大屯海和长桥海表层沉积物粒度和营养盐分布特征*

张龙吴 张虎才 角媛梅# 李 婷 段立曾

(1.云南师范大学地理学部,云南 昆明650500;2.云南大学生态与环境学院,高原湖泊生态与治理研究院,云南 昆明650500)

湖泊沉积物是湖泊营养盐的重要储存库,沉积物中营养元素对水体生态环境具有重要的指示意义,表层沉积物营养盐对上覆水体的“源/汇”效应,影响着整个水体的营养盐循环[1-2]。沉积物粒度是一个重要的物理参数,能够很好反映湖泊水动力状况[3]346,而湖泊水动力状况直接或间接影响着沉积物的化学组成和矿物组成,对沉积物吸附和释放营养盐的能力有重要影响[4]151,湖泊沉积物在富营养化湖区充当湖泊环境氮的缓冲体[5],在某些条件下,湖泊沉积物中的营养盐含量和赋存形式可能成为湖泊富营养化的主导因素[6]。不同地区湖泊沉积物营养盐和粒度的变化规律存在差异:杞麓湖和巢湖的营养盐与营养化水平基本相符,而泸沽湖、程海和青海湖等沉积物中的营养盐与营养化水平无明显相关性[7]2396。巢湖沉积物营养盐和粒度的相关分析表明,总有机碳(TOC)与总氮(TN)之间具有明显的正相关性,说明该湖泊中氮主要以有机物的形态存在;其中TN、总磷(TP)与无机磷(IP)之间也表现明显的正相关性,说明沉积物中氮源和磷源之间存在着一定的同源性[4]153。洱海表层沉积物营养盐与粒度分布的相互关系显示,湖泊深水静水区沉积物TP与黏土组分呈正相关,浅水湖区沉积物中TN、TOC、氨氮和残留磷富集也与粉砂组分呈正相关[3]347。

随着流域内人类活动强度日益增加,湖泊水质不断恶化,已成为生态环境问题研究的热点地区之一[4]148。云南高原湖泊对于人类生产生活发挥着重要的作用,近年来,由于流域内人口集中,经济活动频繁,造成了严重的水生态环境问题,制约区域社会经济的健康发展。因此,研究湖泊沉积物营养盐分布特征及其与粒度关系对于揭示湖泊沉积物生物地球化学循环过程具有重要作用。以往在蒙自盆地两大浅水湖泊——大屯海和长桥海开展的相关研究主要集中在周边工农业发展对湖泊生物和生态系统带来的影响[8-9],而对湖泊沉积物中营养盐及其环境意义的研究相对较少。基于此,本研究选择大屯海和长桥海这两大浅水湖泊,探讨湖泊沉积物中营养盐和粒度分布特征及两者的关系,研究结果将对深入了解湖泊沉积物中营养物质的循环进程有重要意义。

1 研究区概况

蒙自盆地位于滇南地区,其内分布有多个湖泊,其中最大的为大屯海和长桥海;盆地四周有山体围绕,海拔介于1 300~1 700 m;东部山脉海拔介于1 700~2 239 m;南部山脉海拔介于1 700~2 502 m;盆地底部为碳酸盐岩地层[10]。蒙自盆地处于印度洋季风和东亚季风交汇区域,属山地亚热带季风气候,全年气温高于0 ℃,年平均气温18.7 ℃,年平均降雨量817.5 mm。

大屯海和长桥海属于珠江流域南盘江水系,湖泊水源主要来自于南部的南溪河,通过工农大沟引入沙拉河、沙甸河和新沟河,最后注入两个湖区,经出湖口汇入泸江后注入南盘江,主要靠降水和地表径流补给。气候变化和人类活动使得湖泊几次干涸,经过多年来的水体整治和工程建设,大屯海成为了一个水库型湖泊[11-12],其东侧毗邻长桥海,湖面类似长方形,北侧水体受人类影响严重,西部和南部是重要的工业园区。长桥海位于蒙自市区北侧约6 km 处,是蒙自城市生活和生产的主要水源。大屯海和长桥海相关信息汇总于表1。

2 材料与方法

2.1 湖泊样品采集

2018年3月,开展了大屯海和长桥海湖泊水体和沉积物的野外采样工作。根据湖泊的形态特征和水深分布等因素,在大屯海和长桥海各布设31、34个点位(见图1),以确保点位覆盖全湖;利用HTH重力采样器在两个湖泊中多个位置提取20~40 cm的钻孔,分析钻孔表层1 cm 的样品作为表层沉积物;选取大屯海4个点和长桥海5个点采集水样,以便分析水质的TP 和TN。把表层沉积物样品取回实验室后,通过离心法获取间隙水,具体方法:将取回的沉积物放入离心管中,盖紧盖子,从氮气箱中拿出,以5 000 r/min离心20 min,离心后在氮气箱中过滤上清液,制得沉积物间隙水。

2.2 样品测定方法

湖泊表层沉积物粒度采用全样粒度分析方法[13],以Master-sizer 2000 激光粒度仪进行测定;TOC和TN 采用快速燃烧法[14],以MAT 253稳定同位素比质谱仪联用Flash EA 元素分析仪测定;湖泊沉积物间隙水TP和TN 参考文献[15]测定,TN使用碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定,TP使用过硫酸钾消解/钼锑抗显色分光光度法测定。

3 结 果

表1 研究区湖泊信息

图1 大屯海和长桥海水深分布及点位布局

图2 大屯海表层沉积物中C1、C2和C3空间分布

3.1 湖泊表层沉积物粒度空间分布特征

根据Udden-Wentworth分类方法,将湖泊表层沉积物粒度划分为3个主要组分,分别为黏土(记为C1,粒径小于4μm)、粉砂(记为C2,粒径介于4~63μm)和砂(记为C3,粒径大于63μm),以便解释研究区表层沉积物粒度环境意义[16-17]。

由图2可以看出:大屯海表层沉积物中C1主要富集在北部深水静水区,整体分布不均匀,最高值出现在湖区东北部,北部和西部分布着两个高值区,而中部则围绕小岛成低值区;C2分布呈现为南北高中部低,最高值在湖区北部,湖区南部也存在较高值,该区域受湖泊水动力及人类活动的作用较强,最低值出现在湖区中部;C3整体呈同心圆状空间分布(湖心向四周递减),主要富集在湖区中部,最高值位于湖心,东南部新沟河入湖口处含量较高,呈现扇形,与曾海鳌等[18]在太湖河口的研究结论一致,湖区北部和西南部属于低值区,最低值位于湖区西北部。

由图3可以看出:长桥海表层沉积物中C1主要分布在湖区西北部,最高值出现在西北部锥形口处,最低值出现在湖区东南部,湖区中北部、西南沿岸及沙拉河入湖口处存在低值区;C2主要富集在湖区东南部入湖口和西北端出湖口,整体分布不均匀,最高值出现在湖区东南部,最低值位于湖区西北部锥形口偏中部区域;C3主要富集在湖区北部和西北部锥形口处,湖区C3含量整体偏低。相比大屯海,长桥海较深,储水量多,细颗粒含量相对较高,粗颗粒含量则相对较低。

图3 长桥海表层沉积物中C1、C2和C3空间分布

图4 湖泊表层沉积物M z空间分布

表2 湖泊表层沉积物粒度统计

平均粒径(Mz)能够充分反映沉积物粒度分布聚集趋势,是衡量沉积物颗粒平均尺寸的指标,能够很好地解释湖泊水动力状况[19-20];Mz可以用来指示源区,Mz越大,离源区越近[21-22]。大屯海粗颗粒主要富集在湖区中北部岛屿周围和东南端河流入湖口处,此区域Mz大于65μm;长桥海粗颗粒主要富集在湖区中北部和西北端锥形口,此区域存在Mz大于11μm 的高值区(见图4)。研究区湖泊沉积物Mz与C3空间分布特征具有相似性。

研究区表层沉积物以C2和C1为主,其中C2为研究区的优势粒度,在大屯海表层沉积物中平均占54.40%,在长桥海表层沉积物中平均占53.56%(见表2)。

3.2 湖泊表层沉积物间隙水TP 和TN 空间分布特征

由图5(a)和图5(b)可以看出:大屯海表层沉积物间隙水TP含量表现为湖区南部高于北部,最高值位于西南部,最低值位于湖泊的东北部;长桥海表层沉积物间隙水TP 最高值出现在湖区的西北部,并在此区域形成高值区,并以此为中心向东南方向递减,此外仁厚村附近出现TP较高的区域,其余位置TP含量偏低。

由图5(c)和图5(d)可以看出:大屯海表层沉积物间隙水TN 最高值分布在湖区西南部,总体南部高于北部;长桥海表层沉积物间隙水TN 整体低于大屯海,仁厚村附近出现高值区,成团块状分布,湖区南部沙甸河入湖口以及锥形口北岸TN 含量较高,湖区东南部沙拉河入湖口和北部存在低值区。

图5 大屯海和长桥海表层沉积物间隙水TP和TN空间变化

3.3 湖泊表层沉积物营养盐空间分布特征

由图6可以看出,湖泊表层沉积物TN 和TOC分布特征具有相似的变化趋势,且整体上为同心圆状的空间分布特征。大屯海表层沉积物TN 介于0.21%~0.81%,平均值为0.50%,最高值位于湖心区域,而最低值位于北部;长桥海TN 介于0.01%~0.53%,平均值为0.28%,最高值分布在西南部,最低值出现在西北部锥形口附近。

大屯海表层沉积物TOC 介于1.91%~8.78%,平均值为5.09% ;长桥海表层沉积物TOC 介于0.17%~4.70%,平均值为2.83%。

4 讨 论

4.1 湖泊表层沉积物粒度环境指示意义

湖泊沉积物粒度空间分布特征跟流域内沉积物源和沉积环境有关。沉积环境水动力特征是影响沉积物颗粒分布的重要因素,与其他环境要素(如水草分布和岛屿位置等因素)综合作用最终决定了不同区域的沉积物类型。大屯海表层沉积物细颗粒北部高于南部,这与湖流带动泥沙运移轨迹有关。蒙自盆地常年盛行南风和东南风,大屯海入湖口在南部而出湖口在北部,湖流与盛行风向基本吻合,湖流在运移的过程中,将浅水湖泊底泥扰动,来源于湖区南部及东南部的细颗粒在湖流的作用下悬移至大屯海北部并沉积下来。湖区中部和东南部入湖口粗颗粒较多,这是由于湖中有岛屿,靠近物源区,受人类活动影响较强;且东南部河流是湖区主要水源,新沟河搬运带来大量的粗颗粒物质。C2是研究区表层沉积物的优势粒度,主要分布在南部和北部,反映出水动力强。

长桥海C1整体呈东南向西北逐渐递增的趋势,这与河流注入、湖流方向和湖水外流产生定向水流等因素有关。东南部的沙拉河和沙甸河给湖区注入了大量水源,丰水期时通过西北部的永丰渠流出,因此,粗颗粒主要出现在入湖口和出湖口。湖区北部发现大量的粗颗粒,此区域靠近北岸村庄,是村寨排水的主要入口;研究区湖泊属于典型的城市浅水型湖泊,湖泊流域人口密集,表层沉积物粒度受到人类活动影响较大,分布特征与深水湖泊相比存在明显差异。

图6 大屯海和长桥海表层沉积物TN和TOC空间分布

Mz与C3含量空间分布特征基本吻合,表明研究区沉积物粒度分布受控于C3分布的影响[23],大屯海Mz大于长桥海,说明大屯海湖区粗颗粒物质沉积较多,而长桥海较少,这与外围人类活动、湖泊走向和深度有关[24]。大屯海湖泊水位浅且外围村镇密布,人类活动影响较大;长桥海湖泊水位深,储水量多,受人类活动的影响小,所以湖区表层沉积物细颗粒物质较多。

4.2 湖泊水体TP和TN 环境指示意义

大屯海表层沉积物间隙水TP在湖泊中央深水区出现高值区,其深度大于2.4 m,最高值出现在湖区西南部。TN 与TP 分布特征大致相似,在湖区西南部和新沟河入湖口出现高值区。长桥海表层沉积物间隙水TP 和TN 于西北部锥形口出现最高值,这与湖泊深度密切相关;此外,仁厚村附近出现高值区,初步断定这与流域内人类活动有关。

据红河州水资源公报显示,大屯海2005年水质综合评价为Ⅳ类,为中度污染,而2013、2015 和2018年水质为Ⅴ类,为重度污染;长桥海2000年水质综合评价为Ⅲ类,为轻度污染,2015和2018年水质为Ⅴ类,为重度污染。蒙自盆地两大浅水湖泊水质污染日趋严重,且大屯海湖区TP(0.23~0.27 mg/L,平均值0.24 mg/L)高于长桥海(0.07~0.12 mg/L,平均值0.09 mg/L)。大屯海流域内人口密度大,工农业设施集中,大量的生产和生活污水注入湖区,大屯海湖泊旅游、河口围垦和修筑堤坝等人类活动也会对湖泊和流域生态系统造成严重影响。其中TP 和TN 高值区在河流入湖口和村庄附近,说明对外源河流输入的控制是改善湖泊生态环境的主要任务[25]。

4.3 湖泊表层沉积物粒度和营养盐相关性及其指示意义

湖泊沉积物粒径差异使其化学元素产生差异,粗颗粒即使在强烈的环境变化时也不易破碎使氮溶出,只有颗粒外层的氮或湖水中自生细颗粒中的氮才能充分参与循环[26-29]。一般在深水湖中细颗粒吸附营养盐能力大于粗颗粒,细颗粒占比较高的湖区污染程度也相应较高;但在水动力较大的浅水湖区,污染程度与颗粒较粗的C2和C3占比的关系更为紧密[7]2395。

选择粒径最小与最大的C1与C3分别研究其与TN、TOC的关系,由图7可以看出:大屯海表层沉积物TN 与C1呈负相关关系(R=-0.15),与C3呈正相关关系(R=0.32);TOC 与C1呈负相关关系(R=-0.27),与C3 呈正相关关系(R=0.44)。相比之下,长桥海表层沉积物营养盐与颗粒组分的相关性较弱。大屯海属于小型浅水湖泊,表层沉积物中TN、TOC与C3呈正相关,进而说明氮素与水动力存在相关性。大屯海表层沉积物TN 和TOC富集在湖心,以此为高值中心逐渐向四周递减,C3分布与TN 和TOC具有相同的趋势,因此C3含量越高的湖区,营养盐越集中,形成类似于同心圆状的分布特征[30]。入湖口和出湖口分布在南部和北部,此区域水动力相对较强,湖心水域水动力较弱。长桥海TN 和TOC 也富集在湖中央,分布趋势与大屯海相似,受控于沉积物分布和水动力的状况,营养盐随着流水搬运从湖盆四周汇集到湖中心。湖心TOC、TN 整体上变化不明显,这是由于湖心距离两岸较远,生态系统保持较稳定。研究区作为典型的城市浅水型湖泊,TN 和TOC富集在远岸深水至较深水的湖心静水区,在气候变化和湖底扰动等条件下会释放到湖泊中造成二次污染,表层沉积物是大屯海和长桥海富营养化的潜在内源[3]347。

图7 大屯海表层沉积物TN、TOC分别与C1、C3的线性关系

图8 大屯海和长桥海表层沉积物TOC和TN线性关系

由图8可知:研究区表层沉积物TOC与TN 均呈显著正相关关系(R=0.95,P＜0.01),表明表层沉积物中氮主要以有机氮的形式存在。氮是影响湖泊富营养化进程的重要营养物质,在湖泊环境演化过程中,氮同位素会在湖泊沉积物有机质中保存并固定下来,所以根据湖泊TN 变化的趋势,可以分析湖泊沉积物中营养盐输入、历史变化、流域气候和水化学条件等[31-32]。

5 结 论

(1)研究区湖泊表层沉积物粒度分布特征与深水湖泊存在明显差异,蒙自盆地位于滇南城市核心区,流域内人类活动活跃,C2是研究区的优势粒度,主要分布在南部和北部,能够充分反映研究湖区水动力状况。研究区北部细颗粒沉积与湖泊常年盛行的湖流有关。

(2)大屯海表层沉积物TN、TOC均与C1呈负相关,与C3呈正相关;长桥海表层沉积物TN、TOC与颗粒组分的相关性较弱。大屯海表层沉积物TN和TOC 分别介于0.21% ~0.81%、1.91%~8.78%,平均值分别为0.50%、5.09%;长桥海TN和TOC分别为0.01%~0.53%、0.17%~4.70%,平均值分别为0.28%、2.83%。研究区湖泊属于水动力强的浅水型湖泊,TN 和TOC 分布受C3和水动力分布的影响,主要富集在湖心静水区,形成类似于同心圆状空间分布特征,表层沉积物是湖区富营养化的潜在内源。

(3)研究区表层沉积物TOC 与TN 呈显著相关,表明表层沉积物中氮主要以有机氮的形式存在。

(致谢:胡京九、田洋洋和冯仡哲在野外工作中给予很大帮助,蔡萌、陈杨、刘柏妤和贺柳青参与了室内实验样品分析,张晓明教授和张晓楠博士对论文提出修改意见,在此一并致谢!)