云貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素的季節(jié)和剖面變化特征.docx

1、J.LakeSci.(湖泊科學(xué)),2008,20(5):571-578.E-mail:jiakes©2008byJournalofLakeSciences云貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素的季節(jié)和剖面變化特征中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-1O2)、中國環(huán)境科學(xué)研究院專項(xiàng)“地表環(huán)境中有機(jī)氮的循環(huán)過程與環(huán)境質(zhì)量”(2007KYYW0I)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4052511,40632011,40703022)聯(lián)合資助.2007-09-19收稿;2007-12-21收修改稿.王靜，女，1979年生，博士研究生；E-mail:

2、beta000*通訊作者；E-mail:wufengchang.云貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素的季節(jié)和剖面變化特征中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-1O2)、中國環(huán)境科學(xué)研究院專項(xiàng)“地表環(huán)境中有機(jī)氮的循環(huán)過程與環(huán)境質(zhì)量”(2007KYYW0I)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4052511,40632011,40703022)聯(lián)合資助.2007-09-19收稿;2007-12-21收修改稿.王靜，女，1979年生，博士研究生；E-mail:beta000*通訊作者；E-mail:wufengchang.王靜七吳豐昌”，黎文王立英郭建陽傅平青I張洞宇I(lǐng)(1:中國科學(xué)院地球化學(xué)研究

3、所環(huán)境地球化字國家頁點(diǎn)實(shí)臉室，貴陽550002)(25卜國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)摘要：以貴州省兩個(gè)高原湖泊(紅楓湖和百花湖)為例，利用顆粒態(tài)有機(jī)物穩(wěn)定食同位素比值(8,5NPOM)的季節(jié)及水體剖面變化反映揭示r湖泊氮源變換以及內(nèi)部生物地球化學(xué)作用，為研究湖泊系統(tǒng)氮的循環(huán)轉(zhuǎn)化提供有用信息.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：紅楓湖表層顆粒態(tài)有機(jī)物的變化范圍是3.7%o-I4.9%o；百花湖表層顆粒態(tài)有機(jī)物的S'N變化范圍為1.3%-8.7%o.紅楓湖在冬季(2月)和夏末秋初(9月)出現(xiàn)高值；百花湖則在冬季(2月)出現(xiàn)最低值，夏末秋初(9月)出現(xiàn)高值.紅楓湖8,5Npom值的季節(jié)性變化規(guī)律恰好與無機(jī)氮源

4、的8,5N值的變化規(guī)律一致，冬季高815Npom值的原因是其枯水期受工業(yè)廢水中富含|卞的無機(jī)制源的影響，而春季低8,5Npom值的原因則是受內(nèi)源硝化作用產(chǎn)生的富含'如的無機(jī)氮源的影響.百花湖冬季S的pom值低的原因是受生活污水中具有較低節(jié)卞值的有機(jī)顆粒的影響.同時(shí)，湖泊水體剖面S,5Npom和C/N比值相結(jié)合可以示蹤湖泊系統(tǒng)內(nèi)部特殊的生物地球化學(xué)過程.關(guān)鍵詞：顆粒態(tài)有機(jī)物；毯定氮同位素；C/N;百花湖；紅楓湖Seasonalvariationandverticalcharacteristicsofthe615NofparticulateorganicmatterinLakeHongfe

5、ngandLakeBaihua,GuizhouProvinceWANGJing1,2,WUFengchang1,2,LIWen1,WANGLiying1,GUOJianyang1,FUPingqing1&ZHANGRunyu1(I:InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,P.R.China)(2:ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)Abatract:Thestablenitrogenisotopic

6、ratiosofparticulateorganicmatter(815Npom)wasusedtoelucidatetheseasonalvariationandverticalcharacteristicsofthedifferentdissolvedinorganicnitrogensourcesandautochthonousbiogeochemistryprocessesintwolakes(HongfengandBaihua)inGuizhouProvince,China.The815NvaluesofsurfacePOMseasonallyvariedfrom3.7%oto14.

7、9%oinLakeHongfengandfrom1.3%®to8.7%oinLakeBaihua.ItindicatedthatsourceofPOMwasgreatlyvariedinthesetwolakesduringstudyperiod.InLakeHongfeng,thehigher8I5Npomvaluesappearedinwinter(February,2004)andsummer(September,2003).Thehighest6I5Npqmvaluesinwinterwereattributtedtotheinputofhighcontentsand15N-

8、enrichedinorganicnitrogenfromindustrywastes.Duringspring,the6I5NPOmvaluesdecreasedwhenphytoplanktonuptakel4N-enrichedinorganicnitrategeneratedbynitrificationintheinteriorLakeHongfeng.Thevariationof6lsNvaluesinsurfacePOMcoincidedwellwiththevariationof3,5Nvaluesofinorganicnitrogensources.Itsuggesttedt

9、hatthevariationof5I5Npommainlyinfluencedbyinorganicnitrogensources,whichmightresultedfromtheimpactofallochthonoushumanactivities.InLakeBaihua,thehighervaluesof8,5Npomappearedinsummer(September,2003)whilethevalueswerelowduringwinterseason.Thesehighandlowvalueswerepossiblyarousedbythegrowthofprimarypr

10、oductionandlargel5N-depIetedorganicparticlesinputfromsewagerespectively.Inaddition,thecombinationof8I5NpomandC/Nvaluesintheverticalprofilecanbeusedtotracesomespecialbiogeochemistryprocessesinlacustrineecosystem.Keywords：Particulateorganicmatter;SNpqm；C/N;LakeBaihua;LakeHongfeng572J.Lake&湖泊科學(xué)),20

11、08,20(5)研究湖泊系統(tǒng)內(nèi)顆粒態(tài)有機(jī)物能夠?yàn)楹聪到y(tǒng)碳氮循環(huán)提供重要:信息【5.顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定氮同位素比值(SNpom)是指示湖泊系統(tǒng)內(nèi)部氮循環(huán)過程中相關(guān)生物地球化學(xué)過程的重要工具.如湖泊內(nèi)部發(fā)生的一系列反應(yīng)(硝化作用、反硝化作用、同化作用、異化作用等)引起知同位素的分錐會(huì)反饋到湖泊顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)疑同位素的組成日3。.叫；有機(jī)質(zhì)的礦化分解過程也會(huì)造成顆粒態(tài);n機(jī)氮同位素分僧;脫氨基過程中異養(yǎng)細(xì)菌n身的生物量也會(huì)改變有機(jī)質(zhì)氮同位素的組成【等.因此，湖泊水體顆粒態(tài)有機(jī)物的羅卞變化可以為湖泊內(nèi)部營養(yǎng)元素被利用情況以及顆粒物向水體深部輸移過程中發(fā)生的相關(guān)生物地球化學(xué)過程提供重要信息“成.同時(shí)，它

12、還能夠?yàn)閰R水區(qū)域內(nèi)天然和人為活動(dòng)保留較為詳細(xì)和完整的信息國外有關(guān)湖泊內(nèi)部顆粒物有機(jī)巍同位素的研究相對(duì)較多.Ostrom等對(duì)Superior湖水體中的硝酸鹽，顆粒態(tài)以及沉積有機(jī)物的元素組成及同位素值進(jìn)行了測(cè)定以推測(cè)它們的來源及循環(huán)轉(zhuǎn)化過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)有機(jī)物的田卞主要受營養(yǎng)吸收與微生物降解過程引起的同位素分僧的控制.Lehmann等困對(duì)Lugano湖顆粒物的羅卞的剖面及季節(jié)性變化進(jìn)行了研究，試圖驗(yàn)證穩(wěn)定同位素技術(shù)示蹤富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)部生物地球化學(xué)過程以及有機(jī)物來源的有效性，并評(píng)估其保留商生產(chǎn)力湖泊生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)力以及硝酸鹽被利用情況的可靠性.Shelly對(duì)Cougar湖的研究結(jié)果表明工業(yè)污水

13、來源的無機(jī)覦影響顆粒態(tài)有機(jī)物的5'利變化.國內(nèi)湖泊的相關(guān)研究較少，目前只有Xu等【6)對(duì)比了云南貧營養(yǎng)化湖泊撫仙湖和富營養(yǎng)化湖泊星云湖的顆粒態(tài)有機(jī)物碳疑同位素的差異.紅楓湖和百花湖是位于云貴高原的兩個(gè)梯級(jí)水庫，氮污染非常嚴(yán)重，治理迫在眉睫.研究氮的循環(huán)轉(zhuǎn)化能夠?yàn)橹卫硖峁├碚撘罁?jù).肖化云等利用無機(jī)硝酸鹽穩(wěn)定鼬同位素研究了紅楓湖內(nèi)部的硝化和反硝化作用°氣同時(shí)示蹤了紅楓湖的季節(jié)性污染小).黎文等MJ對(duì)兩湖有機(jī)氮含量的剖面及季節(jié)性變化做了比較詳細(xì)的研究.但是，有關(guān)敏的第三種存在形態(tài)一顆粒態(tài)敏卻缺乏相應(yīng)的研究.本研究逋過對(duì)兩湖顆粒態(tài)有機(jī)物的S'N和C/N比值的季節(jié)以及剖面變化，

14、并結(jié)合前人對(duì)兩湖的相關(guān)研究，試圖探尋顆粒態(tài)有機(jī)氮的羅卞與無機(jī)氮源的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步了解湖泊系統(tǒng)內(nèi)部敏的生物地球化學(xué)過程，以期為湖泊內(nèi)部氮的循環(huán)轉(zhuǎn)化提供有用信息.1研究方法1.1采樣點(diǎn)選擇以及樣品采集采樣E作于2003年1月至2004年8月進(jìn)行.紅楓湖位于貴州高原的中部，湖面呈狹長形狀，選擇南湖(HF-S)和北湖(HF-N)的湖心作為采樣點(diǎn)，代表了整個(gè)湖泊的基本特征.南湖主要有羊昌河，后六河圖1紅楓湖、百花湖采樣位置示意圖Fig.lSamplingsitesofLakeHongfengandBaihua圖1紅楓湖、百花湖采樣位置示意圖Fig.lSamplingsitesofLakeHongfen

15、gandBaihua和麻線河等河流匯入，北湖主要有桃花園河和麥包河等河流匯入，這些河流主要接受大量來自農(nóng)田和工廠(貴州化肥廠和平壩化肥廠)的硝酸鹽并把它們輸入紅楓湖中，因此一直被認(rèn)為是紅楓湖硝酸鹽的主要:外源.百花湖位于紅楓湖的下游，選擇水動(dòng)力條件比較強(qiáng)的湖心(BH-1)和水動(dòng)力條件比較弱的山凹(BH2)作為研究對(duì)象，代表了不同區(qū)域的基本特征(圖1).百花湖除接受紅楓湖的下泄水外還接受了來自清鎮(zhèn)市的大址生活污水.對(duì)紅楓湖(HF-S,HF-N)和百花湖(BH-1,BH-2)水體剖面用Niskin采樣器分層采集水樣，每兩個(gè)月采樣一次，湖水垂向剖面的采樣間距在不同的季節(jié)稍有不同，一般為2或王錚等：云

16、貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素的季節(jié)和剖面變化特征5733m.用GF/F玻璃纖維濾膜（預(yù)先于450°C燒4-6h）收集懸浮顆粒物，濾膜冷凍保存、濾液裝于聚乙烯瓶中,在4C條件下保存并盡快測(cè)定.1.2實(shí)驗(yàn)分析與測(cè)試方法硝酸根（NO3）,氨根（NH）以及葉綠素（ChLa）含量的測(cè)定參考黎文博士論文甄過濾2000-3000ml水后的濾膜先用lmol/L的鹽酸淋洗除去可能存在的無機(jī)碳酸巖，然后用去離子水淋洗至中性，用刀刮下濾膜表面附著的有機(jī)顆粒物.收集到的有機(jī)顆粒物放入50C烘箱內(nèi)烘干48h,烘干后研磨成粉、稱取3-5mg粉末狀有機(jī)顆粒物在PerkinElemr公司PE2400II型元素分

17、析儀上測(cè)定碳、氮含量.剩余的有機(jī)顆粒物放入石英管中，加入2g氧化銅（850-C灼燒lh）和l、5g銅（真空純化）后在真空線上封管后，置于850C馬弗爐中燃燒5h,緩慢冷卻至室溫后取出.用穩(wěn)定同位索質(zhì)譜儀（FinniganMAT公司，MAT252型）測(cè)定穩(wěn)定氮同位素比值.在質(zhì)諾儀的前端放置U型不銹鋼管，用液覦分離氮?dú)夂推渌s氣，分離后的氮?dú)膺M(jìn)入質(zhì)譜儀中進(jìn)行測(cè)定、有機(jī)顆粒物中的穩(wěn)定粕司位素計(jì)算公式:8,5N=1000（島m必血妍）-1,R為Mn/“N.氮穩(wěn)定同位素以相對(duì)于國際標(biāo)準(zhǔn)一大氣氮的6值表示.2結(jié)果與討論2.1兩湖表層顆粒態(tài)有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素比值（6,5Npom）的季節(jié)性變化由紅楓湖和百花湖

18、中顆粒態(tài)有機(jī)物的6I5N的季節(jié)性變化（圖2）可知，紅楓湖表層顆粒態(tài)有機(jī)物S15NPom的變化范圍為3.7%o至14.9%o.HF-S采樣點(diǎn)8,5Npom季節(jié)性變化曲線上出現(xiàn)兩個(gè)高值：冬季（2月）和夏末秋初（9月）;HF-N采樣點(diǎn)815Npom也在同一月份出現(xiàn)高值、不同的是,HF-S采樣點(diǎn)9月出現(xiàn)的高值（ll%o）比2月出現(xiàn)的高值（13.7%o）小；HF-N采樣點(diǎn)9月出現(xiàn)的高值（14.9%o）比2月出現(xiàn)的高值（8.6%o）大；百花湖顆粒態(tài)有機(jī)物8,5Npom的變化范闈為1.3%o至8.7%o,變化趨勢(shì)與紅楓湖不同.9月出現(xiàn)高值，而2月則出現(xiàn)最低值（1.3%o）.它們的815Npom變化范闈與其它

19、已報(bào)道湖泊中顆粒態(tài)有機(jī)物的815Npom值俵1）相似.其中,Lugano湖的8,5Npom值變化范闈最大，冬季有最高值20%o,這與其受人為活動(dòng)影響富營養(yǎng)化嚴(yán)重，外源輸入富含,5N的有機(jī)顆粒有關(guān)；與此相反，貧營養(yǎng)化湖泊如中國云南的撫仙湖，美國的Superior湖和Michigan湖，其SNpom變化范闈則相對(duì)較小.該研究發(fā)現(xiàn)紅楓湖也出現(xiàn)較高的8”Np°m值，這種現(xiàn)象可能是外源輸入富含,5N的無機(jī)氮源或有機(jī)顆粒所致，由此也進(jìn)一步說明穩(wěn)定敏同位素可用于評(píng)價(jià)水生生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況兒圓.表1幾個(gè)湖泊有機(jī)顆粒物的8,5N值分布Tab.lThe8I5Nofparticulateorganicma

20、tterinseverallakes湖泊S，5Npom文獻(xiàn)來源Superior湖（美國）2.5%o-6.9%oOstromeu/,1998Ontario湖（美國）5%o-12%oHodellelal,1998Michigan湖（美國）3%o-9%oMccuskeretaly1999Lugano湖（瑞士）-5%o-20%oLehmannetal,2004撫仙湖（中國云南）3.6%o-5.7%oXue/W,2005紅楓湖（中國貴州）3.7%o-14.9%o本研究百花湖（中國貴州）1.3%o-8.7%o本研究Hodell等和Lehmann等曾報(bào)道水體中顆粒態(tài)有機(jī)物羅切值的季節(jié)性變化可以反映其源的變化

21、我們對(duì)兩湖表層（0-5m）顆粒態(tài)有機(jī)物的冷切值的季節(jié)變化的研究也發(fā)現(xiàn)其來源的變化.紅楓湖SfpoM值在冬季較高，HF-S大約為12%o,HF-N大約為8.5%o（圖2a）.這與Lehmann等對(duì)Lugano湖的研究中冬季815NPOm達(dá)最高值20%o相似.他們認(rèn)為615NPOm值高的原因是外源輸入了難降解或者富含F(xiàn)的有機(jī)顆粒.而我們的研究中HF湖冬季8,5Npom高的原因是受到了外源富含卻的無機(jī)敏源的影響.冬春季HF湖中的無機(jī)氮源表現(xiàn)了明顯的外源河流（工業(yè)廢水）混合作用特征叫除貴州化肥廠排污溝以及受平壩化肥廠工業(yè)574J.LakeSci.（湖泊科學(xué)）,2008,20（5）廢水影響的羊呂河外，其

22、余入湖河流基本斷流、此時(shí)紅楓湖南湖的主要無機(jī)氮外源以羊昌河為主，紅楓湖北湖則還受貴化排污溝高硝酸鹽含帝的影響.羊昌河接受了平壩化肥廠的工業(yè)污水，其硝態(tài)觥的引'N值全年平均為13.74%o,而鉉態(tài)氮的5*值為10.21%）,貴化排污溝硝態(tài)氮的af值為數(shù)據(jù)來自肖化云）圖2紅楓湖(a),百花湖(b)表層(0-5m)顆粒態(tài)有機(jī)物腫N季節(jié)性變化Fig.2The8I5NofPOMinsurface(0-5m)layerofLakeHongfengandBaihuafromJanuary2003toAugust2004受高S'N值無機(jī)氮源影響的有機(jī)顆粒富含“N,因此顆粒態(tài)有機(jī)氮最高值12%與

23、無機(jī)氮源的同位素值接近.1-5月8,5Npom逐漸減小，原因是隨著雨季的來臨以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)的增加，雨水的稀釋作用使得工業(yè)污水的作用逐漸減小，外部無機(jī)觥源逐漸表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)徑流，其硝酸根的8"N降低到它對(duì)紅楓湖無機(jī)氮源的頁獻(xiàn)越來越小.同時(shí)，雨水的沖刷作用攜帶大量陸源有機(jī)質(zhì)進(jìn)入湖泊，湖泊內(nèi)部有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解（硝化）作用生成的富含的無機(jī)氮源貢獻(xiàn)越來越大.此時(shí)浮游植物吸收利用富含"N的無機(jī)氮源，因而使得主要由浮游植物組成的表層顆粒物W值降低.這與Shelly對(duì)Cougar湖的研究類似，由于降雨的影響，使得匚業(yè)污水對(duì)湖泊的貢獻(xiàn)變化，從而影響到了SNpom的變化.5月以后，隨若浮游植物繼續(xù)同化

24、吸收硝酸鹽，新生成的有機(jī)體越來越富集"N.同時(shí)，湖泊表層水體發(fā)生有機(jī)質(zhì)降解（硝化作用）使得剩余有機(jī)質(zhì)越來越富集"N,從而使得表層顆粒物的越來越大，9月達(dá)高值.夏末初秋，湖水熱分層開始逐漸消失，湖水表層中的生物開始死亡并向下沉降，湖水表層的顆粒物組成發(fā)生變化.表層湖水中POM主要由陸源有機(jī)碎屑組成，K8l5N值相對(duì)較低.枯水期紅楓湖入湖河流中的工業(yè)污水中615N值的無機(jī)觥源對(duì)下游湖水（HF-N）的污染程度會(huì)隨著湖水遠(yuǎn)離污染源的距離的增加而減小.因此，冬春季節(jié)HF-N采樣點(diǎn)的5,5Npom值普遍比HF-S采樣點(diǎn)低，尤其是2月其3,5NpomS值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HF-S采樣點(diǎn)的8,5NP

25、OMffi.夏季紅楓湖表層發(fā)生強(qiáng)烈的硝化作用，生成的硝酸鹽富含"N,因此HF-N接受HF-S富含"n的無機(jī)氮源，生成的有機(jī)體5*值也相對(duì)較低.HF-N采樣點(diǎn)9月出現(xiàn)異常高值（高于HF-S采樣點(diǎn)），可能是此時(shí)POM富集了較重的F.百花湖（圖2b）的最高值與最低值與紅楓湖不同.其最低值至l%o出現(xiàn)在枯水期，說明外源輸入的POM的值非常低.百花湖作為紅楓湖的下游，除了接受紅楓湖的下泄水外，還接受清鎮(zhèn)市的生活污水.對(duì)其入湖前采樣點(diǎn)花橋2004年2月采的樣品測(cè)定的8,5NPOm值為1.9%o可以證明有較低腫n的POM輸人因此我們認(rèn)為生活污水顆粒有機(jī)物的甘爭(zhēng)大約為2%o,與Sweene

26、y等【切對(duì)生活污水有機(jī)顆粒的測(cè)定結(jié)果2.5%o和Thornton網(wǎng)的測(cè)量結(jié)果2.3%o相似，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于受工業(yè)污水高廣村無機(jī)氮源影響的顆粒有機(jī)物的尸村值（大約為】2%）.3月以后，隨著浮游植物的大量生長，顆粒物中浮游植物越來越富集"n,其»5n值增大,9月達(dá)最大值.秋季后湖泊表層的顆粒物主要表現(xiàn)為陸源有機(jī)碎屑輸入,8,5Npom減小.綜上所述，冬季和春季（枯水期）8,5Npom主要受外源人為活動(dòng)（工業(yè)污水和生活污水）影響明顯，而在夏季和秋季（豐水期和平水期）則受陸源有機(jī)物與湖泊內(nèi)部生物共同作用.不同的是，冬春季HF湖有機(jī)顆粒物受的是來源于工業(yè)廢水的B3,5N值無機(jī)氮源的影響

27、，而BH湖則受低S-n值的生活污水的影響.這與王錚等：云貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定象同位素的季節(jié)和割面變化特征575肖化云對(duì)紅楓湖硝酸鹽不同季節(jié)來源的研究結(jié)果相似（冬春季一定程度上受外源河流輸入的影響，而其它季節(jié)則主要受湖泊內(nèi)部的生物地球化學(xué)過程控制），從而進(jìn)一步證明了表層顆粒態(tài)有機(jī)物的6”N值很大程度上受無機(jī)氮源的控制.因此，紅楓湖顆粒態(tài)有機(jī)物的羅切同樣可以指示人為活動(dòng)產(chǎn)生的富含”N的工業(yè)污水的影響.2.2湖泊不同分層期8”N心的剖面變化以及C/N不同來源的有機(jī)顆粒物具有不同的6”N特征值，這就為利用同位素判斷源提供了前提，但不同物源的同位素特征值也有交疊的部分皿】，因此需要借助別的參數(shù)進(jìn)一步

28、區(qū)分.C/N比值就可以用作區(qū)分不同物源.不同來源的有機(jī)質(zhì)其C/N比值具有明顯的差異.浮游植物的C/N比值是5-821'221;大多數(shù)細(xì)菌等微生物的C/N比值分布在3-5之間.I；陸地植物具有較高的C/N比值，通常大于15山）；土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比值分布在8-151231.因此，通過測(cè)定有機(jī)顆粒物的羅卞值和C/N比值可以推測(cè)有機(jī)顆粒的來源.同時(shí)，湖泊內(nèi)部的某些生物地球化學(xué)過程也會(huì)影響羅切和C/N比值的變化，因此結(jié)合水體中無機(jī)氮濃度（主要是NH,NO3）溶解氧（DO）濃度，葉綠素（Chl.a）含量，C/N比值以及615Npom變化揭示湖泊不同熱分層時(shí)期水體剖面發(fā)生的生物地球化學(xué)反應(yīng)以及有機(jī)

29、顆粒物源的變化.由于紅楓湖剖面變化更加明顯，因此，我們選擇紅楓湖為對(duì)象，具體說明不同熱分層時(shí)期水體剖面Npon的變化趨勢(shì)，并分析其變化原因，顆粒態(tài)同位素值的變化可以反應(yīng)湖泊內(nèi)部各種生物地球化學(xué)作用的影響2】，在不同的時(shí)期其具有不同的剖面變化，為討論方便，依據(jù)湖泊的物理化學(xué)性質(zhì)變化劃分為4個(gè)階段【：春季（3-5月）出現(xiàn)明顯地溫躍層；夏季（6-8月）溫躍層不明顯，但仍然存在熱分層；秋季（9月）熱分層逐漸結(jié)束；秋末冬初（10-12月）水體完全混合進(jìn)入全同溫期.2.2.1春季出現(xiàn)明顯溫躍層時(shí)HF湖C/N,615NpoM面變化兩湖3-5月開始熱分層，并且在中下部水體出現(xiàn)明顯的溫躍層.以HF-N采樣點(diǎn)3月

30、為例說明溫躍層對(duì)顆粒態(tài)有機(jī)物氮同位素的影響.HF-N采樣點(diǎn)3月水體剖面4-14m出現(xiàn)明顯的溫躍層，該層中硝酸根和氨根離子濃度逐漸增加.14m以下溫度及無機(jī)離子濃度基本保持不變.從圖3a可以看出，4m以上，由于浮游植物開始生長，優(yōu)先吸收“N,生成的POM的田切較小.4m以下藻類停止生長，溫躍層中溶解氧濃度仍然很大，因此沉降在此的有機(jī)顆粒在細(xì)菌的作用下發(fā)生有氧降解，SNpom值略有增加.湖的底層（14m以下），由于溫躍層的存在使得上下層的交換被阻斷,因此湖的底部仍保留之前的較重的同位素信息.但整個(gè)剖面的515Np0M不大，且POM主要受外源輸入的富含|切的有機(jī)顆粒物控制.C/N比值也可以證實(shí)這一點(diǎn)

31、，表層水體即使有浮游植物開始生長，其C/N比值仍然較大.中部水體由于降解作用的產(chǎn)生,C/N比值增加.圖3HF-N3月(a),HF-S9月(b),HF-S11月(c)8l5NpoM和C/N剖面分布Fig.3Verticalprofileofthe8i5NpomandC/NvaluesduringMarch(a)atHF-NsiteandSeptember(b),November(c)atHF-Ssite2.2.2夏季湖泊底部出現(xiàn)厭氧層時(shí)HF湖C/N,815NPOm剖面變化由于熱分層的出現(xiàn)，使得上下水體的交換受到限制，底部由于細(xì)菌的呼吸作用使得DO越來越低，最后出現(xiàn)厭氧層.同時(shí)氣溫的不斷升高，水體

32、中的溫躍層逐漸消失，但兩湖6-8月還是存在明顯的熱分層.黎文研究發(fā)現(xiàn)，HF-N采樣點(diǎn)7月水體的熱分層主要發(fā)生在5m處，且15m以下底部水體出現(xiàn)厭氧層.8,5Npom剖面變化（圖4a河以看出，0-5m浮游植物生長，其同位素變化不大，平均值為8.8%o（戶3）.5m以下受湖水透明度的影響，浮游植物無法生長，但在表水層水動(dòng)力作用下，表層藻類被帶到斜溫層中下部，由于浮游植物能夠迅速發(fā)生降解，將一定比例的顆粒物轉(zhuǎn)化為溶解為溶解物質(zhì)"2%8>5NpoM逐漸富集W.15m以上POM與硝酸根的6*變化趨勢(shì)相似,說明顆粒物的S*主要受浮源植物吸收硝酸根作用的影響.從C/N也可以證實(shí)上述推測(cè)，由于

33、POM始終主要由浮游植物頁獻(xiàn)，因此其C/N比值變化很小.15m以下底部水體出現(xiàn)厭氧層，反硝化作用可能發(fā)生.Yoshioka等網(wǎng)和Cole等W研究發(fā)現(xiàn)，厭氧層由于硝酸根離子發(fā)生反硝化作用以及氨根離子揮發(fā)作用，都會(huì)使得溶解無機(jī)氮具有較高的大約為10%o-22%o.然而從圖中可以看出，硝酸根的3,5Nffi并不大且變化較小，因此該層中并未發(fā)生反硝化作用，而是保留著前一個(gè)季節(jié)富含,4N,C/N比值較大的有機(jī)顆粒物.圖4HF-N7月(a),HF-S7月(b)，卞斗-，切耐以及C/N剖面分布(6,5NNOj.數(shù)據(jù)參考肖化云)Fig.4Verticalprofileofthe815NS()_,815NK)M

34、andC/NvaluesduringJulyatHF-Nsite(a)andHF-Ssite(b)HFS采樣點(diǎn)的DO變化趨勢(shì)雖然和HF-N大致相同，但在7m以下，DO迅速減小到小于0.5mg/L,而此時(shí)的有機(jī)碳含量仍然很高，大約為2.5mg/L3）,這種條件十分有利亍反硝化作用的進(jìn)行.然而夏季紅楓南湖水體特有的表層湖水回流現(xiàn)象卻阻礙了反硝化作用的發(fā)生.HF-S采樣點(diǎn)恰好是水體上涌的地方，上層高DO含量的水體在循環(huán)水的作用下被帶到下層水體，上升的水流使得底部的表層沉積物以及沉降的有機(jī)顆粒在中下部水體發(fā)生有機(jī)質(zhì)礦化（硝化）作用，這一作用使得DO逐漸被消耗.這一點(diǎn)在黎文"6】對(duì)紅楓湖DON

35、的全年觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中也有所體現(xiàn).其研究結(jié)果顯示HFS采樣點(diǎn)7月水體底部DOM的增加歸因于水生顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)在這個(gè)特殊的水動(dòng)力條件下發(fā)生降解.顆粒態(tài)有機(jī)物降解會(huì)使得自身的S'N增加，然而事實(shí)上POM的羅卞卻是減小的（圖4b）.原因可能是此時(shí)硝化細(xì)菌等微生物活動(dòng)劇烈.硝化細(xì)菌優(yōu)先吸收顆粒態(tài)有機(jī)物礦化降解生成的“N,使得自身腫N低.硝化細(xì)菌的強(qiáng)烈作用引起的腫N降低比沉降有機(jī)顆粒物的礦化降解作用引起的"N升高更加明顯，從而使得羅Npom降低.C/N比也可以證實(shí)這種推測(cè)，細(xì)菌的硝化作用并不影響自身的C/N比值，而在有機(jī)顆粒物的降解過程中，有機(jī)氮優(yōu)先降解，C/N會(huì)增大【.12m以下POM的C/

36、N幾乎沒有變化，且碳氮比值非常小，大約為3左右，說明此時(shí)POM主要由細(xì)菌等微生物組成（圖4b）.2.2.3Chl.a8,5NpoM的相關(guān)關(guān)系HF-N采樣點(diǎn)7月15m以上水體WNrm值與Chl.a存在較好的相關(guān)關(guān)系（圖5a,r2=o.64）,說明此時(shí)PON主要由浮游植物組成.HF-S采樣點(diǎn)7月表層Chl.a含量雖然很高，但是與6,5NpoM無明顯相關(guān)關(guān)系（圖5b,RJ0.ll）,整個(gè)水體剖面6*心與61沿也沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，因此表明浮游植物并不是構(gòu)成水體POM的主要成分，而硝化細(xì)菌的貢獻(xiàn)不容忽視，這與前面的推測(cè)相一致.577王靜等：云貴高原湖泊顆粒有機(jī)物穩(wěn)定氮同位素的季節(jié)和剖面變化特征0369

37、12羅瞄(陽)036912羅瞄(陽)圖5HF-N7月(a)和HFS7月(b)葉綠素含®(Chl.a)8,5NPOM的相關(guān)關(guān)系Fig.5Relationshipbetweenthecontentofchlorophyll-aand8,5NpoMduringJulyatHF-Nsite(a)andHF-Ssite(b)2.2.4夏末初秋分層期結(jié)束時(shí)HF湖C/N,SKpoM剖面變化進(jìn)入秋天，氣溫轉(zhuǎn)涼，表層水溫要下降，熱分層結(jié)束，湖水中的浮游植物開始死亡并向下沉降.整個(gè)剖面的8,5NPom均較大(大于8%o),原因是整個(gè)浮游植物生長過程是不斷富集,5N(S3b).表層浮游植物開始死亡并在沉降

38、過程中優(yōu)先降解，從而使得垂直剖面上BFpom逐漸增加.湖的底部(10m以下)有機(jī)顆粒物的值約為8%。左右，小于中部水體的8I5NPOm,可能原因是底部水體的顆粒物主要來源于沉積物的再懸浮或者保留的是前一個(gè)季節(jié)沉降到此的顆粒物.整個(gè)剖面上C/N比值略有增大趨勢(shì)，這與有機(jī)顆粒發(fā)生降解有關(guān)系.2.2.5全同溫期HF湖C/N,8,5Npom剖面變化10-12月湖泊進(jìn)入全同溫期.11月，由于水體發(fā)生完全混合,水體中的DO、ChLa、氨根、硝酸根離于濃度m、C/N比值以及8,5Npom變化穩(wěn)定(圖3c).由于底層的有機(jī)顆粒主要為難降解的陸源有機(jī)碎屑以及浮游動(dòng)植物殘?bào)w等，與表層出卞較低的陸源有機(jī)碎屑混合后8

39、,5NpoUJ3然較小，保持在6%)左右，同時(shí),C/N基本保持值為8.0左右不變.3結(jié)論(1) HF湖和BH湖枯水期顆粒態(tài)有機(jī)物雖然都受外源人為活動(dòng)產(chǎn)生的一系列污水的影響，但其污水來源存在明顯差異.HF湖外源輸入主要為工業(yè)污水中富含的無機(jī)氮源的影響；百花湖外源輸入主要為生活污水中含|卞較輕的有機(jī)顆粒更加明顯.因此其季節(jié)性變化趨勢(shì)不同.(2) 兩湖的顆粒態(tài)有機(jī)物主要有下列幾種不同的來源，其田卞值從高到低依次為：工業(yè)廢水；浮游植物；陸源有機(jī)碎屑；生活污水、細(xì)菌等微生物.其中浮游植物羅卞值變化范圍較大，主要受無機(jī)氮源的影響；不同季節(jié)不同剖面顆粒態(tài)有機(jī)物的來源組成存在差異，從而田利值存在差別.(3)

40、6-8月季節(jié)性缺氧時(shí)期，水體底部出現(xiàn)厭氧層，反硝化作用容易發(fā)生、然而HF-S采樣點(diǎn)發(fā)生特有的水體回流現(xiàn)象阻止了反硝化作用的發(fā)生，由于溶解氧被帶到中下部水體，顆粒態(tài)有機(jī)物在硝化細(xì)常的作用下進(jìn)行硝化反應(yīng)，同時(shí)由于硝化細(xì)萌的強(qiáng)烈作用引起的出卞降低比沉降有機(jī)顆粒物的礦化作用引起的WN升高更加明顯，因此表現(xiàn)為8,5Npom減小，C/N基本不變.HF-N采樣點(diǎn)則不存在該水體回流現(xiàn)象，上部水體主要受硝化作用控制，雖底部水體出現(xiàn)厭氧層，然而實(shí)際上反硝化作用還未開始發(fā)生.因此，結(jié)合C/N比值以及8,5NpoMfS的剖面變化能夠很好的指示湖泊內(nèi)部發(fā)生的生物地球化學(xué)作用.4參考文獻(xiàn)1123OstromNE,Long

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