云貴高原湖區典型湖泊沉積物溶解性有機氮分布特征研究*

陳 紅 張靖天 華 飛 何卓識 馬春子

(1.廣西建設職業技術學院設備工程系，廣西 南寧 530007；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

云貴高原湖區典型湖泊沉積物溶解性有機氮分布特征研究*

陳 紅1，2張靖天2#華 飛2何卓識2馬春子2

(1.廣西建設職業技術學院設備工程系，廣西 南寧530007；2.中國環境科學研究院，北京100012)

選擇云貴高原湖區程海、瀘沽湖、杞麓湖沉積物樣品，用1mol/LKCl溶液提取沉積物中溶解性有機氮(DON)，研究了DON和氨基酸(AA)的含量變化，探討了沉積物樣品的DON分子量分級特征。結果表明：云貴高原湖區沉積物DON為9.63～103.61mg/kg，均值為39.80mg/kg;AA為4.02～25.78mg/kg，均值為10.88mg/kg;DON和AA均低于東部平原湖區。污染嚴重的杞麓湖DON和AA含量較高，主要來自流域內依湖而建的村落生活污水的輸入；程海和瀘沽湖沉積物中DON和AA污染相對較輕。沉積物DON和AA含量與沉積物其他形態氮、溶解性有機碳(DOC)等污染指標均表現出顯著正相關性。DON分子量分級結果顯示：該湖區沉積物DON以分子量<1、>30ku為主，其中杞麓湖受人類活動影響較大，沉積物中分子量<1ku的DON占主要部分，而程海和瀘沽湖污染較輕，沉積物中分子量>30ku的占比更高。

沉積物 溶解性有機氮 云貴高原 分子量分級

氮是水環境中各種生物維持生命所需的必要營養元素，與湖泊富營養化關系密切。沉積物中的氮是湖泊水體中氮的重要源和匯，其中的溶解態氮對水體中氮循環起重要作用。溶解性有機氮(DON)是湖泊沉積物中溶解態氮的主要組成部分，占總溶解態氮(TDN)的45.25%(質量分數，下同)～51.86%[1]623-630，[2]129。在外源氮污染得到控制的情況下，大部分DON會釋放到上覆水體中，通過直接吸收或固化、氨基化等作用被生物所利用，從而加劇富營養化進程。

能被微生物或藻類直接利用的DON通常是小分子量的尿素、游離態氨基酸(AA)、脂肪酸、多胺等物質，而一些大分子量的蛋白質、腐殖質等物質很難被降解[3]。其中，僅有很少一部分DON能被定性和定量測定，如游離態和結合態AA[4]，而大部分DON通常采用分子量分級的方法進行研究。近年來，超濾、透析、電滲析等技術開始被應用于DON的分子量分級研究中[5]4021，[6-7]。DON的來源不同，其分子量構成的差異也較大。PEPETA等[8]通過對淡水和海洋水體中溶解性有機物的分子量分級研究發現，分子量<1 ku的有機物在淡水湖泊、海水中占主要組成部分，而淡水河流中高分子量有機物占主要部分。HUO等[5]4026對北京奧林匹克森林公園景觀水體的研究發現，分子量<1 ku的DON占40%～50%。華飛等[2]133對山口湖沉積物中DON分子量分級研究發現，5個采樣點沉積物中DON以分子量<1 ku和分子量>30 ku為主，平均占比分別為46.83%、33.17%。沉積物中DON主要來源于水體中各種含氮有機物以及水生生物排泄物、死亡后分解產物等的沉降，這與流域內氮輸入有關。

云貴高原湖區地處亞熱帶地區，該地區湖泊屬石灰巖、砂巖地區構造湖，既有平均水深在20 m以上的深水湖(如撫仙湖、瀘沽湖、程海等)，也有有機質沉積較厚的淺水湖(如滇池、杞麓湖等)[9]。經濟發達湖區的湖泊環境污染嚴重(如杞麓湖)，欠發達湖區的湖泊水質較好但自然生態環境遭到了一定程度的破壞(如瀘沽湖)。與杞麓湖等受外源污染影響明顯不同，程海湖內養殖螺旋藻，內源沉積是沉積物中營養鹽的重要來源。本研究選定云貴高原湖區的瀘沽湖、程海和杞麓湖的沉積物為研究對象，探討了不同類型湖泊沉積物的DON分子量分布的差異性，以期為了解沉積物中DON來源提供依據。

1 材料和方法

1.1研究區域和預處理

瀘沽湖和程海為深水湖，杞麓湖為淺水湖。瀘沽湖位于云南省寧蒗縣和四川省鹽源縣交界處橫斷山脈腹地，流域面積171.4km2，湖泊面積48.45km2，以降雨為主要補給方式，唯一的出口位于瀘沽湖東岸蓋祖河，平均水深40.4m，流域內森林和灌叢植被覆蓋茂密，人口少，人類活動較少，屬貧營養湖泊。程海位于云南省永勝縣中部，流域面積228.9km2，湖泊面積77.77km2，平均水深25.7m，主要有養殖、灌溉和調節氣候三大功能，由于水位下降，目前僅有流經永勝縣城的仙人河流入，每年有2136t生活污水流入程海，此外湖內盛產螺旋藻，營養水平較高，屬中營養湖泊。杞麓湖位于云南省通海縣境內，為高原封閉型湖泊，流域面積約341km2，湖泊面積36.86km2，平均水深約5m，湖泊周邊工農業發達，圍湖造田面積約11km2，氮、磷、有機物污染嚴重，屬富營養湖泊[10]602，[11-12]。

1.2樹脂分離

在瀘沽湖、程海、杞麓湖共設定9個采樣點位，每個湖泊設3個采樣點位。湖泊采樣點的設計是基于盡可能少受到人類活動影響的原則，采樣點位的布設盡可能覆蓋湖體大部分區域，因此本研究在湖心中線處按一定距離選取，同時受湖體水位及船舶航行距離的限制，采樣點坐標進行了適當的調整，但基本能反應整個湖泊的沉積物污染現狀。各湖泊具體采樣點位及其編號如圖1所示。現場采用抓泥斗抓取表層沉積物樣品，裝入自封袋密封后放入4℃保溫箱，帶回實驗室后冷凍保存。將凍實的樣品放在冷凍干燥機中干燥，研磨過100目篩后裝于自封袋中保存待測。

1.3DON提取及指標測定方法

用1mol/L KCl溶液按水、沉積物質量比10∶1提取樣品中DON[1]129，在25℃、200r/min下振蕩1h，振蕩結束后將混合液離心處理，移出的上清液過0.45μm混合纖維濾膜，濾液裝入聚乙烯瓶中于4℃下保存待用。

TDN測定采用堿性過硫酸鉀氧化/紫外分光光度法；氨氮測定采用納氏試劑分光光度法；硝態氮測定采用紫外分光光度法；AA測定采用茚三酮比色法[13]。依照DON=TDN-硝態氮-氨氮計算DON含量。

溶解性有機碳(DOC)采用德國耶拿Multi N/C2100型總有機碳(TOC)分析儀測定。

254nm處吸光度(UV254)用UV-4802型紫外—可見分光光度計測定。254nm處比紫外吸光度(SUV254)=UV254×100/DOC。

1.4超濾膜預處理方法

所用超濾膜為Millipore公司生產的YM系列超濾膜，材質為再生纖維素，直徑為25mm，對有機物的截留分子量分別為1、3、5、10、30ku。將超濾膜放入5%(質量分數)NaCl溶液浸泡30min，再用超純水進行清洗。將膜片裝入超濾杯中，每次過濾樣品前用超純水過濾5min以上直至滲透液在紫外254nm處沒有吸收。過濾樣品后的超濾膜需用0.1mol/L的NaOH和1mol/L的NaClO溶液浸泡30min以上再生，下次使用前仍需清洗并用超純水過濾，再檢查滲透液紫外254nm處的吸收，若仍有吸收需更換超濾膜。

圖1 云貴高原湖區湖泊采樣點位分布Fig.1 Sampling stations in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau

1.5 DON分子量分級

測定分子量分級所用的實驗裝置是美國Millipore公司生產的Amicon 8050型超濾杯，有效容積為50 mL，有效膜面積為13.4 cm2。提取的DON樣品經5種不同孔徑超濾膜過濾后按分子量分成6個范圍：<1、1～3、>3～5、>5～10、>10～30、>30 ku。不同分子量范圍的DON、DOC、AA和UV254的占比采用如下方法來計算[14]：

E1=(c0-c1R)/c0×100%

(1)

E2=(c1R-c3R)/c0×100%

(2)

E3=(c3R-c5R)/c0×100%

(3)

E4=(c5R-c10R)/c0×100%

(4)

E5=(c10R-c30R)/c0×100%

(5)

E6=c30R/c0×100%

(6)

式中：E1～E6分別為分子量<1、1～3、>3～5、>5～10、>10～30、>30 ku的測定參數占比，%；c0為分級前樣品中測定參數的測定值；c1R、c3R、c5R、c10R、c30R分別為經1、3、5、10、30 ku分子量分級后保留液中測定參數的測定值。

DON、DOC和AA的測定值單位為mg/kg，UV254的測定值單位為無量綱。

2 結果和討論

2.1云貴高原湖區沉積物DON及AA分布特征

2.1.1沉積物DON分布特征

由圖2可見，云貴高原湖區湖泊沉積物DON為9.63～103.61mg/kg，均值為39.80mg/kg。與洱海沉積物DON(均值為27.43mg/kg)[15]類似，但低于山口湖[2]129、洞庭湖和鄱陽湖[1]623沉積物中DON含量。3個湖泊沉積物DON/TDN為21.79%～38.85%，均值為28.58%，也低于其他湖區。各湖泊沉積物DON含量差異較大，程海和瀘沽湖受人類活動污染較輕，沉積物中DON較低，均值分別為22.60、24.52mg/kg，而杞麓湖人為污染較重，沉積物中DON很高，均值為72.26mg/kg。程海位于麗江市永勝縣城內，經濟發展水平較低，流域土地利用類型以農業為主[10]603，污染相對較輕。瀘沽湖湖區人類活動較少，流域內覆蓋大量的高山櫟、鐵杉、冷杉等植被[16]，湖泊水質為Ⅰ類，沉積物DON主要來自林地及植被中含氮有機物的輸入。杞麓湖現有耕地面積9733.33hm2，幾乎所有的村落都依杞麓湖而建，全流域人口密度為705人/km2，每年向湖中排放大量的污染物，2009年全湖的入湖TN量為1 018.76 t，其中農村生活污水和農田面源貢獻了75.14%(質量分數)，污染嚴重[17]。

注：DON/TDN為質量比。圖2 云貴高原湖泊沉積物中DON及DON/TDNFig.2 Contents of DON and its ratio to TDN in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau

與東部平原湖區湖泊和東北山地湖泊不同，云貴高原湖區湖泊多數屬封閉和半封閉型，大部分只有一個出口，以降水和地下水補給為主，外來河流對湖水的補給很小，因而換水周期較長。流入到湖內的含氮有機物極易發生靜態沉降。此外，該湖區沉積物以粒徑較小的黏土礦物為主，粒徑<4 μm的平均占比在32.38%(質量分數，下同)～38.15%[18]，高于我國其他湖區大部分湖泊。黏土礦物具有堆垛層結構，內部的吸附水能使更多的位置與溶解物發生反應；而且，其中含有大量的硅酸鹽組分，易于與沉降的有機化合物發生締合作用，固定在顆粒內部，不易析出[19]。因此，該湖區內湖泊沉積物DON及DON/TDN明顯低于其他湖區湖泊沉積物。

2.1.2 沉積物AA含量及分布特征

AA是沉積物DON中易分解、活性較高的組分，易被藻類等異養微生物直接利用，從而增加湖泊的生產力水平。如圖3所示，云貴高原湖區湖泊沉積物中AA為4.02～25.78 mg/kg，均值為10.88 mg/kg，分布和DON類似；AA/TDN為6.65%～13.88%，均值為8.81%；AA/DON為23.06%～63.77%，均值為32.06%。與林素梅等[1]623研究的東部平原湖區7個湖泊相比，該湖區沉積物AA含量較低，但AA/DON較高。這說明，瀘沽湖、程海、杞麓湖沉積物中有機氮更易被細菌、藻類等微生物利用，從而提高湖泊的富營養化水平。

污染嚴重的杞麓湖沉積物AA很高，為14.90～25.78 mg/kg，均值為18.82 mg/kg；而污染較輕的程海、瀘沽湖沉積物中AA較低，均值分別為6.50、7.33 mg/kg。這說明，污染嚴重的湖泊沉積物中AA的含量更高。沉積物中AA主要來自水體中溶解態AA的沉降及沉積物中腐殖質等含氮有機物在厭氧條件下的分解。近年來，杞麓湖流域建筑居民用地逐年增加，大量來自周圍村落的生活污水未經處理直接排放至湖體中，為水體貢獻了較多的外源AA。HUO等[20]研究發現，未經處理的生活污水中游離態AA和結合態AA占DON的2.88%(質量分數，下同)～5.04%。而沉積物中的有機污染物也可被微生物分解產生AA。瀘沽湖和程海沉積物中的AA更多來源于內源浮游生物光合作用產物、浮游生物的排泄物和死亡后的腐解物。近年來，程海中大量養殖螺旋藻，藻類死亡腐解后的產物是AA的主要來源。瀘沽湖流域內森林覆蓋率較高，周圍林地土壤及枯枝落葉在地表徑流的作用下進入湖體，這部分污染物中含有較多的AA。有研究表明，林地土壤有機層中AA高達45～95 mg/kg，占DON的比例最高可達25%[21]。

注：AA/DON與AA/TDN均為質量比。圖3 云貴高原湖泊沉積物AA及AA/DON、AA/TDNFig.3 Contents of AA and its relative ratio to DON and TDN of sediments in Yunnan-Guizhou Plateau，respectively

云貴高原湖區湖泊沉積物中各形態氮的相互關系見表1。沉積物中DON與TDN、硝態氮、氨氮、DOC、AA均呈較強的正相關關系。說明沉積物中DON與湖泊的污染程度密切相關，這與華飛等[2]132的研究一致。沉積物的DON污染主要來自水體中含氮組分的自然沉降及浮游植物代謝產物、浮游生物死亡后腐解產生的有機氮化合物，尤其是對于以靜態沉降為主的高原湖泊而言，這種相關性更加明顯。而這些污染物又與水體的污染程度密切相關。因而，污染越嚴重的湖泊沉積物(如杞麓湖)中DON、AA含量越高，污染越輕的湖泊(如程海、瀘沽湖)沉積物中DON、AA含量越低。

表1 云貴高原湖區湖泊沉積物中各形態氮的相互關系1)

注：1)*表示顯著相關，P<0.05；**表示極顯著相關，P<0.01。

圖4 云貴高原湖泊沉積物各分子量范圍的DON、DOC和SUV254占比Fig.4 Percentages of DON，DOC and SUV254 in each molecular weight fraction for the sediment samples from Yunnan-Guizhou Plateau

2.2 DON分子量分級特征

由圖4(a)可以看出，各湖泊沉積物DON分子量主要分布在<1、>30 ku，在<1 ku內DON占比是27.62%～63.69%，均值為38.62%；在>30 ku內DON占比是22.90%～53.89%，均值為36.86%。這與山口湖沉積物DON分子量分級結果[2]133類似。杞麓湖接納的入湖氮污染源主要是農村生活污水和農田徑流污染，兩者貢獻了全部TN污染的75.14%，農田施用化肥中含有的尿素和生活污水中的AA、低分子類蛋白物質是小分子DON的主要來源，因而全湖沉積物DON分子量分布以小分子物質為主。與杞麓湖相比，程海和瀘沽湖沉積物分子量>30 ku的DON占比較高，均值分別為47.49%、38.25%。程海和瀘沽湖污染較輕，沉積物中大分子DON主要來自森林及周圍土壤中腐殖質的輸入，同時程海內養殖螺旋藻，藻類死亡后產生的腐殖質也會增加大分子DON的含量。

由圖4(b)和4(c)可知，3個湖泊沉積物DOC和SUV254的分布結果與DON差異較大，主要以分子量<1 ku為主，其DOC和SUV254占比分別為35.73%～65.51%(均值為52.91%)、56.59%～88.35%(均值為73.49%)。這說明，沉積物中分子量<1 ku的DOC主要來自一些小分子的糖類、脂肪酸及類蛋白物質等。SUV254表示單位DOC的紫外吸收值，反映了溶解性有機物的芳構化程度。杞麓湖沉積物分子量<1 ku的SUV254均值為81.79%，明顯高于程海和瀘沽湖，這說明杞麓湖沉積物中小分子量DOC的芳構化程度較高，結構更穩定。

3 結 論

(1) 與東部平原湖泊相比，云貴高原湖區湖泊沉積物DON及DON/TDN較低，分別為9.63～103.61mg/kg、21.79%～38.85%。污染嚴重的杞麓湖沉積物DON含量較高，主要來自外源人為污染的輸入，而程海和瀘沽湖DON分別來自內源藻類代謝、腐解產物及周圍林地土壤和枯枝落葉中自然有機物的雨水徑流。

(2) 程海、瀘沽湖、杞麓湖沉積物AA均值為10.88mg/kg，AA/DON均值為32.06%，該占比高于東部平原湖泊，說明該湖區沉積物DON更易被藻類等微生物所利用。

(3)3個湖泊沉積物DON的分子量分布以<1、>30ku為主，污染嚴重的杞麓湖沉積物DON中<1ku占主要部分，而污染較輕的程海和瀘沽湖沉積物中>30ku的DON占比更高。分子量<1ku的DOC和SUV254占主要部分，占比均值為52.91%、73.49%。

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StudyondistributioncharacteristicsofdissolvedorganicnitrogenintypicallakesedimentsofYunnan-GuizhouPlateau

CHENHong1，2，ZHANGJingtian2，HUAFei2，HEZhuoshi2，MAChunzi2.

(1.DepartmentofEquipmentEngineering，GuangxiPolytechnicofConstruction，NanningGuangxi530007；2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012)

Dissolved organic nitrogen (DON) in sediment samples from Lake Chenghai，Lake Lugu and Lake Qilu in Yunan-Guizhou Plateau were extracted by 1 mol/L KCl. The contents of DON and amino acids (AA) were studied and the characteristics of DON molecular weight (MW) fractionation were discussed. The results indicated that DON in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau ranged from 9.63 mg/kg to 103.61 mg/kg，averaged 39.80 mg/kg，while AA varied from 4.02 mg/kg to 25.78 mg/kg，averaged 10.88 mg/kg. DON and AA contents in Yunnan-Guizhou Plateau were lower than those in eastern plain region. Lake Qilu was seriously polluted with high DON and AA contents in sediments，and rural domestic sewage input around the lake region was the main pollution source. DON and AA contents in Lake Chenghai and Lake Lugu were relatively low. The DON and AA contents were significantly correlated with other nitrogen forms and dissolved organic carbon (DOC). DON MW fractionation results indicated that the dominant fractions of DON in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau were the fractions with MW <1 ku and MW >30 ku. The low MW fractions (<1 ku) accounted higher DON ratio in sediments of Lake Qilu due to anthropogenic activities impact，while the large MW fractions (>30 ku) were the main DON fractions in sediments of Lake Chenghai and Lake Lugu because of their low pollution levels.

sediment; dissolved organic nitrogen; Yunnan-Guizhou Plateau; molecular weight fractionation

陳 紅，女，1968年生，碩士，副教授，主要從事流域水污染控制研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.41303085)；廣西高等學校科研項目(No.YB2014520)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.009

2016-01-31)