乌梁素海沉积物腐殖质的组成及分布特征*1

2013-09-25付绪金贾克力史小红赵胜男崔凤丽樊才睿高宏斌

湖泊科学 2013年4期

付绪金，贾克力，史小红，赵胜男，崔凤丽，樊才睿，高宏斌

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010018)

湖泊沉积物可以分为化学沉积、生物沉积和碎屑沉积3种类型，来自于水体内部和水体外部2种途径.沉积物作为湖体中一切沉降物的载体，不断接纳来自流域内随水体入湖的大部分无机和有机颗粒物、湖体内水生生物的死亡残体和排泄物，以及水体内化学与生物化学作用的沉淀物等［1］.所以湖泊沉积物被视为湖泊环境的重要信息库，既能成为水体污染的汇，又可能成为水体污染的源［2-3］.由于有机质的普遍存在，使其具有重要的生态和环境意义，作为全球碳循环的重要组成部分，它对全球变化有重要影响，也是生态系统中能量与物质循环的重要途径，更是各种养分(碳、氮、磷和硅)循环的关键环节［4］.由于有机质矿化过程大量耗氧，同时释放出C、N、P、S等营养盐，可以造成严重的水质恶化、水体富营养化［5］.此外，还有可能造成湖泊萎缩、生物多样性下降等一系列威胁湖泊生态安全的问题，进而严重影响湖泊在城乡饮用供水、工农业用水、渔业养殖及其旅游业等方面的重要作用.有机质在湖泊环境中扮演着重要角色，国内外许多学者一直致力于有机质对于湖泊环境的研究［6-12］.近年来，关于湖泊有机质的研究集中于湖泊水体与沉积物等方面，包括其分布特征、影响因素、污染评估、组成成分等［13-17］.有机质的化学组成、结构和来源是研究其影响湖泊环境的基础，紫外-可见光谱、荧光光谱、高效体积排阻色谱和沉积物中的微生物DNA分析技术等研究手段的应用，使得有机质组分研究取得了更为深入和广泛的进展［18-22］.有机质的最主要成分是腐殖质［23］，腐殖质广泛存在于土壤、水体及沉积物中，是自然环境中广泛存在的一类无定形、呈棕褐色或棕黑色、亲水性、酸性、多分散的天然有机大分子物质.腐殖质内带有多种活性官能团，如羟基、酚羟基、醇羟基、羧基等，具有较强的络合、螯合、吸附和强氧化能力［24-27］，其主要组成元素为C、H、O、N和S.根据在水体中溶解性的不同，腐殖质可以分为3类:胡敏酸(humic acids，HA，仅溶于碱性溶液而不溶于酸性溶液)、富里酸(fulvic acids，FA，既溶于碱性又溶于酸性溶液)、胡敏素(humin，HM，既不溶于碱性也不溶于酸性溶液).可溶解部分的HA和FA合称为可提取腐殖质(HE).因此，腐殖质对湖泊营养元素循环过程起着重要作用.

目前，国内湖泊中有机质的研究主要集中于东部平原湖区与云贵高原湖区，对于高寒、干旱半干旱地区的蒙新高原湖区、东北平原与山地湖区、青藏高原湖区的湖泊有机质的污染研究涉及较少，而这些地区季节温差大、湖泊冰封期长、太阳辐射强、降雨稀少、蒸发强烈、干湿期差异大，特别是秋末冬初，受冷空气活动影响且寒潮天气过程比较频繁.乌梁素海位于中国北方寒旱区黄河河套平原末端，属于蒙新高原湖区的草型湖泊，是当地农田退水、工业废水和生活污水的唯一承泄渠道.由于农田退水、工业废水、生活污水携带大量营养盐、有机质等排入乌梁素海，使其富营养化严重，湖泊内水生植物逐年递增，水生植物的死亡以及外源有机污染物的输入造成湖底高程逐年增高，沉积物中的有机质含量发生变化，水环境发生恶性循环［28-31］.因此在这种气候和上游污染物排放特性的影响下，乌梁素海有机质和腐殖质的组成、分布特征等必定有其特殊性.此外，乌梁素海是全球同纬度最大的湿地，不仅对维持湖泊流域地区生态系统平衡起着重要作用，并且集河套灌区排水、渔业生产、芦苇养殖和旅游等多个社会功能于一体，具有较大的生态意义.但是关于乌梁素海沉积物有机质组分的研究尚不深入，因此，本文以乌梁素海为研究对象，对其沉积物有机质含量、组成和影响因子进行深入分析，不仅可为干旱半干旱地区湖泊污染治理和科学管理体系的建立提供基础资料，也为湖泊生态安全、合理利用湖泊自然资源等方面的技术研究提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

乌梁素海位于我国北方的内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，是黄河改道后形成的牛轭湖，是全球范围内荒漠半荒漠地区极为少见的具有生物多样性和环境保护等多功能的大型草型湖泊.乌梁素海(40°36'～41°03'N，108°43'～108°57'E)是全球同纬度地区内最大的湖泊，现有水域面积 285.38 km2，芦苇区面积118.97 km2，明水区面积111.13 km2.明水区中85.7 km2为沉水植物密集区，其余为沼泽区.湖水于每年11月初结冰，直到翌年3月末到4月初开始融化，冰封期约为5个月［32］.乌梁素海是河套灌区排灌水系的重要组成部分，是当地农田退水、工业废水和生活污水的唯一承泄渠道.由于河套灌区化肥和农药的用量不断加大，而且化肥利用率较低，上游的工业废水和生活污水随着农田退水进入乌梁素海，使得大量营养盐沉积，腐烂的水草和挺水植物、各种浮游生物残骸以每年10 mm左右的速度沉积至湖底，形成内源污染，也加快了乌梁素海的沼泽化进程［33］.

1.2 样品采集

根据《湖泊生态系统观测方法》［34］，于2012年2月14日进行了样品采集.根据乌梁素海地形地貌及湖面冰冻特点，设置11个采样点(图1).由于采样时间处于冬季冰封期，湖区南部冰冻层较薄，无法进行采样.冰冻湖面破冰钻孔后，利用自行研制的柱状采泥器采集表层柱状样品10 cm，装入聚乙烯塑封袋封口冷藏保存.样品带回实验室，新鲜样品置于4℃冰箱中保存;自然条件下风干，剔除动植物残体，过筛装袋得到风干样品备用.

1.3 分析方法

有机质总量采用重铬酸钾氧化外加热法测定［35］，腐殖质采用 0.1 mol/L 焦磷酸钠和0.1 mol/L氢氧化钠混合液提取法测定［36-37］，pH采用土液比 1∶2.5 进行测定［38］.实验数据分析及图形绘制分别采用SPSS和ArcGIS软件.

图1 乌梁素海采样点分布Fig.1 Location of sampling sites of Lake Wuliangsuhai

2 结果与分析

2.1 沉积物腐殖质的含量及分布特征

乌梁素海表层沉积物有机质水平分布呈现出一定的区域特点，总体含量在1.06%～5.38%之间，平均值为3.23%(图2a).乌梁素海总排干入湖口处的J11点有机质含量比较低，为1.57%，低于湖区平均水平，这主要是因为河口处水力条件比较强烈，水流速度较快，不能为动植物及微生物残体尤其是芦苇根部的沉积提供好的动力条件.与J11点处于同一纬度的J13点有机质含量最低，为1.06%，这主要是因为该点处于开阔水域，同时沉水植物较少，表层沉积物来源较少.湖泊东部的M14点及P11点有机质含量较低，有机质含量分别为2.35%和1.97%，主要由于这2点均处于旅游区附近，人为干扰比较强烈.有机质的分解转化过程包括矿化和腐殖化过程，关于昆明湖的沉积物有机质特征的研究发现，旅游活动强大的水域水体沉积物有机质矿化作用明显较强［39］.同样，乌梁素海旅游区的有机质含量较低，很可能也是矿化作用的结果.有机质含量较高的点有湖区中部芦苇密集区的L11、M12点和湖区南部的沉水植物密集区Q8点，有机质含量分别为5.38%、4.50%和4.56%.总体来讲，乌梁素海表层沉积物有机质水平分布特征为湖区西部高于东部.表层沉积物中有机质主要来源于湖中大面积分布的、以芦苇为主的挺水植物和以龙须眼子菜为优势种的湖底沉水植物，乌梁素海水体富营养化具有明显的内源性，这与相关研究结论一致［40-41］.

各组分含量及占有机质的百分比表明(表1)，HA的含量范围为0.65～2.78 g/kg，平均值为1.37 g/kg;FA 的含量范围为2.19～8.72 g/kg，平均值为 5.08 g/kg;HM 的含量范围为 3.28 ～20.92 g/kg，平均值为12.29 g/kg.从水平分布上看HE、HA、FA、HM分布特点均与有机质分布特点相似，东部开阔水域含量较低，西部芦苇密集区及湖区南部含量较高(图2)，这说明提取的HA、FA、HM与直接提取的有机质分布具有一致性.

乌梁素海表层沉积物腐殖质中不溶性的HM占主导地位，HM是腐殖质中与土壤矿物质结合最紧密的组分，酸碱及有机溶剂等均无法提取，是一种惰性腐殖质，可以在土壤中存在上千年，HM失去溶解性的根本原因是它和铁铝化合物及黏粒矿物等无机组分牢固结合［42］.乌梁素海表层沉积物腐殖质可溶解部分的FA平均含量高于HA，FA和HA的形成顺序及相互转化主要是由环境条件的不同造成的［43］.整体而言，乌梁素海表层沉积物腐殖质各组分的平均含量大小为:HM＞FA＞HA(表1).

图2 乌梁素海表层沉积物有机质、FA、HA、HM分布特征Fig.2 The distribution characteristics of organic matter，FA，HA and HM of the surface sediment of Lake Wuliangsuhai

表1 乌梁素海表层沉积物有机质(OM)及组分分析Tab.1 Composition and total content of OM of the surface sediment of Lake Wuliangsuhai

2.2 腐殖质与环境因素的相关性

湖泊沉积物腐殖质的含量与分布差异，主要受湖泊外部的环境条件如温度、湿度以及湖泊水环境的内部条件如酸碱性、氧化还原性等各种因素共同影响.研究沉积物腐殖质组成对湖泊水环境的影响机制，必须从探讨其影响因素出发，找出影响因子对其进行调控.本研究利用数据分析工具，结合野外定期采样的实验数据与基础理论，对腐殖质与环境因子间的关系进行综合研究.

有机质含量与HA、FA、HM均呈显著正相关，相关系数达到 0.5425、0.6118 和 0.9566(图3a，P ＜0.01)，这表明腐殖质各组分含量均随着有机质含量的增加而增加.

沉积物的酸碱性对有机质的影响主要包括降低有机质的溶解性，改变具有可变负电荷的土壤中有机物矿质相互作用，增加生物毒性阳离子的数量，改变微生物种群组成和数量以及沉积物中微生物活性和酶活性.沉积物酸碱度的变化必然会影响沉积物有机质周转过程［44］.乌梁素海表层沉积物pH在7.6～8.2 之间，属于中性弱碱性环境.乌梁素海表层沉积物的pH值与HM呈显著负相关(R2=0.5142，P ＜0.05)，HA、FA 与表层沉积物pH值相关性不显著(图3b).相关研究表明，pH值主要通过影响微生物的活动，从而影响土壤有机质的分解与矿化，pH值越高，有机碳分解速度越快，有机质含量越低［45］.

水体溶解氧反映大气溶解与植物光合作用放氧过程和生物呼吸作用好氧过程之间的暂时平衡.溶解氧的变化会改变水土界面和沉积物内部微生物的区系组成、种群组合和数量［46］，进而影响沉积物中腐殖质的含量.乌梁素海冰封期约为5个月，在冰雪覆盖下，且冬季光照条件较差，水体光合作用很低，而呼吸作用一直在持续，从而导致乌梁素海水体溶解氧的降低.在非冰封期，光照条件充足，光合作用强，水体溶解氧含量较高.水体溶解氧与FA呈极显著正相关(R2=0.9514，P＜0.01);与 HM 呈显著正相关(R2=0.3716，P ＜0.05)(图3c).由此说明，乌梁素海水体溶解氧含量影响着FA、HM的含量，溶解氧越高，生物氧化的进行和微生物间相互作用越强，FA、HM的含量越高.

图3 乌梁素海表层沉积物有机质(a)、pH(b)和水体溶解氧(c)与HA、FA、HM相关关系Fig.3 The correlation of organic matter(a)，pH(b)of the surface sediment and water dissolved oxygen(c)with HA，FA，HM in Lake Wuliangsuhai

2.3 腐殖化程度分析

腐殖化过程指在微生物的作用下，土壤或江河湖海等水体沉积物中有机质转变成腐殖质的过程.沉积物腐殖化的程度是衡量腐殖质品质优劣及稳定性的标志之一［47］，可以用PQ值来表示，PQ值是HA占可提取腐殖质(HE)的质量分数，表征腐殖质组成的变化.HA所占的比例越高，腐殖质品质越好，肥力越高［48］.乌梁素海PQ值介于9.50%～27.06%之间，平均值为21.47%(图4).这可能是因为乌梁素海处于温带干旱半干旱地区，采样时间处于冬季，气温较低，降雨量较小，不利于发生腐殖质缩合反应，导致其腐殖化程度较低;也可能是因为腐殖质在微生物的作用下发生矿化作用，有机碳及营养物质再次被分解为简单的无机物，具体原因尚需进一步研究.不同采样点表层沉积物PQ值变化较大，表明表层沉积物腐殖化程度存在空间差异，芦苇和沉水植物密集区腐殖化程度比较严重，从一定程度上反映了腐殖化进程与水生植物的关系.

图4 乌梁素海表层沉积物PQ值分布特征Fig.4 The PQ value distribution characteristics of the surface sediments of Lake Wuliangsuhai

HE的相对含量即为可提取腐殖质占沉积物总有机质的百分比.HE与有机质的比值(HE/OM)表示腐殖化进程中的有机碳的活性.HE组成复杂，存在各种各样官能团，能够影响和控制水体中重金属和持久性有机污染物的迁移转化，进而影响其毒性和生物可得性［24］.随着表层沉积物有机质含量的不断上升，HE的相对含量呈逐渐下降趋势，且两者呈负相关(R2=0.3891，P＜0.05)(图5，图6a).HE的绝对含量与有机质含量呈正相关(R2=0.7196，P＜0.01)(图6b).这种情况可能说明，HE与有机质含量同时增加，但是HE增加的幅度小于有机质增加的幅度.

3 讨论

乌梁素海有机质含量为1.06%～5.38%，HA占有机质的百分比为2.69%～7.96%，FA占有机质百分比为11.98%～25.62%，HM占有机质百分比为27.02%～42.64%(表1).对比长江中下游洞庭湖、鄱阳湖、巢湖、太湖、月湖和玄武湖等亚热带湖泊沉积物理化性质［3］发现，乌梁素海各项组分在有机质中的百分比及腐殖化程度均低于长江中下游湖泊.与同样处于干旱半干旱地区的内蒙古东部高原的碳酸盐碱湖泊达里诺尔湖相比，乌梁素海表层沉积物腐殖质各组分含量中FA的含量高于达里诺尔湖，HM含量低于达里诺尔湖，也没有表现出径向分异特征［49］.

综合分析，湖泊沉积物腐殖质的形成以及积累是各种自然因素综合作用的结果，包括水热条件、微生物作用、地理位置、气候条件等，其中水热条件尤为重要.文启孝认为腐殖质的组成变异表明排水不良或渍水条件有利于HA的积累，高温或常年低温不利于HA积累［50］;湖泊沉积物中有机质与腐殖质之间的关系十分密切，沉积物中有机质形成和积累同样以水热条件最为重要［51］;其次，沉积物中微生物活动旺盛，微生物与结构复杂、性质稳定的腐殖质之间相互作用可使其全部或部分分解，与此同时产生新的腐殖质使有机质得到更新［52］;此外，金相灿等的研究还发现，我国东部的黑龙江、松花江、黄河、长江、钱塘江、闽江等27条河流悬浮沉积物中有机质的含量及组成具有明显的地带性分布，腐殖酸含量则自北而南逐渐降低［53］;因地理位置改变而呈现的气候变化，同样影响了微生物活动，从而影响有机质的变化，凉爽季节向温暖季节转化会导致有机质的变化，热、湿润气候有利于有机质的分解［54］.因此，腐殖质的形成与所处的环境条件密切相关.乌梁素海地处中国北方寒旱区，季节温差大、太阳辐射强、降雨稀少、蒸发强烈、干湿期差异大，湖泊冰封期长，每年大约有4～6个月的冰封期，使得湖泊长期处于低温状态，因此沉积物中腐殖质各组分含量较低，较其他湖泊具有一定的特殊性，本文的研究结果也为其他高寒、干旱半干旱地区湖泊有机质污染研究提供了一定的数据支撑与研究基础.

致谢:审稿专家对本文的修改提出了许多宝贵建议，谨致谢忱.

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