貴州草海顆粒物和沉積物有機碳氮同位素特征及來源研究

收稿日期：2024-02-12

基金項目：貴州省科技計劃項目（黔科合支撐一般[2023] 216）；國家自然科學基金（32360288）。

作者簡介：廖敏，1995年生，女，碩士研究生。E-mail：3546884127@qq.com

通信作者：夏品華。E-mail：pinhuaxia@gznu.edu.cn

摘要：探究湖泊有機質來源，為從源頭上控制草海營養鹽負荷提供參考。在草海湖泊及入湖河流上設置13個采樣點，于2023年3月采集并測定湖泊和河流中顆粒物和沉積物的有機碳同位素（δ13C）、有機氮同位素（δ15N）、C/N及總有機碳（POC、TOC）和總氮（PON、TON），結合MixSIAR同位素模型分析顆粒物和沉積物的有機碳氮來源及貢獻率。結果表明：顆粒物δ13C為-27.56‰～-23.64‰，δ15N為3.12‰～10.93‰，顆粒物有機碳主要來源于大氣沉降（21.1%）和水生植物（20.7%），氮來源主要為土壤有機質（25.6%）和水生植物（25.3%）；沉積物δ13C為-28.18‰～-20.53‰，δ15N為1.70‰～6.58‰，沉積物有機碳主要來源于大氣沉降（34.4%）和水生植物（33%），氮主要來源于化肥（24%）。顆粒物和沉積物之間有機氮來源的差異反映出土壤有機質和水生植物來源的有機氮易降解，而化肥來源的氮則易沉積。

關鍵詞：顆粒物；沉積物；MixSIAR同位素模型；有機碳氮來源；草海

中圖分類號：X142；X524""""""" 文獻標志碼：A""""""" 文章編號：1674-3075（2024）04-0040-08

DOI：10.15928/j.1674-3075.202402120042

隨著人類活動加劇，大量營養鹽物質（如氮磷）排入湖泊，導致湖泊內部環境愈發惡劣：藻類等水生生物大量繁殖，其死亡后經過微生物分解，形成有機質（易文利等，2008），有機質在進一步礦化作用中消耗氧氣，導致水質變差，引起水體富營養化。在湖泊生態系統中，有機質起著不可替代的作用，是各種能量（C、N）遷移、轉化、循環的重要紐帶（吳豐昌等，2008；Shah et al，2021）。湖泊中的有機質大多儲存在顆粒物和沉積物中，顆粒物是湖泊中營養鹽遷移、轉化的重要載體，記錄著湖泊內源釋放等重要信號（Tengberg et al，2003），沉積物則反映湖泊生產力水平和各種污染物的來源（Crocker et al，2023），兩者緊密聯系，通過一定的物理過程（沉降和懸浮）實現相互轉化（耿悅等，2021）。一般情況下，湖泊有機質有2種來源，分別為內源自生和外源輸入（季寧寧等，2022），其中內源包括藻類、水生植物、浮游生物和沉積物再懸浮等（吳泓辰等，2022），外源包括陸生植物碎屑（C3和C4植物）、土壤有機質、大氣沉降等。不同來源的有機質對水生態系統中生物地球化學循環的影響是不同的（Gao et al，2021），因此，研究顆粒物和沉積物中有機質來源對營養鹽循環有極大意義，更重要的是能從根源上防止湖泊富營養化。

隨著同位素示蹤技術的發展，研究湖泊碳氮同位素已成為揭示湖泊有機質來源的重要方法（Cloern et al，2002；Chen et al，2020）。有機碳同位素能夠示蹤有機碳來源及其遷移變化規律，氮同位素不僅能夠反映有機質來源，還能反映生物氮循環過程（Lehmann et al，2004）。目前國內已有許多學者通過碳氮同位素技術對密云水庫（李慧垠等，2011）、鄱陽湖（賴建平，2012）、滇池和撫仙湖（吳泓辰等，2022）、白洋淀（張樂天等，2023）、呼倫湖（Gao et al，2023）等湖泊流域進行了有機質來源的研究，但是這些研究大多是單獨對顆粒物或沉積物有機碳氮的研究，將兩者結合起來對比分析有機質來源的研究還比較少。近年來，草海城鎮化及工農業迅速發展，給草海湖泊帶來巨大壓力，草海正處于穩態轉換的關鍵階段。流域內的人為經濟活動及湖泊內部環境自身演變，均對作為有機質儲存重要場所的顆粒物和沉積物產生影響，其有機質的碳氮來源情況可能發生改變，而這些改變又會對草海水質產生重要影響。因此，將顆粒物與沉積物結合起來分析有機質來源，是從源頭上防止草海富營養化的關鍵。

草海是典型的高原喀斯特湖泊，生態環境脆弱。2020 年起，草海由草型湖泊轉變為藻型湖泊，水生植被衰退，水質惡化。雖已有關于草海富營養化成因或解決措施的研究（歐陽勇等，2011；王燦等，2019），但對水體富營養化有直接貢獻作用的有機質來源情況尚不明確。本文以顆粒物和沉積物為研究對象，通過分析其碳氮含量及同位素組成，結合δ13C、δ15N 和 C/N 定性分析其有機碳氮來源，并借助 MixSIAR"同位素混合模型定量兩者的有機碳氮來源，旨在為從源頭上控制草海營養鹽負荷提供參考。

1"" 材料與方法

1.1"" 研究區概況

草海位于貴州省西部威寧彝族回族苗族自治縣內（26°47′32″～26°52′52″N，104°10′16″～104°20′40″E），是典型的喀斯特高原湖泊生態系統。湖泊面積約25 km2，平均水深約1.5 m，屬長江水系，北面為出水方向（張征，2020）。氣候為亞熱帶高原季風氣候，干濕季分明、光照充足，年平均降水量約1 000 mm，豐水期占全年的88%（張強，2012），年均日照時數1 805.40 h，為省內日照時數最多之地。湖面開闊，流域內水生植被豐富，沉水植物主要有狐尾藻（Myriophyllum demersum）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、光葉眼子菜（P.lucens）等；挺水植物主要有水蔥（S.tabernaemoni）、蘆葦（Phragmites communis）、燈芯草（Juncus riangu）等（朱成斌等，2021），隨著城鎮化發展，草海受到生活污水和周邊農業面源污染（夏品華等，2012）。

1.2"" 樣品采集與預處理

2023年3月（枯水期），根據草海湖區的地勢特征，設置9個采樣點（圖 1）進行采樣。采樣點具體分布為：上游（L1～L3）靠近劉家巷，下游（L7～L9）靠近海子屯，其余樣點為中游，4條入湖河流各設置1個采樣點（R1～R4）。

用采水器采集表層水樣，帶回實驗室后立即用經馬弗爐450℃高溫灼燒4 h的玻璃纖維濾膜（Whatman GF/F，47 mm）過濾顆粒物，剩余水樣低溫儲存，用于后續理化指標測定。使用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品，去除雜質后裝入自封袋中，帶回實驗室用冷凍干燥機真空干燥后，磨碎過篩（100目）保存備用。

1.3"" 樣品分析方法

1.3.1"" 水體理化性質分析"" 懸浮顆粒物濃度（SPM）通過濾膜過濾前后的質量差與過濾水樣的體積之比得到；水溫（WT）、溶解氧（DO）、電導率（EC）等通過多參數水質分析儀測量；水樣中的總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、硝態氮（NO3--N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、葉綠素（Chl-a）等指標根據《水和廢水監測分析方法》（第四版）測定。

1.3.2"" 碳氮元素分析及碳氮同位素測定"" 對烘干稱重后的濾膜和磨碎過篩后的沉積物進行酸化處理，以去除無機碳酸鹽，然后將這2種樣品冷凍干燥后分別用錫箔紙和自封袋包好（張樂天等，2023）。采用EA-HT元素分析儀（elemental analyzer）測定顆粒物碳氮含量（POC、PON）和沉積物碳氮含量（TOC、TON），通過EA-HT元素分析儀（elemental analyzer）和DELTA V Advantage同位素比率質譜儀（thermo fisher scientific，Inc.，Waltham，USA）聯合測定上述樣品中的有機碳氮同位素比值（δ13C和δ15N），其中C/N通過碳氮含量計算得出，同位素比值計算公式如下：

[δ13C/δ15N=RSRC?1×1000""" ]"""" ①

式中：R分別為13C/12C和15N/14N，RS為樣品的同位素比值，RC為標準物質的同位素比值，RS的國際標準物分別是PDB和大氣中的氮標準，δ13C和δ15N的測定精度分別為±0.1‰和±0.2‰。

1.4"" 數據分析

1.4.1"" 貝葉斯同位素混合模型"" 貝葉斯MixSIAR同位素混合模型可以用來定量估算不同端元對混合物的貢獻率（Wu et al，2022），是一種結合質量守恒定律和貝葉斯理論的混合模型。該模型在R語言（4.3.1）的RStudio（2022）中編寫并運行，用以下公式表示：

Xij = [k=1kpk（Sjk+Cjk）+εij] ②

[Sjk]～N（[μjk] ， [ω2jk]）， [cjk]～N（[λjk]， [τ2jk]）， [εjk]～N（0， [σ2jk]） ③

式中：[Xij]為混合物的[i]同位素值[j]；[Sjk]為源[k]中同位素[j]，且正態分布，均值為[μjk]，標準差為[ω2jk]；[pk]為源[k]的占比，通過模型估算；[cjk]為源[k]中[j]同位素的分餾因子，均值為[λjk]，標準差為[τ2jk]，且滿足正態分布；[εjk]為殘余誤差，表示各組分間的附加未量化變異，均值為0，標準差為[σ2jk]（Angradi，1994）。

1.4.2"" 其他數據的處理與分析"" 采用SPSS Statistics 20軟件對顆粒物和沉積物碳氮同位素進行相關性分析，使用非參數Mann-WhitneyＵ檢驗和Kruskal-Wallis檢驗比較湖泊與河流有機碳氮同位素的差異以及湖泊上中下游有機碳氮同位素的差異，采樣點的分布圖用ArcMap（10.6）繪制，數據分析圖通過Origin 2022繪制。

2"nbsp; 結果與分析

2.1"" 懸浮顆粒物有機質的碳氮含量及同位素組成

顆粒物有機碳氮含量及同位素組成如圖2，顆粒物δ13C在湖泊和河流之間差異顯著（Plt;0.05），變化范圍分別為-24.95‰～-23.64‰和-27.56‰～-25.55‰，均值為（-24.50±0.43）‰和（-26.82±0.95）‰，湖泊gt;河流，湖泊上中下游δ13C空間分布差異較小（Pgt;0.05）。此外，湖泊與入湖河流的δ13C之間不存在顯著相關關系（Pgt;0.05）。POC含量為1.79%～25.72%，上游POC含量顯著高于中下游（Plt;0.05），最高值出現在上游L3點。δ15N在湖泊和河流之間存在顯著差異（Plt;0.05），變化范圍分別為3.12‰～5.65‰（均值3.99‰±0.69‰）和5.10‰～10.93‰（均值7.14‰±2.72‰），湖泊lt;河流，但湖泊與河流之間的δ15N值并未發現明顯的相關性（Pgt;0.05）。PON含量介于0.26%～2.98%，明顯低于POC含量。綜上，顆粒物δ13C和δ15N在湖區與入湖河流之間均存在顯著差異，但在湖區和河流之間沒有顯著相關性。

2.2"" 表層沉積物有機質的碳氮含量及同位素組成

如圖3所示，沉積物δ13C在湖泊與河流的差異顯著（Plt;0.05），湖泊δ13C為-24.48‰～-20.53‰，均值為（-22.19±1.22）‰，顯著高于河流δ13C值，河流為-28.18‰～-25.24‰，均值（-26.14±1.37）‰。湖泊相較于河流的δ13C值偏正，沉積物δ13C在湖泊與入湖河流之間沒有顯著相關性（Pgt;0.05）。沉積物δ15N為1.70‰～6.58‰，均值（3.57±1.61）‰，湖泊lt;河流。沉積物δ15N在湖泊與河流之間亦不存在顯著相關關系（Pgt;0.05）。TOC含量存在顯著的空間差異，湖區TOC含量為1.50%～27.58%，大于入湖河流TOC含量（0.24%±0.08%）。TON為0.16%～1.82%，均值0.86%±0.52%，湖區0.48%～1.82%，均值1.12%±0.39%，大于入湖河流（0.16%～0.34%，均值0.27%±0.09%）。沉積物在湖泊與河流之間差異顯著，但無明顯相關性。

2.3"" 顆粒物及沉積物有機質來源定性分析

根據計算得到的草海顆粒物同位素值，可將有機碳、氮來源分為以下幾種：有機碳包括C3植物（-30.5‰～-24.8‰）（Meyers，1994；Cloern et al，2002）、陸生土壤有機質（-26‰～-21‰）（Wang et al，2023；張樂天等，2023）、浮游植物（-42.0‰～-24.0‰）（Liu et al，2021）、水生植物（-30‰～-16‰）（Thornton et al，1994）、大氣沉降（-26‰～-23‰）（Ogrinc et al，2008）。氮包括陸生土壤有機質（0‰～5‰）、土壤流失氮（3‰～8‰）（Kendall，1998）、陸生植物（3‰～7‰）（Kendall et al，2001）、水生植物（-10‰～20‰）（Kumar et al，2004）、浮游植物（5‰～8‰）（ Ye et al，2017）和本研究中的入湖河流泥沙（4.88‰～10.93‰）。初步推測顆粒物有機碳氮來源于以上端元。C/N也可大致判斷有機質的來源情況，當C/Nlt;8時表明內源占比高，當C/Ngt;8時表明同時受內源和外源的影響（Wang et al，2023），顆粒物C/N均值為10.19，表明顆粒物受內外源共同影響。

草海沉積物δ13C和δ15N分別為-24.48‰～-20.53‰和1.70‰～4.21‰（均值分別為-22.19‰±1.22‰和2.66‰±0.82‰），δ13C作為識別有機質來源的指標，其范圍主要涵蓋陸生土壤有機質（-26‰～-21‰）、浮游植物（-42.0‰～-24.0‰）、水生植物（-30‰～-16‰）和大氣沉降（-26‰～-23‰），草海沉積物氮同位素范圍與水生植物（-10‰～20‰）和陸生土壤有機質（0‰～5‰）最為接近，表明沉積物氮素主要來源于二者，除此還來源于化肥（0‰～3‰）（Kendall，1998）、土壤流失氮（3‰～8‰）和陸生植物（3‰～7‰），因草海沿岸C4植物較少（楊海全等，2017），所以陸生植物指C3植物。但是以上關于碳氮來源的結果僅定性了端元物質，未量化各端元物質對有機質的潛在貢獻率，故需進一步對顆粒物和沉積物的端元物質進行定量描述。

2.4"nbsp; 顆粒物和沉積物有機碳氮來源定量分析

草海位于威寧縣城附近，有機質來源較復雜，因此碳氮同位素特征也較明顯：顆粒物和沉積物的碳氮同位素值在湖區與入湖河流之間均存在顯著差異（Plt;0.05），表明湖區與入湖河流的有機質來源存在差異。在生物地球化學循環過程中穩定同位素可能會出現分餾，使得最終結果不準確，因此僅靠單一指標難以真實反映有機質來源，故將δ13C、δ15N和C/N結合起來分析可而更加精確有機質來源的范圍（Ogrinc et al，2008；冀文豪等，2018）。通過端元關系圖發現樣點分布較集中（圖4），可確定主要端元有土壤有機質、水生植物和浮游植物，其中顆粒物以土壤有機質、水生植物和浮游植物為主，沉積物以土壤有機質和水生植物混合來源為主，由此推測顆粒物和沉積物聯系較緊密。基本上沒有樣點落在入湖河流端元范圍內，說明有機質來源可能受入湖河流影響較小，加之湖泊與入湖河流之間無明顯相關性，進一步表明來源不受入湖河流影響。由圖4還發現有樣點落在端元范圍之外，推測原因可能是δ13C、δ15N和C/N分析有機質來源存在不足（劉衛國等，2019），因此本研究將進一步采用同位素混合模型來定量分析。

通過MIXSIAR模型計算出顆粒物和沉積物有機碳氮的端元貢獻率（圖5）：顆粒有機碳來源分別為大氣沉降（21.1%）、水生植物（20.7%）、陸生土壤（20.6%）、浮游植物（19.9%）和C3植物（17.7%）；顆粒有機氮為土壤有機質（25.6%）、水生植物（25.3%）、陸生植物（25%）和土壤流失氮（24.1%），顆粒物有機碳氮為內外混合來源，以外源為主。3月枯水期湖內水生植物碎屑殘留，有機碳氮受水生植物影響。此時臨近春種，降水量增加，濕地內黃棕壤淋溶性強（張家春等，2014），使得陸生土壤流失，土壤氮增加，同時也受到一部分C3植物（如馬鈴薯）影響。草海冬春多大風天氣，大氣沉降通過污染物吸附于顆粒物上并以沉降的形式排入湖泊（趙亞偉，2019）。草海流域日照時數長，浮游藻類數量多也是碳來源之一。

沉積物有機碳為大氣沉降（34.4%），陸生土壤有機質（32.6%）和水生植物（33%），沉積物有機氮以化肥（24%）、水生植物（21.5%）和土壤有機質（20.7%）為主，沉積物有機碳氮也為混合來源，均受水生植物殘體和土壤有機質的影響。沉積物作為污染物的匯集地，受到各種環境要素的影響，當水生生物死亡后，沉降到湖底，其有機質增加，C/N發生變化（王毛蘭等，2014），沉積物的C/N與有機質的降解程度密切相關，草海沉積物C/N介于7.35～16.31，有89%的樣點C/Ngt;8，說明受2種及以上物質的影響，模型定量結果與此一致。沉積物同樣受冬春大風天氣、陸生土壤流失及水生植物殘體的影響，3月春種周圍農田不合理施用化肥會使農田氮流失（何宗健等，2018）。

上中下游有機質來源分布情況如圖5，空間差異較小。上游即湖泊東南部（圖1），毗鄰威寧縣城，各種污染物質隨地表徑流匯入湖泊，水土流失亦嚴重（張征，2020）；東部湖區挺水植物豐富，植物凋亡后的殘體腐敗分解大量有機質。中游即湖心區域，遠離兩岸，生態系統相對穩定（李林蔚等，2022），碳氮來源分布情況較均勻。下游為湖區西北部，西部大量農田以種植馬鈴薯等C3經濟作物為主，因此下游顆粒物C3植物來源有機碳高于上游和中游。沉積物有機碳受大氣沉降影響明顯，推測是因為受到盛行風的影響，風速較大，大氣沉降攜帶的污染物在重力作用下，直接沉降于湖底。而沉積物氮的來源分布在上中下游基本無差異，說明全湖沉積物氮來源無差異。綜上，上中下游均屬于內外混合來源，并以外源輸入為主。

2.5"" 顆粒物和沉積物有機碳氮的相關性

根據定性與定量結果可知，顆粒有機質主要來源于水生植物、浮游植物和陸生土壤有機質，沉積物則主要來源于水生植物和陸生土壤有機質。兩者有機碳氮來源存在差異，表現為：當顆粒有機氮從以土壤有機質和水生植物為主轉變為沉積物有機氮以化肥為主時，推測是在顆粒物沉降為沉積物這一過程中，土壤有機質和水生植物殘體易分解，而化肥氮易沉積（季寧寧等，2022）。此外，草海沉積物δ15N值（3.57‰±1.61‰）低于顆粒物δ15N值（4.96‰±2.11‰）也表明15N的消耗對顆粒物沉降過程中的N循環起著非常重要的作用（Herczeg et al，2001）。顆粒物和沉積物的δ13C、δ15N和C/N沒有顯著相關性（圖6），雖兩者有機碳之間有一定的相關關系（Plt;0.05），但氮和C/N均不存在顯著相關關系（Plt;0.05），說明沉積物來源于長期物理侵蝕的顆粒產物，同時局部環境的改變也是兩者存在差異的原因（Chen et al，2020）。

3"" 結論

（1）顆粒物和沉積物的δ13C、δ15N在湖泊與入湖河流之間差異顯著，其中δ13C表現為湖泊gt;河流，δ15N表現為湖泊lt;河流，表明湖泊與入湖河流的有機質來源存在差異。顆粒物和沉積物兩者在湖泊與入湖河流之間無明顯相關性，說明湖泊有機質來源不受入湖河流這一端元的影響。

（2）草海顆粒物和沉積物有機碳氮來源存在差異。顆粒物有機碳來源以大氣沉降（21.1%）和水生植物（20.7%）為主，氮來源以土壤有機質（25.6%）和水生植物（25.3%）為主；沉積物有機碳主要來源于大氣沉降（34.4%）和水生植物（33%），氮主要為化肥（24%）。

（3）根據顆粒物和沉積物來源特征，有效控制外源負荷（如提升草海沿岸植被覆蓋率）以及對內源自生物質的有效管控（如定期清除水生植物殘體），對于草海保護具有重大意義。

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（責任編輯"" 鄭金秀）

Organic Carbon and Nitrogen Isotope Characteristics and Source Analysis

of Particulate Matter and Sediment in Caohai Lake， Guizhou Province

LIAO Min， JIANG Xin， HUANG Xian‐fei， XIA Pin‐hua

（Key Laboratory of Mountain Information System and Ecological Environment Protection of Guizhou Province，Guizhou Normal University，Guiyang"" 550001，P. R. China）

Abstract：Caohai Lake is a typical karst lake on the Guizhou plateau， with a fragile ecological environment. Since 2020， Caohai Lake has transitioned from a grass-type lake to an algae-type lake， and water quality has deteriorated as aquatic vegetation declined. Identifying the sources of organic matter in the water and sediments of lakes is crucial for understanding the nutrient cycle and controlling eutrophication. In this study， we analyzed the total organic carbon （POC， TOC） and total nitrogen （PON， TON） of the particulate matter and sediments in the Caohai Lake and its inflow rivers. For source identification， the ratios of carbon isotopes （δ13C） and nitrogen isotopes （δ15N） and the ratio of carbon to nitrogen （C/N） of particulate matter and sediments were determined. The resulting data was fed into the MixSIAR isotope model， allowing the organic carbon and nitrogen sources and their contributions to suspended particulate matter and sediments to be qualitatively and quantitatively determined. In March 2023 （dry season）， water and sediment samples were collected at 13 sampling sites in Caohai Lake （L1-L9） and its four main tributaries （R1-R4） for analysis. The percentage content of POC and PON were 1.79%-25.72% and 0.26%-2.98% in the particulate matter and the percentage content of TOC and TON were （1.50%-27.58%） and （0.16%-1.82%）in the sediment， respectively. The δ13C and δ15N ranges of the particulate matter were from -27.56‰ to -23.64‰ and from 3.12‰ to 10.93‰， and the δ13C and δ15N of the sediments ranged from -28.18‰ to -20.53‰ and 1.70‰ to 6.58‰， respectively. The δ13C and δ15N values of the particulate matter and sediment both displayed significant differences and there were no clear correlations between Caohai Lake and the four tributaries， indicating that the lake and its tributaries have different sources of organic matter， and that the organic matter in Caohai Lake is not affected by inflow rivers. The primary sources of particulate organic carbon to the lake are atmospheric deposition （21.1%） and aquatic plants （20.7%）， and the primary sources of nitrogen is soil organic matter （25.6%） and aquatic plants （25.3%）. The organic carbon of the sediments primarily comes from atmospheric deposition （34.4%） and aquatic plants （33%）， and the nitrogen primarily from fertilizer （24%）. The difference in organic nitrogen sources between particulate matter and sediment shows that the organic nitrogen from soil organic matter and aquatic plants is easily decomposed， while nitrogen from fertilizer is readily deposited. The results provide a reference for controlling the sources of nutrient loading to Caohai Lake.

Key words：suspended particulate matter; sediment; MixSIAR isotope model; organic carbon and nitrogen sources; Caohai Lake