呼伦湖沉积物中有机碳无机碳分布特征研究

宋文杰　张瑾　郭晶晶

摘要： 以内蒙古高原湖泊呼伦湖为对象，开展了湖泊沉积物有机碳、无机碳含量的分别特征研究。结果表明：呼伦湖沉积物中总有机碳（TOC）含量范围为9.18～61.68g.kg-1，平均34.64g.kg-1； 总无机碳（TIC）含量范围为17.21～85.41g.kg-1，平均45.22g.kg-1；TOC在空间分布上表现出从西北向东南逐渐递减的趋势，高值区為HLH10和HLH3，其值分别为61.68 g.kg-1、57.76 g.kg-1。TIC在空间分布上表现出从北向南逐渐递减的趋势。高值区为HLH3、HLH9、HLH13、HLH32其值分别为85.41 g.kg-1、66.22 g.kg-1、66.75 g.kg-1、65.67 g.kg-1。初步研究了呼伦湖沉积物柱芯中有机碳与无机碳含量阶段性的正相关变化。结果表明，所选4个柱芯中有3个柱芯底层表现出良好的正相关性。表层沉积物中C/ N 的平均值为为20.73，柱芯中C/ N 的平均值为9.51，表明呼伦湖有机质主要来源于湖中水生植物，水体富营养化具有显著的内源性。

关键词：有机碳；无机碳；沉积物；湖泊

中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0097-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.058

Abstract：This study was carried out on the characteristics organic carbon and inorganic carbon distribution in the sediment of Hulun lake， which is the shallow lakes in arid areas within the Mongolian Plateau. The results indicates that the content of total organic carbon（TOC） ranged from 9.18 to 61.68 g.kg-1，with the average of 34.64 g.kg-1； total inorganic carbon（TIC） ranged from 17.21 to 85.41g.kg-1 ，with the average of 45.22g.kg-1；There showed a decreasing trend of the content of TOC from northwest to southeast. The higher values were found in HLH3 and HLH10.The values were 61.68 g.kg-1、57.76 g.kg-1 respectivly.Then there have a decreasing trend of the content of TIC from north to south.The higher values were found in HLH3、HLH9、HLH13、HLH32.The values were 85.41 g.kg-1、66.22 g.kg-1、66.75 g.kg-1、65.67 g.kg-1 respectivly.The sutdy also discusses the relationship between organic carbon and inorganic carbon in the sediments of Hulun lake.The results indicate that there is a positive correlation between organic carbon and inorganic carbon in different phases. The mean C/ N ratio of the sediment was 20.73 in surface sediments ，ande 9.51 in sediment cores ，which meant that the organic matter was mainly come from the hydrophytes of the lake ，and the eutrophication of the lake was mostly caused by its internal load.

Key words：Organic carbon；Inorganic carbon；Sediment；Lake

人类活动每年向大气排放的CO2约为65亿t，其中留在大气中的约50%，大洋吸收约16亿～20亿t，陆地生态系统大约吸收0.7亿～1.4亿t（Bates，2001；Battle et al.，2000）[1-2]还有大约13亿t找不到去处，称为CO2丟失项，而湖泊与海洋沉积物便是大气二氧化碳的接受者，同时当符合一定条件时，沉积物中的碳又可被重新释放进入水体乃至大气中，沉积物是碳循环中重要的源与汇，因此湖泊碳循环是全球碳循环不可忽视的一部分。碳是湖泊沉积物的主要组分之一，由无机碳和有机碳两部分构成。湖泊沉积物碳组分的广泛性和多源性一方面使其记录了丰富的区域环境信息， 但另一方面也导致了环境信息的混合性和多解性[3]。有关湖泊有机碳无机碳相关性研究也说法不一，Dean[5]的研究表明湖泊沉积物中的有机碳与无机碳含量呈反相关的变化。但Thamban等（1997）研究了Arabian海东部边缘沉积物中的OC、无机碳（碳酸盐），在该区OC含量与CaC03呈正相关关系。Schelske等研究结果也表明，二者之间含量呈正相关变化[5]。迄今尚无人对这两种说法做出合理的解释，本文重点探究呼伦湖沉积物有机碳与无机碳分布特征，并对二者之间的相关关系做初步的探究。

1 研究区域与研究方法

1.1 采样点概况

呼伦湖也称达赉湖，是“中国第五大淡水湖”，也是东北地区第一大湖。它位于呼伦贝尔草原西部新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市之间， 116°58′～117°47′E， 48°40′～49°20′N。呼伦湖地处于呼伦贝尔的西部高纬度半干旱草原地带，属中温带大陆性气候。气候特点是：冬季严寒漫长，春季干旱多大風，夏季温凉短促，秋季降温急剧，霜冻早。呼伦湖地区多年平均气温-0.5℃，极端最低气温-42.7℃，极端最高气温40.1℃。当湖水位在545.50 m时，蓄水量约131.3亿m3，水面约2 315 km2，最大水深8 m，平均水深5.70 m。湖面呈不规则的斜长型，湖面长93km，最大宽度41 km，平均宽度25 km，湖周长447km。呼伦湖地区多年平均降水补给量约6.3亿m3。湖周边集水面积约5 000 m2，径流补给和地下水补给量约3.9亿m3。呼伦湖多年平均补给总量约为22.7亿m3。呼伦湖不仅是我国北方重要的淡水渔业生产基地，也是著名的避暑旅游胜地。2002年1月呼伦湖被列入国际重要湿地名录，2002年11月被联合国教科文组织人与生物圈计划吸收为世界生物圈保护区网络成员。其水系由呼伦湖、哈拉哈河、贝尔湖、乌尔逊河、克鲁伦河、新开湖及连通于呼伦湖与额尔古纳河的达兰鄂罗木河（新开河） 等组成， 其来水主要源于境外， 其泄水排于中俄界河——额尔古纳河， 因此， 呼伦湖水系属于国际河流。 呼伦湖及其湿地被称为呼伦贝尔“草原之肾”， 在呼伦贝尔草原的生态保护和经济发展中， 其水域与湿地发挥着不可替代的重要作用[6]。

1.1.1 样品采集

依据《湖泊生态系统观测方法》，针对湖泊现有水域面积及湖泊生态系统类型，于2008年8月对呼伦湖进行了系统的现场监测和样品采集。沉积物柱芯和表层沉积物样品用挪威Swedaq公司产KCmod-AochB型无扰动采样器采集，沉积物柱芯现场以2cm间隔分层。沉积物样品装入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，带回实验室于-24℃冷冻保存。采样站位用全球卫星定位系统（GPS）定位，并结合地形图校正。

1.1.2 分析方法

有机质用重铬酸钾氧化外加热法测定（FHZDZTR0046），全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法（FHZDZTR0049）本文中无机碳的含量采用无机碳五种形态碳的加和求得，五种形态提取方法为：NaCl相（Ⅰ）准确秤取1.0000g沉积物湿样，盛于100mL 聚乙烯螺口离心管中，向管内加入50mL 1 mol/L 的NaCl溶液，摇匀震荡2h后，离心获取上清液；再向残渣中加入25mL蒸馏水，震荡10min后，离心获取上清液；合并两次上清液，测定CO2。NH3·H2O相（Ⅱ）在第Ⅰ步残渣中加入25mL0.1 mol/L的氨水，余下操作流程同第Ⅰ步。NaOH 相（Ⅲ）在第Ⅱ步残渣中加入25mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，余下操作流程同第Ⅰ步。NH2OH·HCl相（Ⅳ）将第Ⅲ步残渣转移到带有橡胶塞和橡胶管的锥形瓶中，加入25mL0.2 mol/L盐酸羟胺，产生的CO2用高纯N2（100 mL/min）吹出，用饱和醋酸-醋酸铅吸收所产生的H2S，用50mL饱和Ba（OH）2溶液吸收CO2，最后测定所吸收的CO2。HCl相（Ⅴ）在第Ⅳ步残渣中加入 25mL6mol/LHCl，余下操作流程同第Ⅳ步。实验数据用Surfur 7.0及Origin 7.0等软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物中有机碳和无机碳含量分布

呼伦湖表层沉积物中总有机碳（TOC）含量分布差异较大，最大值与最小值分别为61.68 g.kg-1及9.18 g.kg-1（表1），这是因为呼伦湖流域面积较大，湖泊具有的原始生产力不同，湖泊深度也不同[7]。总无机碳（TIC）最大值与最小值分别为85.41 g.kg-1及17.21 g.kg-1，均高于TOC含量。这可能是因为无机碳的来源主要不是人为的，呼伦湖本身碳酸岩风化、再悬浮、再沉淀所形成，经过长年的积累形成了高无机碳的分布。

图3 呼伦湖表层沉积物中有机碳和无机碳的含量

从图3中可以看出呼伦湖表层沉积物36个站位中， HLH2、HLH10、HLH11、HLH21、HLH26、HLH30、HLH34、HLH35，8个站位总有机碳含量高于总无机碳含量，其差值分别为7.81 g.kg-1、2.62 g.kg-1、13.39 g.kg-1、2.95 g.kg-1、3.75 g.kg-1、16.23 g.kg-1、10.42 g.kg-1、7.36 g.kg-1。其余28个站位总有机碳含量均小于总无机碳含量，其中HLH32站位总无机碳高于总有机碳含量高达45.41 g.kg-1。这表明对于呼伦湖来说36个表层沉积物大部分站位TIC的含量是高于TOC的，因为呼伦湖湖泊自生碳酸盐含量受湖泊原始无机碳的积累作用在大流域范围内均具有较高的TIC值，相对于TIC，来源于湖泊本身生产力以及流域地表径流的TOC含量相对较低。

2.2 表层沉积物中有机碳与无机碳的空间分布

呼伦湖表层沉积物中TOC含量空间分布上差异较大，总体上表现从西北向东南逐渐递减的趋势。高值区集中在HLH10、HLH3。其值分别为61.68 g.kg-1、57.76 g.kg-1、最低值在南边HLH16站位，其含量为9.18 g.kg-1。高值区可能位于呼伦湖西北部渔场主要工作区，渔场投放的大量饵料所产生的外源有机质造成了该区沉积物中大量有机质的富集。也可能是因为呼伦湖西北部原始初级生产力较高，沉积环境稳定，所以TOC值较高。与此同时乌尔逊河由湖区北部入湖，主要接纳流域的生活污水和牲畜粪便，也可能是造成湖区西北部TOC偏高的原因。呼伦湖表层沉积物中TIC含量呈现出从北向南逐渐递减的趋势。高值区为HLH3、HLH9、HLH13、HLH32，其值分别为85.41 g.kg-1、66.22 g.kg-1、66.75 g.kg-1、65.67 g.kg-1。因为这几个站位为湖泊边缘较浅地带，研究表明无机碳大多表现为浅水沉积物中含量较高[8]。

2.3 沉积物柱芯中有机碳、无机碳变化特征

4个沉积柱芯所处的湖区不同，TIC与TOC含量也表现出相应的差异。所选4个沉积柱芯中无机碳含量均明显高于有机碳的含量 （图6）， HLH1、HLH3、HLH8、HLH36四个站位TIC与TOC平均含量差值分别为48.58 g.kg-1、41.85 g.kg-1、34.86 g.kg-1、20.26 g.kg-1。根據李学刚等研究表明HLH1位于湖边位置TIC含量较高，又由于入湖水动力条件的作用TOC含量相对较少。HLH3、HLH8处于湖中较深位置，因此TIC含量较高。

垂向上， 4个柱芯TOC含量均表现为在表层富集并随深度的增加而逐渐降低的趋势（图6）。C作为植物必需的生源要素，且通过根系吸收积累于植物体内。由于在植物残体分解归还时，表层的植物残体分解最快而使有机质积累于表层沉积物中[9]。TIC的含量同样表现为随深度的增加而逐渐递减，但是规律性不强，波动较大，呈波浪式变化。HLH8和HLH36表现明显。造成这种差异的原因目前还不是很明确，可能与流域的地形、气候、碳源的输入、环境条件变化以及突发事件等有关，需进一步的研究。

2.4 沉积物柱芯中TOC与TIC的相关关系

呼伦湖沉积物柱芯中有机碳和无机碳含量分阶段相关性（P<0.01）如表3所示，HLH1的底层20～30cm、HLH3的表层0～18cm处、HLH8的底层42～59cm处以及HLH36底层30～44cm处有较好的相关性，TOC与TIC呈现同步的变化，相关系数分别为0.63、0.59、0.29、0.35。但是从整体来看并无相关性，HLH1、HLH3、HLH8、HLH36相关系数分别为0.05、0.04、0.14、0.02（图7）。3个柱芯中底层具有相关性，这与底层所处地质年代有关，3个柱芯所处湖泊地理位置不同，深度不同，但是在特定年代所经历的流域环境变化相同。根据赵慧颖等[10]对呼伦湖湿地气候变化研究表明，呼伦湖湿地春、夏、秋、冬和年平均气温变化均呈升高的趋势。逐年递增的温度使得呼伦湖流域面积不断减小，湖水营养盐含量递增。我们知道，湖泊初级生产力主要受控于湖水营养物质状况和温度变化，高温期的时候藻类光和作用较强，藻类生物量增加，有机质输送通量增大，导致沉积物有机碳含量与无机碳含量同步增加[11]。但是这种相关关系局限在特定流域位置、特定时期以及特定的沉积柱芯阶段，整体上并无相关性，原因有待进一步探究。

3 呼伦湖沉积物碳的来源

3.1 沉积物中有机碳的来源

有机碳主要存在于有机质中，而有机质主要由腐殖质、类脂化合物、糖类化合物等各类复杂的有机化合物或生化物质组成，其化学式可以简化表示为（CH2O）106（NH3）16H3PO4[8]，从有机质的结构来看， 湖泊沉积物有机质一般可分为藻类、草本类、木质类和木炭等4 种类型通常，藻类最易遭受氧化分解而不易保存，草本类次之，木质类和木炭则是最稳定的组分。藻类通常含有较多的饱和类有机化合物。因而它富含氢原子，通常具较高的H/ C 原子比；草本类主要由芳香族化合物构成，H的含量较低，因而具较低的H/ C 原子比；木质类则基本由多环芳香族化合物构成，其H 含量和H /C 原子比更低；木炭其实是碳质残余物（被氧化或改变了的植物残体），其H含量和H/ C原子比最低[12]，许多研究表明，沉积物有机质的C/N原子比可有效指示有机质的来源，[13-14]在湖泊沉积物中，C/N的不同体现了有机质来源的差异性。通常，有纤维束植物碎屑的C/N 大于20，无纤维束植物的C/N为4-12；湖泊中浮游动物的C/N低（低等水生生物的降解产物含有较多的蛋白质，其TOC/TN值一般小于7），浮游植物高；许多湖泊表层沉积物的C/N为6-14[15-16]呼伦湖表层沉积物中，TOC/TN介于0.29- 283.60之间，平均值为20.73，说明呼伦湖有机碳来源于陆源高等植物较多。

3.2 沉积物中无机碳的来源

湖泊沉积物无机碳主要来源于湖泊外源碳酸盐和自生碳酸盐。外源碳酸盐（allochthonous）是指由湖盆流域母岩风化产生、由地表径流搬运至湖泊水体的碳酸盐。湖泊自生碳酸盐包括湖水中无机化学沉淀产生的碳酸盐和生物壳体碳酸盐，以及少量沉积物埋藏后早期成岩作用产生的碳酸盐[17]。CaCO3的主要来源可能不是人为的，而是自然过程如碳酸岩风化、再悬浮、再沉淀所形成。研究表明在自然水体中产生碳酸盐沉淀的必要条件是水体过饱和，而引起过饱和条件形成的因素包括温度变化、水体蒸发浓缩、CO2的溶解与释放等[18-19]。吉磊等对呼伦湖表层沉积物矿物进行监测得出沉积物样品经镜下鉴定主要矿物成分是粘土矿物和方解石， 含少量粉砂和砂顺粒。后者主要是石英、钾长石、斜长石、云母和少量重矿物及岩屑[20]。呼伦湖沉积物中方解石的形成主要与湖水化学过程有关，即水体过饱和，表明呼伦湖无机碳的原始积累来源于湖泊本身矿物组成以及水动力条件。

4 结论

湖泊流域面积较大，湖泊具有的原始生产力不同造成呼伦湖沉积物中总有机碳（TOC）含量范围较广（9.18～61.68g.kg-1）； 总无机碳（TIC）含量均高于TOC含量。有机碳无机碳相关性研究表明，所选4个柱芯中有3个柱芯底层表现出良好的正相关性，这可能跟年代以及温度有关。表层沉积物中C/ N 的平均值为平均值为20.73，柱芯中C/ N 的平均值为9.51，表明呼伦湖有机质主要来源于湖中水生植物，水体富营养化具有显著的内源性。

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收稿日期：2018-04-24

作者简介：宋文杰（1985-），女，硕士研究生，讲师，教师，研究方向为环境地球化学。