近百年来洪泽湖有机碳垂直分布特征及其影响因素

强柳燕 张风菊 陈诗越

摘要：湖泊碳循环是整个生态系统碳循环的重要组成部分，研究洪泽湖碳循环对于揭示区域甚至全球碳循环具有重要意义。为揭示近百年来洪泽湖有机碳含量的垂直分布特征及影响因素，采集了洪泽湖不同湖区柱状沉积物样品，进行总有机碳和总氮的测定，并用碳氮比值对沉积物的有机碳来源进行区分。结果表明：近百年来，洪泽湖沉积物有机碳含量总体呈现出随深度增加而减小的趋势，各湖区柱样沉积物有机碳的平均含量为0.69%～0.91%，其中西北部徐洪河入口区平均有机碳含量最高;从有机碳的来源来看，主要以内源有机质为主，而外源的贡献相对较小;从影响因素来看，有机碳含量主要与有机碳矿化程度、叶绿素a浓度、温度以及人类活动（如人口数量）有关。

关 键 词：有机碳; 垂直分布特征; 沉积物; 碳氮比; 洪泽湖

中图法分类号： X524

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.007

0 引 言

全球变暖进程的加快及人类对湖泊的一系列开发和利用，促使湖泊面积萎缩、湖泊生态环境恶化以及湖泊的碳循环过程发生改变。湖泊沉积物有机碳作为重要的碳库之一，是陸地生态系统碳循环不可或缺的一部分，在全球碳循环中也起着重要作用[1-2]。湖泊沉积物中有机碳含量及其变化会对湖泊碳通量以及碳过程产生一定影响，因此研究湖泊有机碳含量具有重要意义[3]。近年来，已有大量学者对湖泊有机碳含量及其影响因素进行了研究。国外的研究侧重于湖泊碳埋藏/碳含量的时空变化及其影响因素以及不同区域、不同类型湖泊碳含量的对比[4]。国内相关研究起步较晚，但是近年来越来越受到研究者的关注。曹生奎等[5]对青海湖高寒湿地土壤进行了研究，结果表明：植被类型会影响土壤有机碳含量垂直分布，导致其变化趋势呈现“由高到低递减”以及“低-高-低型”;吴琴等[6]对鄱阳湖典型湿地土壤有机碳进行了研究，发现其影响因子为土壤水分与植物生物量;吴江琪等[7]对尕海湿地土壤活性有机碳进行研究，发现积水状况对有机碳含量影响显著;王勇辉等[8]研究了艾比湖湿地土壤有机碳，发现其土壤有机碳含量整体偏低，并随深度递减;其他关于有机碳含量的研究还包括博斯腾湖、乌梁素海、呼伦湖、洞庭湖以及太湖[9-13]等湖区，但大部分研究主要是分析湖泊有机碳的来源和空间分布，而对有机碳含量影响机制的研究较为薄弱[14-15]。

洪泽湖是一个大型的平原湖泊型水库[16]，该湖泊也是南水北调东线工程的一个重要过水通道。近年来，随着人口的增多以及工农业的发展，大量污水进入洪泽湖，外源有机质含量增加，同时输入的大量外来营养盐促使湖泊初级生产力增长[17]。目前对洪泽湖的研究主要集中在生态环境变化及重金属污染等方面[18-19]，而对洪泽湖有机碳含量分布特征及其影响因素的研究相对较少。本文以洪泽湖为研究对象，测定洪泽湖沉积物中有机碳（TOC）含量、总氮（TN）含量、粒度及叶绿素a浓度等，分析其近百年来（1920～2018年）沉积物有机碳垂直分布特征，探究有机碳的来源，深入揭示影响其垂直分布的可能因素，以期对洪泽湖生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

洪泽湖（33°06′N～33°40′N，118°10′E～118°52′E）地处江苏省西北部，为中国的第四大淡水湖。洪泽湖属于中国北亚热带与南暖温带的过渡区[20]，年平均温度16.3 ℃，多年平均降水925.50 mm，湖泊平均水位为12.37 m，最大水深为4.37 m，水域面积共1 576.9 km2，容积为27.9亿m3，湖东岸线相对平直，其余岸线则表现为弯曲多折[15]。全湖分为成子湖湾、溧河湖湾及淮河湖湾三部分。洪泽湖西纳淮河，南入长江，为淮河中下游的结合部，是淮河流域的大型水库，南水北调东线工程的重要过水通道[21]。有淮河、漴潼河、濉河等入湖河道，这些河道大多位于洪泽湖的西侧，其中淮河入湖量占总入湖量的70以上，为洪泽湖最大的入湖河流，并影响洪泽湖的水质。作为干支流交汇点，洪泽湖成为淮河上游地区污染之“汇”及其下游地区和南水北调工程的污染之“源”[22]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2018年10月，使用重力采样器在洪泽湖采集了4个沉积物柱状样，分别为HZ-1（115 cm）、HZ-2（71 cm）、HZ-3（109 cm）和HZ-4（119 cm）（见图1），4个采样点在空间上分布较均匀，其中HZ-2（33°27′N，118°34′E）位于北部徐洪河入湖口，HZ-1（33°17′N，118°42′E）、HZ-3（33°13′N，118°42′E）位于湖中心的位置，HZ-4（33°15′N，118°32′E）位于洪泽湖西部水域。所获得的沉积岩芯水界面清晰，表层沉积物未受扰动。沉积物岩芯以1 cm间隔分样，所有样品均装入聚乙烯自封袋中，带回实验室储存于4 ℃的冷库中。

2.2 样品分析

沉积物粒度实验采用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试。实验过程如下：称取0.3～0.5 g的沉积物试样放置于烧杯中;然后加10～20 mL 10%的过氧化氢溶液，放置于60 ℃水浴锅中加热，过程中根据反应情况加入双氧水，以去除样品中的有机质;另外再加入10 mL 10%的盐酸溶液，去除碳酸盐，持续加热直至不产生气泡为止;烧杯中注入蒸馏水，反复清洗直至样品呈中性，静置10 h以上;用吸管抽取上清液，加入10 mL 10%的六偏磷酸钠溶液，搅拌均匀后放入超声波发生器中水浴振荡15 min，使样品充分分散然后上机测试。

将冻干后的样品研磨至粉末（80目左右），称取0.5 g样品加入10%的盐酸溶液，多次搅拌直至没有气泡冒出，以除去样品中的碳酸盐;然后用蒸馏水清洗离心直至中性，再次烘干研磨。将样品置于小锡杯中，用FlashSmart型碳氮元素分析仪（美国）测定样品中的有机碳和总氮含量。

叶绿素a的测定首先将真空冷冻干燥后的样品研磨成粉末状，称取1～2 g干样放置于离心管中，在样品中加入20～30 mL浓度为90%的丙酮溶液，放置8～10 h，离心10～15 min，之后把离心液过滤到容量瓶中，再次加入同样量的丙酮溶液，反复萃取3～4次，将离心液过滤出来。用90%的丙酮溶液定容到100 mL，用1 cm光程的比色皿，读取750，663，645 nm和630 nm波长的吸光度，并以90%的丙酮溶液作空白吸光度测定并计算沉积物叶绿素a浓度。

2.3 数据统计与分析

本文的研究区域及采样点图使用软件ArcGIS 10.2进行绘制，文中数据使用Excel 2016进行处理、汇总，利用SPSS 17.0软件进行相关性分析，采用Origin 2018软件绘制图件。

2.4 沉积岩芯的年代确定

湖心HZ-1沉积岩芯的年代根据前人研究的结果大致推算得出。根据洪泽湖近百年的沉积速率（0.38 cm/a），推测出近百年洪泽湖的沉积深度约为41 cm左右[23]。相关研究表明，在洪水时期湖泊沉积物的粒度相对较粗，且分选性较差，烧失量与频率磁化率有所增加（见图2）[24]。1916，1921，1931，1950，1954，1956，1968，1975，1982，1991，2003年洪澤湖出现了高洪水位和严重灾害事件[25]，通过洪泽湖洪水期各指标与推测出来的年代进行相互验证，从而得出其他3个柱样（HZ-2、HZ-3、HZ-4）近百年的深度分别约为35，39，35 cm。本文最终采用验证后的近百年沉积物进行相关分析。

3 结果分析

3.1 洪泽湖有机碳含量分布特征

3.1.1 有机碳含量垂直分布特征

如图3所示，洪泽湖沉积岩芯HZ-1、HZ-2以及HZ-4的有机碳含量（TOC）随深度减小呈增加趋势，而HZ-3的变化趋势相对不明显。总体上，各岩芯底部的TOC较低，并且各岩芯TOC出现变化的深度也各不相同。在30～40 cm间，TOC整体变化趋势较小且总体较低;在10～30 cm间，HZ-1、HZ-2和HZ-3的TOC变化较大，且HZ-2的TOC在这一阶段波动增加趋势明显;在0～10 cm间，4个柱样的TOC均呈现波动增加的趋势。因此，洪泽湖沉积物有机碳含量的垂向分布特征表现为HZ-1、HZ-2以及HZ-4上层有机碳含量较高，呈现出从上到下减小的趋势，尤其在HZ-2沉积物表层出现有机碳含量的最大值。

3.1.2 有机碳含量区域变化

洪泽湖4个钻孔的TOC主要表现为以下特征：HZ-1的平均TOC为0.71%，HZ-2的平均TOC为0.91%，HZ-3的平均TOC为0.69%，HZ-4的平均TOC为0.70%;北部徐洪河入洪泽湖湖口位置（HZ-2）的平均TOC高于其他3处湖心区（HZ-1、HZ-3以及HZ-4），并且HZ-1、HZ-3以及HZ-4的平均TOC差别不大。

3.2 洪泽湖总氮与碳氮比值垂直变化

由图4（a）可知：洪泽湖沉积岩芯的总氮（TN）平均含量为0.08%～0.12%，各岩芯TN与TOC的变化趋势基本一致，除HZ-3外，其他3个柱样TN

随深度减小呈明显增加趋势。在30～40 cm间，TN整体变化趋势较小且总体较低;在10～30 cm间，TN变化趋势明显，且除HZ-3外，其余3个柱样TN在这一阶段呈现波动增加趋势;在0～10 cm间，4个柱样的TN增加趋势明显。

洪泽湖沉积物的碳氮比值（C/N）总体在6.01～9.14之间，并且变幅不大（见图4（b））。在30～40 cm间，除HZ-4外，其余3个柱样C/N值在这一阶段随深度减小呈明显增加趋势;在10～30 cm间，除HZ-1外，其余3个柱样C/N值均呈现波动增加趋势;在0～10 cm间，4个柱样的C/N值均呈现先增加再降低的趋势，波动较为明显。其中，HZ-1的C/N值在5.11～6.63之间，均值仅为6.02;HZ-2的C/N值介于6.94～7.99之间，平均值为7.37;HZ-3的C/N值在7.96～9.88之间，均值高达9.14;HZ-4的C/N值在6.4～7.95区间内，均值是7.15。

3.3 洪泽湖沉积物岩芯粒径的垂直变化

由图5可知：洪泽湖4个柱样沉积物颗粒较细，中值粒径变化范围为2.99～18.89 μm。HZ-1、HZ-3及HZ-4的粒径变化表现为随着深度的减小而增加的趋势，同时入湖口处HZ-2的粒度变化较大，其他3处的变化较小。在30～40 cm间，除HZ-2外，其余3个柱样中值粒径总体较低并呈增加趋势;在10～30 cm间，HZ-1中值粒径波动降低趋势明显，HZ-2中值粒径趋势依旧不明显，HZ-3、HZ-4中值粒径均增加;在0～10 cm间，4个柱样的中值粒径均表现为波动增加趋势。其中，HZ-2处中值粒径变化大的原因可能是由于该处位于河流入湖口，洪水期河水携带大量大颗粒物质进入湖泊导致。

3.4 洪泽湖沉积物叶绿素a浓度垂直变化

洪泽湖4个柱状沉积物叶绿素a浓度的变化范围为0.06～25.42 μg/g。总体上，4个柱样叶绿素a浓度变化表现为随着深度的减小而增加的趋势（见图6）。在10～40 cm间，除HZ-3外，其余3个柱样的叶绿素a浓度总体较稳定，变化趋势较小;在0～10 cm间，4个柱样的叶绿素a浓度均呈现明显增加趋势。其中，HZ-2的叶绿素a浓度总体大于其他3个柱样，HZ-1是4个柱状沉积物中叶绿素a浓度最小的。

3.5 洪泽湖气温与降水量时间变化趋势

由图7可知：洪泽湖湖区气温呈现明显的波动上升趋势，降水量则表现为小幅度的波动增加趋势，两者的上升幅度与变化的时间均不一致（气温和降水量数据来源于国家气象科学数据中心）。

4 讨 论

4.1 洪泽湖有机碳的来源

沉积物有机碳主要存在于有机质中，而有机质是由各种复杂的有机化合物构成的。湖泊沉积物有机质来源的差异，会导致有机碳含量也各不相同，进而影响湖泊有机碳埋藏以及湖泊碳循环，因此判断有机碳来源是非常有必要的。有研究表明，对湖泊沉积物有机质的碳氮比（C/N）进行判断，可以揭示湖泊有机质的来源[26]。一般来说，当C/N值介于4～10之间时，表示有机质来源以浮游植物、沉水植物以及挺水植物等水生植物为主，其中大型水生植物的C/N值范围在6～8，浮游植物的C/N值在7.7～10.1，大多数细菌等微生物的C/N值在2.6～4.3[27];当C/N值介于10～20这个范围内时，表明有机质来源为沉水植物或陆生植物;C/N值大于20时，有机质来源则是以挺水植物以及陆生高等植物为主[28]。C/N值高时，反映有机质来源主要为陆源输入，而C/N值低时，则表示湖泊自身生产力提高或者陆源输入的有机质减少。根据本次研究结果显示，洪泽湖的C/N值介于4～10之间，可初步判断洪泽湖沉积物的TOC来源以内源有机质为主，历史记录洪泽湖的沉水植物优势种有马来眼子菜（Potamogeton malaianus），挺水植物优势种是芦苇（Phragmites communis），浮叶植物优势种是荇菜（Nymphoides peltatum），主要集中分布在湖北岸、淮河入湖口滩地以及湖西岸、东岸小部分地区[29]。

4.2 洪泽湖有机碳垂直分布影响因素分析

4.2.1 有机碳矿化作用对TOC的影响

洪泽湖沉积物岩芯TOC总体呈现出从上到下减小的趋势，出现这种趋势的原因可能与沉积物的氧化还原环境中有机质的分解有关[15]。随着沉积深度的增加，洪泽湖沉积物受到氧化还原环境的影响越大，矿化作用越明显，有机碳含量越低[30]。

4.2.2 叶绿素a浓度对TOC的影响

从湖泊有机碳来源分析可知，洪泽湖有机碳主要受内源（沉水植物、浮游植物等）有机质的影响。研究表明，湖泊沉积物中有机碳含量与周围环境中水生植物的数量有一定的关系，水生植物不仅是湖泊内源有机质的主要生产者，也是沉积物中TOC和TN的主要来源[31-32]。叶绿素a是藻类进行光合作用的重要色素，水生植物通过体内的叶绿素进行光合作用并完成有机质的固定。因此水生植物数量以及叶绿素a浓度一定程度上能反映有机碳累计含量的多少[33-34]。分析洪泽湖叶绿素a浓度与TOC的相关性，最终表明HZ-2（R2=0.806）及HZ-4（R2=0.771）处沉积物叶绿素a浓度与TOC具有较强的相关关系（见表1），因此叶绿素a浓度会影响有机碳含量的垂直分布。其中，位于徐洪河入湖口处的HZ-2的整体叶绿素a浓度大于其他3个沉积岩芯，这可能是由于北部湖区水草丰富，水产养殖业规模扩大，沿岸湖区人工开挖的鱼塘数量增多，导致水污染严重，同时雨水冲刷加剧农业和养殖业的污染，使水体富营养化程度加重[35]。入湖口处是直接接收营养盐最多的位置，丰富的营养盐导致藻类大规模生长暴发，是造成此处沉积物中整体叶绿素a浓度高的重要原因之一。

4.2.3 气候变化对TOC的影响

现有研究表明气候条件对有机碳含量有较大的影响，可分为温度和降水两方面来具体讨论[36]。为探讨近百年来洪泽湖沉积物有机碳垂直分布的影响因子，本文将湖区有机碳含量与气温、降水分别进行了相关性分析，结果显示洪泽湖有机碳含量和湖区年均温度具有较好的相关性，而和湖区降水量的相关性较弱，这表明了气温对洪泽湖有机碳含量垂直分布的影响较大，降水产生的影响则不明显（见表1）。降水量会影响流域植被和土壤碳储量，降水量增加促使湖泊沉积物有机碳输入量增多[17];但洪泽湖沉积物有机质以湖泊内源为主，外源有机质对沉积物有机碳含量的影响较弱。一般情况下，温度升高促使流域生态系统的净初级生产力增长，进一步使得湖泊有机质来源增加[37]，并且河流中的溶解有机碳含量也可能会增加，随径流输入湖泊的有机碳也增加[38]。有学者指出，温度升高对有机碳埋藏的促进作用可能要大于由温度升高造成的有机质矿化分解带来的负反馈作用，即温度升高会使湖泊沉积物有机碳含量增加[39]。根据洪泽湖有机碳含量与气温的相关性分析（正相关关系）及两者随时间变化趋势的相对一致性，表明近百年来洪泽湖升温现象显著，有机碳埋藏促进作用明显，有利于湖区沉积物有机碳的累积。

4.2.4 人类活动对TOC的影响

由表1可知：洪泽湖沉积物TN含量与TOC含量表现出显著的正相关关系，相关系数达到0.65以上，表明沉积物中TN主要以有机氮的形式存在，TN含量是影响沉积物中TOC含量升高的因素之一，而湖泊TN含量的增加又和人类活动有很大的关系。洪泽湖地区的人口自1949年以来，总体上呈增长趋势[40]。由于人口的快速增长，人们大搞围湖垦荡，20世纪70年代初期，洪泽湖水质已遭受有机物、汞等的轻度污染，到80年代后期，由于工业与生活污水排放量的增加，污染程度开始加重[23]。其中，位于徐洪河入湖口处（HZ-2）人类活动与TOC的相关性最显著，相关系数高达0.96，主要是由于近年来洪泽湖湖区畜禽养殖和水产养殖不断增加以及人类生活污水排放[20]，产生了大量的氮、磷排放到湖中，进而使得该湖营养化程度加剧，藻类大量暴发，湖泊初级生产力增加，这可能也是造成此处平均有机碳含量高的重要原因之一。由于水中的氮会被水生生物吸收利用，使得湖区水生植物不断生长，同时这些生物死亡后残体沉积到湖底也会积累氮素[41]，進而更利于有机碳的沉积[10]。

4.2.5 粒度对TOC的影响

研究表明粒度也是影响湖泊沉积物有机碳含量的因素之一[42]，有机碳含量与粒度较细的组分（如粉砂、黏土含量）有正相关关系，而与粗粒的组分有着一定的负相关关系[43]。这是由于有机物对颗粒表面的吸附作用有利于沉积物中有机碳的保存，细颗粒物质的小孔洞以及它的比表面积有利于有机碳的吸附和保存[44]，使微生物的氧化作用减弱。然而，HZ-1的有机碳含量与粒级有较好的相关性，与黏土含量存在负相关关系，而与粉砂和砂含量存在正相关关系（见表1），黏土与砂的相关关系与前人研究不一致，说明粒度并不是该区域TOC含量的主要影响因素。HZ-3及HZ-4的有机碳含量与粒级存在极弱相关，而位于洪泽湖河口位置的HZ-2有机碳含量与各粒级不相关。由于总体上TOC含量与粒度相关性不显著，表明沉积物的粒度组成并不是导致洪泽湖有机碳含量差别的主要原因。

5 结 论

（1） 近百年来洪泽湖沉积物中有机碳含量总体上随深度增加而减小。

（2） 洪泽湖沉积物中北部徐洪河入洪泽湖湖口位置的平均有机碳含量高于其他3处湖心区的含量，其平均含量介于0.69%～0.91%之间，有机碳含量的这种区域差异与叶绿素a浓度及人类活动有关。

（3） 近百年来洪泽湖有机碳含量变化主要与有机碳矿化作用、叶绿素a浓度、气温以及人类活动的影响有关。其中洪泽湖沉积物TN与TOC表现出显著的正相关关系，反映了洪泽湖沉积物有机碳沉积主要受到人口数量增加以及人类活动的影响;总体上有机碳含量与粒度及降水量的相关性不显著，说明沉积物的粒度组成与年降水量的变化并不是导致洪泽湖有机碳含量变化的主要影响因素。

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（编辑：黄文晋）

Vertical distribution characteristics of organic carbon in Hongze Lake in recent 100 years and its influencing factors

QIANG Liuyan，ZHANG Fengju，CHEN Shiyue

（School of Geography，Geomatics and Planning，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China）

Abstract：

Lake carbon cycle is an important part of the whole ecosystem carbon cycle.The study on Hongze Lakes carbon cycle is of great significance to revealing the regional and even global carbon cycle.In order to reveal the vertical variation characteristics of organic carbon content in Hongze Lake in recent 100 years and its influencing factors，columnar sediment samples from different spots of Hongze Lake were selected for the determination of Total Organic Carbon （TOC） and Total Nitrogen （TN），and the carbon nitrogen ratio was used to distinguish the source of organic carbon in sediments.The results showed that the content of organic carbon in sediments of Hongze Lake decreased with the increase of depth in recent 100 years.The average organic carbon content in the columnar sediments in the lake area ranged from 0.69% to 0.91%，and the average organic matter content in the entrance area of Xuhonghe River in the northwest was the highest.The source of organic carbon was mainly the endogenous organic matter，while the contribution of exogenous organic matter was relatively small.The main factors affecting the organic carbon content were the degree of organic carbon mineralization，chlorophyll a concentration，temperature and human activities （such as population）.

Key words：

organic carbon;vertical distribution;sediment;carbon nitrogen ratio;Hongze Lake