云贵高原湖区典型湖泊沉积物溶解性有机氮分布特征研究*

陈 红 张靖天 华 飞 何卓识 马春子

(1.广西建设职业技术学院设备工程系，广西 南宁 530007；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

云贵高原湖区典型湖泊沉积物溶解性有机氮分布特征研究*

陈 红1，2张靖天2#华 飞2何卓识2马春子2

(1.广西建设职业技术学院设备工程系，广西 南宁530007；2.中国环境科学研究院，北京100012)

选择云贵高原湖区程海、泸沽湖、杞麓湖沉积物样品，用1mol/LKCl溶液提取沉积物中溶解性有机氮(DON)，研究了DON和氨基酸(AA)的含量变化，探讨了沉积物样品的DON分子量分级特征。结果表明：云贵高原湖区沉积物DON为9.63～103.61mg/kg，均值为39.80mg/kg;AA为4.02～25.78mg/kg，均值为10.88mg/kg;DON和AA均低于东部平原湖区。污染严重的杞麓湖DON和AA含量较高，主要来自流域内依湖而建的村落生活污水的输入；程海和泸沽湖沉积物中DON和AA污染相对较轻。沉积物DON和AA含量与沉积物其他形态氮、溶解性有机碳(DOC)等污染指标均表现出显著正相关性。DON分子量分级结果显示：该湖区沉积物DON以分子量<1、>30ku为主，其中杞麓湖受人类活动影响较大，沉积物中分子量<1ku的DON占主要部分，而程海和泸沽湖污染较轻，沉积物中分子量>30ku的占比更高。

沉积物 溶解性有机氮 云贵高原 分子量分级

氮是水环境中各种生物维持生命所需的必要营养元素，与湖泊富营养化关系密切。沉积物中的氮是湖泊水体中氮的重要源和汇，其中的溶解态氮对水体中氮循环起重要作用。溶解性有机氮(DON)是湖泊沉积物中溶解态氮的主要组成部分，占总溶解态氮(TDN)的45.25%(质量分数，下同)～51.86%[1]623-630，[2]129。在外源氮污染得到控制的情况下，大部分DON会释放到上覆水体中，通过直接吸收或固化、氨基化等作用被生物所利用，从而加剧富营养化进程。

能被微生物或藻类直接利用的DON通常是小分子量的尿素、游离态氨基酸(AA)、脂肪酸、多胺等物质，而一些大分子量的蛋白质、腐殖质等物质很难被降解[3]。其中，仅有很少一部分DON能被定性和定量测定，如游离态和结合态AA[4]，而大部分DON通常采用分子量分级的方法进行研究。近年来，超滤、透析、电渗析等技术开始被应用于DON的分子量分级研究中[5]4021，[6-7]。DON的来源不同，其分子量构成的差异也较大。PEPETA等[8]通过对淡水和海洋水体中溶解性有机物的分子量分级研究发现，分子量<1 ku的有机物在淡水湖泊、海水中占主要组成部分，而淡水河流中高分子量有机物占主要部分。HUO等[5]4026对北京奥林匹克森林公园景观水体的研究发现，分子量<1 ku的DON占40%～50%。华飞等[2]133对山口湖沉积物中DON分子量分级研究发现，5个采样点沉积物中DON以分子量<1 ku和分子量>30 ku为主，平均占比分别为46.83%、33.17%。沉积物中DON主要来源于水体中各种含氮有机物以及水生生物排泄物、死亡后分解产物等的沉降，这与流域内氮输入有关。

云贵高原湖区地处亚热带地区，该地区湖泊属石灰岩、砂岩地区构造湖，既有平均水深在20 m以上的深水湖(如抚仙湖、泸沽湖、程海等)，也有有机质沉积较厚的浅水湖(如滇池、杞麓湖等)[9]。经济发达湖区的湖泊环境污染严重(如杞麓湖)，欠发达湖区的湖泊水质较好但自然生态环境遭到了一定程度的破坏(如泸沽湖)。与杞麓湖等受外源污染影响明显不同，程海湖内养殖螺旋藻，内源沉积是沉积物中营养盐的重要来源。本研究选定云贵高原湖区的泸沽湖、程海和杞麓湖的沉积物为研究对象，探讨了不同类型湖泊沉积物的DON分子量分布的差异性，以期为了解沉积物中DON来源提供依据。

1 材料和方法

1.1研究区域和预处理

泸沽湖和程海为深水湖，杞麓湖为浅水湖。泸沽湖位于云南省宁蒗县和四川省盐源县交界处横断山脉腹地，流域面积171.4km2，湖泊面积48.45km2，以降雨为主要补给方式，唯一的出口位于泸沽湖东岸盖祖河，平均水深40.4m，流域内森林和灌丛植被覆盖茂密，人口少，人类活动较少，属贫营养湖泊。程海位于云南省永胜县中部，流域面积228.9km2，湖泊面积77.77km2，平均水深25.7m，主要有养殖、灌溉和调节气候三大功能，由于水位下降，目前仅有流经永胜县城的仙人河流入，每年有2136t生活污水流入程海，此外湖内盛产螺旋藻，营养水平较高，属中营养湖泊。杞麓湖位于云南省通海县境内，为高原封闭型湖泊，流域面积约341km2，湖泊面积36.86km2，平均水深约5m，湖泊周边工农业发达，围湖造田面积约11km2，氮、磷、有机物污染严重，属富营养湖泊[10]602，[11-12]。

1.2树脂分离

在泸沽湖、程海、杞麓湖共设定9个采样点位，每个湖泊设3个采样点位。湖泊采样点的设计是基于尽可能少受到人类活动影响的原则，采样点位的布设尽可能覆盖湖体大部分区域，因此本研究在湖心中线处按一定距离选取，同时受湖体水位及船舶航行距离的限制，采样点坐标进行了适当的调整，但基本能反应整个湖泊的沉积物污染现状。各湖泊具体采样点位及其编号如图1所示。现场采用抓泥斗抓取表层沉积物样品，装入自封袋密封后放入4℃保温箱，带回实验室后冷冻保存。将冻实的样品放在冷冻干燥机中干燥，研磨过100目筛后装于自封袋中保存待测。

1.3DON提取及指标测定方法

用1mol/L KCl溶液按水、沉积物质量比10∶1提取样品中DON[1]129，在25℃、200r/min下振荡1h，振荡结束后将混合液离心处理，移出的上清液过0.45μm混合纤维滤膜，滤液装入聚乙烯瓶中于4℃下保存待用。

TDN测定采用碱性过硫酸钾氧化/紫外分光光度法；氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法；硝态氮测定采用紫外分光光度法；AA测定采用茚三酮比色法[13]。依照DON=TDN-硝态氮-氨氮计算DON含量。

溶解性有机碳(DOC)采用德国耶拿Multi N/C2100型总有机碳(TOC)分析仪测定。

254nm处吸光度(UV254)用UV-4802型紫外—可见分光光度计测定。254nm处比紫外吸光度(SUV254)=UV254×100/DOC。

1.4超滤膜预处理方法

所用超滤膜为Millipore公司生产的YM系列超滤膜，材质为再生纤维素，直径为25mm，对有机物的截留分子量分别为1、3、5、10、30ku。将超滤膜放入5%(质量分数)NaCl溶液浸泡30min，再用超纯水进行清洗。将膜片装入超滤杯中，每次过滤样品前用超纯水过滤5min以上直至渗透液在紫外254nm处没有吸收。过滤样品后的超滤膜需用0.1mol/L的NaOH和1mol/L的NaClO溶液浸泡30min以上再生，下次使用前仍需清洗并用超纯水过滤，再检查渗透液紫外254nm处的吸收，若仍有吸收需更换超滤膜。

图1 云贵高原湖区湖泊采样点位分布Fig.1 Sampling stations in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau

1.5 DON分子量分级

测定分子量分级所用的实验装置是美国Millipore公司生产的Amicon 8050型超滤杯，有效容积为50 mL，有效膜面积为13.4 cm2。提取的DON样品经5种不同孔径超滤膜过滤后按分子量分成6个范围：<1、1～3、>3～5、>5～10、>10～30、>30 ku。不同分子量范围的DON、DOC、AA和UV254的占比采用如下方法来计算[14]：

E1=(c0-c1R)/c0×100%

(1)

E2=(c1R-c3R)/c0×100%

(2)

E3=(c3R-c5R)/c0×100%

(3)

E4=(c5R-c10R)/c0×100%

(4)

E5=(c10R-c30R)/c0×100%

(5)

E6=c30R/c0×100%

(6)

式中：E1～E6分别为分子量<1、1～3、>3～5、>5～10、>10～30、>30 ku的测定参数占比，%；c0为分级前样品中测定参数的测定值；c1R、c3R、c5R、c10R、c30R分别为经1、3、5、10、30 ku分子量分级后保留液中测定参数的测定值。

DON、DOC和AA的测定值单位为mg/kg，UV254的测定值单位为无量纲。

2 结果和讨论

2.1云贵高原湖区沉积物DON及AA分布特征

2.1.1沉积物DON分布特征

由图2可见，云贵高原湖区湖泊沉积物DON为9.63～103.61mg/kg，均值为39.80mg/kg。与洱海沉积物DON(均值为27.43mg/kg)[15]类似，但低于山口湖[2]129、洞庭湖和鄱阳湖[1]623沉积物中DON含量。3个湖泊沉积物DON/TDN为21.79%～38.85%，均值为28.58%，也低于其他湖区。各湖泊沉积物DON含量差异较大，程海和泸沽湖受人类活动污染较轻，沉积物中DON较低，均值分别为22.60、24.52mg/kg，而杞麓湖人为污染较重，沉积物中DON很高，均值为72.26mg/kg。程海位于丽江市永胜县城内，经济发展水平较低，流域土地利用类型以农业为主[10]603，污染相对较轻。泸沽湖湖区人类活动较少，流域内覆盖大量的高山栎、铁杉、冷杉等植被[16]，湖泊水质为Ⅰ类，沉积物DON主要来自林地及植被中含氮有机物的输入。杞麓湖现有耕地面积9733.33hm2，几乎所有的村落都依杞麓湖而建，全流域人口密度为705人/km2，每年向湖中排放大量的污染物，2009年全湖的入湖TN量为1 018.76 t，其中农村生活污水和农田面源贡献了75.14%(质量分数)，污染严重[17]。

注：DON/TDN为质量比。图2 云贵高原湖泊沉积物中DON及DON/TDNFig.2 Contents of DON and its ratio to TDN in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau

与东部平原湖区湖泊和东北山地湖泊不同，云贵高原湖区湖泊多数属封闭和半封闭型，大部分只有一个出口，以降水和地下水补给为主，外来河流对湖水的补给很小，因而换水周期较长。流入到湖内的含氮有机物极易发生静态沉降。此外，该湖区沉积物以粒径较小的黏土矿物为主，粒径<4 μm的平均占比在32.38%(质量分数，下同)～38.15%[18]，高于我国其他湖区大部分湖泊。黏土矿物具有堆垛层结构，内部的吸附水能使更多的位置与溶解物发生反应；而且，其中含有大量的硅酸盐组分，易于与沉降的有机化合物发生缔合作用，固定在颗粒内部，不易析出[19]。因此，该湖区内湖泊沉积物DON及DON/TDN明显低于其他湖区湖泊沉积物。

2.1.2 沉积物AA含量及分布特征

AA是沉积物DON中易分解、活性较高的组分，易被藻类等异养微生物直接利用，从而增加湖泊的生产力水平。如图3所示，云贵高原湖区湖泊沉积物中AA为4.02～25.78 mg/kg，均值为10.88 mg/kg，分布和DON类似；AA/TDN为6.65%～13.88%，均值为8.81%；AA/DON为23.06%～63.77%，均值为32.06%。与林素梅等[1]623研究的东部平原湖区7个湖泊相比，该湖区沉积物AA含量较低，但AA/DON较高。这说明，泸沽湖、程海、杞麓湖沉积物中有机氮更易被细菌、藻类等微生物利用，从而提高湖泊的富营养化水平。

污染严重的杞麓湖沉积物AA很高，为14.90～25.78 mg/kg，均值为18.82 mg/kg；而污染较轻的程海、泸沽湖沉积物中AA较低，均值分别为6.50、7.33 mg/kg。这说明，污染严重的湖泊沉积物中AA的含量更高。沉积物中AA主要来自水体中溶解态AA的沉降及沉积物中腐殖质等含氮有机物在厌氧条件下的分解。近年来，杞麓湖流域建筑居民用地逐年增加，大量来自周围村落的生活污水未经处理直接排放至湖体中，为水体贡献了较多的外源AA。HUO等[20]研究发现，未经处理的生活污水中游离态AA和结合态AA占DON的2.88%(质量分数，下同)～5.04%。而沉积物中的有机污染物也可被微生物分解产生AA。泸沽湖和程海沉积物中的AA更多来源于内源浮游生物光合作用产物、浮游生物的排泄物和死亡后的腐解物。近年来，程海中大量养殖螺旋藻，藻类死亡腐解后的产物是AA的主要来源。泸沽湖流域内森林覆盖率较高，周围林地土壤及枯枝落叶在地表径流的作用下进入湖体，这部分污染物中含有较多的AA。有研究表明，林地土壤有机层中AA高达45～95 mg/kg，占DON的比例最高可达25%[21]。

注：AA/DON与AA/TDN均为质量比。图3 云贵高原湖泊沉积物AA及AA/DON、AA/TDNFig.3 Contents of AA and its relative ratio to DON and TDN of sediments in Yunnan-Guizhou Plateau，respectively

云贵高原湖区湖泊沉积物中各形态氮的相互关系见表1。沉积物中DON与TDN、硝态氮、氨氮、DOC、AA均呈较强的正相关关系。说明沉积物中DON与湖泊的污染程度密切相关，这与华飞等[2]132的研究一致。沉积物的DON污染主要来自水体中含氮组分的自然沉降及浮游植物代谢产物、浮游生物死亡后腐解产生的有机氮化合物，尤其是对于以静态沉降为主的高原湖泊而言，这种相关性更加明显。而这些污染物又与水体的污染程度密切相关。因而，污染越严重的湖泊沉积物(如杞麓湖)中DON、AA含量越高，污染越轻的湖泊(如程海、泸沽湖)沉积物中DON、AA含量越低。

表1 云贵高原湖区湖泊沉积物中各形态氮的相互关系1)

注：1)*表示显著相关，P<0.05；**表示极显著相关，P<0.01。

图4 云贵高原湖泊沉积物各分子量范围的DON、DOC和SUV254占比Fig.4 Percentages of DON，DOC and SUV254 in each molecular weight fraction for the sediment samples from Yunnan-Guizhou Plateau

2.2 DON分子量分级特征

由图4(a)可以看出，各湖泊沉积物DON分子量主要分布在<1、>30 ku，在<1 ku内DON占比是27.62%～63.69%，均值为38.62%；在>30 ku内DON占比是22.90%～53.89%，均值为36.86%。这与山口湖沉积物DON分子量分级结果[2]133类似。杞麓湖接纳的入湖氮污染源主要是农村生活污水和农田径流污染，两者贡献了全部TN污染的75.14%，农田施用化肥中含有的尿素和生活污水中的AA、低分子类蛋白物质是小分子DON的主要来源，因而全湖沉积物DON分子量分布以小分子物质为主。与杞麓湖相比，程海和泸沽湖沉积物分子量>30 ku的DON占比较高，均值分别为47.49%、38.25%。程海和泸沽湖污染较轻，沉积物中大分子DON主要来自森林及周围土壤中腐殖质的输入，同时程海内养殖螺旋藻，藻类死亡后产生的腐殖质也会增加大分子DON的含量。

由图4(b)和4(c)可知，3个湖泊沉积物DOC和SUV254的分布结果与DON差异较大，主要以分子量<1 ku为主，其DOC和SUV254占比分别为35.73%～65.51%(均值为52.91%)、56.59%～88.35%(均值为73.49%)。这说明，沉积物中分子量<1 ku的DOC主要来自一些小分子的糖类、脂肪酸及类蛋白物质等。SUV254表示单位DOC的紫外吸收值，反映了溶解性有机物的芳构化程度。杞麓湖沉积物分子量<1 ku的SUV254均值为81.79%，明显高于程海和泸沽湖，这说明杞麓湖沉积物中小分子量DOC的芳构化程度较高，结构更稳定。

3 结 论

(1) 与东部平原湖泊相比，云贵高原湖区湖泊沉积物DON及DON/TDN较低，分别为9.63～103.61mg/kg、21.79%～38.85%。污染严重的杞麓湖沉积物DON含量较高，主要来自外源人为污染的输入，而程海和泸沽湖DON分别来自内源藻类代谢、腐解产物及周围林地土壤和枯枝落叶中自然有机物的雨水径流。

(2) 程海、泸沽湖、杞麓湖沉积物AA均值为10.88mg/kg，AA/DON均值为32.06%，该占比高于东部平原湖泊，说明该湖区沉积物DON更易被藻类等微生物所利用。

(3)3个湖泊沉积物DON的分子量分布以<1、>30ku为主，污染严重的杞麓湖沉积物DON中<1ku占主要部分，而污染较轻的程海和泸沽湖沉积物中>30ku的DON占比更高。分子量<1ku的DOC和SUV254占主要部分，占比均值为52.91%、73.49%。

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StudyondistributioncharacteristicsofdissolvedorganicnitrogenintypicallakesedimentsofYunnan-GuizhouPlateau

CHENHong1，2，ZHANGJingtian2，HUAFei2，HEZhuoshi2，MAChunzi2.

(1.DepartmentofEquipmentEngineering，GuangxiPolytechnicofConstruction，NanningGuangxi530007；2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012)

Dissolved organic nitrogen (DON) in sediment samples from Lake Chenghai，Lake Lugu and Lake Qilu in Yunan-Guizhou Plateau were extracted by 1 mol/L KCl. The contents of DON and amino acids (AA) were studied and the characteristics of DON molecular weight (MW) fractionation were discussed. The results indicated that DON in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau ranged from 9.63 mg/kg to 103.61 mg/kg，averaged 39.80 mg/kg，while AA varied from 4.02 mg/kg to 25.78 mg/kg，averaged 10.88 mg/kg. DON and AA contents in Yunnan-Guizhou Plateau were lower than those in eastern plain region. Lake Qilu was seriously polluted with high DON and AA contents in sediments，and rural domestic sewage input around the lake region was the main pollution source. DON and AA contents in Lake Chenghai and Lake Lugu were relatively low. The DON and AA contents were significantly correlated with other nitrogen forms and dissolved organic carbon (DOC). DON MW fractionation results indicated that the dominant fractions of DON in lake sediments of Yunnan-Guizhou Plateau were the fractions with MW <1 ku and MW >30 ku. The low MW fractions (<1 ku) accounted higher DON ratio in sediments of Lake Qilu due to anthropogenic activities impact，while the large MW fractions (>30 ku) were the main DON fractions in sediments of Lake Chenghai and Lake Lugu because of their low pollution levels.

sediment; dissolved organic nitrogen; Yunnan-Guizhou Plateau; molecular weight fractionation

陈 红，女，1968年生，硕士，副教授，主要从事流域水污染控制研究。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.41303085)；广西高等学校科研项目(No.YB2014520)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.009

2016-01-31)