型湖泊,TN 和TOC富集在遠岸深水至較深水的湖心靜水區(qū),在氣候變化和湖底擾動等條件下會釋放到湖泊中造成二次污染,表層沉積物是大屯海和長橋海富營養(yǎng)化的潛在內(nèi)源[3]347。

圖7 大屯海表層沉積物TN、TOC分別與C1、C3的線性關(guān)系

圖8 大屯海和長橋海表層沉積物TOC和TN線性關(guān)系

由圖8可知:研究區(qū)表層沉積物TOC與TN 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.95,P＜0.01),表明表層沉積物中氮主要以有機氮的形式存在。氮是影響湖泊富營養(yǎng)化進程的重要營養(yǎng)物質(zhì),在湖泊環(huán)境演化過程中,氮同位素會在湖泊沉積物有機質(zhì)中保存并固定下來,所以根據(jù)湖泊TN 變化的趨勢,可以分析湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽輸入、歷史變化、流域氣候和水化學條件等[31-32]。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)湖泊表層沉積物粒度分布特征與深水湖泊存在明顯差異,蒙自盆地位于滇南城市核心區(qū),流域內(nèi)人類活動活躍,C2是研究區(qū)的優(yōu)勢粒度,主要分布在南部和北部,能夠充分反映研究湖區(qū)水動力狀況。研究區(qū)北部細顆粒沉積與湖泊常年盛行的湖流有關(guān)。

(2)大屯海表層沉積物TN、TOC均與C1呈負相關(guān),與C3呈正相關(guān);長橋海表層沉積物TN、TOC與顆粒組分的相關(guān)性較弱。大屯海表層沉積物TN和TOC 分別介于0.21% ~0.81%、1.91%~8.78%,平均值分別為0.50%、5.09%;長橋海TN和TOC分別為0.01%~0.53%、0.17%~4.70%,平均值分別為0.28%、2.83%。研究區(qū)湖泊屬于水動力強的淺水型湖泊,TN 和TOC 分布受C3和水動力分布的影響,主要富集在湖心靜水區(qū),形成類似于同心圓狀空間分布特征,表層沉積物是湖區(qū)富營養(yǎng)化的潛在內(nèi)源。

(3)研究區(qū)表層沉積物TOC 與TN 呈顯著相關(guān),表明表層沉積物中氮主要以有機氮的形式存在。

(致謝:胡京九、田洋洋和馮仡哲在野外工作中給予很大幫助,蔡萌、陳楊、劉柏妤和賀柳青參與了室內(nèi)實驗樣品分析,張曉明教授和張曉楠博士對論文提出修改意見,在此一并致謝!)