2022, Vol. 41
2. 贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵阳 550025
2. Key Laboratory of Karst Geological Resources and Environment, Ministry of Education, Guizhou University, Guiyang 550025, China
湿地是水陆系统交互作用形成的具有特殊结构的自然综合体，是自然界三大生态系统之一[1]。而岩溶湿地则是指以岩溶水为主要补给水源或主要分布在岩溶地区（包括地表、地下），具备岩溶地区特殊的高钙偏碱性水土特征的内陆湿地[2-3]，由于受到特殊水文地质的影响，其结构和功能与其他类型的湿地差异较大。我国西南地区是典型的喀斯特岩溶地形地貌区，其独特的地表地下双重水系统及快速的水文变化过程使得该地区岩溶湿地生态环境复杂而脆弱，也因此受到了国内外学者的广泛关注[4]。贵州威宁草海是我国最大的岩溶湿地湖泊，近几十年来由于遭受城市生活污水及农业农村面源污水的污染，湿地面积大量萎缩，水环境和水功能下降明显[5]。
湿地沉积物是水体环境的重要组成部分，不仅能为湿地生物提供丰富的营养物质，还对湿地中污染物起着吸附沉降的作用，是各类污染物质的“指示体”和“积蓄体”[6-7]。研究沉积物有机质的组成和分布特征对了解其在水环境中如何参与物质循环至关重要[8]，研究湿地沉积物中碳、氮元素及其同位素的特征有助于掌握水域营养状况、水体初级生产力及物质来源[9]。通常湿地表层沉积物的有机质来源分为内源和外源，内源一般来自动植物残体、浮游生物及微生物等，外源主要来自于外排水中溶解态和颗粒态的有机质等[10]，其富集可能会造成湿地富营养化。对沉积物有机质的含量、空间分布特征以及来源进行全面系统分析，对更深入了解沉积物在湿地生态系统中的作用具有重要意义[11]。
目前针对贵州草海自然保护区碳、氮等营养元素循环过程已开展相关研究工作并取得了一定成果[12-15]。然而，对于表层沉积物有机质空间分布特征及来源辨析尚不够全面深入，且相关研究的样点布设较少，采样点位主要集中在湖心区域，呈线形条带状，且采样时间多为一个季度，虽然进行了同季度分区域对比，但是仍然缺少更详细的时空参考性及不同类型的湿地/湖泊之间的对比。草海湿地面积辽阔，是重要的候鸟越冬迁移的停歇地，湖区水动力条件复杂，季节差异性大，近年来管理措施的逐步完善使得水环境得到改善，要全面反应有机质在草海中的空间分布情况，需要加强采样点的空间布设、增加样品的采集期数[16]，同时在分析有机质来源时进行定性和定量分析。基于此，本研究对草海全湖不同季节表层沉积物进行了样品采集，以期揭示草海湿地表层沉积物总有机碳（TOC）和总氮（TN）的时空分布及碳同位素（δ13C）和氮同位素（δ15N）组成特征，定性和半定量地分析草海湿地有机质的来源。研究结果可为草海湿地环境管理提供有效参考，亦可进一步丰富对岩溶湿地生态系统碳、氮循环过程的认识。
1 材料与方法 1.1 研究区概况草海属国家级自然保护区，总规划面积96 km2，位于贵州省西部的威宁县城西南角（26°47′ ~26°52′ N，104°10′ ~104°20′ E）。草海流域属山地暖温带湿润季风气候，具有日照丰富、冬干夏湿等特点，年平均气温10.5 ℃，年均降水量950.9 mm，主要集中在下半年。由于受季节性降雨的影响，草海平水期水位为2 171.7 m，平均水深2.4 m，正常蓄水面积为25 km2，相应库容为4 703.2万m3，而丰水期水位可达2 172.8 m，相应水域面积达到29.85 km2；枯水期水位则降至2 171.2 m，相应水域面积缩小为15 km2。草海地区贫困面广、经济总量小，污水处理设备不足，草海内污染物主要来自于周边入湖的面源污染及周围城镇乡村的生活污水[17]。
1.2 样品采集与预处理本研究分别于2019年7月（丰水期）和2019年12月（枯水期）对保护区进行样品采集，共设置25个点位（图 1），各采样点使用GPS确定坐标和高程。使用沉积物采样器分别采集10 cm以内的表层沉积物样品，装入干净的密封袋内，避光低温保存，带回实验室经过冷冻干燥机干燥后，去除杂质，过100目筛后存放于棕色聚乙烯瓶中密封保存。
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图 1 草海采样点分布图 Figure 1 Distribution of sampling sites of Caohai Lake |
称取过筛后的沉积物样品0.5 g，置于50 mL离心管中，并加入0.5 mol·L-1HCl（优级纯）30 mL以去除无机碳酸盐，期间每8 h摇动一次，浸泡24 h后，再用去离子水淋洗样品直至滤液呈中性，并用AgNO3溶液检测样品中是否有Cl-残留，然后将该样品进行冷冻干燥。
采用元素分析仪（FLASH 2000HT，美国Thermo）和同位素质谱仪（MAT253plus，美国Thermo）联用系统对沉积物中有机碳/氮含量及其同位素组成进行测定，具体流程为：将预处理后的样品用锡舟紧密包裹送入氧化炉中，在960 ℃的过氧环境下瞬间高温燃烧，形成的碳、氮、氧各成分混合气体在高纯氦气的运载下经还原转化成CO2和N2，燃烧产生的所有气体在氦载气流下带入并通过分层充填Cr2O3、还原铜和镀银Co3O4的氧化还原反应管，气体通过色谱柱（美国Thermo）将N2和CO2气体分开后进入质谱仪测试。计算公式为：
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式中：R=13C/12C或15N/14N，其中有机碳、氮同位素标准分别为VPDB和大气中的氮，分析误差小于0.02%。预处理及同位素分析测试工作分别在贵州大学资源与环境工程学院及北京科荟测试技术有限公司完成。
有机质来源的半定量分析，采用混合模型进行量化：
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式中：δ13C为有机质的稳定碳同位素构成；sample代表样品；f为不同端元对应的贡献百分数；C/N为有机质中碳、氮元素的含量比；淡水水生植物记为p；浮游藻类记为algae；土壤有机质记为S。
1.4 数据分析研究数据采用Excel 2016和SPSS Statistics 20软件进行处理及分析，所有数据均通过正态分布检验，采样布点图和数据分析图采用ArcGIS 10.4和Origin 2018软件绘制。
2 结果与讨论 2.1 草海湿地表层沉积物有机质特征 2.1.1 表层沉积物TOC、TN时空分布特征丰水期沉积物TOC含量变化范围为3.75%~32.71%，平均值为14.34%；枯水期沉积物TOC含量变化范围为1.26%~34.11%，平均值为12.46%；丰水期沉积物TN变化范围为0.39%~2.90%，平均值为1.52%；枯水期TN变化范围为0.18%~2.49%，平均值为1.12%。枯水期沉积物的TOC和TN含量略低于丰水期，这可能是由于丰水期降雨量大，外源含碳、氮物质随地表径流进入湿地的量增多。TOC、TN在空间分布上表现为西南和湖心区域最高，东部和西北湖区较低（图 2和图 3）。由于西南湖区有大量的农田，降雨时有机质会随陆源输入沿地表径流进入湖泊内，使得总体上西南湖区的有机质含量高于其他湖区；湖心的TOC、TN整体上变化不明显，这是由于湖心距离两岸较远，生态系统保持较稳定。
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图 2 草海表层沉积物丰、枯水期TOC含量空间分布 Figure 2 Spatial distribution of TOC content in Caohai Lake surface sediments during wet and dry seasons |
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图 3 草海表层沉积物丰、枯水期TN含量空间分布 Figure 3 Spatial distribution of TN content in Caohai Lake surface sediments during wet and dry seasons |
前人研究表明，沉积物中TOC、TN具有最低级别生态毒性效应所对应的含量为1% 和0.055%[18]，而草海湿地的平均TOC、TN含量超过限值的10倍，足够引起严重级别的生态毒性效应，对湖泊的生态水环境造成严重的威胁，说明草海湿地整体的初级生产水平较高，有机质降解不够彻底，同时部分地区还面临富营养化风险。
由表 1可知，从2010年到2016年，草海湿地的TOC、TN含量有明显的增加，这可能是由于当时的水处理设施较为落后，来自周围农村的生活污水直接排入湿地，使得有机质受外源输入影响增加；从2016年至今，由于流域环境管理措施逐渐完善，周围的面源污染得到一定控制，因此由污染源输入的有机物质的量减小。
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表 1 草海不同时期TOC和TN的变化 Table 1 Changes of TOC and TN in different periods of Caohai Lake |
δ13C通常用来指示有机质的来源及污染状况，通常δ13C值越小说明污染越严重[12]。草海湿地丰水期表层沉积物δ13C分布范围在-2.55%~-1.97%，平均值为-2.23%；枯水期δ13C分布范围在-2.75%~-1.96%，平均值为-2.35%。从图 4中可以看出，δ13C在空间分布上未表现出明显的季节变化，说明有机质来源组成差异性较小，同时东部湖区较其他湖区偏小，是因为东部湖区毗邻县城，污染物来源相对于其他区域较为复杂，沉水植物受破坏严重，导致草海东部成为全湖污染最严重的区域。由图 5可知，丰水期表层沉积物δ15N分布范围为0.03%~0.37%，平均值为0.24%；枯水期δ15N分布范围为0.10%~0.46%，平均值为0.30%。枯水期的δ15N比丰水期的高，这可能与丰水期大量降雨冲刷带来无机氮存在于沉积物中，使其含量大于枯水期有关，因此丰水期有机氮同位素含量相对较小。
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图 4 草海表层沉积物丰、枯水期δ13C组成空间分布 Figure 4 Spatial distribution of δ13C composition of surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons |
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图 5 草海表层沉积物丰、枯水期δ15N组成空间分布 Figure 5 Spatial distribution of δ15N composition of surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons |
C/N在一定程度上可以用来指示有机质的主要来源及营养成分的种类，不同的有机质来源表现为C/N值的显著差别，根据这一特性可以用C/N来判断潜在输入的有机质来源，表征生态环境的演化过程。草海湿地丰水期表层沉积物的C/N变化范围为6.35~13.73，平均值为9.24；枯水期表层沉积物的C/N变化范围为6.95~13.68，平均值为10.06。C/N在时间上表现为枯水期大于丰水期，但是差异较小，说明沉积物中有机质的来源较稳定；空间分布上表现为西南和东部湖区高于西北湖区（图 6）。相关研究表明，当C/N > 8时，通常认为有机质既受陆源输入影响，又受湖泊自身水环境的影响，属于混合来源；当C/N < 8时，认为有机质来源以内源为主[19]。本研究中草海丰、枯水期分别有76%和80%的样品点C/N > 8，这表明有机质应属于混合来源。
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图 6 草海表层沉积物丰、枯水期C/N空间分布 Figure 6 Spatial distribution of C/N ratio of surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons |
现有研究中，C/N还可与δ13C一同用来区分湖泊中有机质的起源。通常，湖泊沉积物的C/N随时间的推移而下降，这是因为二氧化碳和甲烷作为降解产物被释放，同时保留了氨以及微生物固定的氮。因此，有机质来源应结合C/N和δ13C共同进行识别。通常，水体中沉积物有机质的来源主要分为两大类：一是内源有机质，包括浮游生物、藻类、淡水水生植物等；二是外源有机质，包括土壤有机质、陆生C3植物和C4植物等。前人已经对沉积物有机质不同来源的C/N和δ13C含量变化范围进行了详细总结，例如典型藻类的C/N为4~10，而维管束陆生植物的C/N≥20[20]。δ13C是判定有机质来自湖泊植物或陆上植物更好的指标，来自典型陆地C3植物的有机质δ13C为-3.0%~-2.3%，平均值为- 2.7%；而来自C4植物有机质的δ13C为- 1.6%~-0.9%，平均值为-1.3%；浮游植物的δ13C为- 2.4% 和-1.7%，平均值为-2.1%；人类活动产生的污水的δ13C为- 2.8%~ - 2.3%；土壤有机质的δ13C为- 2.6%~-2.2%[21-25]。在本研究中，草海表层沉积物丰水期δ13C平均值为-2.23%，枯水期为-2.35%，没有发现明显季节性差异。结合C/N及δ13C含量初步判定草海湿地表层沉积物中有机质的内源以湖泊内藻类物质和淡水水生植物贡献为主，外源主要来自土壤有机质和陆生C3植物的输入。综上，本文将端元物质判定为4类，分别是浮游藻类、淡水水生植物、土壤有机质、陆生C3植物，将C/N和δ13C分布范围绘制成四端元关系图，通过图 7分析可知，草海湿地表层沉积物有机质外源主要是土壤有机质输入，内源以淡水水生植物为主要来源，浮游藻类贡献次之。
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图中源范围参考文献[12, 23, 26] The source range in the figure is quoted from[12, 23, 26] 图 7 草海表层沉积物丰、枯水期δ13C与C/N的端元关系图 Figure 7 End member relationship between δ13C and C/N of surface sediments in Caohai Lake during wet and dry seasons |
为量化每个端元的贡献值以及分析草海表层沉积物有机质的来源，本研究采用三端元混合模型进行半定量分析，该模型的原理是在形成沉积物的过程中C/N和δ13C遵循质量守恒定律和保守性。根据前文分析将草海表层沉积物有机质来源端元简化确定为土壤有机质、淡水水生植物及浮游藻类。将图 7中端元物质分布范围的平均值确定为3个端元的特征值进行模型计算，对应的端元值分别为：（1）土壤有机质，δ13C=-2.40%，C/N=10；（2）淡水水生植物，δ13C= -2.30%，C/N=20；（3）浮游藻类，δ13C=-2.70%，C/N=7。根据各采样点表层沉积物的δ13C组成和C/N，结合上述端元值进行数值计算编制三元混合模型，得出3类端元对应的贡献率。丰水期沉积物有机质中土壤有机质的平均贡献值为36.96%，淡水水生植物平均贡献值为37.76%，浮游藻类的平均贡献值为25.28%；而枯水期沉积物有机质中土壤有机质的平均贡献值为32.26%，淡水水生植物平均贡献值为42.31%，浮游藻类的平均贡献值为25.43%。半定量分析进一步佐证了定性分析结果，草海湿地的沉积物有机质来源是内源与外源的结合，内源贡献的有机质含量高于外源，反映出草海湿地内沉水植物、挺水植物生长繁茂，自身的初级生产力较高。
2.3 与国内其他湖泊沉积物有机质来源对比与国内的其他湖泊相比（表 2），草海湿地沉积物的TOC和TN含量比太湖[27]、鄱阳湖[28]、乌梁素海[29]高出5倍以上，比同一流域背景下的红枫湖[30]和百花湖[31]高出3倍左右。这一方面是由于湿地中大量生长的藻类和水生植物死亡后累积在沉积物的表层，相对厌氧的环境抑制了有机质的降解，导致沉积物中有机碳、氮的蓄积量远大于其他湖泊，间接表明草海湿地的初级生产力较高，湿地内水生植被生长茂盛，且物种丰富，植物自身的光合呼吸作用、降解过程对有机质的贡献较大[32]；另一方面也表明岩溶湿地由于受到岩溶水补给影响，岩溶地下水中丰富的无机碳可能对湿地水生植物生长具有施肥效应，刺激着湿地内植被的生长。此外，与藻型湖泊相比，大量生长茂盛的挺水植物、沉水植物等使得草型湖泊具有更高的初级生产力，因此其有机质来源通常是以内源生产为主，湖泊不同的地域环境可能会带来一定量的陆源输入；而藻型湖泊的有机质一部分来自大量生长的各种藻类的降解作用，另一部分来自水中的浮游植物及周边河流排水、陆地降雨的影响。同时，引起草型湖泊和藻型湖泊富营养化的一部分原因是内源生产过量，因此可采取定期收割水生植物的措施来防止内源污染物释放，遏制湖泊富营养化的进程。
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表 2 草海表层沉积物相关数据与国内部分湖泊对比 Table 2 Comparison of surface sediment data of Caohai Lake with some lakes in China |
（1）草海湿地表层沉积物丰水期总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量变化范围分别为3.75%~32.71% 和0.39%~2.90%，平均值分别为14.34% 和1.52%；枯水期TOC、TN含量变化范围分别为1.26%~34.11% 和0.18%~2.49%，平均值分别为12.46% 和1.12%。两个水文期的TOC、TN含量在空间分布特征上都表现为西南和湖心区域大于东部和西北区域。
（2）草海湿地表层沉积物丰水期稳定碳同位素（δ13C）和稳定氮同位素（δ15N）分布范围分别为- 2.55%~ - 1.97% 和0.03%~0.37%，平均值分别为-2.23% 和0.24%；枯水期δ13C、δ15N分布范围分别为- 2.75%~ - 1.96% 和0.10%~0.46%，平均值分别为-2.35% 和0.30%。δ13C的空间分布特征表现为东部湖区较西部湖区明显偏低，δ15N的时间分布特征表现为枯水期较丰水期高。
（3）端元混合模型对草海湿地表层沉积物来源的定性和半定量分析结果表明：草海湿地表层沉积物有机质的来源可能是土壤有机质、浮游藻类及淡水水生植物以一定比例的混合，其中来自内源的有机质贡献大于来自外源的贡献。
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