太湖不同湖湾中铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮稳定同位素特征*

何 虎，于谨磊，章 铭，刘正文1，，李宽意

(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京210008)

(2:中国科学院研究生院，北京100049)

(3:暨南大学水生生物研究所，广州510632)

(4:华中农业大学水产学院，武汉430070)

太湖不同湖湾中铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮稳定同位素特征*

何 虎1，2，于谨磊3，章 铭4，刘正文1，3，李宽意1＊＊

(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京210008)

(2:中国科学院研究生院，北京100049)

(3:暨南大学水生生物研究所，广州510632)

(4:华中农业大学水产学院，武汉430070)

进入湖泊中不同氮源氮稳定同位素值(δ15N)的差异和生物对氮稳定同位素的记忆作用，可以反映流域人类活动输入的污染物对生态系统的影响程度.本文调查了太湖4个湖湾(梅梁湾、贡湖湾、竺山湾和东太湖)中铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的δ15N值，结果表明环棱螺δ15N值的变幅为6.9‰～18.1‰，平均值为11.2‰，不同湖湾中环棱螺δ15N值差异极显著，从高到低依次为梅梁湾(17.7‰)、贡湖湾(13.2‰)、东太湖(10.2‰)和竺山湾(7.8‰).分析认为，梅梁湾和贡湖湾接纳较多的人类活动产生的污染物，其周边城市如无锡、常州等地的污水处理效率有待提高;竺山湾水体氮素主要来自于农业面源污染，需降低农田化肥的使用量.

铜锈环棱螺;氮稳定同位素;人类活动污染物;太湖

输入到湖泊生态系统中的各种氮源的氮稳定同位素值(δ15N)通常具有很大差异，如生活污水或动物粪便的 δ15N 值范围为10‰ ～20‰［1-2］，明显高于大气降水(2‰ ～8‰)和综合肥料(－3‰ ～4‰)［3］.人类活动产生的污染物的δ15N较高，输入到湖泊生态系统后，会通过生产者吸收固定或者消费者直接摄食的方式进入生态系统食物网，由于δ15N信号能够沿着食物链向上传递，所以各营养级生物的δ15N都会升高.因此，δ15N是反映流域人类活动对水生生态系统影响的一个良好指标.例如，Anderson等［4］对82条不同营养水平河流的3个营养级生物的δ15N进行了调查分析，结果表明生物的δ15N值与该流域人类活动产生的氮负荷量(包括家畜粪便、化肥和人类废水)显著相关.Benson等［5］调查也发现纽约东北部Upper Saranac湖苦草(Vallisneria americana)的δ15N值与该流域的人口密度呈正相关.在水生态系统中，水体硝氮［6］、沉积物［7］、水生植物［5］和鱼类［8］的δ15N值都可以用来指示氮源.螺贝类等大型底栖动物作为初级消费者，具有寿命长、机体组织周转率低［9］、迁移能力差、活动场所相对固定［10］的特点，其机体组织的δ15N值反映了栖息地长时间、综合的氮素来源，在研究流域人类活动对生态系统的影响上同样具有很好的指示效果.例如，Karube等［11］调查了日本琵琶湖沿岸带螺Semisulcospira spp.和双壳类Unio douglasiae biwae Kobelt的碳、氮稳定同位素值，结果发现样品的δ15N值存在较大的空间差异，螺的δ15N值与流域人口密度显著相关.Fry［12］研究了旧金山湾(San Francisco Bay)蛤Potamocorbula amurensis的δ15N值，发现受人类活动影响较大的南部湾(South Bay)中蛤的δ15N值较高.

太湖地处经济发达的上海、江苏和浙江两省一市交界处，湖泊面积2338 km2，平均水深1.9 m.太湖流域面积达36895 km2，是我国人口最稠密和城市化程度最高的地区之一.竺山湾、梅梁湾、贡湖湾是太湖北部相邻的三个湖湾，东太湖则位于太湖东南部，与北部湖湾相距较远.由于太湖流域周边地区的土地利用方式和经济发展程度存在差异，输入到湖湾中的氮分布具有较大的空间异质性［13］.本文调查了四个湖湾沿岸带大型底栖动物铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮稳定同位素值，拟通过螺的δ15N值来指示人类活动对湖湾生态系统的影响，研究成果对太湖的控源截污工作具有一定的指导意义.

1 材料和方法

2009年7月3日和4日，在太湖梅梁湾、贡湖湾、竺山湾以及东太湖采集水样及环棱螺样品.其中东太湖布设3个采样点，其余各湖湾布设2个采样点作为重复，采样点尽量选取靠近河口的沿岸带区域(图1).采用彼得森采泥器在沉积物表面收集大型底栖动物铜锈环棱螺.每个采样点选取3～4个规格相近的环棱螺，取肌肉组织放入烘箱，60℃烘干，然后磨碎过100目筛，称重，包装后送入DELTA plus Advantage质谱仪(Thermo Fisher)分析氮稳定同位素丰度.氮稳定同位素值以国际通用的大气氮作为参考标准，以δ值形式表示，δ15N值的分析精度为±0.1‰.水样分析指标为总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素 a(Chl.a)，分别采用碱性过硫酸钾消解法、碱性过硫酸钾消解钼锑钪分光光度法和丙酮萃取分光光度法测定.数据采用SPSS 16.0统计软件进行分析.

图1 太湖采样点位分布Fig.1 Sampling sites in Lake Taihu

2 结果

各采样点铜锈环棱螺的δ15N值最小为6.9‰，出现在竺山湾的殷村港(5#点);最大为18.1‰，出现在梅梁湾的山水游艇会(2#点)(表1).方差分析表明，铜锈环棱螺的δ15N值在四个湖湾的分布具有较大的空间异质性(P＜0.05).两两比较(LSD法)发现，梅梁湾铜锈环棱螺的δ15N值(17.7‰)最高，其次是贡湖湾(13.2‰)，而东太湖(10.2‰)和竺山湾(7.8‰)采集的铜锈环棱螺的δ15N值均较低，二者无显著差异(P＞0.05).

表1 采样点铜锈环棱螺δ15N值及水体TN、TP和叶绿素a浓度Tab.1 TN，TP and chlorophyll-a concentrations for waters and δ15N values for Bellamya aeruginosa collected at each sites of Lake Taihu

3 讨论

调查发现，在梅梁湾采集的铜锈环棱螺的δ15N值最高，已有研究也表明该湖湾水体中微囊藻和硝态氮的同位素值较高［14］，说明梅梁湾受人类活动的影响较大，接收了大量生活污水等高δ15N值污染物.梅梁湾位于太湖北部，周边城市如无锡和常州具有较高的城镇化率和人口密度，人类活动剧烈.秦伯强等［15］调查表明，无锡和常州是太湖水体污染物的主要来源地区，大量污染物通过直湖港、武进港和梁溪河等入湖河道排入梅梁湾和五里湖后［15-16］，使水体的氮磷浓度升高，造成水体富营养化，同时栖息地生物的氮同位素值也升高.近年来，由于太湖富营养化问题的日益突出，各地政府加大投资力度处理城市生活污水，但从本实验调查的结果来看，现阶段太湖流域城市的污水处理能力仍显不足.Townsend-Small等［6］研究也表明武进港和梁溪河水体硝氮的δ15N值较高，暗示无锡和常州市生活污水的排放仍然是梅梁湾面临的主要问题.

贡湖湾位于太湖东北部，本研究发现该湖湾采集的铜锈环棱螺的氮稳定同位素值仅次于梅梁湾，远高于其它湖湾(P＜0.05).这一方面是因为该湖湾与生活污染严重的梅梁湾紧邻，两个湖湾容易发生水量交换，从而受到梅梁湾接纳的污染物的影响较大;另一方面，虽然该湖湾河流多以出湖为主，但“引江济太”工程的通道——望虞河是以入湖为主的.所谓“引江济太”，即通过望虞河从长江大量引水入太湖，以求达到改善太湖水质的目的［17］.然而，望虞河在引水入太湖的过程中，同时也可能将沿岸带，特别是西岸地区大量的污染物排入太湖.研究表明望虞河西岸水体污染严重，几条主要支流总体均处于劣Ⅴ类水平［18］，生活污染是主要的氮磷污染源，其排放的总氮和氨氮分别占河道总负荷量的52.5%和60.2%［17］.研究发现贡湖湾沿岸带采集的芦苇δ15N值也较高［13］，与本研究对铜锈环棱螺δ15N值的调查结果一致，说明贡湖湾接纳了较多的人类活动产生的污染物.

竺山湾一直是太湖富营养化程度最严重的地区之一，水体氮磷浓度较高，水华暴发频繁［19-20］，然而，该湖湾采集的铜锈环棱螺的δ15N值在四个湖湾中却最低，这说明该湖湾并没有接收过多的生活源污染物，输入到湖湾生态系统的氮素应该有其它来源.竺山湾位于太湖西北部，和其它三个湖湾不同，流域的土地利用方式以农田为主，林琳［21］利用同位素示踪技术识别不同人类活动对太湖环境的影响时，发现宜兴小流域的δ15N值主要受农业面源污染的影响，所以该湖湾水体氮素可能主要来源于农田化肥.据统计，太湖流域每亩地施用化肥38.5 kg，远高于全国平均的27.4 kg，有机肥和化肥的比例在1990s中期就达到了 1∶9［22］，大量低δ15N值的综合化肥［3］通过径流或其它途径进入湖湾后，不仅造成湖湾水质恶化，水体氮、磷营养盐浓度升高，同时也导致栖息地生物的δ15N值较低.

东太湖3个采样点铜锈环棱螺的δ15N值都较低，分析认为这可能有两方面的原因:首先，东太湖是太湖的出水通道，河流以出湖为主，这导致沿岸带人类活动产生的污染物不能通过河道进入湖湾，并且由于太湖南部较短的换水周期［15］，即使有少量污染物被输入湖湾，也会很快通过河道排泄至下游，所以湖湾中滞留的污染物较少.相关研究也发现东太湖水体氨氮［14］、硝氮［6］以及水生植物芦苇［13］的δ15N值都较其它湖湾低.其次，食物来源不同也可能是导致东太湖螺的δ15N值较低的一个原因，铜锈环棱螺属前腮亚纲(Prosobranchia)，田螺科(Viviparidae)，环棱螺属(Bellamya)，主要以水体中的附着生物和有机碎屑为食［23-24］，也能摄食浮游藻类［25］.和太湖北部的三个湖湾已经发展成藻型湖湾不同，东太湖至今仍属于草型生态系统，沉水植被覆盖率较高［19］，所以栖息在东太湖的环棱螺可能摄食了较多的附植生物和水生植物碎屑，而其它湖湾的铜锈环棱螺则主要以沉积物表面的藻源有机质为食.由于水生高等植物和浮游藻类在生理结构和对水体氮素的利用上的差异，导致同一栖息地的某些水生高等植物的δ15N值要显著低于浮游藻类.例如，林琳等［14］调查发现太湖梅梁湾采集的菱的δ15N值(6.59‰)要显著低于该湖湾藻类的δ15N值(16.79‰)，因此，东太湖采集的环棱螺的δ15N值较低也有可能是因为该湖湾栖息的铜锈环棱螺摄食了较多的水生植物碎屑.

4 结论

本研究表明太湖沿岸带铜锈环棱螺的δ15N值存在较大的空间差异，梅梁湾和贡湖湾采集的铜锈环棱螺的δ15N偏高，湖湾接收了大量人类活动所排放的污染物，说明周边城市如无锡、常州等地的污水处理效率还有待提高.竺山湾水体氮磷营养盐浓度较高，铜锈环棱螺的δ15N值较低可能是因为外源氮素主要来自于低δ15N值的农田化肥，这也说明湖湾受农业面源污染的影响相对较大，应该考虑减少综合化肥的使用量.东太湖铜锈环棱螺δ15N值较低，一方面是由于河流出湖污染物在湖湾中滞留时间较短;另一方面也可能是因为该湖湾铜锈环棱螺摄食了较多的水生植物碎屑.

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Characteristic of nitrogen stable isotope in Bellamya aeruginosa in different bays of Lake Taihu，China

HE Hu1，2，YU Jinlei3，ZHANG Ming4，LIU Zhengwen1，3＆ LI Kuanyi1
(1:State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China)
(2:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)
(3:Institute of Hydrobiology，Jinan University，Guangzhou 510632，P.R.China)
(4:College of Fisheries，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，P.R.China)

Nitrogen discharged into lake ecosystems typically has different nitrogen stable isotope ratios(δ15N)and measurement of δ15N in organisms can be useful indicators of anthropogenic impacts from the watershed.The δ15N values of Bellamya aeruginosa were investigated in four bays of Lake Taihu.Results showed that δ15N values in snail ranged from 6.9‰ to 18.1‰，with an average of 11.2‰.Snail δ15N values displayed a significant variation among four bays.The highest average value was found in Meiliang Bay(17.7‰)，followed by Gonghu Bay(13.2‰)，East Taihu(10.2‰)and Zhushan Bay(7.8‰).Our investigation suggested that both Meiliang Bay and Gonghu Bay have

tremendous amount of domestic sewage derived from increasing human activities.Therefore，it's necessary to promote investment of sewage treatment plants in surrounding cities including Wuxi and Changzhou.Our research also indicated that Zhushan Bay，which is located in northwest part of Lake Taihu is mainly affected by agriculture non-point source pollution.So it's necessary to reduce the use of fertilizers to improve the water quality of that bay.

Bellamya aeruginosa;nitrogen stable isotope;anthropogenic swage;Lake Taihu

＊ 国家自然科学基金项目(31070419)和国家重点基础研究发展计划“973”项目(2008CB418104)联合资助.2011－04－18收稿;2011－09－01收修改稿.何虎，男，1985年生，硕士研究生;E-mail:hehuabc@tom.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:kyli@niglas.ac.cn.