巢湖富營養化與環境演變的地球化學沉積記錄

吳 立 計 超 張夢翠 張詩陶

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巢湖富營養化與環境演變的地球化學沉積記錄

吳 立 計 超 張夢翠 張詩陶

通過對巢湖西湖區中心采集的湖泊沉積物柱狀巖芯（CH）樣品的有機碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、總有機碳（TOC）、總氮（TN）和碳氮比（C/N）值含量進行實驗測定，并利用氮同位素與C/N值的比較，探討了不同深度有機質及其氮素的來源，進而分析巢湖湖泊的富營養化與環境演變過程。結果表明，湖泊沉積物TOC來源主要是以利用與大氣保持平衡的依靠水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主，且TOC記錄較好反映了兩百多年來巢湖流域較大的洪澇事件；TN高低在1960s之前主要受水土流失影響，之后受到人類活動影響更加明顯；1960s以前湖泊營養來源以自生有機質為主，1950s～1970s湖泊初級生產力明顯提高，富營養化開始，1970s以后由于巢湖閘建成，原本半封閉的巢湖，湖水的更替更加緩慢，湖中營養物質富集更加迅速，湖泊初級生產力迅速提高，富營養化過程進一步加劇，其中人類生產、生活產生的外源輸入是重要的影響因素。

湖泊的自然演化和它受人類活動影響的演變信息不僅可以作為了解湖泊變化過程的依據，更可以用來預測湖泊未來的變化趨勢。已有研究表明，湖泊沉積物具有連續性好、沉積速率大、分辨率高和信息豐富的特點，可以用于推演過去的湖泊富營養變化和氣候變化過程。同時，湖泊還是生態系統古環境歷史重建最有效的手段之一，利用沉積物的總有機碳（TOC）、總氮（TN）、有機碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）的變化可以判斷沉積物形成時的古環境演變歷史，不同種類植物光合作用所利用的碳源存在差別而出現同位素分餾，湖泊沉積物δ13Corg組成可用于指示湖泊有機質來源、湖泊生態系統結構及湖泊初級生產力變化，而氮同位素δ15N也是鑒別湖泊沉積物中氮來源的有效手段。碳氮比（C/N）值也被廣泛用于指示湖泊沉積物中不同來源的有機質貢獻。

巢湖位處安徽省合肥市省會經濟圈的中心區域，近年來多次暴發藍藻水華，這與湖泊的富營養化及其環境演變過程息息相關。本文通過對巢湖西湖區中心采集的湖泊沉積物柱狀巖芯（CH）樣品有機碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、總有機碳（TOC）、總氮（TN）以及碳氮比（C/N）值含量進行實驗測定，利用氮同位素與C/N值的比較，探討不同深度有機質及其氮素來源，進而分析巢湖湖泊富營養化與近現代的環境演變過程，從而更好地為當今巢湖富營養化治理與區域社會經濟可持續發展提供參考與科學依據。

材料與方法

巢湖概況

巢湖位于長江下游安徽省中部，是合肥市的重要水源地，也是我國富營養化最嚴重的三大湖泊之一。湖泊總面積760 km2，東西長54.5 km，南北平均寬15.1 km，平均水深2.4 m；風浪擾動作用強烈，入湖河流攜帶大量泥沙，湖水總懸浮物含量高，藍藻發育，透明度低，湖泊基底是晚更新世的下蜀黃土層，上部的現代沉積物厚度約為50～100 cm。近百年來隨著流域農業和城市化的發展，巢湖的湖泊富營養程度不斷加劇，1962年巢湖市西南出口處建成巢湖閘使得湖水滯留時間顯著增加，匯水盆地中污染物大量排入湖中，周邊城鎮化的快速發展使得湖泊水體受到更為嚴重的污染，湖泊富營養化程度不斷加強，藍藻水華問題日益嚴峻，為此政府不斷加強對巢湖湖泊污染的治理，“十二五”期間巢湖流域水污染防治項目達167個，投資總額達113億元。

樣品采集與實驗方法

在前期調查的基礎上選擇巢湖淤泥質沉積厚度較大的西湖區31°33′44.6″N，117°23′39.4″E位置（圖1），利用船只搭建水上作業平臺，使用荷蘭Eijkelkamp公司生產的Beeker型沉積物采樣器獲取一根87 cm長湖泊沉積物柱狀短芯，而后用PVC管對巖芯進行密封保存，運回實驗室采取低溫存放以防止樣品氧化。為達到較高分辨率的要求，樣品處理首先對采集的巖芯進行拍照和巖性描述，再每隔1 cm進行樣品分割取樣。整個巖芯主要是青灰色粉砂，其中，深度0～25 cm主要為青灰色細粉砂，25～87 cm為青灰色中粉砂偶夾細粉砂層。

樣品碳氮地球化學分析在中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室完成（表1）。首先，將樣品加入5%的稀鹽酸多次攪拌后在低溫水浴環境下靜置至少3h，以便完全去除碳酸鹽；再將樣品置入離心管內，用蒸餾水離心、清洗，使其呈中性，低溫干燥去除碳酸鹽的樣品后，研磨至粉末狀；之后取10 mg左右樣品通過EA3000型元素分析儀測定TOC和TN含量，誤差小于0.1%。碳氮比（C/N）根據質量比乘以1.167計算獲得。有機質碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）組成根據有機碳含量和氮含量稱取適量樣品，通過Delta Plus同位素質譜儀測定，分析精度大于0.2‰，結果以VPDB標準表示。

圖1　巢湖湖泊沉積CH巖芯采樣點示意圖

實驗結果與分析

巖芯年代框架

本次采集的CH湖泊巖芯位于2003年華東師范大學的AC2取樣點（31°33′31″N，117°24′17″E）附近，根據范斌采用的210Pb和137Cs比活度值，計算出AC2孔層位13 cm處應指示的是1963年的沉積，平均沉積速率約為0.325 cm/ year。因此，我們便以AC2孔沉積速率為參考，計算得出CH巖芯是公元1738年以來的湖泊沉積。

表1　巢湖CH巖芯碳氮地球化學環境代用指標實驗結果

碳氮地球化學指標分析

根據表1中的實驗結果，結合圖2反映的δ15N、δ13Corg、TOC、TN和C/N值隨深度變化的趨勢分析，可以看出，δ15N的變化值在77 cm以下有逐漸的上升趨勢，在83 cm出現一個峰值，δ15N值到達4.01‰，在19～75 cm間δ15N值變化相對穩定，δ15N值介于3.33‰～4.78‰之間，平均在4‰左右變化，在75 cm處δ15N值達到5.11‰。1～19 cm間δ15N值出現了大幅度變化，19～15 cm間δ15N值降低，5～15 cm之間迅速增加后又有降低趨勢。δ13Corg 在53 cm以下相對穩定，其值在-22.50‰上下波動，變化幅度不大，1～53 cm巖芯δ13Corg值總體呈下降趨勢，0～9 cm部分δ13Corg值迅速減少。TOC值在29～85 cm間呈相對穩定趨勢，71 cm時出現一個峰值，1～29 cm樣品TOC值呈階段性上升趨勢，分別在1～11 cm、13～19 cm、23～29 cm三階段上升，TOC最終增加到0.97%。TN在27 cm以下相對穩定，TN值在0.04%～0.06%間變化，1～27 cm總氮含量不斷增加，1 cm處總氮含量達到了0.16%。C/ N值在69 cm以下有劇烈的變化，29～69 cm間變化幅度小，數值維持在5～10，1～29 cm出現小幅度劇烈變化后又處于穩定階段。

圖2　巢湖CH巖芯碳氮地球化學環境代用指標變化

成巖作用分析

巢湖CH巖芯中的有機氮含量變化主要受兩種因素影響：一是物源及湖泊初始生產力因素，二是受到湖泊早期成巖作用的影響。早期成巖作用對于沉積物中化學元素的影響主要是沉積物有機質13C的虧損，從而導致δ13Corg的降低；也有研究表明早期成巖作用中N會優先礦化，有機質的選擇性降解會致使C/N值的改變，藻類有機質的降解使TN的含量降低，且符合指數衰減模式，進一步導致C/N值增加。根據實驗數據的分析比較，早期C/N值在71 cm以下存在一個明顯的增加區間，存在上述描述的C/N值增加的條件，但是從TOC、TN、δ13Corg的對比分析可以看出，C/N值增加的原因主要是源于TOC含量的增加，TN含量并沒有發生顯著的指數減少表現，δ13Corg的變化在C/N值和TOC變化峰值時的前一階段處于穩定數值，所以不存在沉積物13C的虧損和δ13Corg的降低。上述分析表明，早期的成巖作用不會影響巢湖CH巖芯中TOC和TN含量及C/N值，實驗所得數據可以用來指示沉積物有機質的來源和湖泊的初始生產力，可以用來反映巢湖的富營養化與環境演化過程。

討論

沉積物有機質來源

湖泊沉積物中有機質有兩種來源，分別為外源陸生植物和內源水生植物，不同來源的有機質的含量與形成有機質的物源條件、搬運條件和保存條件關系密切。因此，有機質的來源判定及含量分析能有效的反映形成有機質的外在條件。

湖泊沉積物的外源有機質主要指的是陸生植物。根據光合作用的不同途徑，陸生植物主要分為三種：C3植物、C4植物和CAM植物。C3植物的δ13Corg值分布范圍為-37‰～-24‰， C4植物的δ13Corg值分布范圍為-19‰～-9‰，CAM植物δ13Corg值分布范圍介于C3和C4之間。內源有機質主要是來源于湖泊中動植物在死亡后與陸源碎屑一起沉積形成的湖泊沉積物。水生植物按照它們在湖泊中的分布位置差異，可分為挺水植物、浮游植物和沉水植物三類。挺水植物直接利用空氣中的CO2作為碳源，與陸源C3植物具有很好的可比性，δ13Corg值分布范圍為-30‰～-24‰。沉水植物主要利用湖水中溶解的HCO3-作為碳源，變化范圍為-20‰～-12‰。浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，如果浮游植物以水中溶解的與大氣保持平衡的CO2作為碳源，δ13Corg值與陸源C3植物相近，如果以湖水中的HCO3-為碳源，則δ13Corg值明顯較高。

湖泊沉積物C/N值可以大體判斷有機質的來源是湖泊自生還是外源輸入為主。陸生維管植物主要含有纖維素，蛋白質含量低，水中藻類植物主要含有蛋白質，纖維素含量低。因此，根據巖芯的C/N值可以分析有機質來源：藻類有機質C/N值在3～8之間，陸生高等植物中C/N值約為20甚至更高，土壤有機質的C/N在10～13。湖泊沉積物有機質C/N值大于8通常認為其受到了陸源和藻類有機質的相互作用。

根據以上分析，結合圖2和表2可以發現，CH巖芯沉積物有機質來源主要以湖泊自生為主，C/N值在樣品中大部分均低于8，只有部分層位間斷性的達到8～13范圍，71～77 cm部分出現了異常的大于13的階段，這一現象說明巢湖CH巖芯沉積物大部分沉積時段有機質的來源都以湖泊自生為主，部分年代由于極端洪澇事件等原因會出現水土流失，使得陸源有機質大量進入湖泊，δ15N和δ13Corg降低，C/N值升高。根據《巢湖地區簡志》記載，清代296年中發生了大水55次，平均每5.4年一次。巖芯深度63 cm以下，約為19世紀中期之前，巢湖的δ13Corg和其它指標數據變化頻繁，反映外源物質的輸入較多。

上述分析可見，總體上湖泊中有機質碳主要源于湖泊自生，且巖芯δ13Corg值始終低于-20‰，表明在湖心CH樣點處，有機質碳來源主要是以利用與大氣保持平衡的水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主。

氮的來源及其富營養化指示意義

含氮物質來源不同，δ15N會發生改變，可以用來反映氮同位素的來源。不同物質來源，δ15N含量不同，土壤流失氮的δ15N值在2‰～4‰之間，人工合成肥料δ15N值在-4‰～4‰之間，污水δ15N值在10‰～20‰之間，大氣沉降NO3-的δ15N值在0.2‰～0.8之間。

結合以上δ15N的指示意義和圖2、表1的分析可以看出，巢湖CH巖芯21 cm以下沉積物δ15N值變化不明顯，δ15N平均值約為3.8‰，表明在20世紀60年代以前，巢湖湖心沉積物氮素主要來源于水土流失。在3～19 cm階段，巖芯δ15N值變化明顯，平均值約為4.45‰，其它數據也發生較為顯著的變化，TN和TOC含量迅速增加，δ13Corg值迅速降低，表明沉積物受外源影響強烈，人工合成肥料等外源輸入使得氮素含量增加。0～3 cm處δ15N值發生了下降，平均為2.16‰。

根據表1和圖2的數據，綜合以上討論分析，可以看出，巢湖湖心CH樣點的沉積環境變化主要分為五個階段。深度63 cm以下為第一階段，這一階段按照沉積速率約為19世紀中期之前，巢湖的沉積物受外源影響強烈，各地球化學指標數據波動變化大，依據資料可以推論其主要是極端洪澇災害事件造成的，且這一段時期的總氮和氮同位素的含量都相對偏低，說明湖泊初級生產力較低；第二階段為深度25～63 cm（19世紀50年代到20世紀50年代），這一階段的湖泊受外源影響較少，各指標相對穩定，外源輸入較少，說明該階段人類對湖泊的影響較小，湖泊仍處于初級生產力較低的階段；第三階段為17～25 cm（20世紀50年代到70年代），δ15N、TN、TOC在總體上都出現了增大，結合氮來源的分析，說明了外源輸入開始增加，湖泊初級生產力開始提高，湖泊的富營養化過程開始，δ13Corg值出現明顯下降的趨勢，說明水體的富營養化導致浮游植物開始生長，因為浮游植物的生長利用空氣中富含12C的CO2導致δ13Corg下降，而且C/N值的下降也表明浮游植物貢獻比例增大，大型水生植物比例下降。第四階段為深度3～17 cm（20世紀70年代到20世紀末），這一階段TOC、TN和δ15N含量都迅速，表明湖泊的生產力大大提高，富營養化程度進一步加劇，浮游植物被迫利用和富集15N，δ15N值增加，生產力增加，同時，δ13Corg值的減小說明1962年巢湖閘建成使C/N循環發生改變，碳氮來源分離，氮源需求量增加，富營養化進一步促進藻類生長，使得有機質分解作用增強，產生更多的CO2被藻類利用，從而導致了δ13Corg的降低。第五階段為0～3 cm（20世紀末期至今），數據較少，但可以看出TOC 和TN含量都在增加，δ15N出現了明顯的下降，說明巢湖已經處于富營養化階段。

結語

1）巢湖湖泊沉積物中有機質碳來源主要是以利用與大氣保持平衡的水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主，且很好反映了兩百多年來的巢湖區域的較大洪澇事件。

2）巢湖湖泊沉積物總氮高低在20世紀60年代之前主要受水土流失的影響，之后受人類活動的影響更加明顯，人工氮肥等對于巢湖沉積物中的氮元素影響比重增加。

3）巢湖在20世紀60年代之前處于相對穩定的自然狀態，受人類影響相對較小，碳氮地球化學指標的較大變化主要與自然界的極端洪澇災害事件有關；該時期沉積物有機質主要來源于水生浮游植物的死亡沉積，以湖泊自生有機質為主，巢湖的湖泊生產力處于初級階段。20世紀50年代到70年代，湖泊的初級生產力提高，富營養化開始，湖泊受人類活動的影響增大，可能與當時中國進行三大改造時期人類的生產、生活密切相關，人類的活動加劇了營養物質的輸入，藻類生長，富營養化過程不容忽視。70年代以后主要是由于巢湖閘的建成，原本半封閉的巢湖，其湖水更替更加緩慢，湖中營養物質富集更加迅速，湖泊初級生產力迅速提高，富營養化過程進一步加劇，其中人類生產、生活產生的外源輸入也是重要的影響因素。

由結果可見，在整個剎車過程中溫差電單體的平均理想功率輸出大致處于30至40mW量級。另外，剎車余熱回收系統中熱電材料的輸出隨剎車熱流具有變化大、不穩定的特點。由于機動車剎車本身具有較大不確定性，因此欲實現該技術的實際應用還需深入研究相應的剎車統計規律、電路儲能和控制方案。

吳 立 計 超 張夢翠 張詩陶

安徽師范大學國土資源與旅游學院

吳立，男，博士，副教授，安徽師范大學國土資源與旅游學院，主要研究方向為湖泊沉積與環境演變。

本文為國家自然科學基金項目（批準號：41401216）資助

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.004