香溪河沉積物中碳·氮元素分布特征

胡 俊，沈 強，李嗣新，胡菊香

(水利部中國科學院水工程生態研究所，水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室，湖北武漢 430079)

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香溪河沉積物中碳·氮元素分布特征

胡 俊，沈 強，李嗣新，胡菊香

(水利部中國科學院水工程生態研究所，水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室，湖北武漢 430079)

[目的]研究靠近三峽大壩的第一大支流香溪河沉積物中碳氮元素分布特征。[方法]以三峽水庫典型支流香溪河入河口河段為對象，于2015年春季開展了柱狀沉積物采樣調查，初步研究了該區域碳、氮等生源要素的分布特征。[結果]調查河段沉積物總碳含量為1.74%～3.52%，總氮含量為0.10%～0.30%。總碳含量的沿程變化表現為靠近河口的沉積物中總碳平均含量低于上游，深度變化是靠近河口采樣點的表層沉積物中總碳含量顯著高于底層。而總氮含量的沿程變化和深度變化沒有總碳變化明顯。δ13C值隨深度的增加而增加，靠近河口的沉積物中δ13C值小于上游采樣點。[結論]該研究為認識香溪河沉積物中生源要素的分布特征及水生生態系統的演變過程提供了科學依據。

沉積物；碳；氮；同位素；香溪河

香溪河作為三峽水庫靠近三峽大壩的第一大支流，其生態環境狀況對三峽水庫水質有著直接影響。由于三峽成庫后庫區水位提高、水流減緩、水體擴散能力減弱、庫灣和支流污染物的滯留時間延長，致使回水區庫灣污染加重，局部水域出現富營養化現象。自三峽水庫蓄水以來，香溪河幾乎每年春季都不同程度地暴發甲藻和硅藻水華，夏季也時常暴發藍綠藻水華[1-2]。除了外源性污染須進一步加強管理控制外，內源性負荷更值得關注。研究表明，湖泊沉積物中碳、氮、磷等生源要素的分布特征與湖泊內源負荷有著直接關系[3-4]。因而，研究沉積物中碳、氮等生源要素的含量對闡明水體生源要素的循環、轉移和積累的過程，評估水體內源二次污染風險及控制“內負荷”方面都具有重要意義。

在沉積物研究中，表層沉積物與水體直接交換，是沉積物中最為敏感的部分，而研究沉積物中生源要素的垂向分布更有助于深入分析水體污染來源特征。此外，隨著穩定同位素技術的發展，碳、氮穩定同位素技術已廣泛用于水生環境[5-6]，尤其是有機質碳、氮同位素記錄在湖泊環境演化及富營養化過程示蹤方面具有重要作用[7-8]。目前，我國針對湖泊和水庫沉積物生源要素的調查研究較多，而在河流等流水水體中，更多研究關注河流懸浮游中的生源要素輸移等過程，針對河流沉積物的研究較少。考慮到香溪河下游河段尤其是回水區域由于受到水庫調度的影響，水體處于湖泊-河流兩種狀態交替之中，開展香溪河沉積物中生源要素的調查，有助于了解該區域的碳、氮元素分布特征過程，從而可以更好地認識香溪河口水體富營養化。筆者以香溪河入庫河口河段為研究對象，調查和研究該河段沉積物的碳氮等生源要素分布特征，以期為該河段的水體治理提供科學依據。

1　材料與方法

1.1樣品的采集與分析樣品采集于2015年5月，從香溪河峽口大橋至入庫河口沿程布設峽口鎮(采樣點S3，110.79° E，31.12°N)、官莊坪(采樣點S2，110.76° E，31.02° N)、尹家灣(采樣點S1，110.77° E，30.97° N)3個采樣點采集沉積物(圖1)。采用定制的柱狀采樣器采集沉積物柱狀樣品。沉積物樣品現場按2 cm間距分層，共分為8層。樣品采集后立即密封、冷凍，帶回實驗室進行真空冷凍干燥并研磨過60目篩后保存備用。

碳、氮含量采用Cotech公司ES4024元素分析儀同步測定，每個樣品重復3次，結果采用質量百分比表示。碳同位素比率則采用Cotech ES4024與Picarro公司的G2201聯用進行測定。

圖1　采樣點示意Fig.1　Schematic diagram of sampling sites

1.2數據統計采用單因素分析(Univariate Analysis)方法分析數據之間的差異性，P<0.05為顯著性差異。所有統計分析及統計均采用統計軟件SPSS 22完成。

2　結果與分析

2.1沉積物中碳、氮元素的空間分布從圖2可以看出，S3的總碳平均含量為2.94%，高于S2的2.29%和S1的2.29%。S1的總氮平均含量為0.16%，S2的總氮平均含量為0.15%，S3的總氮平均含量為0.15%，三者差異較小。單因素方差分析表明，3個采樣點的總碳含量、總氮含量之間均存在顯著性差別(P<0.05)。

2.2沉積物中碳、氮含量的垂向分布從圖3可見，S1、S2、S3的總碳含量范圍分別為1.98%～3.52%、1.74%～3.47%、2.36%～3.50%，S1、S2、S3的總氮含量范圍分別為0.14%～0.24%、0.13%～0.18%、0.12%～0.19%。單因素方差分析表明，不同深度之間的總碳含量存在顯著性差異(P<0.05)，而總氮含量在S1和S3的不同深度存在顯著性差異(P<0.05)，S2的總氮垂向分布相對均勻(P>0.05)。S1和S2的表層沉積物(0～4 cm)中總碳含量明顯高于底層，S3的總碳含量的垂向變化沒有S1、S2明顯，而不同深度之間沉積物中總氮含量的差異較小。此外，6 cm以下沉積物中總碳、總磷含量變化不明顯。

注：*為極端值；o為異常值。Note：* was extremum value;o was abnormal value.圖2　各采樣點沉積物中碳氮元素含量的空間分布Fig.2　Spatial distribution of carbon and nitrogen contents in the sediments of sampling sites

圖3　各采樣點沉積物中碳氮元素含量的垂向分布Fig.3　Vertical distribution of carbon and nitrogen contents in sediments of sampling sites

2.3沉積物中δ13C的分布變化沉積物中的總碳分為有機碳和以碳酸鹽體系為主的無機碳，其具有外源、內生和自生3種來源。表層沉積物中有機質通過同位素示蹤手段得到的值可以反映有機質的生物群來源。該調查測定了采樣點不同深度的碳同位素比率變化。從圖4可以看出，S1的δ13C含量變化范圍為-9.98‰～-3.94‰，S2的變化范圍為-9.13‰～-0.89‰，S3的變化范圍為-8.92‰～-1.13‰。雖然3個采樣點δ13C含量的垂向分布存在波動，但是其隨著深度的增加呈逐漸減小趨勢，且S1和S2的δ13C含量要小于S3，且深度變化明顯不如S3變化大。相對于S1和S2，S3的位置更靠近香溪河上游，屬于河流水體擾動過程，變化更為劇烈。而S1和S2更靠近香溪河庫灣，處于湖泊水體干擾狀態，變化相對較小。

圖4　各采樣點沉積物中δ13C含量的垂向分布Fig.4　Vertical distribution changes of δ13C content in the sediments of sampling sites

3　討論

3.1沉積物碳、氮含量的對比分析河流是一個復雜的水文系統，其沉積物中不僅有大量的外源物質輸入，還有大量的內源物質供給。沉積物的碳氮生源要素相對于湖泊受到上游來水、其他陸源因素的影響。在該調查中，沉積物總碳含量為1.68%～3.71%，平均含量2.53%；總氮含量為0.10%～0.30%，平均含量為0.15%，這與香溪河全流域沉積物中TN的平均值一致[9]。與我國典型的2個富營養湖泊東湖和太湖的沉積物相比，該調查河段沉積物總碳平均含量與東湖沉積物總碳平均含量(0.79%～5.29%，平均含量2.72%)接近，但是總氮含量低于東湖沉積物(0.16% ～0.63%，平均含量0.34%)[10]。與太湖相比，總碳平均含量低于太湖五里湖沉積物中總碳含量(平均含量>3.41%)，總氮平均含量也低于五里湖總氮平均含量(0.17%～0.49%，平均含量0.37%)，但與梅梁湖接近(0.06% ～0.18%)接近[5，11]。

該研究中3個采樣點的總碳和總氮的垂向分布也存在顯著變化。靠近河口采樣點的S1、S2表層沉積物中總碳含量明顯高于底層。李軍等研究表明，湖泊隨著富營養化進程的發展，總有機碳含量會升高，且由于光合作用δ13C值開始下降[11-12]。因此，采樣點S1和S2表層總碳含量較高，可能與回水區水華暴發有關。不過沉積物的碳除自生外，與外源也有密切關系，這還需進一步研究。3個采樣點之間的氮含量變化與碳含量變化類似，即表層氮含量稍高，但變化趨勢相對而言并不明顯。其原因可能在于：一方面，沉積物中有機氮一般占70%～90%，而有機氮在沉積物中的形態轉變主要是通過細菌硝化和反硝化作用實現。沉積物多處于厭氧條件，進行反硝化過程，但是藻類的加入使反硝化作用減弱[13]，且河口區域水流狀態近似于湖泊，因而有機氮降解緩慢。此外，氮元素的生物地球化學循環是涉及多種化學形態的氮元素變化。自然水體常見的過程是大氣中的氮通過藍綠藻等固氮生物的固定，轉化為有機氮進入生物體，經過礦化(氨化)作用成銨態氮，再經亞硝化、硝化、反硝化及氨揮發等生物過程返回大氣。另一方面，水體中氮循環過程受到面源污染、上游來水及降雨等多種過程的影響，更為復雜多變。因此，總氮的垂向變化規律不夠明顯。

3.2沉積物的碳同位素分析沉積物中碳同位素分析采用同位素示蹤手段，可以反映沉積物中有機質的生物群落來源，且湖泊沉積物碳酸鹽體系的碳同位素組成也能反映湖區環境、生產力及生物活性的變化。目前，湖泊沉積物有機質碳、氮同位素在湖泊環境演化及富營養化過程示蹤方面的應用日益深入[14]。但是區分3種來源的碳酸鹽并從中提取環境信息存在著相當大的難度[15-16]。筆者測定了總碳含量和總碳同位素比率，該同位素比值反映了碳酸鹽及其有機質碳同位素組合特征。

通常水環境中碳從無機態到有機態(包括陸生植物源、水生植物源、浮游植物)，δ13C值逐漸降低[17]。不同有機質來源決定了湖泊沉積物有機質δ13C變化范圍較大，其波動范圍為-7‰～-38‰，變幅接近30‰[18]。陸生脈管植物和水生高等植物δ13C的分布范圍較寬(平均值為-14‰)，與湖泊自生藻類(平均值為-28‰)之間存在部分重疊[11]。研究表明，沉積物中碳同位素組成會隨浮游植物生物量或物種的變化而變化[5]。而對于碳酸鹽，許多研究表明，當水體向藻型湖泊或草-藻混合型湖泊轉變時，沉積物有機質δ13C呈快速下降[5，12]。該調查中3個采樣點δ13C從表層往下逐漸升高，體現了香溪河水體近年來富營化趨勢[2，19]，且可以進一步推測從表層至底層有機碳的比例逐漸降低。這也與香溪河藻類水華暴發后，藻類沉降于表層將導致表層沉積物中有機碳含量較高、δ13C值較低的情況相符。該研究中，采樣點S1和S2的δ13C小于S3，這也符合靠近河口水華更嚴重的規律。

4　結論

筆者對香溪河入河口河段的生源要素碳、氮的分布開展了初步研究，結果表明：香溪河沉積物總碳含量為1.74%～3.52%，總氮含量為0.13%～0.24%，靠近河口的沉積物中總碳平均含量要低于支流上游。此外，靠近河口采樣點的表層沉積物中總碳含量顯著高于底層。氮含量的變化規律沒有總碳明顯，3個采樣點同位素比率隨深度的增加而增加，而且靠近河口的采樣點尹家灣和官莊坪的δ13C要小于采樣點S3，進一步分析表明從表層至底層有機碳的比例呈逐漸降低趨勢。并且表層碳含量較高，同時δ13C比例呈降低趨勢，也反映了河口已經開始并正處于持續富營養化過程，富營養化風險增大，值得關注。

由于研究時段、研究范圍等客觀條件所限，該研究亦存在一些不足。下一步研究有必要將調查范圍擴展到流水區，并且增加有機碳、氮的同位素比率和生源要素磷的含量，以期更好地認識香溪河沉積物中生源要素的分布特征及水生生態系統的演變過程。

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Distribution Characteristics of Carbon and Nitrogen Elements in the Sediments of Xiangxi River

HU Jun,SHEN Qiang,LI Si-xin,HU Ju-xiang

(Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources,Institute of Hydroecology,Ministry of Water Resources and Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei 430079)

[Objective]To research the distribution characteristics of carbon and nitrogen elements in the sediments of Xiangxi River,which was the biggest tributary near the Three Gorges Dam.[Method]With estuary stream segment of Xiangxi River as the research object,sampling survey of core sediments was carried out in the spring of 2015.Distribution characteristics of biogenic elements of carbon and nitrogen were preliminarily researched in this region.[Result]Total carbon content (TC) in sediments varied between 1.74% and 3.52%,and the total nitrogen content (TN) varied between 0.1% and 0.3%.The mean concentration of TC near the estuary was lower than the upstream sediments.The concentrations of TC in the sediments close to the estuary gradually decreased from the surface to the bottom.The variation of TN along the river from the estuary to the upstream WAS not significant compared with the total carbon.The isotopic analysis showed the δ13C value increased with the enhancement of the depth.The overall δ13C in the sample sites near the estuary was lower than the sampling point in upstream.[Conclusion]This research provides scientific

for the distribution characteristics of biogenic elements in sediments of Xiangxi River and the evolution process of aquatic ecosystem.

Sediment;Carbon;Nitrogen;Isotope;Xiangxi River

水利部“948”項目(201408)。

胡俊(1977- )，男，湖北武漢人，副研究員，博士，從事生源要素的生物地球化學循環、同位素示蹤等研究。

2016-07-07

S 181

A

0517-6611(2016)25-087-03