包頭南海湖沉積物有機碳空間分布特征

于玲紅，王銘浩，李衛平*，楊文煥，樊愛萍，苗春林

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭市生態濕地保護管理中心，內蒙古 包頭 014010；3.包頭南海子濕地保護區管理處，內蒙古 包頭 014040）

湖泊被認為是一種特殊的自然綜合體，與土壤圈、生物圈、大氣圈等密切相關，是地表水載體賦存的最佳場所[1-2]。湖泊對環境變化極其敏感，一直被當作研究全球環境變化的典型區域，特別是內陸湖泊一直被認為是湖區氣候變化和環境變異的指示器[3-4]。湖泊有機碳庫是生態系統中重要的碳庫之一[5]，湖泊碳循環又是陸地生態系統碳循環的重要組成部分，在全球碳循環中起到非常重要的作用[6-7]。近幾十年來，全球氣候變化日益加劇，湖泊有機碳庫作為大氣CO2的重要碳匯[8]，在穩定全球氣候變化中的貢獻愈發受到重視[9]，因此研究湖泊碳庫的穩定性對穩定生態系統及全球氣候變化有著重要意義。活性有機碳有效性較高，易被微生物分解利用部分有機質[10-11]，易受到外界干擾，不利于碳庫的穩定；惰性有機碳的生物活性相對較低，很難被微生物利用，為穩定碳庫。趙海超等[12]研究發現，洱海表層沉積物有機質中活性有機質占總有機質含量的10.80%～46.97%，主要受水生植物、人類活動及水體深度的影響，有機碳活性較高；易文利等[13]研究發現，活性有機質含量占總有機質含量的19.62%～31.86%，并得出污染嚴重的城市湖泊沉積物中活性有機質含量較高的結論。

沉積物中的有機碳是湖泊中碳的重要來源[14]，近年來關于湖泊沉積物有機碳的研究逐漸增多，但大都集中在洞庭湖、巢湖、洱海等一些較大的湖泊[12，15-18]，對于內蒙古地區研究較多的是烏梁素海[19-21]。包頭南海濕地作為內蒙古重要濕地之一，2006年，南海濕地自然保護區被列入國家濕地保護工程規劃的重點保護名錄。南海湖作為南海濕地的核心區域，不僅可以為城市居民提供必要的水資源，還具有為城市提供蓄水、防御自然災害、補充地下水源、降解有毒物質、凈化空氣、調節小氣候、吸附粉塵、凈化污水、美化環境等服務功能，因此對于南海湖的生態研究愈發重要并且迫在眉睫。基于上述情況，本文通過對總有機碳的研究并引入活性有機碳和惰性有機碳兩個指標，以包頭南海濕地南海湖為研究對象，對其沉積物有機碳空間分布特征進行分析，了解其有機碳分布特點及碳庫穩定性，以期對南海湖資源的合理開發與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

包頭南海濕地（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E）北靠包頭市，南鄰黃河[22]，因特殊的地理位置、氣候特征和水文地質條件，使其成為高緯度寒旱區獨特的河流濕地生態系統[23]。該區氣候屬于半干旱中溫帶大陸性季風氣候，保護區內的地表水主要來源于黃河水，其次為地下水和大氣降水。南海湖是黃河河段南移后留下的河跡湖，湖面約333 hm2，東西長3.5 km，南北寬1.2 km，湖深0.9～3.5 m。

1.2 樣品采集

2017年1 月通過GPS定位，對南海湖進行200 m×200 m的空間網格剖分，利用網格交點進行梅花布點，并在出水口、進水口及湖中蘆葦區增設點位。冬季湖區部分點位冰層較薄，無法取樣，故只取湖中20個點位，采樣點分布圖如圖1所示（NH1位于進水口，NH3、NH18位于蘆葦區，NH6位于排污口，NH8位于湖心小島，NH9位于旅游船區，NH10為湖心）。取樣時分別用彼得遜抓斗式表層沉積物采泥器采集南海湖表層（0～10 cm）沉積物樣品，重力式沉積物采泥器采集南海湖底層（10～20、20～30、30～40、40～50 cm）沉積物樣品。取樣后現場以10 cm間隔分層，沉積物樣品裝入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，回實驗室后自然風干，磨細過100目篩，用四分法取其中一部分，保存待測。

1.3 實驗方法

有機碳總量采用重鉻酸鉀氧化法-硫酸外加熱法測定[24]，活性有機碳含量采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定[25-27]，惰性有機碳取總有機碳與活性有機碳平均值的差值[28]。

圖1 南海湖采樣點分布圖Figure 1 Locations of sampling plots in Nanhai Lake

1.4 數據討論

采用Excel 2003對實驗數據進行初步整理，SPSS 21.0軟件對整理的數據進行分析，采用Origin 9進行繪圖，空間插值制圖采用ArcGIS 10.2軟件。

2 結果與討論

2.1 南海湖沉積物有機碳的垂直分布特征

2.1.1 沉積物有機碳垂直分布

由于南海湖底泥厚度不同，各采樣點沉積物采集深度不能都取到50 cm，挑選特殊分布區域的8個點位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和NH18）著重分析其垂直分布。NH1位于進水口、NH3和NH18位于蘆葦區、NH8位于湖心小島、NH10為湖心、NH2和NH14分別位于進水口和蘆葦區附近。

南海湖總有機碳和活性有機碳含量見表1。由表1 可知，活性有機碳含量為 1.16～16.47 g·kg-1，平均值為 6.12 g·kg-1，總有機碳含量為 3.96～28.35 g·kg-1，平均值為13.11 g·kg-1，活性有機碳含量占總有機碳含量的34.19%～54.64%。趙海超等[12]研究表明，洱海表層沉積物中活性有機碳含量占總有機碳的10.80%～46.97%，可見，南海湖沉積物中活性有機碳含量整體所占比例較大，碳庫穩定性不高。毛海芳等[19]研究表明，烏梁素海沉積物中總有機碳含量為4.50～22.83 g·kg-1，平均值為 11.80 g·kg-1；活性有機碳含量平均值為2.11 g·kg-1，岱海沉積物中總有機碳含量為6.84～23.46 g·kg-1，平均值為 14.94 g·kg-1，活性有機碳含量平均值為3.62 g·kg-1，可見南海湖沉積物中總有機碳含量與烏梁素海和岱海相比相差不大，但活性有機碳含量卻比烏梁素海高約2倍，比岱海高約70%。因此南海湖沉積物有機碳活性較強，相比而言，南海湖沉積物碳庫穩定性偏低，但由表1可以看出隨著深度的增加，南海湖沉積物有機碳庫越來越趨于穩定。

南海湖有機碳含量標準方差和變異系數見表2。由表2得知，南海湖整體變異系數較高，活性有機碳含量變異系數最高，為不穩定碳類型。根據變異系數（CV）對空間變異性進行劃分[29]：CV＜10%為弱變異性，10%～100%為中等變異性，CV＞100%為強變異性。據此說明，南海湖沉積物有機碳屬于中等變異性。

南海湖8個采樣點總有機碳、活性有機碳和惰性有機碳的整體垂直分布如圖2所示。由表1和圖2可知，南海湖有機碳含量整體隨沉積物深度增加而減小。符合一般沉積物的自然沉積規律，具有明顯的“沉降-降解-堆積”三個階段，在沉降階段，有機碳的分解速度可視為零，或者降解作用很微弱；降解階段，在一定深度域中，沉積物有機碳發生明顯的氧化作用，有機碳的增加明顯小于有機碳的分解量，所以在垂向分布上呈現出衰減的特征；堆積階段，該階段在降解域以下，有機碳處于聚集狀態，此階段有機碳分解緩慢且分解難度增加，處于含量穩定的狀態[20]。隨著深度的增加，底層沉積物受到的各類污染較少，活性有機碳的含量比例逐漸降低，整體以惰性有機碳為主，碳庫相對較為穩定。南海湖為旅游之地，易受到游客影響，不同位置有機碳含量差異較大且沉積物有機碳含量形成明顯的斷層（20 cm處為斷層分界處），20 cm以上沉積物中有機碳處于沉降階段，外界干擾和蘆葦區根系固碳作用使得該區域有機碳含量較高，20 cm以下沉積物受到干擾減少，且隨著有機碳的降解，有機碳含量逐漸降低，慢慢趨于堆積階段，有機碳含量趨于穩定。

表1 總有機碳和活性有機碳含量Table 1 Total organic carbon and active organic carbon content

表2 有機碳含量標準偏差和變異系數Table 2 Organic carbon content standard variance and coefficient of variation

圖2 南海湖有機碳含量隨深度的變化Figure 2 Changes of organic darbon in Nanhai Lake with sediment depth

南海湖各采樣點沉積物有機碳含量垂直變化詳見圖3。由圖3可以看出：NH1和NH8比較特殊，其他點位基本類似。NH1點在10～20 cm層有機碳含量大于0～10 cm層，因為NH1點處于進水口位置，水體攜帶的有機碳隨著進水而進入湖泊，由于水體沖刷，0～10 cm層的有機碳一部分流向其他位置，還有一部分則滯留并沉向下層，使得10～20 cm層的有機碳含量增加而大于0～10 cm層。之后，活性有機碳含量減少，惰性有機碳含量增加，碳庫趨向于穩定。NH8位于湖中心旅游小島處附近，島內養殖的動物的糞便和游客扔棄的垃圾等會使0～10 cm層有機碳含量增加而遠大于10～20 cm層，之后有機碳含量呈穩定下降趨勢。

由上述各點有機碳含量分布圖可以看出，0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機碳含量變化較大，因此進一步分析表層沉積物垂直分布。

2.1.2 0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機碳的垂直分布

南海湖0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機碳垂直分布詳見圖4。0～10 cm層、10～20 cm層沉積物有機碳的峰值主要集中在0～10 cm層。由圖4可知，南海湖0～10 cm層、10～20 cm層沉積物中有機碳含量在 8.91～28.35 g·kg-1之間，平均值為 16.52 g·kg-1。0～10 cm層變異系數為0.30，10～20 cm層變異系數為0.12，均屬于中等變異，該層整體碳庫穩定性不高，易受到各類影響因素干擾。但10～20 cm層明顯比0～10 cm層的變異系數小很多，與0～10 cm層相比，10～20 cm層的有機碳含量整體趨同，碳庫也更為穩定。

2.2 南海湖沉積物有機碳的水平分布特征

2.2.1 南海湖各分層沉積物有機碳的水平分布

各層沉積物有機碳水平分布詳見圖5，其中40～50 cm層含量分布圖只有8個點位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和 NH18）的數據。由圖 5 可見，有機碳含量水平分布大致呈現從湖心向四周逐減的趨勢，但個別點位有機碳含量較為特殊。如旅游區（NH8處為湖心小島附近、NH9為旅游船區）受人為影響較多，NH8處受到各類污染（人為污染、島上養殖動物、游船等）較為嚴重，造成有機碳含量較高，而NH9處僅有旅游船（冬天游客較少且結冰后船只無法行駛），相對于NH8污染較少，有機碳含量相對較小；蘆葦區（NH3、NH18）由于植物根系吸收營養元素，具有明顯的固碳作用，并且在冬季冰封期，蘆葦的枯枝腐爛會造成營養物質增加，使有機碳的含量增高[30]；雷澤湘等[31]研究表明，有草區的沉積物中有機質含量高于無草區，通過本文研究也印證了其研究。由排污口（NH6靠近排污口）進入湖體的污染物過多，污染物中各類指標都比較高，導致該處有機碳含量隨著污染物的排入而增加；出水口（NH20）處隨著水體流動，各類營養物質會隨著水體流動向出水口附近移動，致使該處有機碳含量較高，但在0～10 cm層有機碳含量小于10～20 cm層，因為隨著水體沖刷，0～10 cm層沉積物中有機碳會隨著水體流動而流出南海湖，而部分有機碳會沉淀下來，造成10～20 cm層的有機碳含量有所增加。

圖3 南海湖各采樣點有機碳含量隨深度的變化Figure 3 The change of organic carbon content in eight sampling points of Nanhai Lake with sediment depth

圖4 南海湖表層沉積物有機碳含量變化Figure 4 Changes of organic carbon in surface sediments of Nanhai Lake

圖5 南海湖各分層沉積物有機碳含量水平分布Figure 5 Horizontal distribution of organic carbon in sediments of Nanhai Lake

南海湖活性有機碳水平分布如圖6所示。因30～40 cm、40～50 cm取樣點數據不全且數據太小，故沒有分析該兩層數據圖。由圖6可知0～10 cm層活性有機碳含量分布差異較大，湖中心含量較大，NH8（湖心小島）處受島上養殖動物和人類活動影響較大，有機碳活性較高；10～20 cm層NH6點位數據較大，因該點位于排污口附近，0～10 cm層含量亦不低，10～20 cm層含量也稍大于其他點位，排污口進入湖體的污染物攜帶有機碳含量較大，造成該處有機碳活性較高。不同層中NH3、NH18（蘆葦區）活性有機碳含量都大于其他點位，而NH3處又靠近進水口附近，其活性有機碳含量要高于NH18處，說明蘆葦對有機碳的吸收不僅使附近有機碳含量較高，活性有機碳含量也較高。

對比圖5和圖6可知，總有機碳含量越高，活性有機碳含量也越高，NH8（湖心小島）處活性有機碳占總有機碳含量的44.16%，NH10（湖心）處為43.47%。但蘆葦區總有機碳含量最高，而活性有機碳含量卻較低，活性有機碳含量占總有機碳含量的39.78%，這主要是因為蘆葦根系吸收營養元素，具有固碳作用，蘆葦區以穩定的惰性有機碳為主，屬穩定碳庫，說明蘆葦對碳庫穩定較為有利。

3 結論

圖6 南海湖沉積物活性有機碳含量水平分布Figure 6 Horizontal distribution of active organic carbon in sediments of Nanhai Lake

（1）有機碳含量在垂向總體呈現隨沉積物采集深度的增加而降低的趨勢。0～10 cm層、10～20 cm層沉積物中有機碳易受到干擾，各點位之間有機碳含量差距較大，碳庫穩定性不高，20 cm以下以惰性有機碳為主，屬穩定的碳庫。可見，南海湖沉積物碳庫穩定性受人為活動影響較大，隨沉積物深度增加碳庫穩定性增強。

（2）有機碳含量在水平方向總體呈現從湖心到四周逐漸減小的規律，但進水口和蘆葦區的有機碳含量較高，活性有機碳在湖心區較高。總有機碳含量越高的點位，活性有機碳所占的比例也越高，碳庫呈不穩定性。但蘆葦區屬穩定碳庫，可見蘆葦對碳庫穩定性和碳匯具有重要作用。

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