香溪河沉积物中碳·氮元素分布特征

胡 俊，沈 强，李嗣新，胡菊香

(水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，湖北武汉 430079)



香溪河沉积物中碳·氮元素分布特征

胡 俊，沈 强，李嗣新，胡菊香

(水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，湖北武汉 430079)

[目的]研究靠近三峡大坝的第一大支流香溪河沉积物中碳氮元素分布特征。[方法]以三峡水库典型支流香溪河入河口河段为对象，于2015年春季开展了柱状沉积物采样调查，初步研究了该区域碳、氮等生源要素的分布特征。[结果]调查河段沉积物总碳含量为1.74%～3.52%，总氮含量为0.10%～0.30%。总碳含量的沿程变化表现为靠近河口的沉积物中总碳平均含量低于上游，深度变化是靠近河口采样点的表层沉积物中总碳含量显著高于底层。而总氮含量的沿程变化和深度变化没有总碳变化明显。δ13C值随深度的增加而增加，靠近河口的沉积物中δ13C值小于上游采样点。[结论]该研究为认识香溪河沉积物中生源要素的分布特征及水生生态系统的演变过程提供了科学依据。

沉积物；碳；氮；同位素；香溪河

香溪河作为三峡水库靠近三峡大坝的第一大支流，其生态环境状况对三峡水库水质有着直接影响。由于三峡成库后库区水位提高、水流减缓、水体扩散能力减弱、库湾和支流污染物的滞留时间延长，致使回水区库湾污染加重，局部水域出现富营养化现象。自三峡水库蓄水以来，香溪河几乎每年春季都不同程度地暴发甲藻和硅藻水华，夏季也时常暴发蓝绿藻水华[1-2]。除了外源性污染须进一步加强管理控制外，内源性负荷更值得关注。研究表明，湖泊沉积物中碳、氮、磷等生源要素的分布特征与湖泊内源负荷有着直接关系[3-4]。因而，研究沉积物中碳、氮等生源要素的含量对阐明水体生源要素的循环、转移和积累的过程，评估水体内源二次污染风险及控制“内负荷”方面都具有重要意义。

在沉积物研究中，表层沉积物与水体直接交换，是沉积物中最为敏感的部分，而研究沉积物中生源要素的垂向分布更有助于深入分析水体污染来源特征。此外，随着稳定同位素技术的发展，碳、氮稳定同位素技术已广泛用于水生环境[5-6]，尤其是有机质碳、氮同位素记录在湖泊环境演化及富营养化过程示踪方面具有重要作用[7-8]。目前，我国针对湖泊和水库沉积物生源要素的调查研究较多，而在河流等流水水体中，更多研究关注河流悬浮游中的生源要素输移等过程，针对河流沉积物的研究较少。考虑到香溪河下游河段尤其是回水区域由于受到水库调度的影响，水体处于湖泊-河流两种状态交替之中，开展香溪河沉积物中生源要素的调查，有助于了解该区域的碳、氮元素分布特征过程，从而可以更好地认识香溪河口水体富营养化。笔者以香溪河入库河口河段为研究对象，调查和研究该河段沉积物的碳氮等生源要素分布特征，以期为该河段的水体治理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1样品的采集与分析样品采集于2015年5月，从香溪河峡口大桥至入库河口沿程布设峡口镇(采样点S3，110.79° E，31.12°N)、官庄坪(采样点S2，110.76° E，31.02° N)、尹家湾(采样点S1，110.77° E，30.97° N)3个采样点采集沉积物(图1)。采用定制的柱状采样器采集沉积物柱状样品。沉积物样品现场按2 cm间距分层，共分为8层。样品采集后立即密封、冷冻，带回实验室进行真空冷冻干燥并研磨过60目筛后保存备用。

碳、氮含量采用Cotech公司ES4024元素分析仪同步测定，每个样品重复3次，结果采用质量百分比表示。碳同位素比率则采用Cotech ES4024与Picarro公司的G2201联用进行测定。

图1　采样点示意Fig.1　Schematic diagram of sampling sites

1.2数据统计采用单因素分析(Univariate Analysis)方法分析数据之间的差异性，P<0.05为显著性差异。所有统计分析及统计均采用统计软件SPSS 22完成。

2　结果与分析

2.1沉积物中碳、氮元素的空间分布从图2可以看出，S3的总碳平均含量为2.94%，高于S2的2.29%和S1的2.29%。S1的总氮平均含量为0.16%，S2的总氮平均含量为0.15%，S3的总氮平均含量为0.15%，三者差异较小。单因素方差分析表明，3个采样点的总碳含量、总氮含量之间均存在显著性差别(P<0.05)。

2.2沉积物中碳、氮含量的垂向分布从图3可见，S1、S2、S3的总碳含量范围分别为1.98%～3.52%、1.74%～3.47%、2.36%～3.50%，S1、S2、S3的总氮含量范围分别为0.14%～0.24%、0.13%～0.18%、0.12%～0.19%。单因素方差分析表明，不同深度之间的总碳含量存在显著性差异(P<0.05)，而总氮含量在S1和S3的不同深度存在显著性差异(P<0.05)，S2的总氮垂向分布相对均匀(P>0.05)。S1和S2的表层沉积物(0～4 cm)中总碳含量明显高于底层，S3的总碳含量的垂向变化没有S1、S2明显，而不同深度之间沉积物中总氮含量的差异较小。此外，6 cm以下沉积物中总碳、总磷含量变化不明显。

注：*为极端值；o为异常值。Note：* was extremum value;o was abnormal value.图2　各采样点沉积物中碳氮元素含量的空间分布Fig.2　Spatial distribution of carbon and nitrogen contents in the sediments of sampling sites

图3　各采样点沉积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沉积物中δ13C的分布变化沉积物中的总碳分为有机碳和以碳酸盐体系为主的无机碳，其具有外源、内生和自生3种来源。表层沉积物中有机质通过同位素示踪手段得到的值可以反映有机质的生物群来源。该调查测定了采样点不同深度的碳同位素比率变化。从图4可以看出，S1的δ13C含量变化范围为-9.98‰～-3.94‰，S2的变化范围为-9.13‰～-0.89‰，S3的变化范围为-8.92‰～-1.13‰。虽然3个采样点δ13C含量的垂向分布存在波动，但是其随着深度的增加呈逐渐减小趋势，且S1和S2的δ13C含量要小于S3，且深度变化明显不如S3变化大。相对于S1和S2，S3的位置更靠近香溪河上游，属于河流水体扰动过程，变化更为剧烈。而S1和S2更靠近香溪河库湾，处于湖泊水体干扰状态，变化相对较小。

图4　各采样点沉积物中δ13C含量的垂向分布Fig.4　Vertical distribution changes of δ13C content in the sediments of sampling sites

3　讨论

3.1沉积物碳、氮含量的对比分析河流是一个复杂的水文系统，其沉积物中不仅有大量的外源物质输入，还有大量的内源物质供给。沉积物的碳氮生源要素相对于湖泊受到上游来水、其他陆源因素的影响。在该调查中，沉积物总碳含量为1.68%～3.71%，平均含量2.53%；总氮含量为0.10%～0.30%，平均含量为0.15%，这与香溪河全流域沉积物中TN的平均值一致[9]。与我国典型的2个富营养湖泊东湖和太湖的沉积物相比，该调查河段沉积物总碳平均含量与东湖沉积物总碳平均含量(0.79%～5.29%，平均含量2.72%)接近，但是总氮含量低于东湖沉积物(0.16% ～0.63%，平均含量0.34%)[10]。与太湖相比，总碳平均含量低于太湖五里湖沉积物中总碳含量(平均含量>3.41%)，总氮平均含量也低于五里湖总氮平均含量(0.17%～0.49%，平均含量0.37%)，但与梅梁湖接近(0.06% ～0.18%)接近[5，11]。

该研究中3个采样点的总碳和总氮的垂向分布也存在显著变化。靠近河口采样点的S1、S2表层沉积物中总碳含量明显高于底层。李军等研究表明，湖泊随着富营养化进程的发展，总有机碳含量会升高，且由于光合作用δ13C值开始下降[11-12]。因此，采样点S1和S2表层总碳含量较高，可能与回水区水华暴发有关。不过沉积物的碳除自生外，与外源也有密切关系，这还需进一步研究。3个采样点之间的氮含量变化与碳含量变化类似，即表层氮含量稍高，但变化趋势相对而言并不明显。其原因可能在于：一方面，沉积物中有机氮一般占70%～90%，而有机氮在沉积物中的形态转变主要是通过细菌硝化和反硝化作用实现。沉积物多处于厌氧条件，进行反硝化过程，但是藻类的加入使反硝化作用减弱[13]，且河口区域水流状态近似于湖泊，因而有机氮降解缓慢。此外，氮元素的生物地球化学循环是涉及多种化学形态的氮元素变化。自然水体常见的过程是大气中的氮通过蓝绿藻等固氮生物的固定，转化为有机氮进入生物体，经过矿化(氨化)作用成铵态氮，再经亚硝化、硝化、反硝化及氨挥发等生物过程返回大气。另一方面，水体中氮循环过程受到面源污染、上游来水及降雨等多种过程的影响，更为复杂多变。因此，总氮的垂向变化规律不够明显。

3.2沉积物的碳同位素分析沉积物中碳同位素分析采用同位素示踪手段，可以反映沉积物中有机质的生物群落来源，且湖泊沉积物碳酸盐体系的碳同位素组成也能反映湖区环境、生产力及生物活性的变化。目前，湖泊沉积物有机质碳、氮同位素在湖泊环境演化及富营养化过程示踪方面的应用日益深入[14]。但是区分3种来源的碳酸盐并从中提取环境信息存在着相当大的难度[15-16]。笔者测定了总碳含量和总碳同位素比率，该同位素比值反映了碳酸盐及其有机质碳同位素组合特征。

通常水环境中碳从无机态到有机态(包括陆生植物源、水生植物源、浮游植物)，δ13C值逐渐降低[17]。不同有机质来源决定了湖泊沉积物有机质δ13C变化范围较大，其波动范围为-7‰～-38‰，变幅接近30‰[18]。陆生脉管植物和水生高等植物δ13C的分布范围较宽(平均值为-14‰)，与湖泊自生藻类(平均值为-28‰)之间存在部分重叠[11]。研究表明，沉积物中碳同位素组成会随浮游植物生物量或物种的变化而变化[5]。而对于碳酸盐，许多研究表明，当水体向藻型湖泊或草-藻混合型湖泊转变时，沉积物有机质δ13C呈快速下降[5，12]。该调查中3个采样点δ13C从表层往下逐渐升高，体现了香溪河水体近年来富营化趋势[2，19]，且可以进一步推测从表层至底层有机碳的比例逐渐降低。这也与香溪河藻类水华暴发后，藻类沉降于表层将导致表层沉积物中有机碳含量较高、δ13C值较低的情况相符。该研究中，采样点S1和S2的δ13C小于S3，这也符合靠近河口水华更严重的规律。

4　结论

笔者对香溪河入河口河段的生源要素碳、氮的分布开展了初步研究，结果表明：香溪河沉积物总碳含量为1.74%～3.52%，总氮含量为0.13%～0.24%，靠近河口的沉积物中总碳平均含量要低于支流上游。此外，靠近河口采样点的表层沉积物中总碳含量显著高于底层。氮含量的变化规律没有总碳明显，3个采样点同位素比率随深度的增加而增加，而且靠近河口的采样点尹家湾和官庄坪的δ13C要小于采样点S3，进一步分析表明从表层至底层有机碳的比例呈逐渐降低趋势。并且表层碳含量较高，同时δ13C比例呈降低趋势，也反映了河口已经开始并正处于持续富营养化过程，富营养化风险增大，值得关注。

由于研究时段、研究范围等客观条件所限，该研究亦存在一些不足。下一步研究有必要将调查范围扩展到流水区，并且增加有机碳、氮的同位素比率和生源要素磷的含量，以期更好地认识香溪河沉积物中生源要素的分布特征及水生生态系统的演变过程。

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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”项目(201408)。

胡俊(1977- )，男，湖北武汉人，副研究员，博士，从事生源要素的生物地球化学循环、同位素示踪等研究。

2016-07-07

S 181

A

0517-6611(2016)25-087-03