环境科学  2017, Vol. 38 Issue (1): 78-86   PDF    
滇池沉积物有机质沉积特征与来源解析
韩秀秀1,2,3 , 黄晓虎3 , 余丽燕3 , 杨浩3 , 黄昌春1,2,3 , 黄涛1,2,3 , 余艳红4 , 罗玉4     
1. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023;
2. 江苏省物质循环与污染控制重点实验室, 南京 210023;
3. 南京师范大学地理科学学院, 南京 210023;
4. 云南省环境科学研究院, 中国昆明高原湖泊国际研究中心, 昆明 650000
摘要: 以滇池湖泊东南部和东部沉积柱为研究对象,对沉积柱中不同层的沉积物样品使用210Pb定年,分析不同年代沉积物中总有机碳(TOC)和正构烷烃的含量及沉积通量,利用正构烷烃相关指标示踪有机质来源.结果表明:①两采样点沉积物中TOC含量和沉积通量随时间增长均表现为总体上升的变化趋势;正构烷烃沉积通量随沉积年代的变化,分为上升期、下降期与再次上升期这3个阶段.②正构烷烃与TOC沉积通量均增大时,两者来源具有一致性,均来自于湖泊内部和入湖河流携带的泥沙物质之中;20世纪80年代至20世纪末,正构烷烃沉积通量在减小,TOC沉积通量在增大,说明该时期两者来源存在较大差异,湖泊内的细菌、藻类对正构烷烃的贡献较大,而TOC受湖泊内部与入湖泥沙的影响较大.③两采样点检测到的正构烷烃碳数范围为C12~C35,由正构烷烃基本特征与源解析指标分析得出:挺水植物对滇池湖泊沉积物中有机质来源贡献较大,浅层深度,细菌和藻类的贡献突出.
关键词: TOC      正构烷烃      沉积物      沉积通量      来源解析     
Sedimentary Characteristics and Sources of Organic Matter in Sediments of Dianchi Lake
HAN Xiu-xiu1,2,3 , HUANG Xiao-hu3 , YU Li-yan3 , YANG Hao3 , HUANG Chang-chun1,2,3 , HUANG Tao1,2,3 , YU Yan-hong4 , LUO Yu4     
1. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China;
2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, Nanjing 210023, China;
3. College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China;
4. Yunnan Institute of Environmental Science, Kunming China International Research Center for Plateau Lake, Kunming 650000, China
Abstract: Sediment columns in the southeast and east of Dianchi Lake were taken as the object of the study to determine ages by 210 Pb dating method.The contents and sediment fluxes of total organic carbon (TOC) and n-alkanes of the sediments were investigated, and organic sources were tracked according to the relevant indexes of n-alkanes.The results indicated that TOC contents and sediment fluxes of two sampling sediments both presented an increasing trend on the whole; Sediment fluxes of n-alkanes varied as three stages:increasing period, decreasing period and re-increasing period.When the sediment fluxes of n-alkanes and TOC both went up, it showed that they had the same sources:sediments in the lake and carried by the rivers; From 1980s to the end of 20th century, sediment fluxes of n-alkanes were going down while those of TOC were going up.This result means there was a big difference in the sources of n-alkanes and TOC.The bacteria and algae in the lake made a great contribution to n-alkanes while TOC was mainly influenced by sediments in the lake and carried by the rivers.n-alkanes of the two sampling sites both ranged from C12 to C35.Based on the basic features and relevant indexes of n-alkanes, we proposed that emergent plants made big contributions to the sources of organic matter in the sediments of Dianchi Lake, simultaneously, bacteria and algae had significant contributions to the sources of organic matter in shallow depth of Dianchi Lake.
Key words: TOC      n-alkanes      sediments      sediment fluxes      source apportion     

湖泊是流域内物质的主要汇集场所,越来越多的研究表明湖泊是一个不容忽视的碳汇[1~4]. 沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分,有机质沉积通量较高,其中有机碳沉积通量甚至大于海洋[5],是流域侵蚀和环境污染物的重要载体[6]. 湖泊沉积物具有连续性好、 完整性佳和信息量大的特点[7~12],能够指示湖泊及其流域环境演变过程中蕴含的生物、 物理、 化学信息等,结合沉积物中不同组分的含量及其沉积通量,能够记录流域及周围人类活动信息、 湖泊水体营养化程度和湖泊生态环境的演化过程等[13~16].

正构烷烃广泛存在于湖泊及流域内的沉积物等地质载体中[17],结构稳定,抵制周围微生物作用的能力极强,一般不易发生降解,是一种常见的稳定生物标志物[18~20]. 在河流运输及湖泊沉积的过程中,正构烷烃因其稳定的理化性质特征和来源,既能够指示湖泊环境演化的过程,又能够解析有机质的来源[21~26].

利用湖泊沉积记录重建地球历史时期古生态和古环境,一直以来都是学者们研究的重点之一[27]. 近年来,湖泊沉积物中分子有机化学记录,以及沉积物中不同组分沉积通量与环境变化过程已成为科学界的研究热点. 目前学者们对湖泊沉积物中分子有机化学[28~30]以及沉积通量[31~33]的单向研究较多,将两者相结合来分析湖泊沉积物有机质的沉积与来源的研究较为缺乏.

基于此,本研究对滇池两采样点沉积物样品进行了定年分析,测定不同年代沉积物样品中TOC和正构烷烃的含量,并进一步估算其沉积通量,探讨滇池沉积物中不同组分沉积特征及影响因素; 同时,结合沉积物样品中正构烷烃的基本特征和源解析指标对滇池沉积物中有机质的来源进行了分析. 本研究期望通过以上分析,揭示滇池湖泊污染来源、 环境变化趋势以及人类活动在环境变化中的作用,以期为滇池及周边环境的治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

滇池(24°40′-25°02′N,102°36′-102°47′E),位于云南省昆明市西南部,属于长江流域金沙江水系,古称滇南泽,亦称昆明池、 昆明湖. 滇池属于地震断层陷落型湖泊,位于由多组斜滑断层构成的康滇深大断裂带最洼处,湖体为南北走向,南北长39.0 km,东西平均宽度约为7.0 km,最大宽度为13.0 km,湖岸线长163.2 km,湖面面积306.3 km2,平均水深4.4 km,最大水深10.9 km,湖底较为浅平,集水面积2 886.0 km2,容水量可达15.7亿m3,是云南省面积最大的湖泊,也是我国第六大淡水湖[34]. 滇池入湖河流多达29条,大都发源于北部、 东部和南部的山地以及滇池上游的水库等,呈向心状经乡村、 城镇以及工业区最终流入滇池.

1.2 样品采集与处理

2014年7月20日,采用重力采样器(内经约8.3 cm)于云南省滇池东南部(24°46′3.4″N,102°42′18.6″E)和东部(24°52′41″N,102°46′0″E)(见图 1)采集了滇池湖泊沉积柱样品,分别标记为DC-1和DC-2. 样品运回实验室后,存放于-50℃ 的超低温冰箱中待用. 2015年7月16日,以1 cm为间隔对样品进行分层切割,DC-1柱子总长40 cm,没有上覆水,被切割分为1-40号共40个样; DC-2柱子总长45 cm,除去16 cm的上覆水,沉积柱土样被分成17-45号共29个样. 切割好的样品分别盛放在写好编号的培养皿中,冷冻干燥后,称取重量,再将样品研磨以备之后各项指标的测定.

图 1 滇池采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of the sampling sites in the Dianchi Lake

1.3 实验方法

样品定年是在南京师范大学地理科学学院γ能谱仪重点实验室进行的,使用的仪器是美国EG&GORTEC高纯锗γ能谱仪(GWL-120-15,USA). 称取5 g左右的土样于专用的定年塑料罐内密封一个月,使226Ra和210Pb处于永久衰变的平衡体系,之后上机测量[12, 35].

为得到沉积物的沉积年代,需要对样品210Pbex的比活度进行分析. 本研究采用的是CRS(稳恒沉积通量)模式[36]h深度处沉积物年代t可用公式(1) 求得:

(1)

式中,Ah表示h深度以下各层沉积物中210Pbex的总活度(Bq·cm-2); A0表示沉积物中210Pbex的总活度(Bq·cm-2); λ表示210Pbex的衰变常数(0.031 14·a-1).

TOC含量是由测得的TC和IC含量之差求出的,利用SSM-5000A与TOC-L分析仪相结合,采用常规方法测得[37].

正构烷烃的提取:称取2 g冷冻干燥后的土样,用二氯甲烷和甲醇的混合溶剂(体积比,93∶7)进行微波萃取(100℃,10 min),再经3次离心,将上层清液合并后旋蒸至1 mL,加入正己烷替换溶剂(3次,10 mL·次-1),之后用45 mL正己烷净化过柱,层析柱自下而上依次为4 cm氧化铝、 8 cm硅胶和1 cm无水硫酸钠,过柱后的溶液浓缩至1 mL移入进样瓶,等待上机测定. 其中,中性氧化铝和硅胶使用前需放入马弗炉内450℃ 灼烧6 h,无水硫酸钠650℃ 灼烧10 h.

正构烷烃的测定使用的是气相色谱质谱联用仪(GCMS-PQ2010Plus),色谱柱为安捷伦公司的HP-5毛细管气相色谱柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm). 初始温度为50℃,保持1 min,进样口温度300℃,保持15 min,程序升温通量为10℃·min-1. 载气为高纯氦气,流速为1.5 mL·min-1.

正构烷烃示踪有机质来源的相关指标:

(1) CPI(碳优势指数),是指一定碳链长度范围内奇、 偶碳正构烷烃的比值,计算公式是:

(2) Paq是指示沉水、 浮水与挺水植物、 陆源高等植物相对量的指标,计算公式[18]

2 结果与分析 2.1 沉积物计年结果

根据美国EG&GORTEC高纯锗γ能谱仪的测量结果,得到两采样点沉积物中210Pbex的比活度,如图 2所示. 结合CRS模式,利用公式(1) 算得的两采样点沉积物的沉积年代如图 3所示. DC-1沉积物定年深度为1-40 cm,年代跨度是1899-2014年; DC-2沉积物定年深度为17-45 cm,年代跨度是1896-2014年.

图 2 沉积物中210Pbex垂直分布特征 Fig. 2 Vertical distribution characteristics of 210Pbex in sediments

图 3 沉积物深度与沉积年代对应 Fig. 3 Corresponding graphs of sediment depth and sedimentary time

2.2 TOC垂直变化与沉积通量

图 4(a)为两采样点沉积物中TOC含量随沉积年代的垂直变化特征,从中可知:DC-1 TOC含量范围是10.67-53.04mg·g-1,平均含量是25.37mg·g-1; DC-2 TOC含量范围是4.21-36.34mg·g-1,平均含量是11.50mg·g-1; DC-1 TOC含量明显高于DC-2. 另外,两采样点TOC含量随沉积年代的变化具有类似的变化特征:总体上呈现出上升的变化趋势,20世纪90年代以前上升缓慢,20世纪90年代之后快速上升,且均在2010年前后,TOC含量明显减少.

图 4 TOC含量及沉积通量随沉积年代变化 Fig. 4 Changes of TOC content and deposition fluxes with the sedimentary time

TOC沉积通量被定义为单位时间、 单位面积沉积物中总有机碳的含量,单位是mg·(cm2·a)-1. 图 4(b)是两采样点TOC沉积通量随沉积年代的变化特征,两采样点沉积物中TOC沉积通量随沉积年代变化的趋势相一致:总体呈现上升趋势,20世纪90年代以前上升缓慢,自20世纪90年代起,上升速度均明显提高; 且DC-1采样点沉积物中TOC沉积通量明显高于DC-2. 这一变化特征与两采样点沉积物中TOC含量变化特征相一致.

2.3 TOC中稳定成分正构烷烃的沉积特征 2.3.1 正构烷烃垂直变化与沉积通量

正构烷烃在沉积物中含量相对较低,但结构稳定,不易发生改变. 本研究中,DC-1和DC-2沉积物样品中检测到的正构烷烃总浓度的变化范围分别是5.30-27.95 μg·g-1和6.92-29.67 μg·g-1,平均浓度分别为12.88 μg·g-1和16.23 μg·g-1. 如图 5(a)所示:DC-1采样点沉积物中正构烷烃占TOC含量的质量分数变化范围为0.018%-0.401%,均值为0.073%; DC-2采样点沉积物中正构烷烃含量高于DC-1,但占TOC含量的质量分数也很低,变化范围是0.084%-0.644%,均值为0.240%. TOC相比于正构烷烃易被分解,20世纪90年代之后,随沉积年代的临近,TOC还未被分解彻底,同时环境污染也加大了沉积物中TOC的含量,所以沉积物中正构烷烃占TOC含量的质量分数表现出明显降低的变化趋势.

图 5(b)所示:沉积物中正构烷烃沉积通量整体上呈现出DC-2高于DC-1的特征,且变化趋势可大致分为3个阶段:上升期、 下降期与再次上升期. 20世纪70年代之前,正构烷烃沉积通量较低且增长较为缓慢,而DC-2在该阶段的后期上升较为快速; 20世纪70到80、 90年代,呈现明显的下降趋势; 20世纪90年代至2014年,两采样点又呈现出再次上升的变化趋势.

图 5 正构烷烃/TOC、 正构烷烃沉积通量随沉积年代变化 Fig. 5 Changes of n-alkanes/TOC,deposition fluxes of n-alkanes with the sedimentary time

2.3.2 正构烷烃基本特征

来源于不同有机质的正构烷烃表现为不同的碳数范围、 主峰碳、 奇偶优势和分布类型等,基于此,可大致判断沉积物中有机质的来源. 源于细菌、 藻类的正构烷烃属于短链正构烷烃,主要分布在低碳数部分(nC14-nC20),主峰碳一般为C17,奇偶优势不明显; 沉水维管束和水生浮游植物中的正构烷烃,属于中等碳链长度(nC21-nC25),主峰碳通常为C21、 C23或C25; 源于陆源高等植物中的正构烷烃很大比例上属于长链正构烷烃,主要分布在高碳数部分(nC25-nC35),通常以C27、 C29或C31为主峰碳,奇偶优势明显[38~40].

本实验中,GC-MS检测到的两采样点沉积物样品中正构烷烃的碳数范围均在C12-C35之间,图 6图 7分别为DC-1和DC-2两采样点有代表性深度的沉积物样品中正构烷烃的分布图. 两采样点均呈现出明显的双峰态后峰型的分布特征,主峰碳为C27、 C29或C31,且高数碳部分表现为明显的奇偶优势; 低数碳部分,两采样点浅层沉积物样品,以C17为次峰碳,奇偶优势不明显,但DC-1从9 cm往下,DC-2从29 cm往下,以C16或C18为次峰碳,偶数碳略占优势. 由此可以判断,两采样点沉积物中正构烷烃示踪的有机质来源随沉积深度的变化表现为不同的混合源,各种源贡献的比例也在发生着变化,主要来源于陆源高等植物或部分挺水植物,在浅层深度,细菌和藻类的贡献突出.

图 6 DC-1代表性深度沉积物样品中正构烷烃分布 Fig. 6 Distribution profiles of n-alkanes in several representative samples with different depth in DC-1

图 7 DC-2代表性深度沉积物样品中正构烷烃分布 Fig. 7 Distribution profiles of n-alkanes in several representative samples with different depth in DC-2

3 讨论

滇池湖泊有29条河流汇入,河流携带的泥沙等物质汇入滇池,与湖泊中的细菌、 藻类、 植物,动物等产生的物质一起沉积下来,形成沉积物,记录着湖泊的演化过程. 沉积物中不同组分的沉积通量,一定程度上能够反映湖泊的自然环境、 人类活动和演化过程等信息. 较其他有机质而言,正构烷烃作为一种相对稳定的环境指示物质,广泛存在于细菌、 藻类以及水体和陆地上的高等植物等生物体中,结合不同指标,能够指示沉积物中有机质的来源,对研究区域具有更加具体的环境指示意义[38~41].

3.1 TOC沉积变化的原因分析

滇池两采样点沉积物中TOC沉积通量随沉积年代的变化一直处于上升状态,自20世纪90年代起,增长速度均明显提高. 另外,DC-1采样点沉积物中TOC沉积通量明显高于DC-2. 根据昆明市环境监测中心相关数据显示,自上世纪 60 年代至今,滇池水质一直处于恶化状况,从Ⅱ 类水质变化为Ⅲ 类,继而恶化为劣Ⅴ 类,2001年起在Ⅴ 类与劣Ⅴ 类之间波动变化. 滇池水质恶化之后,水华现象时常发生,占绝对优势的蓝藻恶性繁殖和积累,造成滇池水体景观的恶化,使得滇池水体发黑发臭,有机污染加剧,TOC沉积通量不断增大. 沉积柱表层沉积物中浮游生物的生物沉积及外源泥沙中的有机质尚未矿化,含有较高的有机碳,也是TOC沉积通量明显提高一个显著原因. 滇池东岸主要受农业面源的污染,洛龙河、 梁王河等入滇河流主要用于农田灌溉,流量较小,其水质虽早已受到污染,但较其他入滇河流而言污染较轻; 滇池东南岸入湖河流一般属于排灌兼用的河道,流量较大,对河道的冲刷、 有机质的携带入湖有较大作用. 所以两采样点间沉积物中TOC沉积通量的比较结果是DC-1明显高于DC-2.

3.2 TOC与正构烷烃沉积变化的对比分析

湖泊沉积物中正构烷烃主要来源于细菌、 藻类、 水体和陆地上的高等植物等生物体中,结构稳定,一般很难发生变化; 而TOC含量是由沉积物中有机质的输入和沉积环境对有机质的保存能力共同决定的. 19世纪末至20世纪70、 80年代,滇池湖泊沉积物中的正构烷烃及TOC沉积通量均呈现出上升的变化趋势,这说明,该阶段沉积物中正构烷烃及TOC来源具有一致性,均来自于湖泊内部和入湖河流携带的泥沙物质之中. 20世纪80年代至20世纪末,湖泊沉积物中正构烷烃沉积通量在降低,TOC沉积通量依然在上升,这说明该时期沉积物中正构烷烃和TOC来源存在较大差异,结合文中CPI值和正构烷烃基本特征可判断,该时期湖泊内的细菌、 藻类对沉积物中正构烷烃的贡献在增大,而TOC主要来源于湖泊内部和入湖河流携带的泥沙物质之中,并且沉积物中的生物沉积及外源泥沙中的有机质尚未矿化完全,含有较高的有机碳,也使得TOC沉积通量明显提高.

3.3 正构烷烃示踪湖泊有机质来源

由正构烷烃基本特征已经得出:两采样点沉积物中有机质来源随沉积深度的变化表现为不同的混合源,各种源贡献的比例也在发生着变化,主要来源于陆源高等植物或部分挺水植物. 由于陆源高等植物与部分水生挺水植物具有相类似的正构烷烃分布特征,所以单从正构烷烃基本特征的角度很难将其区分清楚,而CPI和Paq指标可有效地解决这一问题.

CPI和Paq是判断有机物质来源的重要指标. 陆源高等植物nC27nC29nC31含量较高,有明显的奇偶优势,CPI值通常较大; 细菌、 藻类产生的正构烷烃奇偶优势不明显,CPI值较低[42]. Paq能够指示沉水、 浮水与挺水植物、 陆源高等植物输入的烷烃在高碳数正构烷烃中的比例. 根据Paq值的大小,可判断有机物质的来源. 0.4<Paq<1时,主要来源于沉水和浮水植物; 0.1<Paq<0.4时,主要来源于挺水植物; Paq<0.1时,主要来源于陆源高等植物[40].

图 8可知:两采样点CPI值均较低,都小于1.6,Paq值亦均在0.1以上,这说明陆源高等植物对两采样点沉积物样品中有机质来源的贡献并不明显. 20世纪70年代起,部分Paq值大于0.4,其余值介于0.1-0.4之间,这说明沉水和浮水植物,挺水植物对滇池东南部和东部沉积物中有机质来源的贡献较大,并且自20世纪70年代起,挺水植物输入的烷烃在高碳数正构烷烃中的比例明显增加. 这一现象符合随沉积年代的临近,滇池流域水体水质富营养化程度变高的事实.

图 8 CPI、 Paq值随沉积年代变化特征 Fig. 8 Changes of CPI,Paq with the sedimentary time

4 结论

(1) DC-1和DC-2沉积物定年年代跨度分别是1899-2014年和1896-2014年.

(2) 两采样点沉积物中TOC沉积通量随沉积年代变化的趋势均是总体上升,自20世纪90年代起,上升速度均明显提高; 正构烷烃沉积通量按沉积年代可分为上升期、 下降期与再次上升期3个阶段. 两采样点TOC沉积通量总体上是DC-1大于DC-2,正构烷烃沉积通量总体上是DC-2大于DC-1.

(3) DC-1和DC-2两采样点均呈现明显的双峰态后峰型的分布特征,主峰碳为C27、 C29或C31,高数碳部分表现出明显的奇偶优势. 这说明滇池东南部和东部沉积物有机质主要来源于陆源高等植物或部分挺水植物. 而结合两采样点CPI和Paq两项指标,表明挺水植物对滇池东南部和东部沉积物有机质中正构烷烃有较大贡献,且自20世纪70年代起,挺水植物输入的烷烃在高碳数正构烷烃中的比例明显增加.

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