草海懸浮顆粒物和沉積物碳氮同位素特征及來源分析

朱正杰 李典鵬 駱文杰 忻 飛 卜弘毅 陸彩虹 傅海峰 安樹青*

(1 南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，南大(常熟)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215500；2 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院濕地生態(tài)研究所，江蘇 南京 210046)

碳氮穩(wěn)定同位素分析技術(shù)可揭示食物鏈和食物網(wǎng)的營養(yǎng)關(guān)系（Hansson et al., 2003; Hesslein et al., 1991），反映水體營養(yǎng)狀況及有機質(zhì)的物源等地球化學(xué)問題（Valiela et al., 2000；Vander et al., 2001）。湖泊有機碳同位素可指示水生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力變化和有機碳來源及其變化規(guī)律（季寧寧等, 2022）。氮同位素可示蹤有機質(zhì)來源，反映氮來源及指示相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程（吳豐昌等, 2010; 林琳等, 2012）。此外，碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)也被用于監(jiān)測受人類活動和污水影響的淺層水生生態(tài)系統(tǒng)的變化（肖化云等,2006; 周志華等, 2005; 2007）。碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為診斷湖泊水生態(tài)環(huán)境中有機質(zhì)來源的有效工具（郭慶軍等, 2015; 郭凱等, 2015; 梁越等,2014; 盧鳳云, 2011）。倪兆奎等（2011）通過運用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)和年代鑒定手段，探究了近百年太湖沉積物有機質(zhì)和氮的來源，其有機質(zhì)來源總體以自生為主。宋正城等（2019）通過采取草海優(yōu)勢生物類群和湖底沉積物樣品，研究草海生態(tài)系統(tǒng)中碳（δ13C）、氮（δ15N）同位素分布特征，確定各生物類群營養(yǎng)級別，建立完整的草海濕地食物鏈結(jié)構(gòu)。通過對2019年草海表層沉積物中總有機碳（TOC）和總氮（TN）的含量分布及δ13C、δ15N和C/N的分析，發(fā)現(xiàn)草海表層沉積物有機質(zhì)來自內(nèi)源的貢獻(xiàn)占大部分，主要來源為土壤、浮游藻類和水生植物（李林蔚, 2022）。

草海自然保護(hù)區(qū)是貴州省最大的高原天然淡水湖，因湖中沉水植物茂盛而稱草海，是我國特有高原鶴類黑頸鶴（Grus nigricollis）的主要越冬地之一。從2020年開始，草海沉水植被逐漸衰退消失，水體變渾濁，懸浮顆粒物激增，水體透明度整體在1 m以下，由健康的清水草型穩(wěn)態(tài)向退化的濁水藻型穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。草海水體懸浮顆粒物有機質(zhì)可能來自外源性的工業(yè)污染和城市廢棄物，也可能來自化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動，或者來自內(nèi)源性的沉積物再懸浮。本研究分析了貴州草海湖泊及入湖河流的表層沉積物和懸浮顆粒物樣品的δ13C、δ15N等，通過有機物特征，探討草海有機質(zhì)的來源，初步診斷草海水體渾濁的原因，以期為草海水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

草海位于貴州省威寧縣西南部(104°10′—104°20′E，26°47′—26°52′N)，屬于長江水系。供水主要來自降水和地下水。流域總面積96 km2，平均海拔2 172 m。草海是貴州省最大的天然淡水湖，水域面積25 km2，是中國三大高原湖泊之一，平均水深不超過1.5 m。草海地區(qū)年平均降水量1 000 mm，年平均日照時數(shù)1 805 h，年平均氣溫10.50℃，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候。草海濕地植物種類豐富，每年冬季，黑頸鶴、灰鶴（Grus grus）等近7萬只濕地鳥類在此過冬覓食，是西南地區(qū)候鳥過冬和休息的主要棲息地之一（Xia et al., 2021）。2016年草海水生植物共計28科40屬67種，以蘆葦（Phragmites australis）、野菱（Trapa maximowiczii）、眼子菜（Potamogeton distinctus）、穗狀狐尾藻（Myriophyllum spicstum）等為主。2022年采樣期間，所有采樣點均未發(fā)現(xiàn)水生植物。

1.2 樣品采集

2022年3月根據(jù)草海水域面積情況均勻布設(shè)采樣點，采集草海懸浮顆粒物及表層沉積物樣品，湖區(qū)內(nèi)設(shè)15個采集點（L1-L15），在萬下河、東山河、白馬河、大中河這4條入湖河流共計布設(shè)R1、R2、R3、R4采樣點，1個人工濕地尾水采樣點（W1）（圖1）。其中，采樣點L7、L12、L13、L14為西部；L2、L3、L5、L6為東南部，L1、L4、L10為北部，L8、L9、L11、L15為中部。自2018年開始，草海便實施一系列禁漁措施，以恢復(fù)草海生態(tài)系統(tǒng)；采樣期間天氣晴朗。共采集湖區(qū)水體懸浮顆粒物樣品15個，湖區(qū)、入湖河流及人工濕地的沉積物樣品20個。懸浮顆粒物采用取水器采水若干，隨后采用真空泵進(jìn)行過濾，通過0.75μm濾膜，懸浮顆粒物將在濾膜上富集，由于測定懸浮顆粒物需要1～2 g樣品，所以需多次過濾，直至樣品量足夠。表層沉積物采用抓斗式采泥器采集0～20 cm的表層沉積物，去除植物碎屑、碎石和貝殼等。草?；舅|(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 草?；A(chǔ)水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Caohai basic water quality index

圖1 水體懸浮顆粒物與沉積物采樣位點Fig. 1 Sampling sites of suspended matter and sediment

1.3 分析測試與數(shù)據(jù)分析

以Sercon Integra 2穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀，以Elemental micro-analysis LTD 3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)尿素為標(biāo)準(zhǔn)，測定3種尿素的碳氮同位素值，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，做出線性回歸。以此為準(zhǔn)，進(jìn)樣測定樣品中C的δ13CAIR。以IsoPrime100質(zhì)譜儀，使用IsoPrime100質(zhì)譜儀和Elemental micro-analysis LTD提供的4種尿素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測定碳氮同位素，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，做線性回歸分析。以此為準(zhǔn)，測定樣品中N的δ15NAIR值。采用 Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 26進(jìn)行單因素方差分析，Person相關(guān)性分析，運用Origin 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸浮顆粒物和沉積物中總碳和總氮含量

草海懸浮顆粒物總碳含量為8.93%～25.69%，平均值為17.03%；湖內(nèi)水體懸浮顆粒物總氮含量為0.95%～2.65%，平均值為1.78%；C/N范圍在7.61～11.58，平均值為9.64（表2）。湖西部采樣點L12、L13、L14的水體懸浮顆粒物總碳含量較低，平均值為10.09% ；總氮含量也較低，平均值為1.13%；湖東部及中部采樣點L2、L5、L6、L8的水體懸浮顆粒物總碳含量較高，平均值為23.96%；總氮含量也較高，平均值為2.54%。

沉積物總碳含量為8.68%～25.38%，平均值為16.62%；沉積物總氮含量為0.62%～2.34%，平均值為1.43%；C/N為10.09～15.43，平均值為12.08（表1）。湖西部采樣點L12、L13、L14的沉積物總碳含量較低，平均12.74%，總氮含量也較低，平均0.86%；湖東南部及中部采樣點L2、L3、L5、L6、L8、L9的沉積物總碳含量較高，平均為22.66%，總氮含量也較高，平均2.11%。萬下河、東山河、白馬河、大中河4條入湖河流沉積物的總碳含量分別為1.59%、2.28%、1.32%、6.86%，人工濕地尾水出水口沉積物總碳為4.11%，入湖河流中草海西部萬下河和東山河總碳含量較低，東部大中河和人工濕地尾水水口的沉積物總碳含量較高。

湖區(qū)沉積物C/N變化不大，為7.61～11.58，平均值為9.64；大中河沉積物C/N為22.64，高于湖區(qū)平均值。通常認(rèn)為，水生植物在顆粒物中的C/N為4～10。對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)來說，如果C/N大于8，則表明湖泊水體中的顆粒有機物主要來自陸源有機物；而如果C/N小于8，則意味著湖泊水體中的顆粒有機物主要來自內(nèi)源（張征, 2020）。草海水體懸浮顆粒物的C/N普遍大于8，可推斷草海懸浮顆粒物有機碳主要來源于陸源有機物。

2.2 懸浮顆粒物和沉積物中δ13C‰的空間變化

草海懸浮顆粒物δ13C為-25.34‰～-15.37‰，平均值為-19.31‰；沉積物δ13C為-24.49‰～-18.24‰，平均值為-19.72‰。萬下河、東山河、白馬河、大中河4條入湖河流沉積物δ13C分別為-23.87‰、-24.09‰、-25.71‰、-27.77‰，人工濕地尾水出水口沉積物δ13C為-26.28‰。湖東南部采樣點的水體懸浮顆粒物δ13C最低,為-21.32±0.95‰，顯著低于湖西部（-18.723±0.19‰，p＜0.05）、中部（-19.78±0.3‰，p＜0.05）、北部（-19.29±0.09‰，p＜0.05）（圖2）。湖東南部采樣點的沉積物δ13C（-23.62±0.69‰）最低，顯著低于湖西部（-17.26±0.7‰，p＜0.001）、中部（-19.04±0.57‰，p＜0.001）、北部（-17.53±0.48‰，p＜0.001）（圖3）。

圖2 草海懸浮顆粒物δ13CFig.2 δ13C of suspended solids in Caohai lake

圖3 草海入湖河流及湖區(qū)沉積物δ13CFig.3 δ13C of sediment from into-lake rivers and Caohai lake

δ13C能較好地反映在光合作用過程中的碳同化作用及碳源同位素的組成。一般認(rèn)為不同的物質(zhì)具有各自穩(wěn)定特定的δ13C信號，C3植物、C4植物、景天科植物、內(nèi)源有機質(zhì)、混合有機質(zhì)（陸源和水生來源混合體）的δ13C分別為-30‰～-20‰、-19‰～-9‰、-30‰～-10‰、-22‰～-19‰、-22‰～-16‰之間（Emerson, 1988；Fontugne, 1987；Louchouarn, 1999；Meyers, 2003）。草海水體懸浮顆粒物的δ13C除西北部外，東南部、中部、北部均處于內(nèi)源有機質(zhì)范圍內(nèi)，說明水體懸浮顆粒物碳的主要來源為水生植物、藻類、細(xì)菌及其他內(nèi)源生物（圖2）。草海湖區(qū)沉積物的δ13C除東南部外，均處于混合有機質(zhì)范圍內(nèi)，說明沉積物碳主要為陸源和水生來源混合體（圖3）。不同湖區(qū)采樣點的沉積物δ13C均顯著高于與入湖河流（-25.54±0.65‰，p＜0.001），表明草海湖區(qū)的碳來源與入湖河流相關(guān)性較低。

2.3 懸浮顆粒物和沉積物中δ15N的空間變化

草海懸浮顆粒物δ15N為0.50‰～3.54‰，平均值為2.14‰；沉積物δ15N為1.38‰～5.56‰，平均值為2.93‰。萬下河、東山河、白馬河、大中河4條入湖河流沉積物δ15N值為2.85‰、7.81‰、6.92‰、2.39‰，人工濕地尾水出水口沉積物δ15N為8.15‰。湖東南部采樣點的水體懸浮顆粒物δ15N最低1.37±0.25‰，顯著低于湖西部（2.97±0.23‰，p＜0.05）和北部（2.55±0.5‰，p＜0.05）與中部差異不顯著（1.76±0.33‰，p＞0.05）（圖4）。湖中部采樣點的沉積物δ15N（2.12±0.24‰）最低，顯著低于湖西部（3.61±0.21‰，p＜0.01）和北部（3.97±0.52‰，p＜0.05），與東南部差異不顯著（2.29±0.23‰，p＞0.05）（圖5）。入湖河流沉積物δ15N（5.62±1.11‰）顯著高于湖中部（p＜0.001）、東南部（p＜0.001）、西部（p＜0.01），與北部差異不顯著（p＞0.05）（圖5）。

圖4 草海懸浮顆粒物δ15NFig.4 δ15N of suspended solids in Caohai lake

圖5 草海入湖河流及湖泊沉積物δ15NFig.5 δ15N of sediment from into-lake rivers and Caohai lake

一般認(rèn)為不同來源的含氮物質(zhì)具有穩(wěn)定的δ15N信號，土壤流失氮、化肥、生活污水、沉積物硝態(tài)氮的δ15N分別為3‰～8‰、-4‰～4‰、10‰～20‰、0.2‰～0.8‰（Kendall等, 1998；Macko et al, 1994；Derse et al., 2007）。另有研究表明：陸源性有機質(zhì)的δ15N平均2.7‰，水源性有機質(zhì)的δ15N平均6.5‰（Herczeg et al.,2001; Andreas et al., 2003）。由圖4可知：草海西部和北部水體懸浮顆粒物的δ15N與陸源有機質(zhì)的δ15N接近，表明草海水體懸浮顆粒物氮為陸源性。草海湖區(qū)沉積物的δ15N（2.93‰）與懸顆粒浮物δ15N（2.14‰）均介于化肥δ15N范圍之間，表明沉積物與水體懸浮顆粒物氮的同源性，來源為農(nóng)業(yè)化肥流失。入湖河沉積物δ15N顯著高于湖區(qū)沉積物（北部除外），表明入湖河流氮源可能會對湖區(qū)沉積物氮產(chǎn)生影響。

3 討論

從空間分布來看，草海水體懸浮顆粒物與沉積物總碳、總氮含量主要體現(xiàn)在湖區(qū)西部低，湖區(qū)東部及中部較高的特征，原因可能在于威寧縣城、游船碼頭均位于湖區(qū)的東北角，城市生活污水排放等造成的污染。另外，可能由于草海湖區(qū)西南風(fēng)較多，導(dǎo)致藻類等顆粒物向中部和東部轉(zhuǎn)移。2019年草海就呈現(xiàn)出自東向西水體顆粒有機碳含量逐漸降低的趨勢，與本研究結(jié)果一致，主要原因推測為受藻類生物量控制，河流輸入和沉積物再懸浮也是重要來源（張征, 2020）。一般認(rèn)為C3植物的δ15N為3%～7%，C3類型植物降解土壤有機質(zhì)中δ15N為 0%～5%，水體中浮游植物的δ15N為-15%～20%。研究認(rèn)為懸浮顆粒物C/N為8～30，且δ15N大于7‰時，懸浮顆粒物中有機碳的主要來源為水生植物，若δ15N為-2‰～7‰，則主要來源為水生植物和土壤有機質(zhì)的混合物（Kendall et al., 2001）。本研究草海懸浮顆粒物C/N為8～30，懸浮顆粒物δ15N為0‰～5‰，主要來源可能為土壤有機質(zhì)，歸因于沉積物的再懸浮。2018—2019年草海中心水體顆粒有機質(zhì)δ15N偏負(fù)，近岸湖區(qū)δ15N偏正，可能是由于當(dāng)時湖區(qū)中心沉水植物生長旺盛，以水生植物為主的顆粒物導(dǎo)致（張征, 2020）。而本研究湖內(nèi)水體懸浮顆粒物δ15N全為正值，呈現(xiàn)湖區(qū)西部較低而中東部較高，沉積物也呈同樣趨勢，可能是水體渾濁后，由于東部河流的外源污染導(dǎo)致。有研究表明糞肥和化肥是流入河水中硝態(tài)氮的主要來源（Cao et al., 2021），與本研究的結(jié)果一致，主要通過草海東部的萬下河與大中河匯入；因此，應(yīng)加強對農(nóng)田化肥的科學(xué)使用以及對生活污水的處理，以保障草海水質(zhì)。2019年草海枯水期水體顆粒物的來源分別為沉積物38%、土壤有機質(zhì)14%、沉水植物17%、挺水植物20%、糞便污水12%（張征, 2020）。草海水體氮形態(tài)分布的季節(jié)性差異主要受水環(huán)境變化、外源氮輸入以及內(nèi)源氮釋放的共同影響，入湖河流的污染控制，湖內(nèi)沉積物氮素的釋放均是主要因素（楊詩笛等, 2021），與本研究結(jié)果較為一致。此外，草海水位的上升會抑制氮的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)沉積物中氮的積累，并增加氮的釋放風(fēng)險（吳勝利等,2019），因此，對于被淹沒的農(nóng)田污染問題應(yīng)引起高度重視。

4 結(jié)論

1）草海水體懸浮顆粒物與沉積物總碳、總氮含量主要呈現(xiàn)西部湖區(qū)低，中部及東部湖區(qū)較高的特征，可能由于湖區(qū)的東北角的威寧縣城造成的城市生活污染。

2）草海水體懸浮顆粒物的C/N為8～30，δ15N為0‰～5‰，表明水體顆粒物主要來源于土壤有機質(zhì)，歸因于沉積物的再懸浮的作用。

3）草海水體懸浮顆粒物的δ13C處于內(nèi)源有機質(zhì)范圍內(nèi)，說明水體懸浮顆粒物碳為內(nèi)源性，來源包括水生植物、藻類、細(xì)菌及其他內(nèi)源生物。湖區(qū)沉積物δ13C均處于混合有機質(zhì)范圍內(nèi)，說明沉積物碳主要為陸源和水生來源混合體。

4）草海水體懸浮顆粒物與沉積物的δ15N均介于人工合成肥料范圍之間，表明水體懸浮顆粒物與沉積物氮的同源性，來源為農(nóng)業(yè)化肥流失。入湖河流沉積物δ15N與北部湖區(qū)無顯著差異，顯著高于其他湖區(qū)，表明北部湖區(qū)可能受入湖河流氮源影響較大。