包头南海湖沉积物有机碳空间分布特征

于玲红，王铭浩，李卫平*，杨文焕，樊爱萍，苗春林

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.包头市生态湿地保护管理中心，内蒙古 包头 014010；3.包头南海子湿地保护区管理处，内蒙古 包头 014040）

湖泊被认为是一种特殊的自然综合体，与土壤圈、生物圈、大气圈等密切相关，是地表水载体赋存的最佳场所[1-2]。湖泊对环境变化极其敏感，一直被当作研究全球环境变化的典型区域，特别是内陆湖泊一直被认为是湖区气候变化和环境变异的指示器[3-4]。湖泊有机碳库是生态系统中重要的碳库之一[5]，湖泊碳循环又是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，在全球碳循环中起到非常重要的作用[6-7]。近几十年来，全球气候变化日益加剧，湖泊有机碳库作为大气CO2的重要碳汇[8]，在稳定全球气候变化中的贡献愈发受到重视[9]，因此研究湖泊碳库的稳定性对稳定生态系统及全球气候变化有着重要意义。活性有机碳有效性较高，易被微生物分解利用部分有机质[10-11]，易受到外界干扰，不利于碳库的稳定；惰性有机碳的生物活性相对较低，很难被微生物利用，为稳定碳库。赵海超等[12]研究发现，洱海表层沉积物有机质中活性有机质占总有机质含量的10.80%～46.97%，主要受水生植物、人类活动及水体深度的影响，有机碳活性较高；易文利等[13]研究发现，活性有机质含量占总有机质含量的19.62%～31.86%，并得出污染严重的城市湖泊沉积物中活性有机质含量较高的结论。

沉积物中的有机碳是湖泊中碳的重要来源[14]，近年来关于湖泊沉积物有机碳的研究逐渐增多，但大都集中在洞庭湖、巢湖、洱海等一些较大的湖泊[12，15-18]，对于内蒙古地区研究较多的是乌梁素海[19-21]。包头南海湿地作为内蒙古重要湿地之一，2006年，南海湿地自然保护区被列入国家湿地保护工程规划的重点保护名录。南海湖作为南海湿地的核心区域，不仅可以为城市居民提供必要的水资源，还具有为城市提供蓄水、防御自然灾害、补充地下水源、降解有毒物质、净化空气、调节小气候、吸附粉尘、净化污水、美化环境等服务功能，因此对于南海湖的生态研究愈发重要并且迫在眉睫。基于上述情况，本文通过对总有机碳的研究并引入活性有机碳和惰性有机碳两个指标，以包头南海湿地南海湖为研究对象，对其沉积物有机碳空间分布特征进行分析，了解其有机碳分布特点及碳库稳定性，以期对南海湖资源的合理开发与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

包头南海湿地（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E）北靠包头市，南邻黄河[22]，因特殊的地理位置、气候特征和水文地质条件，使其成为高纬度寒旱区独特的河流湿地生态系统[23]。该区气候属于半干旱中温带大陆性季风气候，保护区内的地表水主要来源于黄河水，其次为地下水和大气降水。南海湖是黄河河段南移后留下的河迹湖，湖面约333 hm2，东西长3.5 km，南北宽1.2 km，湖深0.9～3.5 m。

1.2 样品采集

2017年1 月通过GPS定位，对南海湖进行200 m×200 m的空间网格剖分，利用网格交点进行梅花布点，并在出水口、进水口及湖中芦苇区增设点位。冬季湖区部分点位冰层较薄，无法取样，故只取湖中20个点位，采样点分布图如图1所示（NH1位于进水口，NH3、NH18位于芦苇区，NH6位于排污口，NH8位于湖心小岛，NH9位于旅游船区，NH10为湖心）。取样时分别用彼得逊抓斗式表层沉积物采泥器采集南海湖表层（0～10 cm）沉积物样品，重力式沉积物采泥器采集南海湖底层（10～20、20～30、30～40、40～50 cm）沉积物样品。取样后现场以10 cm间隔分层，沉积物样品装入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，回实验室后自然风干，磨细过100目筛，用四分法取其中一部分，保存待测。

1.3 实验方法

有机碳总量采用重铬酸钾氧化法-硫酸外加热法测定[24]，活性有机碳含量采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定[25-27]，惰性有机碳取总有机碳与活性有机碳平均值的差值[28]。

图1 南海湖采样点分布图Figure 1 Locations of sampling plots in Nanhai Lake

1.4 数据讨论

采用Excel 2003对实验数据进行初步整理，SPSS 21.0软件对整理的数据进行分析，采用Origin 9进行绘图，空间插值制图采用ArcGIS 10.2软件。

2 结果与讨论

2.1 南海湖沉积物有机碳的垂直分布特征

2.1.1 沉积物有机碳垂直分布

由于南海湖底泥厚度不同，各采样点沉积物采集深度不能都取到50 cm，挑选特殊分布区域的8个点位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和NH18）着重分析其垂直分布。NH1位于进水口、NH3和NH18位于芦苇区、NH8位于湖心小岛、NH10为湖心、NH2和NH14分别位于进水口和芦苇区附近。

南海湖总有机碳和活性有机碳含量见表1。由表1 可知，活性有机碳含量为 1.16～16.47 g·kg-1，平均值为 6.12 g·kg-1，总有机碳含量为 3.96～28.35 g·kg-1，平均值为13.11 g·kg-1，活性有机碳含量占总有机碳含量的34.19%～54.64%。赵海超等[12]研究表明，洱海表层沉积物中活性有机碳含量占总有机碳的10.80%～46.97%，可见，南海湖沉积物中活性有机碳含量整体所占比例较大，碳库稳定性不高。毛海芳等[19]研究表明，乌梁素海沉积物中总有机碳含量为4.50～22.83 g·kg-1，平均值为 11.80 g·kg-1；活性有机碳含量平均值为2.11 g·kg-1，岱海沉积物中总有机碳含量为6.84～23.46 g·kg-1，平均值为 14.94 g·kg-1，活性有机碳含量平均值为3.62 g·kg-1，可见南海湖沉积物中总有机碳含量与乌梁素海和岱海相比相差不大，但活性有机碳含量却比乌梁素海高约2倍，比岱海高约70%。因此南海湖沉积物有机碳活性较强，相比而言，南海湖沉积物碳库稳定性偏低，但由表1可以看出随着深度的增加，南海湖沉积物有机碳库越来越趋于稳定。

南海湖有机碳含量标准方差和变异系数见表2。由表2得知，南海湖整体变异系数较高，活性有机碳含量变异系数最高，为不稳定碳类型。根据变异系数（CV）对空间变异性进行划分[29]：CV＜10%为弱变异性，10%～100%为中等变异性，CV＞100%为强变异性。据此说明，南海湖沉积物有机碳属于中等变异性。

南海湖8个采样点总有机碳、活性有机碳和惰性有机碳的整体垂直分布如图2所示。由表1和图2可知，南海湖有机碳含量整体随沉积物深度增加而减小。符合一般沉积物的自然沉积规律，具有明显的“沉降-降解-堆积”三个阶段，在沉降阶段，有机碳的分解速度可视为零，或者降解作用很微弱；降解阶段，在一定深度域中，沉积物有机碳发生明显的氧化作用，有机碳的增加明显小于有机碳的分解量，所以在垂向分布上呈现出衰减的特征；堆积阶段，该阶段在降解域以下，有机碳处于聚集状态，此阶段有机碳分解缓慢且分解难度增加，处于含量稳定的状态[20]。随着深度的增加，底层沉积物受到的各类污染较少，活性有机碳的含量比例逐渐降低，整体以惰性有机碳为主，碳库相对较为稳定。南海湖为旅游之地，易受到游客影响，不同位置有机碳含量差异较大且沉积物有机碳含量形成明显的断层（20 cm处为断层分界处），20 cm以上沉积物中有机碳处于沉降阶段，外界干扰和芦苇区根系固碳作用使得该区域有机碳含量较高，20 cm以下沉积物受到干扰减少，且随着有机碳的降解，有机碳含量逐渐降低，慢慢趋于堆积阶段，有机碳含量趋于稳定。

表1 总有机碳和活性有机碳含量Table 1 Total organic carbon and active organic carbon content

表2 有机碳含量标准偏差和变异系数Table 2 Organic carbon content standard variance and coefficient of variation

图2 南海湖有机碳含量随深度的变化Figure 2 Changes of organic darbon in Nanhai Lake with sediment depth

南海湖各采样点沉积物有机碳含量垂直变化详见图3。由图3可以看出：NH1和NH8比较特殊，其他点位基本类似。NH1点在10～20 cm层有机碳含量大于0～10 cm层，因为NH1点处于进水口位置，水体携带的有机碳随着进水而进入湖泊，由于水体冲刷，0～10 cm层的有机碳一部分流向其他位置，还有一部分则滞留并沉向下层，使得10～20 cm层的有机碳含量增加而大于0～10 cm层。之后，活性有机碳含量减少，惰性有机碳含量增加，碳库趋向于稳定。NH8位于湖中心旅游小岛处附近，岛内养殖的动物的粪便和游客扔弃的垃圾等会使0～10 cm层有机碳含量增加而远大于10～20 cm层，之后有机碳含量呈稳定下降趋势。

由上述各点有机碳含量分布图可以看出，0～10 cm层、10～20 cm层沉积物有机碳含量变化较大，因此进一步分析表层沉积物垂直分布。

2.1.2 0～10 cm层、10～20 cm层沉积物有机碳的垂直分布

南海湖0～10 cm层、10～20 cm层沉积物有机碳垂直分布详见图4。0～10 cm层、10～20 cm层沉积物有机碳的峰值主要集中在0～10 cm层。由图4可知，南海湖0～10 cm层、10～20 cm层沉积物中有机碳含量在 8.91～28.35 g·kg-1之间，平均值为 16.52 g·kg-1。0～10 cm层变异系数为0.30，10～20 cm层变异系数为0.12，均属于中等变异，该层整体碳库稳定性不高，易受到各类影响因素干扰。但10～20 cm层明显比0～10 cm层的变异系数小很多，与0～10 cm层相比，10～20 cm层的有机碳含量整体趋同，碳库也更为稳定。

2.2 南海湖沉积物有机碳的水平分布特征

2.2.1 南海湖各分层沉积物有机碳的水平分布

各层沉积物有机碳水平分布详见图5，其中40～50 cm层含量分布图只有8个点位（NH1、NH2、NH3、NH8、NH10、NH11、NH14 和 NH18）的数据。由图 5 可见，有机碳含量水平分布大致呈现从湖心向四周逐减的趋势，但个别点位有机碳含量较为特殊。如旅游区（NH8处为湖心小岛附近、NH9为旅游船区）受人为影响较多，NH8处受到各类污染（人为污染、岛上养殖动物、游船等）较为严重，造成有机碳含量较高，而NH9处仅有旅游船（冬天游客较少且结冰后船只无法行驶），相对于NH8污染较少，有机碳含量相对较小；芦苇区（NH3、NH18）由于植物根系吸收营养元素，具有明显的固碳作用，并且在冬季冰封期，芦苇的枯枝腐烂会造成营养物质增加，使有机碳的含量增高[30]；雷泽湘等[31]研究表明，有草区的沉积物中有机质含量高于无草区，通过本文研究也印证了其研究。由排污口（NH6靠近排污口）进入湖体的污染物过多，污染物中各类指标都比较高，导致该处有机碳含量随着污染物的排入而增加；出水口（NH20）处随着水体流动，各类营养物质会随着水体流动向出水口附近移动，致使该处有机碳含量较高，但在0～10 cm层有机碳含量小于10～20 cm层，因为随着水体冲刷，0～10 cm层沉积物中有机碳会随着水体流动而流出南海湖，而部分有机碳会沉淀下来，造成10～20 cm层的有机碳含量有所增加。

图3 南海湖各采样点有机碳含量随深度的变化Figure 3 The change of organic carbon content in eight sampling points of Nanhai Lake with sediment depth

图4 南海湖表层沉积物有机碳含量变化Figure 4 Changes of organic carbon in surface sediments of Nanhai Lake

图5 南海湖各分层沉积物有机碳含量水平分布Figure 5 Horizontal distribution of organic carbon in sediments of Nanhai Lake

南海湖活性有机碳水平分布如图6所示。因30～40 cm、40～50 cm取样点数据不全且数据太小，故没有分析该两层数据图。由图6可知0～10 cm层活性有机碳含量分布差异较大，湖中心含量较大，NH8（湖心小岛）处受岛上养殖动物和人类活动影响较大，有机碳活性较高；10～20 cm层NH6点位数据较大，因该点位于排污口附近，0～10 cm层含量亦不低，10～20 cm层含量也稍大于其他点位，排污口进入湖体的污染物携带有机碳含量较大，造成该处有机碳活性较高。不同层中NH3、NH18（芦苇区）活性有机碳含量都大于其他点位，而NH3处又靠近进水口附近，其活性有机碳含量要高于NH18处，说明芦苇对有机碳的吸收不仅使附近有机碳含量较高，活性有机碳含量也较高。

对比图5和图6可知，总有机碳含量越高，活性有机碳含量也越高，NH8（湖心小岛）处活性有机碳占总有机碳含量的44.16%，NH10（湖心）处为43.47%。但芦苇区总有机碳含量最高，而活性有机碳含量却较低，活性有机碳含量占总有机碳含量的39.78%，这主要是因为芦苇根系吸收营养元素，具有固碳作用，芦苇区以稳定的惰性有机碳为主，属稳定碳库，说明芦苇对碳库稳定较为有利。

3 结论

图6 南海湖沉积物活性有机碳含量水平分布Figure 6 Horizontal distribution of active organic carbon in sediments of Nanhai Lake

（1）有机碳含量在垂向总体呈现随沉积物采集深度的增加而降低的趋势。0～10 cm层、10～20 cm层沉积物中有机碳易受到干扰，各点位之间有机碳含量差距较大，碳库稳定性不高，20 cm以下以惰性有机碳为主，属稳定的碳库。可见，南海湖沉积物碳库稳定性受人为活动影响较大，随沉积物深度增加碳库稳定性增强。

（2）有机碳含量在水平方向总体呈现从湖心到四周逐渐减小的规律，但进水口和芦苇区的有机碳含量较高，活性有机碳在湖心区较高。总有机碳含量越高的点位，活性有机碳所占的比例也越高，碳库呈不稳定性。但芦苇区属稳定碳库，可见芦苇对碳库稳定性和碳汇具有重要作用。

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