环境科学  2019, Vol. 40 Issue (10): 4505-4512   PDF    
引用本文
祁闯, 方家琪, 张利民, 司泽君, 黄和笑, 王卓森, 李翔, 王磊, 王国祥. 太湖草型湖区沉积物中生物易降解物质组成与分布规律[J]. 环境科学, 2019, 40(10): 4505-4512.
QI Chuang, FANG Jia-qi, ZHANG Li-min, SI Ze-jun, HUANG He-xiao, WANG Zhuo-sen, LI Xiang, WANG Lei, WANG Guo-xiang. Composition and Distribution of Biodegradable Compounds in the Macrophyte Dominated Zone of Lake Taihu[J]. Environmental Science, 2019, 40(10): 4505-4512.
太湖草型湖区沉积物中生物易降解物质组成与分布规律
祁闯1, 方家琪1, 张利民1,2, 司泽君3, 黄和笑1, 王卓森1, 李翔1, 王磊1, 王国祥1,2     
1. 南京师范大学环境学院, 南京 210097;
2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏省环境演变与生态建设重点实验室, 江苏省水土环境生态修复工程实验室, 南京 210023;
3. 华东师范大学计算机科学与软件工程学院, 上海 200062
收稿日期: 2019-03-29; 修订日期: 2019-05-16
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07203-003, 2017ZX07202-004);国家自然科学基金项目(41703105, 41573061);江苏省研究生科研创新计划项目(KYCX17_1065)
作者简介: 祁闯(1991~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为水环境生态修复, E-mail:qichuangnjnu@163.com
通信作者: 王国祥, E-mail:wangguoxiang@njnu.edu.cn
摘要: 为研究富营养化条件下草型湖区水生植物碎屑快速沉积对沉积物中有机质组成及营养状态的影响，选取太湖胥口湾为研究区，采集沉积物柱状样，探究沉积物中色素、碳、氮、磷及生物易降解物质的组成和分布规律.结果表明，胥口湾沉积物中色素、碳、氮、磷及生物易降解物质整体表现为表层富集特征，主要集中在沉积物表层15 cm；沉积物中氮负荷高于磷负荷，且存在显著的空间差异性；沉积物TN含量在127.2~2092.8 mg·kg-1，沉积物TP含量在222.1~528.4 mg·kg-1，水生植物分布区（1033.6 mg·kg-1）氮负荷显著高于无植被区（325.2 mg·kg-1）.沉积物中生物易降解物质以糖类（3.7 mg·g-1）为主，其次是脂类（2.8 mg·g-1）和蛋白质（2.3 mg·g-1）；水生植物碎屑残体是沉积物中营养盐和易降解有机质的主要来源，水生植物分布区沉积物中色素、碳、氮、磷及生物易降解有机质含量均显著高于无植被区（P < 0.01）；胥口湾沉积物逐渐由中营养状态向富营养状态过渡，整体已经趋向于富营养化状态，在今后的湖泊管理和调控过程中需予以关注.
关键词: 太湖      生物易降解物质      草型湖区      沉积物      营养盐     
Composition and Distribution of Biodegradable Compounds in the Macrophyte Dominated Zone of Lake Taihu
QI Chuang1 , FANG Jia-qi1 , ZHANG Li-min1,2 , SI Ze-jun3 , HUANG He-xiao1 , WANG Zhuo-sen1 , LI Xiang1 , WANG Lei1 , WANG Guo-xiang1,2     
1. School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China;
2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Jiangsu Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Jiangsu Engineering Laboratory of Water and Soil Eco-remediation, Nanjing 210023, China;
3. School of Computer Science and Software Engineering, East China Normal University, Shanghai 200062, China
Abstract: In shallow eutrophic lakes, benthic bioclastic deposits accumulate abundant organic carbon derived from macrophyte detritus. Taking the typical macrophyte-dominated Xukou Bay as the study area, field investigations were performed using sediment cores to evaluate benthic phytodetritus accumulation. Specifically, nutrient contents, TOC/TN ratios, pigmentation, and biodegradable compounds were measured as descriptive parameters. The results show that the benthic bioclastic deposit had accumulated abundant pigments, nutrients, and biodegradable compounds derived from macrophytes detritus. These were mainly localized in the top 15 cm of sediments. Nitrogen loading in the sediments was significantly higher than phosphorous loading, with a distinct spatial difference; the total nitrogen content ranged from 127.2-2092.8 mg·kg-1 and total phosphorous content ranged from 222.1-528.4 mg·kg-1. Moreover, nitrogen loading (1033.6 mg·kg-1) in the vegetated zones were higher than in the unvegetated zones (325.2 mg·kg-1). In addition, carbohydrate (3.7 mg·g-1) was the dominant component of sedimentary bioclastic material, with lipids (2.8 mg·g-1) being the second most abundant of the biodegradable compounds. The major sources of nutrients and biodegradable compounds in the sediment were massive aggregates of macrophyte detritus. The pigment, nutrient, and biodegradable compound contents in the vegetated zones were significantly higher than in unvegetated zones (P < 0.01). The benthic eutrophic state showed a trend from mesotrophic to eutrophic in Xukou Bay, which should be given more attention in the future management of freshwater lake ecosystems.
Key words: Taihu Lake      biodegradable compounds      macrophyte-dominated zone      sediment      nutrient     

湖泊是地球表层系统中各个圈层相互作用的联结点, 对区域乃至全球尺度上的物质循环具有重要的意义[1].尽管全球湖泊面积占陆地面积不足2%, 但是湖泊有机碳年埋藏量却相当于海洋的50%, 是全球重要的有机碳存储场所[2, 3].湖泊沉积物不仅收纳了大量来自陆地生态系统的有机碎屑, 而且湖泊较高的生物生产力、较强的生物泵功能, 带来较快的生物源碳沉积, 对于湖泊沉积物中营养盐循环、污染物的迁移转化以及全球气候变化都具有重要的影响[4, 5].

湖泊沉积物中不同来源的有机质与元素生物地球化学过程联系紧密, 对底栖生物的组成、分布及新陈代谢, 碳的转化速率等都存在影响[6], 还能够有效指示沉积物营养状况及人类活动对湖泊的干扰强度[5].研究表明, 不同来源有机碎屑的分解速度和分解度差异很大, 在适宜的气候条件下, 藻类碎屑4天内就可以分解物质干重的50%, 而水生植物碎屑残体通常需要0.5~12个月[7, 8].与藻类腐解过程不同, 水生植物碎屑残体腐解过程包括初期易溶解碳水化合物的快速溶解、释放, 进而难分解物质木质素、纤维素等不断积累, 在微生物及胞外酶作用下缓慢分解, 分解速率明显减慢[9].同时, 沉水植物在秋、冬季进入衰亡期后, 碎屑残体腐解相对缓慢, 当气温回暖后, 由于微生物活动分解加速, 一部分营养盐在短期内释放进入水体, 参与水体营养再循环, 部分营养盐向底泥迁移或在微生物作用下以气体形式从水体逸出[10].此外, 在沉降及埋藏过程中, 有机碎屑的组成及活性不断发生变化, 其中活性有机质优先降解[11], 例如色素, 糖类, 蛋白质, 脂类等, 而腐殖质等难降解有机质最终被埋藏保留在沉积物中[12].可见, 湖泊沉积物有机质的沉积与降解变化会直接影响碳埋藏状况.在太湖、洪泽湖等湖泊的湖滨或湖湾局部区域有机碎屑残体淤积厚度可以达到1 m左右[13~15].表层沉积的碎屑残体多呈黑色, 有机质和水分含量高, 分解耗氧致使水体缺氧水质恶化, 残体淤积导致湖底抬升, 加速湖泊沼泽化[16].

目前富营养化湖泊藻类、水生植物碎屑残体堆积对生源要素氮、磷和黑臭物质的影响已经有较多研究[17~19].然而, 在气候变化和富营养化双重影响下, 湖泊水生植物碎屑经过快速搬运和堆积形成水生植物碎屑堆积层不同于缓慢的自然沉积形成的沉积物, 该堆积层的物质组成、有机质分布和腐解产物的赋存形态目前尚缺乏了解, 故阐明水生植物碎屑堆积层的物质组成对湖泊沉积物碳生物地球化学循环过程具有重要意义.为此, 本研究选取太湖胥口湾为研究区域, 在离岸不同距离和不同水生植被分布区采集沉积物柱状样, 探究沉积物中碳、氮、磷、色素以及生物易降解有机质的组成和空间分布规律, 以期为太湖富营养化控制与生态修复提供理论指导.

1 材料与方法 1.1 点位布设与样品采集

于2018年10月, 在太湖水生植被丰富的草型湖区胥口湾, 利用沉积物柱状采样器(φ=9 cm, H=100 cm)采集沉积物样品, 从湖滨带向远岸带延伸, 每隔2~3 km设置一个点位, 共设置7个点位(图 1), 每个点位不同位置采集3根柱状样, 现场严格按照每2 cm分层, 并将同一层沉积物样品混匀装入自封袋中, 同时利用便携式水质测定仪(ProODO/Pro10/Pro30, 美国YSI公司)测定水体溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和电导率(EC)等理化指标, 并记录水深及水生植物分布情况(表 1), 全部样品当天运回实验室冷藏保存.

图 1 采样点位示意 Fig. 1 Map of the sampling sites

表 1 采样点位概况与水生植物分布特征 Table 1 Descriptions of the sampling sites and characteristics of the aquatic plants

1.2 测试项目与分析方法

取出部分新鲜沉积物样品用于含水率和烧失量测定, 其余样品冷冻后转移至冷冻干燥机(FreeZone®, 美国Labconco公司)冻干, 使用玛瑙研钵研磨后过200目尼龙筛后转移至自封袋中, 避光干燥保存, 用于沉积物样品叶绿素a、脱镁叶绿素、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总脂(LIP)、总糖(CHO)和总蛋白(PRT)等指标的测定.其中含水率和烧失率分别按照国标GB7172- 1987和GB7876- 1987测定; 叶绿素a和脱镁叶绿素使用90%的丙酮提取, 加入适量碳酸镁溶液(1%), 防止酸化引起色素波长偏移, 用紫外分光光度法测定; TOC使用总有机碳分析仪测定(MultiN/C 3100, 德国耶拿公司); TN和TP采用碱性过硫酸钾消解, 紫外分光光度法测定; 总糖用苯酚浓硫酸法测定[6], 以葡萄糖做标准曲线; 总蛋白使用福林酚法测定[20], 用牛血清蛋白做标准曲线; 总脂用甲醇氯仿法测定[21], 以甘油三酯做标准曲线.总糖、总蛋白和总脂中碳的总和称为生物聚合碳(biopolymeric carbon, BPC), 用来估算有机质中易降解组分的含量[22], 计算公式为：BPC=0.49 PRT+0.40 CHO+0.75 LIP.该方法已经在河流、湖泊和海洋沉积物中得到广泛应用[5, 23, 24].

每个样品设置3个重复, 利用Excel和Origin 9.0对实验各类数据及资料进行汇总整理, 采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(one way ANOVA)和相关性分析.

2 结果与讨论 2.1 沉积物含水率和烧失量的变化特征

沉积物含水率可以反映沉积物孔隙度状况及其易悬浮程度, 烧失量可以反映湖泊沉积物有机质和碳酸盐含量[25].结果表明, 太湖胥口湾沉积物含水率的变化范围在24.9%~66.2%, 平均含水率为40.1%, 整体呈现出随着深度的增加而减少的趋势(图 2), 表层沉积物(15 cm以上)含水率(43.9%)显著高于底层沉积物(15 cm以下)含水率(36.2%).水生植物越丰富, 沉积物含水率越高, 水生植物分布区的含水率均值为42.0%, 而无植被区仅为31.4%(C3和C4), 可能是由于水生植物的根系具有一定的蓄水能力导致的[26].相比之下, 沉积物烧失量的空间分布差异性不大, 平均含量为4.1%, 水生植被分布区和无植被区沉积物烧失量的均值分别为4.2%和3.6%(图 2).这与秦伯强等[27]的研究结果较为一致, 即太湖沉积物中有机质含量大于4%的区域主要分布在草型湖区, 而西部和湖心区沉积物有机质含量主要集中在1.5%~4.0%.一方面, 由于大量的水生植物衰亡后, 碎屑残体沉积在湖底, 增加了沉积物中有机质负荷.另一方面, 太湖东部湖区是太湖主要出水区, 西太湖大量以有机颗粒为主的悬浮物在该湖区沉积较多, 因而也会加重表层沉积物有机负荷.

图 2 含水率和烧失量的分布特征 Fig. 2 Vertical distribution of moisture content and loss-on-ignition results

2.2 沉积物中色素含量及碳氮磷分布特征

总体而言, 草型湖区胥口湾表层沉积物(0~15 cm)色素含量较高且呈现波动下降的趋势, 水生植物分布区色素含量显著高于无植被区(P < 0.05).其中, 沉积物叶绿素a的含量在0.3~9.0 μg·g-1之间, 平均含量为2.2 μg·g-1; 脱镁叶绿素含量在0.6~36.9 μg·g-1之间, 平均含量为7.8 μg·g-1.表层沉积物叶绿素a(3.1 μg·g-1)和脱镁叶绿素(10.9 μg·g-1)含量约为底层沉积物叶绿素(1.4 μg·g-1)和脱镁叶绿素(4.9 μg·g-1)含量的2倍; 水生植物分布区沉积物叶绿素a(2.4 μg·g-1)和脱镁叶绿素(8.6 μg·g-1)含量分别是无植被区(C3和C4)的3倍和4倍(图 3).

图 3 叶绿素a和脱镁叶绿素的垂向变化特征 Fig. 3 Vertical distribution characteristics of Chl-a and phaeopigments

沉积物中叶绿素a及其降解产物脱镁叶绿素可以为底栖生物提供赖以生存的有机环境, 叶绿素还可以用来表征易降解有机质的量, 通常用叶绿素a与脱镁叶绿素的比值评价有机质的质量[28, 29].富营养化湖泊巢湖沉积物中叶绿素a和脱镁叶绿素含量分别在1.3~27.4 μg·g-1(10.2 μg·g-1)和1.0~32.1 μg·g-1(15.1 μg·g-1)之间[30].由此可见, 藻型湖区的沉积物色素含量显著高于草型湖区, 尤其是叶绿素含量.究其原因可能是藻华暴发期间, 藻类碎屑的沉降速率大于其分解速率[13], 导致大量藻源性有机碎屑的累积促使沉积物色素含量升高.此外, 藻型湖区水体中大量的悬浮颗粒物吸附新鲜藻类沉降到湖底以及底泥中复苏的藻类也会导致沉积物中色素含量的增加[30, 31].

沉积物中碳、氮、磷与色素的分布特征具有高度的一致性.整体表现为表层富集特征, 随底泥深度增加碳、氮、磷含量呈逐渐下降趋势, 且水生植被分布区沉积物TOC和TN含量显著高于无植被区, 而沉积物TP含量差异并不显著.沉积物TOC含量在3.8~66.1 g·kg-1, 平均值为23.4 g·kg-1, 其中, 水生植被分布区沉积物TOC含量(26.7 g·kg-1)是无植被区(8.9 g·kg-1)的3倍(图 4).表明研究区内水生植物碎屑的残体沉降, 显著增加了底泥有机碳的含量.有机碳随深度增加而降低, 可能是由于底层沉积物形成时间久, 在微生物分解、植物吸收和矿化作用下, 导致其含量逐渐降低[32].沉积物TN含量在127.2~2 092.8 mg·kg-1, 平均值为907.8 mg·kg-1, 表层沉积物和底层沉积物TN含量分别为1 037.7 mg·kg-1和798.0 mg·kg-1, 水生植被分布区和无植被区沉积物TN含量分别为1 033.6 mg·kg-1和325.2 mg·kg-1.这与张彦等[33]对太湖东部湖区沉积物TN含量(1 009.4 mg·kg-1)的调查结果较为一致.根据美国环保署(USEPA)制定的沉积物TN评价标准, 沉积物TN含量低于1 000 mg·kg-1属于轻度污染, 介于1 000~2 000 mg·kg-1属于中度污染, 大于2 000 mg·kg-1属于重度污染[34].由此可知, 胥口湾水生植物分布区沉积物TN属于中度污染, 水生植物碎屑在底泥中的富集可能是氮的主要输入源. Wu等[35]的研究也表明生物沉降是太湖草型湖区沉积物中氮的主要来源, 其空间分布主要受风驱动的水动力作用的影响.

图 4 沉积物中碳、氮、磷及碳氮比的分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of TOC, TN, TP, and TOC/TN at different sampling sites

相比之下, 沉积物TP含量的空间差异并不显著, 表层和底泥沉积物TP含量分别为380.4 mg·kg-1和357.6 mg·kg-1, 水生植物分布区和无植被区沉积物TP含量分别为376.1 mg·kg-1和386.0 mg·kg-1, 这与陈雷等[36]2011年对东太湖的调查的结果(303.2 mg·kg-1)较为一致, 可见水生植物分布对沉积物TP含量的影响并不显著, 同时也间接表明, 随着富营养化程度的加剧, 草型湖区的沉积物磷负荷逐渐增加.根据美国环保署(USEPA)制定的沉积物TP评价标准, 沉积物TP含量低于420 mg·kg-1属于轻度污染, 介于420~650 mg·kg-1属于中度污染, 大于650 mg·kg-1属于重度污染[34].由此可知, 草型湖区胥口湾沉积物TP属于轻度污染, 内源磷负荷较低.

沉积物中TOC/TN值可以反映沉积物营养盐来源, 生物种类不同, TOC/TN值不同.研究表明, 水生高等植物的TOC/TN一般高于20, 而浮游生物的TOC/TN值一般介于4~10之间[37].由图 4(d)可以看出, 胥口湾沉积TOC/TN值变化范围在16.8~41.1之间, 平均值为25.9, 表明胥口湾沉积物中有机质及营养盐主要来源于水生高等植物.

2.3 沉积物中生物易降解有机质的分布特征

胥口湾沉积物中生物易降解有机质以糖类为主, 平均含量为3.7 mg·g-1, 其次是脂类(2.8 mg·g-1)和蛋白质(2.3 mg·g-1), 且随沉积物深度增加呈现波动下降的趋势(图 5).水生植被分布区沉积物糖类和蛋白质含量显著高于无植被区, 而脂类含量却无显著差异.究其原因, 一方面是由于太湖沉积物有机质的来源和组成具有显著的空间差异性.研究表明, 水生植物蛋白质和糖类含量相对较高[38], 脂类主要来自硅藻和浮游动物的排泄物[39].在竺山湾和梅梁湾等藻型湖区, 沉积物中有机质主要来源于藻类碎屑和高等植物残体, 而在草型湖区东太湖, 沉积物中有机质主要来源于沉水植物和硅藻[40, 41].另一方面, 不同有机质来源及组分降解速率不同, 导致残留并富于表层沉积物生物易降解有机质组成不同.已有研究表明：不同易降解有机组分降解的难易程度不同, 表现为蛋白质>糖类>脂类[42].在沉降及埋藏过程中, 生物易降解有机质组成及活性不断发生变化, 其中活性有机质优先降解[11], 例如色素, 糖类, 蛋白质等, 而腐殖质等难降解有机质最终被埋藏保留在沉积物中[12].故草型湖区胥口湾沉积物中生物易降解有机质呈现出以糖类占优, 脂类含量次之的特征.此外, 不同类型的有机质矿化产物不同, 对氮素的迁移转化有重要影响.糖类、脂类和纤维素等在降解过程会产生单糖, 最终矿化后释放出CO2和CH4, 而以蛋白质为主的有机物降解后, 最终矿化释放出NH4+-N[33].

图 5 沉积物中生物易降解有机质和生物聚合碳的分布特征 Fig. 5 Vertical distribution characteristics of biodegradable compounds and biopolymeric carbon

生物聚合碳(BPC)能够代表易被降解利用的有机成分的总量, 通常被用来表征有机质中易降解成分的含量[23, 24].由图 5可知, 研究区沉积物中BPC含量在1.8~11.7 mg·g-1, 平均值为4.7 mg·g-1, 且呈现出表层富集的特征, 与色素和易降解有机质的分布特征具有高度的一致性.根据Pusceddu等[22]制定的沉积物营养状况评价标准, 沉积物中BPC低于1 mg·g-1为贫营养状态, BPC介于1~3 mg·g-1为中营养状态, BPC大于3 mg·g-1属于富营养状态.由此可见, 胥口湾沉积物逐渐由中营养状态向富营养状态过渡, 整体已经趋向于富营养化状态, 在今后的湖泊管理和调控过程中需予以关注.

2.4 碳氮磷及色素与易降解物质的相互关系

胥口湾沉积物色素(叶绿素a和脱镁叶绿素)含量与碳氮磷及生物易降解物质均呈现显著正相关(P < 0.01), 表明水生植物碎屑残体是沉积物中营养盐和易降解有机质的主要来源, 这与碳氮比解析的结果一致(表 2).此外, 总有机碳含量与总氮、总糖、总蛋白和总脂含量存在极显著正相关(P < 0.01).这与何延召等[11]对富营养化湖泊巢湖的调查结果相一致, 表明沉积物中总有机碳的含量与生物易降解有机质含量及组成密切相关.近年来, 在富营养化和气候变化的双重影响下, 湖泊生态系统逐渐由草型清水态向藻型浊水态转化, 导致大量水生植物碎屑堆积腐烂, 生物易降解有机质不断积累, 显著改变了湖泊沉积物中有机质的组成, 进而影响湖泊碳循环过程[12, 43].

表 2 沉积物各指标间的相关系数1)(n=100) Table 2 Pearson correlation coefficients for each index (n=100)

3 结论

(1) 胥口湾沉积物中色素、碳氮磷及生物易降解物质整体表现为表层富集特征, 主要集中在表层15 cm沉积物.沉积物中氮负荷高于磷负荷, 且存在显著的空间差异性.沉积物TN含量在127.2~2 092.8 mg·kg-1, 沉积物TP含量在222.1~528.4 mg·kg-1, 水生植物分布区氮负荷显著高于无植被区.

(2) 沉积物中生物易降解物质组成上以糖类(3.7 mg·g-1)为主, 其次是脂类(2.8 mg·g-1)和蛋白质(2.3 mg·g-1), 生物聚合碳(BPC)含量在1.8~11.7 mg·g-1, 平均值为4.7 mg·g-1, 且同样呈现出表层富集的特征, 随沉积物深度增加呈现波动下降的趋势.

(3) 水生植物碎屑残体是沉积物中营养盐和易降解有机质的主要来源, 水生植物分布区沉积物中色素、碳氮磷及生物易降解有机质含量均显著高于无植被区(P < 0.01), 胥口湾沉积物逐渐由中营养向富营养状态过渡, 在今后的湖泊管理和调控过程中需予以关注.

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