查干湖沉积物中有机质分布特征研究

2021-06-23孙德尧

绿色科技 2021年10期

曲鸽，孙德尧

(1.哈尔滨师范大学，寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江哈尔滨 150025；2.河北民族师范学院，河北承德 067022)

1 引言

近年来，我国社会经济水平飞速提高，湖泊沉积物中有机质的含量也越来越多，更有甚者已经形成了水体富营养化等环境污染问题。查干湖作为全国著名的淡水湖之一，研究其沉积物中有机质的分布特征，分析其近年来的演变历史，并结合相关的经济数据对其已造成的污染历史进行对比分析，更能定性的推测出污染原因，提前做出相应的治理，对其生态保护，经济可持续开发都是意义重大的。

2 背景

2.1 研究的目的和意义

湖泊中蕴含着丰富的自然资源，对于人类来说更是一种非常重要的淡水资源。湖泊作为较为稳定的水体，对生态环境，气候，社会经济等各个方面都有着举足轻重的影响，与人类身体健康和社会经济发展都有着密切的不可分割的重要联系[1,2]。有机质在湖泊沉积物中占有重要地位，通常凭借湖内水生植物死亡自生和人类活动外源输入的两个传输方式产生作用。伴随着人类活动强度的不断增加，水环境发生很大变化，大量的有机质富集，易使湖泊形成不同程度的富营养化，影响着其环境质量和生命演替，破坏湖泊生态平衡。与此同时，古气候的演变过程、重金属及有机污染物的迁移转化等都对沉积物中的有机质的发展有着重要作用[3]。

通过研究分析查干湖沉积物中有机质的特征分布，透过现象看本质，阐释出有机质含量在时间的推移下，产生的相关影响。结合经济数据和污染历史，推断查干湖有机质污染原因，有助于保护其水体营养类型和生态的多样性，使查干湖的生态系统更趋于稳定，得以能够维持长远的的资源开发和利用。对于湖泊沉积物中有机质的含量变化的长期观察、定期研究，可以掌握其发展规律，对于指导水环境的质量评测起到积极的推动作用，同时也推动了对于监控水体污染情况、修复湖泊生态等方面的发展。

2.2 国内外研究现状及发展趋势

2.2.1 湖泊沉积物中有机质的进展分析

湖泊水环境物质循环系统中的有机质具有非常重要的作用。20世纪中后叶以来，对湖泊沉积物的深入研究，对于关于有机质对湖泊水环境物质循环方面影响的研究具有积极的意义，毕竟有机质是湖泊生态系统中的必不可少的一部分。目前，在中国的湖泊中，约62%未受到大面积有机污染物的污染。在污染湖泊中，22%以上的湖泊受到严重污染。湖泊有机质含量的与日俱增，其产生的污染日益成为湖泊沉积物研究的重要研究方向[4]。

有机质在水生生态系统的理化性质方面的调节，具有不可替代的作用。通过近期的一系列研究数据，营养盐负荷和食物网的结构同水体中的溶解有机物(DOM)共同影响着这个水生生态系统的变化与发展[5]。在沉积物中的有机质与水界面磷的化学循环两者之间存在密切的联系。通过矿化得到分解之后，得到的磷有很强的不稳定性，易产生活性因子，加快水体富营养化，从而对生命体在水中的成长产生重要作用[6]。

湖泊沉积物有机质含量与湖泊沉积物污染程度密切相关。一些学者对中国长江中下游地区的11个湖泊表层沉积物为研究对象，开展了对其有机质含量和分布特征的研究和分析，实验结果表明，沉积物中有机质含量可能对湖泊沉积物污染有着深远影响[7]。

通过对于湖泊沉积物中有机质的分布情况的分析研究、通过分析富集反应对于原始母质形成的影响，对于成油的生源物质的转化情形研究以及各种沉积模式的建立具有重要的作用[8]。结果表明，成岩作用对湖泊沉积物中有机物迁移富集过程影响明显，改变了沉积物中C/N和δ～(13)C_(org)，为此甚至影响这些参数对原始母质来源的判断[9]。

2.2.2 查干湖水质特征及其沉积物的分析过程

通过对已发表的查干湖论文进行文献综述，发现查干湖水质已经接近于三类标准，非离子氨也远远背离渔业水质的相关标准，BOD5自引松渠道-新庙泡入口-川头闸-查干湖中心呈现逐渐减少趋势，这样的结果更加可以得出这样的结论：有机物为BOD5是水田区及新庙泡的生物的重要组成部分；溶解氧(DO)多年来，均高于平均为7.4 mg/L的三类水质标准；透明度(SD)较低但呈现出增加趋势，与湖泊沉积物有很大关系[10]。因此，可以得出，有关于近期查干湖沉积物中的有机物含量对于水质的变化具有极其重要的作用。部雪娇等近期研究，对于查干湖湖泊沉积物中元素的空间分布特征及其潜在生态危害进行了细致的分析研究，最终得出：湖底表层底泥具有比其周围土壤中丰富的元素，如Ca、Cl、Mg、Hg、Cd等(图1)，并且其潜在生态危害性均较小。

图1 查干湖表层底泥中元素的富集特点

2.3 研究内容

(1)分析各柱状岩芯沉积物中有机质的含量特征。

(2)结合经济数据分析各岩芯沉积物中有机质的污染历史。

(3)对比分析不同岩芯间有机质含量变化的差异。

3 查干湖区域概况及研究方法

3.1 研究区概况

查干湖(Lake Chagan)，又名“查干淖尔”是蒙语，有白色泡子的意思。受宣传影响，被人称为“圣水湖”。查干湖位于吉林省松原市下属的前郭、大安和乾安等县的金三角地带，查干湖有三个姊妹湖，分别是辛甸泡、新庙泡和库里泡。查干湖湖面面积广阔，其一般最大湖水面307 km2。湖岸线绵长曲折，周长可达104.5 km，蓄水高程130 m。整个湖泊东西宽17 km，南北长37 km，四周景色宜人，环境优雅，风光旖旎，是吉林省西部地区重要的生态屏障，同时也是全国著名的旅游胜地，渔业和芦苇生产基地。

3.2 沉积物样品的采集与预处理

在查干湖上选取3个沉积物采样点，以GPS定位，坐标分别为1号点(45°13′52.73″N，124°14′44.59″E)、2号点(45°11′31.89″N，124°16′49.52″E)和3号点(45°15′33.91″N，124°12′52.79″E)。用活塞式采样器依次采取不同采样点长度为15 cm、48 cm和45 cm的柱状岩芯样品，并在现场以1 cm的间距对沉积柱剖面样品进行切割。将所采集样品用聚乙烯自封袋盛装后运回实验室，经过冷冻干燥机干燥后，挑出塑料和石块等杂质，用玛瑙研球机充分粉碎，过120目尼龙筛，用聚乙烯自封袋盛装待用(图2)。

图2 查干湖的湖泊沉积物采样点位置

3.3 实验设计

沉积物有机质测量选用重铬酸钾容量法，又名外加热法。

3.3.1 操作方法

(1)称取风干土样0.20～0.21 g(精确到小数点后四位)，放入一干净干燥的试管中，用移液管准确加入0.8000 mol/L(1/6K2Cr2O7)标准溶液5 mL，用注射器加入5 mL浓H2SO4充分摇匀，管口盖上弯颈小漏斗，以冷凝蒸出水汽。

(2)将12个试管盛于铁丝笼中，每笼中均有2个承装石英的空白试管。放入温度为185～190 ℃的油锅中，放入后严格控制电炉，使其油浴锅的温度降低并维持在170～180 ℃之间，待试管内液体沸腾发生气泡时开始计时，煮沸5 min，取出试管。

(3)冷却后，改用250 mL三角瓶盛装，反复用蒸馏水冲洗试管，将全部内容物移至锥形瓶中总体积控制在60～70 mL，保持混合液中(1/2H2SO4)浓度为2 mol/L，然后用邻啡罗啉指示剂，加指示剂2滴，此时溶液呈橙黄色。用标准的0.2 mol/L的FeSO4滴定，滴定过程中不断震荡摇动锥形瓶，直至溶液的颜色由橙黄色经蓝绿变为砖红色，即为滴定结束。记录FeSO4所耗用毫升数(V)。

(4)每一批样品测定时，还要进行2个空白试验，即用0.5 g石英代替土样，其余步骤相同。并记下FeSO4所耗用毫升数(V0)，取两者的平均值。

3.3.2 结果计算

在本反应中，平均有机质氧化率为90%，所以1.1为氧化校正常数。有机质中碳的含量为58%，100 g有机质中约有58 g碳，1 g碳约等于1.724 g有机质。由前面的两个反应式可知：1 mol的K2Cr2O7可氧化3/2 mol的C，滴定1 mol K2Cr2O7，可消耗6 mol FeSO4，则消耗1 mol FeSO4即氧化了3/2×1/6C=1/4C=3。

计算公式为：

有机质，g/kg=

(1)

式(1)中：V0为空白石英试验所消耗FeSO4标准溶液体积，mL；V为试样测定所消耗FeSO4标准溶液体积，mL；c为FeSO4标准溶液的浓度，mol/L；0.003为1/4碳原子的毫摩尔质量，g；1.724为由有机碳换算成有机质的系数；1.10为氧化校正系数；m为风干试样的质量，g；1000为换算成每kg含量。

平行测定值用算术平均值表示，并保留三位有效数字。得出的数据进行分析，并对比不同岩芯间有机质含量变化。运用ArcGIS10.2.2完成采样点分布图，用SPSS做数据分析统计，并用Origin8.5上完成相应的数据图，使其有机质含量分布变化更加明晰。

4 查干湖沉积物中有机质的空间分布特征

4.1 查干湖柱状岩芯沉积物有机质含量空间分异特征

4.1.1 各采样点沉积柱中15 cm至表层有机质含量的差异性分析

由于查干湖所采集的三个柱状沉积岩芯的深度不一致，1、2和3号岩芯长度分别为15、48和45 cm，故选取15 cm以上的沉积物有机质含量对近年来湖泊的营养元素输入历史进行整体性分析。表1为查干湖湖底沉积物中有机质在不同采样点15 cm至表层的平均含量及其特征值结果。从表1中可以得知3个沉积柱在同一深度的空间内有机质含量范围在1.648～15.023、5.478～34.838、2.187～12.661 g/kg，平均含量分别为5.885 g/kg、25.950 g/kg和8.409 g/kg，2号采样点沉积物中有机质的平均含量明显高于其他采样点。方差(VA)是判断衡量一组数据离散程度的一种度量。在表1中也可以得出三个沉积柱中有机质含量的VA分别为13.861 g/kg、44.763 g/kg和28.295 g/kg，1号采样点的VA最小，说明1号采样点的离散程度较弱，整体的变化幅度不大，长久以来有机质含量相对稳定。2号点的VA接近于1号点的4倍，其离散程度相对来说是极强的，表明此点区内近几年的沉积物中有机质含量变化幅度特别大，存在外界干扰变化，湖泊相对不稳定。

4.1.2 采样点沉积柱中48 cm至表层有机质含量的差异性分析

为进一步研究查干湖有机质含量的历史沉积特征，选取2号和3号两根深度较大的沉积岩芯进行分析。根据SPSS进行t检验判断2、3号样点有机质含量均值大小(表2)，2、3号两组采样点沉积柱中有机质浓度均值分别为15.263 g/kg、7.820 g/kg。t检验是为了比较两个样品平均数差异显著程度，用t分布理论来分析推论其差异发生的概率。如表3，sig.(双侧)<0.05，表明两组样品浓度结果有显著性差异，由于两者均值为15.263 g/kg>7.820 g/kg，因而2号采样点沉积柱中有机质的浓度大于3号采样点(图3)。

表1 不同采样点沉积柱中15 cm至表层有机质含量特征值

图3 15 cm至表层不同采样点沉积物柱的

表2 采样点2、3两组的沉积物中有机质浓度统计量

4.2 查干湖沉积岩芯有机质含量垂向分布特征

3个沉积柱底泥剖面中有机质的含量(图3、4)，3个采样点的从底层到表层总体趋势大体上是一致的，都是表层年份较近的沉积层里有机质含量偏多，在年份越远的沉积层中有机质的含量相对减少[11,12]。1号点样品在深度3 cm和8 cm时有明显峰值。2号点沉积柱中有机质浓度在深度为17 cm前后有明显两种不同的变化趋势。在d≥17 cm时，整体浓度在5.478～15.725 g/kg范围内波动，总体其浓度变化值相对较小，趋于平缓；但在d<17cm时，浓度在9.870～34.838 g/kg范围内，变化明显且呈波动性持续性增长。3号点垂直方向有机质含量变化趋势无明显规律，变化幅度在2.187～12.661 g/kg，但相对于3号点局部波动来说，在深度为3 cm和8 cm时也有相应峰值(图3)，表明1、3号采样点沉积柱中有机质含量很有可能在这段时间内受到相同的影响因素共同作用，使采样点位置湖泊环境发生较大变化。结果表明，近年来查干湖的有机质含量大体上呈波动上升的趋势，局部地区表现明显，指数式爆发增长。但局部地区其含量随时间变化相对含量稳定，在一定区域内反复波动。

表3 采样点2、3两组的沉积物中有机质浓度独立样本检验

4.3 查干湖沉积岩芯有机质含量来源分析

沉积物是污染环境物质和流域侵蚀的主要承载体，保留了人为活动和湖泊流域内自然变化所造成的水质改变等具有意义的历史信息。1984年修通了人工运河，将松花江的水注入查干湖，使该地区自然状况和生态环境有了翻天覆地的变化[13,14]。近30年来查干湖周边的经济状况呈指数增长模式，除了旅游业第三产业快速发展外，还以第一第二产业的资源型发展为主，例如农业、渔业、牧业和石油提炼等等。目前，离实验采样点最近的乾安县，已经成为10万亩黄金小米杂粮杂豆种植示范区并且新生牧场也建在其中，加强了查干湖周边地区的农业种植和畜牧业的发展，也使大量含有有机质的农业牧业废水进入湖区。与此同时，20世纪70年代以来，吉林油田在查干湖打了许多油井，直接钻到湖底[15]。石油资源的开发利用兴起了查干湖工业的发展建设，新立采油厂，中化长山化肥厂，大唐长山热电站陆陆续续建在查干湖附近，使得大量工业废水进入湖区。此外，渔业生产作为查干湖主要的经济发展模式，更较为直接的影响查干湖的水体环境(图4)。

图4 采样点2、3号沉积物柱的有机质浓度随深度变化趋势

综上分析，2号点沉积柱有机质平均含量最大，有很大程度上是由于附近的新生牧场发展所带来的牲畜粪便及周围乾安县村屯生产黄金小米杂粮杂豆中产生的退水经由地表、地下迁移，汇入到查干湖中，使其有机污染加剧，总体有机质含量较多。而2、3号采样点在垂直分布上，深度为17 cm前后有明显两种不同的变化趋势，主要与政府修建引淞渠有关，大大影响了查干湖的内在结构和经济结构，使更多的农业，牧业、渔业兴起，加大了有机质的进入。