草海悬浮颗粒物和沉积物碳氮同位素特征及来源分析

朱正杰 李典鹏 骆文杰 忻 飞 卜弘毅 陆彩虹 傅海峰 安树青*

(1 南京大学常熟生态研究院，南大(常熟)研究院有限公司，江苏 苏州 215500；2 南京大学生命科学学院湿地生态研究所，江苏 南京 210046)

碳氮稳定同位素分析技术可揭示食物链和食物网的营养关系（Hansson et al., 2003; Hesslein et al., 1991），反映水体营养状况及有机质的物源等地球化学问题（Valiela et al., 2000；Vander et al., 2001）。湖泊有机碳同位素可指示水生态系统初级生产力变化和有机碳来源及其变化规律（季宁宁等, 2022）。氮同位素可示踪有机质来源，反映氮来源及指示相关的生物地球化学循环过程（吴丰昌等, 2010; 林琳等, 2012）。此外，碳氮稳定同位素技术也被用于监测受人类活动和污水影响的浅层水生生态系统的变化（肖化云等,2006; 周志华等, 2005; 2007）。碳氮稳定同位素技术已成为诊断湖泊水生态环境中有机质来源的有效工具（郭庆军等, 2015; 郭凯等, 2015; 梁越等,2014; 卢凤云, 2011）。倪兆奎等（2011）通过运用碳、氮稳定同位素技术和年代鉴定手段，探究了近百年太湖沉积物有机质和氮的来源，其有机质来源总体以自生为主。宋正城等（2019）通过采取草海优势生物类群和湖底沉积物样品，研究草海生态系统中碳（δ13C）、氮（δ15N）同位素分布特征，确定各生物类群营养级别，建立完整的草海湿地食物链结构。通过对2019年草海表层沉积物中总有机碳（TOC）和总氮（TN）的含量分布及δ13C、δ15N和C/N的分析，发现草海表层沉积物有机质来自内源的贡献占大部分，主要来源为土壤、浮游藻类和水生植物（李林蔚, 2022）。

草海自然保护区是贵州省最大的高原天然淡水湖，因湖中沉水植物茂盛而称草海，是我国特有高原鹤类黑颈鹤（Grus nigricollis）的主要越冬地之一。从2020年开始，草海沉水植被逐渐衰退消失，水体变浑浊，悬浮颗粒物激增，水体透明度整体在1 m以下，由健康的清水草型稳态向退化的浊水藻型稳态转换。草海水体悬浮颗粒物有机质可能来自外源性的工业污染和城市废弃物，也可能来自化肥和农药等农业活动，或者来自内源性的沉积物再悬浮。本研究分析了贵州草海湖泊及入湖河流的表层沉积物和悬浮颗粒物样品的δ13C、δ15N等，通过有机物特征，探讨草海有机质的来源，初步诊断草海水体浑浊的原因，以期为草海水生态修复提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

草海位于贵州省威宁县西南部(104°10′—104°20′E，26°47′—26°52′N)，属于长江水系。供水主要来自降水和地下水。流域总面积96 km2，平均海拔2 172 m。草海是贵州省最大的天然淡水湖，水域面积25 km2，是中国三大高原湖泊之一，平均水深不超过1.5 m。草海地区年平均降水量1 000 mm，年平均日照时数1 805 h，年平均气温10.50℃，属亚热带高原季风气候。草海湿地植物种类丰富，每年冬季，黑颈鹤、灰鹤（Grus grus）等近7万只湿地鸟类在此过冬觅食，是西南地区候鸟过冬和休息的主要栖息地之一（Xia et al., 2021）。2016年草海水生植物共计28科40属67种，以芦苇（Phragmites australis）、野菱（Trapa maximowiczii）、眼子菜（Potamogeton distinctus）、穗状狐尾藻（Myriophyllum spicstum）等为主。2022年采样期间，所有采样点均未发现水生植物。

1.2 样品采集

2022年3月根据草海水域面积情况均匀布设采样点，采集草海悬浮颗粒物及表层沉积物样品，湖区内设15个采集点（L1-L15），在万下河、东山河、白马河、大中河这4条入湖河流共计布设R1、R2、R3、R4采样点，1个人工湿地尾水采样点（W1）（图1）。其中，采样点L7、L12、L13、L14为西部；L2、L3、L5、L6为东南部，L1、L4、L10为北部，L8、L9、L11、L15为中部。自2018年开始，草海便实施一系列禁渔措施，以恢复草海生态系统；采样期间天气晴朗。共采集湖区水体悬浮颗粒物样品15个，湖区、入湖河流及人工湿地的沉积物样品20个。悬浮颗粒物采用取水器采水若干，随后采用真空泵进行过滤，通过0.75μm滤膜，悬浮颗粒物将在滤膜上富集，由于测定悬浮颗粒物需要1～2 g样品，所以需多次过滤，直至样品量足够。表层沉积物采用抓斗式采泥器采集0～20 cm的表层沉积物，去除植物碎屑、碎石和贝壳等。草海基本水质指标见表1。

表1 草海基础水质指标Table 1 Caohai basic water quality index

图1 水体悬浮颗粒物与沉积物采样位点Fig. 1 Sampling sites of suspended matter and sediment

1.3 分析测试与数据分析

以Sercon Integra 2稳定同位素比例质谱仪，以Elemental micro-analysis LTD 3种标准物质尿素为标准，测定3种尿素的碳氮同位素值，与标准值进行对比，做出线性回归。以此为准，进样测定样品中C的δ13CAIR。以IsoPrime100质谱仪，使用IsoPrime100质谱仪和Elemental micro-analysis LTD提供的4种尿素标准物质，测定碳氮同位素，并与标准值进行对比，做线性回归分析。以此为准，测定样品中N的δ15NAIR值。采用 Excel对数据进行处理，采用SPSS 26进行单因素方差分析，Person相关性分析，运用Origin 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 悬浮颗粒物和沉积物中总碳和总氮含量

草海悬浮颗粒物总碳含量为8.93%～25.69%，平均值为17.03%；湖内水体悬浮颗粒物总氮含量为0.95%～2.65%，平均值为1.78%；C/N范围在7.61～11.58，平均值为9.64（表2）。湖西部采样点L12、L13、L14的水体悬浮颗粒物总碳含量较低，平均值为10.09% ；总氮含量也较低，平均值为1.13%；湖东部及中部采样点L2、L5、L6、L8的水体悬浮颗粒物总碳含量较高，平均值为23.96%；总氮含量也较高，平均值为2.54%。

沉积物总碳含量为8.68%～25.38%，平均值为16.62%；沉积物总氮含量为0.62%～2.34%，平均值为1.43%；C/N为10.09～15.43，平均值为12.08（表1）。湖西部采样点L12、L13、L14的沉积物总碳含量较低，平均12.74%，总氮含量也较低，平均0.86%；湖东南部及中部采样点L2、L3、L5、L6、L8、L9的沉积物总碳含量较高，平均为22.66%，总氮含量也较高，平均2.11%。万下河、东山河、白马河、大中河4条入湖河流沉积物的总碳含量分别为1.59%、2.28%、1.32%、6.86%，人工湿地尾水出水口沉积物总碳为4.11%，入湖河流中草海西部万下河和东山河总碳含量较低，东部大中河和人工湿地尾水水口的沉积物总碳含量较高。

湖区沉积物C/N变化不大，为7.61～11.58，平均值为9.64；大中河沉积物C/N为22.64，高于湖区平均值。通常认为，水生植物在颗粒物中的C/N为4～10。对于湖泊生态系统来说，如果C/N大于8，则表明湖泊水体中的颗粒有机物主要来自陆源有机物；而如果C/N小于8，则意味着湖泊水体中的颗粒有机物主要来自内源（张征, 2020）。草海水体悬浮颗粒物的C/N普遍大于8，可推断草海悬浮颗粒物有机碳主要来源于陆源有机物。

2.2 悬浮颗粒物和沉积物中δ13C‰的空间变化

草海悬浮颗粒物δ13C为-25.34‰～-15.37‰，平均值为-19.31‰；沉积物δ13C为-24.49‰～-18.24‰，平均值为-19.72‰。万下河、东山河、白马河、大中河4条入湖河流沉积物δ13C分别为-23.87‰、-24.09‰、-25.71‰、-27.77‰，人工湿地尾水出水口沉积物δ13C为-26.28‰。湖东南部采样点的水体悬浮颗粒物δ13C最低,为-21.32±0.95‰，显著低于湖西部（-18.723±0.19‰，p＜0.05）、中部（-19.78±0.3‰，p＜0.05）、北部（-19.29±0.09‰，p＜0.05）（图2）。湖东南部采样点的沉积物δ13C（-23.62±0.69‰）最低，显著低于湖西部（-17.26±0.7‰，p＜0.001）、中部（-19.04±0.57‰，p＜0.001）、北部（-17.53±0.48‰，p＜0.001）（图3）。

图2 草海悬浮颗粒物δ13CFig.2 δ13C of suspended solids in Caohai lake

图3 草海入湖河流及湖区沉积物δ13CFig.3 δ13C of sediment from into-lake rivers and Caohai lake

δ13C能较好地反映在光合作用过程中的碳同化作用及碳源同位素的组成。一般认为不同的物质具有各自稳定特定的δ13C信号，C3植物、C4植物、景天科植物、内源有机质、混合有机质（陆源和水生来源混合体）的δ13C分别为-30‰～-20‰、-19‰～-9‰、-30‰～-10‰、-22‰～-19‰、-22‰～-16‰之间（Emerson, 1988；Fontugne, 1987；Louchouarn, 1999；Meyers, 2003）。草海水体悬浮颗粒物的δ13C除西北部外，东南部、中部、北部均处于内源有机质范围内，说明水体悬浮颗粒物碳的主要来源为水生植物、藻类、细菌及其他内源生物（图2）。草海湖区沉积物的δ13C除东南部外，均处于混合有机质范围内，说明沉积物碳主要为陆源和水生来源混合体（图3）。不同湖区采样点的沉积物δ13C均显著高于与入湖河流（-25.54±0.65‰，p＜0.001），表明草海湖区的碳来源与入湖河流相关性较低。

2.3 悬浮颗粒物和沉积物中δ15N的空间变化

草海悬浮颗粒物δ15N为0.50‰～3.54‰，平均值为2.14‰；沉积物δ15N为1.38‰～5.56‰，平均值为2.93‰。万下河、东山河、白马河、大中河4条入湖河流沉积物δ15N值为2.85‰、7.81‰、6.92‰、2.39‰，人工湿地尾水出水口沉积物δ15N为8.15‰。湖东南部采样点的水体悬浮颗粒物δ15N最低1.37±0.25‰，显著低于湖西部（2.97±0.23‰，p＜0.05）和北部（2.55±0.5‰，p＜0.05）与中部差异不显著（1.76±0.33‰，p＞0.05）（图4）。湖中部采样点的沉积物δ15N（2.12±0.24‰）最低，显著低于湖西部（3.61±0.21‰，p＜0.01）和北部（3.97±0.52‰，p＜0.05），与东南部差异不显著（2.29±0.23‰，p＞0.05）（图5）。入湖河流沉积物δ15N（5.62±1.11‰）显著高于湖中部（p＜0.001）、东南部（p＜0.001）、西部（p＜0.01），与北部差异不显著（p＞0.05）（图5）。

图4 草海悬浮颗粒物δ15NFig.4 δ15N of suspended solids in Caohai lake

图5 草海入湖河流及湖泊沉积物δ15NFig.5 δ15N of sediment from into-lake rivers and Caohai lake

一般认为不同来源的含氮物质具有稳定的δ15N信号，土壤流失氮、化肥、生活污水、沉积物硝态氮的δ15N分别为3‰～8‰、-4‰～4‰、10‰～20‰、0.2‰～0.8‰（Kendall等, 1998；Macko et al, 1994；Derse et al., 2007）。另有研究表明：陆源性有机质的δ15N平均2.7‰，水源性有机质的δ15N平均6.5‰（Herczeg et al.,2001; Andreas et al., 2003）。由图4可知：草海西部和北部水体悬浮颗粒物的δ15N与陆源有机质的δ15N接近，表明草海水体悬浮颗粒物氮为陆源性。草海湖区沉积物的δ15N（2.93‰）与悬颗粒浮物δ15N（2.14‰）均介于化肥δ15N范围之间，表明沉积物与水体悬浮颗粒物氮的同源性，来源为农业化肥流失。入湖河沉积物δ15N显著高于湖区沉积物（北部除外），表明入湖河流氮源可能会对湖区沉积物氮产生影响。

3 讨论

从空间分布来看，草海水体悬浮颗粒物与沉积物总碳、总氮含量主要体现在湖区西部低，湖区东部及中部较高的特征，原因可能在于威宁县城、游船码头均位于湖区的东北角，城市生活污水排放等造成的污染。另外，可能由于草海湖区西南风较多，导致藻类等颗粒物向中部和东部转移。2019年草海就呈现出自东向西水体颗粒有机碳含量逐渐降低的趋势，与本研究结果一致，主要原因推测为受藻类生物量控制，河流输入和沉积物再悬浮也是重要来源（张征, 2020）。一般认为C3植物的δ15N为3%～7%，C3类型植物降解土壤有机质中δ15N为 0%～5%，水体中浮游植物的δ15N为-15%～20%。研究认为悬浮颗粒物C/N为8～30，且δ15N大于7‰时，悬浮颗粒物中有机碳的主要来源为水生植物，若δ15N为-2‰～7‰，则主要来源为水生植物和土壤有机质的混合物（Kendall et al., 2001）。本研究草海悬浮颗粒物C/N为8～30，悬浮颗粒物δ15N为0‰～5‰，主要来源可能为土壤有机质，归因于沉积物的再悬浮。2018—2019年草海中心水体颗粒有机质δ15N偏负，近岸湖区δ15N偏正，可能是由于当时湖区中心沉水植物生长旺盛，以水生植物为主的颗粒物导致（张征, 2020）。而本研究湖内水体悬浮颗粒物δ15N全为正值，呈现湖区西部较低而中东部较高，沉积物也呈同样趋势，可能是水体浑浊后，由于东部河流的外源污染导致。有研究表明粪肥和化肥是流入河水中硝态氮的主要来源（Cao et al., 2021），与本研究的结果一致，主要通过草海东部的万下河与大中河汇入；因此，应加强对农田化肥的科学使用以及对生活污水的处理，以保障草海水质。2019年草海枯水期水体颗粒物的来源分别为沉积物38%、土壤有机质14%、沉水植物17%、挺水植物20%、粪便污水12%（张征, 2020）。草海水体氮形态分布的季节性差异主要受水环境变化、外源氮输入以及内源氮释放的共同影响，入湖河流的污染控制，湖内沉积物氮素的释放均是主要因素（杨诗笛等, 2021），与本研究结果较为一致。此外，草海水位的上升会抑制氮的转化，从而促进沉积物中氮的积累，并增加氮的释放风险（吴胜利等,2019），因此，对于被淹没的农田污染问题应引起高度重视。

4 结论

1）草海水体悬浮颗粒物与沉积物总碳、总氮含量主要呈现西部湖区低，中部及东部湖区较高的特征，可能由于湖区的东北角的威宁县城造成的城市生活污染。

2）草海水体悬浮颗粒物的C/N为8～30，δ15N为0‰～5‰，表明水体颗粒物主要来源于土壤有机质，归因于沉积物的再悬浮的作用。

3）草海水体悬浮颗粒物的δ13C处于内源有机质范围内，说明水体悬浮颗粒物碳为内源性，来源包括水生植物、藻类、细菌及其他内源生物。湖区沉积物δ13C均处于混合有机质范围内，说明沉积物碳主要为陆源和水生来源混合体。

4）草海水体悬浮颗粒物与沉积物的δ15N均介于人工合成肥料范围之间，表明水体悬浮颗粒物与沉积物氮的同源性，来源为农业化肥流失。入湖河流沉积物δ15N与北部湖区无显著差异，显著高于其他湖区，表明北部湖区可能受入湖河流氮源影响较大。