呼倫湖沉積物中有機碳無機碳分布特征研究

宋文杰　張瑾　郭晶晶

摘要： 以內蒙古高原湖泊呼倫湖為對象，開展了湖泊沉積物有機碳、無機碳含量的分別特征研究。結果表明：呼倫湖沉積物中總有機碳（TOC）含量范圍為9.18～61.68g.kg-1，平均34.64g.kg-1； 總無機碳（TIC）含量范圍為17.21～85.41g.kg-1，平均45.22g.kg-1；TOC在空間分布上表現出從西北向東南逐漸遞減的趨勢，高值區為HLH10和HLH3，其值分別為61.68 g.kg-1、57.76 g.kg-1。TIC在空間分布上表現出從北向南逐漸遞減的趨勢。高值區為HLH3、HLH9、HLH13、HLH32其值分別為85.41 g.kg-1、66.22 g.kg-1、66.75 g.kg-1、65.67 g.kg-1。初步研究了呼倫湖沉積物柱芯中有機碳與無機碳含量階段性的正相關變化。結果表明，所選4個柱芯中有3個柱芯底層表現出良好的正相關性。表層沉積物中C/ N 的平均值為為20.73，柱芯中C/ N 的平均值為9.51，表明呼倫湖有機質主要來源于湖中水生植物，水體富營養化具有顯著的內源性。

關鍵詞：有機碳；無機碳；沉積物；湖泊

中圖分類號：X13 文獻標識碼：A 文章編號：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

人類活動每年向大氣排放的CO2約為65億t，其中留在大氣中的約50%，大洋吸收約16億～20億t，陸地生態系統大約吸收0.7億～1.4億t（Bates，2001；Battle et al.，2000）[1-2]還有大約13億t找不到去處，稱為CO2丟失項，而湖泊與海洋沉積物便是大氣二氧化碳的接受者，同時當符合一定條件時，沉積物中的碳又可被重新釋放進入水體乃至大氣中，沉積物是碳循環中重要的源與匯，因此湖泊碳循環是全球碳循環不可忽視的一部分。碳是湖泊沉積物的主要組分之一，由無機碳和有機碳兩部分構成。湖泊沉積物碳組分的廣泛性和多源性一方面使其記錄了豐富的區域環境信息， 但另一方面也導致了環境信息的混合性和多解性[3]。有關湖泊有機碳無機碳相關性研究也說法不一，Dean[5]的研究表明湖泊沉積物中的有機碳與無機碳含量呈反相關的變化。但Thamban等（1997）研究了Arabian海東部邊緣沉積物中的OC、無機碳（碳酸鹽），在該區OC含量與CaC03呈正相關關系。Schelske等研究結果也表明，二者之間含量呈正相關變化[5]。迄今尚無人對這兩種說法做出合理的解釋，本文重點探究呼倫湖沉積物有機碳與無機碳分布特征，并對二者之間的相關關系做初步的探究。

1 研究區域與研究方法

1.1 采樣點概況

呼倫湖也稱達賚湖，是“中國第五大淡水湖”，也是東北地區第一大湖。它位于呼倫貝爾草原西部新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里市之間， 116°58′～117°47′E， 48°40′～49°20′N。呼倫湖地處于呼倫貝爾的西部高緯度半干旱草原地帶，屬中溫帶大陸性氣候。氣候特點是：冬季嚴寒漫長，春季干旱多大風，夏季溫涼短促，秋季降溫急劇，霜凍早。呼倫湖地區多年平均氣溫-0.5℃，極端最低氣溫-42.7℃，極端最高氣溫40.1℃。當湖水位在545.50 m時，蓄水量約131.3億m3，水面約2 315 km2，最大水深8 m，平均水深5.70 m。湖面呈不規則的斜長型，湖面長93km，最大寬度41 km，平均寬度25 km，湖周長447km。呼倫湖地區多年平均降水補給量約6.3億m3。湖周邊集水面積約5 000 m2，徑流補給和地下水補給量約3.9億m3。呼倫湖多年平均補給總量約為22.7億m3。呼倫湖不僅是我國北方重要的淡水漁業生產基地，也是著名的避暑旅游勝地。2002年1月呼倫湖被列入國際重要濕地名錄，2002年11月被聯合國教科文組織人與生物圈計劃吸收為世界生物圈保護區網絡成員。其水系由呼倫湖、哈拉哈河、貝爾湖、烏爾遜河、克魯倫河、新開湖及連通于呼倫湖與額爾古納河的達蘭鄂羅木河（新開河） 等組成， 其來水主要源于境外， 其泄水排于中俄界河——額爾古納河， 因此， 呼倫湖水系屬于國際河流。 呼倫湖及其濕地被稱為呼倫貝爾“草原之腎”， 在呼倫貝爾草原的生態保護和經濟發展中， 其水域與濕地發揮著不可替代的重要作用[6]。

1.1.1 樣品采集

依據《湖泊生態系統觀測方法》，針對湖泊現有水域面積及湖泊生態系統類型，于2008年8月對呼倫湖進行了系統的現場監測和樣品采集。沉積物柱芯和表層沉積物樣品用挪威Swedaq公司產KCmod-AochB型無擾動采樣器采集，沉積物柱芯現場以2cm間隔分層。沉積物樣品裝入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，帶回實驗室于-24℃冷凍保存。采樣站位用全球衛星定位系統（GPS）定位，并結合地形圖校正。

1.1.2 分析方法

有機質用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定（FHZDZTR0046），全氮（TN）采用半微量凱氏定氮法（FHZDZTR0049）本文中無機碳的含量采用無機碳五種形態碳的加和求得，五種形態提取方法為：NaCl相（Ⅰ）準確秤取1.0000g沉積物濕樣，盛于100mL 聚乙烯螺口離心管中，向管內加入50mL 1 mol/L 的NaCl溶液，搖勻震蕩2h后，離心獲取上清液；再向殘渣中加入25mL蒸餾水，震蕩10min后，離心獲取上清液；合并兩次上清液，測定CO2。NH3·H2O相（Ⅱ）在第Ⅰ步殘渣中加入25mL0.1 mol/L的氨水，余下操作流程同第Ⅰ步。NaOH 相（Ⅲ）在第Ⅱ步殘渣中加入25mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，余下操作流程同第Ⅰ步。NH2OH·HCl相（Ⅳ）將第Ⅲ步殘渣轉移到帶有橡膠塞和橡膠管的錐形瓶中，加入25mL0.2 mol/L鹽酸羥胺，產生的CO2用高純N2（100 mL/min）吹出，用飽和醋酸-醋酸鉛吸收所產生的H2S，用50mL飽和Ba（OH）2溶液吸收CO2，最后測定所吸收的CO2。HCl相（Ⅴ）在第Ⅳ步殘渣中加入 25mL6mol/LHCl，余下操作流程同第Ⅳ步。實驗數據用Surfur 7.0及Origin 7.0等軟件進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 表層沉積物中有機碳和無機碳含量分布

呼倫湖表層沉積物中總有機碳（TOC）含量分布差異較大，最大值與最小值分別為61.68 g.kg-1及9.18 g.kg-1（表1），這是因為呼倫湖流域面積較大，湖泊具有的原始生產力不同，湖泊深度也不同[7]。總無機碳（TIC）最大值與最小值分別為85.41 g.kg-1及17.21 g.kg-1，均高于TOC含量。這可能是因為無機碳的來源主要不是人為的，呼倫湖本身碳酸巖風化、再懸浮、再沉淀所形成，經過長年的積累形成了高無機碳的分布。

圖3 呼倫湖表層沉積物中有機碳和無機碳的含量

從圖3中可以看出呼倫湖表層沉積物36個站位中， HLH2、HLH10、HLH11、HLH21、HLH26、HLH30、HLH34、HLH35，8個站位總有機碳含量高于總無機碳含量，其差值分別為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個站位總有機碳含量均小于總無機碳含量，其中HLH32站位總無機碳高于總有機碳含量高達45.41 g.kg-1。這表明對于呼倫湖來說36個表層沉積物大部分站位TIC的含量是高于TOC的，因為呼倫湖湖泊自生碳酸鹽含量受湖泊原始無機碳的積累作用在大流域范圍內均具有較高的TIC值，相對于TIC，來源于湖泊本身生產力以及流域地表徑流的TOC含量相對較低。

2.2 表層沉積物中有機碳與無機碳的空間分布

呼倫湖表層沉積物中TOC含量空間分布上差異較大，總體上表現從西北向東南逐漸遞減的趨勢。高值區集中在HLH10、HLH3。其值分別為61.68 g.kg-1、57.76 g.kg-1、最低值在南邊HLH16站位，其含量為9.18 g.kg-1。高值區可能位于呼倫湖西北部漁場主要工作區，漁場投放的大量餌料所產生的外源有機質造成了該區沉積物中大量有機質的富集。也可能是因為呼倫湖西北部原始初級生產力較高，沉積環境穩定，所以TOC值較高。與此同時烏爾遜河由湖區北部入湖，主要接納流域的生活污水和牲畜糞便，也可能是造成湖區西北部TOC偏高的原因。呼倫湖表層沉積物中TIC含量呈現出從北向南逐漸遞減的趨勢。高值區為HLH3、HLH9、HLH13、HLH32，其值分別為85.41 g.kg-1、66.22 g.kg-1、66.75 g.kg-1、65.67 g.kg-1。因為這幾個站位為湖泊邊緣較淺地帶，研究表明無機碳大多表現為淺水沉積物中含量較高[8]。

2.3 沉積物柱芯中有機碳、無機碳變化特征

4個沉積柱芯所處的湖區不同，TIC與TOC含量也表現出相應的差異。所選4個沉積柱芯中無機碳含量均明顯高于有機碳的含量 （圖6）， HLH1、HLH3、HLH8、HLH36四個站位TIC與TOC平均含量差值分別為48.58 g.kg-1、41.85 g.kg-1、34.86 g.kg-1、20.26 g.kg-1。根據李學剛等研究表明HLH1位于湖邊位置TIC含量較高，又由于入湖水動力條件的作用TOC含量相對較少。HLH3、HLH8處于湖中較深位置，因此TIC含量較高。

垂向上， 4個柱芯TOC含量均表現為在表層富集并隨深度的增加而逐漸降低的趨勢（圖6）。C作為植物必需的生源要素，且通過根系吸收積累于植物體內。由于在植物殘體分解歸還時，表層的植物殘體分解最快而使有機質積累于表層沉積物中[9]。TIC的含量同樣表現為隨深度的增加而逐漸遞減，但是規律性不強，波動較大，呈波浪式變化。HLH8和HLH36表現明顯。造成這種差異的原因目前還不是很明確，可能與流域的地形、氣候、碳源的輸入、環境條件變化以及突發事件等有關，需進一步的研究。

2.4 沉積物柱芯中TOC與TIC的相關關系

呼倫湖沉積物柱芯中有機碳和無機碳含量分階段相關性（P<0.01）如表3所示，HLH1的底層20～30cm、HLH3的表層0～18cm處、HLH8的底層42～59cm處以及HLH36底層30～44cm處有較好的相關性，TOC與TIC呈現同步的變化，相關系數分別為0.63、0.59、0.29、0.35。但是從整體來看并無相關性，HLH1、HLH3、HLH8、HLH36相關系數分別為0.05、0.04、0.14、0.02（圖7）。3個柱芯中底層具有相關性，這與底層所處地質年代有關，3個柱芯所處湖泊地理位置不同，深度不同，但是在特定年代所經歷的流域環境變化相同。根據趙慧穎等[10]對呼倫湖濕地氣候變化研究表明，呼倫湖濕地春、夏、秋、冬和年平均氣溫變化均呈升高的趨勢。逐年遞增的溫度使得呼倫湖流域面積不斷減小，湖水營養鹽含量遞增。我們知道，湖泊初級生產力主要受控于湖水營養物質狀況和溫度變化，高溫期的時候藻類光和作用較強，藻類生物量增加，有機質輸送通量增大，導致沉積物有機碳含量與無機碳含量同步增加[11]。但是這種相關關系局限在特定流域位置、特定時期以及特定的沉積柱芯階段，整體上并無相關性，原因有待進一步探究。

3 呼倫湖沉積物碳的來源

3.1 沉積物中有機碳的來源

有機碳主要存在于有機質中，而有機質主要由腐殖質、類脂化合物、糖類化合物等各類復雜的有機化合物或生化物質組成，其化學式可以簡化表示為（CH2O）106（NH3）16H3PO4[8]，從有機質的結構來看， 湖泊沉積物有機質一般可分為藻類、草本類、木質類和木炭等4 種類型通常，藻類最易遭受氧化分解而不易保存，草本類次之，木質類和木炭則是最穩定的組分。藻類通常含有較多的飽和類有機化合物。因而它富含氫原子，通常具較高的H/ C 原子比；草本類主要由芳香族化合物構成，H的含量較低，因而具較低的H/ C 原子比；木質類則基本由多環芳香族化合物構成，其H 含量和H /C 原子比更低；木炭其實是碳質殘余物（被氧化或改變了的植物殘體），其H含量和H/ C原子比最低[12]，許多研究表明，沉積物有機質的C/N原子比可有效指示有機質的來源，[13-14]在湖泊沉積物中，C/N的不同體現了有機質來源的差異性。通常，有纖維束植物碎屑的C/N 大于20，無纖維束植物的C/N為4-12；湖泊中浮游動物的C/N低（低等水生生物的降解產物含有較多的蛋白質，其TOC/TN值一般小于7），浮游植物高；許多湖泊表層沉積物的C/N為6-14[15-16]呼倫湖表層沉積物中，TOC/TN介于0.29- 283.60之間，平均值為20.73，說明呼倫湖有機碳來源于陸源高等植物較多。

3.2 沉積物中無機碳的來源

湖泊沉積物無機碳主要來源于湖泊外源碳酸鹽和自生碳酸鹽。外源碳酸鹽（allochthonous）是指由湖盆流域母巖風化產生、由地表徑流搬運至湖泊水體的碳酸鹽。湖泊自生碳酸鹽包括湖水中無機化學沉淀產生的碳酸鹽和生物殼體碳酸鹽，以及少量沉積物埋藏后早期成巖作用產生的碳酸鹽[17]。CaCO3的主要來源可能不是人為的，而是自然過程如碳酸巖風化、再懸浮、再沉淀所形成。研究表明在自然水體中產生碳酸鹽沉淀的必要條件是水體過飽和，而引起過飽和條件形成的因素包括溫度變化、水體蒸發濃縮、CO2的溶解與釋放等[18-19]。吉磊等對呼倫湖表層沉積物礦物進行監測得出沉積物樣品經鏡下鑒定主要礦物成分是粘土礦物和方解石， 含少量粉砂和砂順粒。后者主要是石英、鉀長石、斜長石、云母和少量重礦物及巖屑[20]。呼倫湖沉積物中方解石的形成主要與湖水化學過程有關，即水體過飽和，表明呼倫湖無機碳的原始積累來源于湖泊本身礦物組成以及水動力條件。

4 結論

湖泊流域面積較大，湖泊具有的原始生產力不同造成呼倫湖沉積物中總有機碳（TOC）含量范圍較廣（9.18～61.68g.kg-1）； 總無機碳（TIC）含量均高于TOC含量。有機碳無機碳相關性研究表明，所選4個柱芯中有3個柱芯底層表現出良好的正相關性，這可能跟年代以及溫度有關。表層沉積物中C/ N 的平均值為平均值為20.73，柱芯中C/ N 的平均值為9.51，表明呼倫湖有機質主要來源于湖中水生植物，水體富營養化具有顯著的內源性。

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收稿日期：2018-04-24

作者簡介：宋文杰（1985-），女，碩士研究生，講師，教師，研究方向為環境地球化學。