鄱阳湖区蚌湖重金属及氮的生物地球化学与同位素示踪

发布时间：2020-04-14 09:52

【摘要】：蚌湖是鄱阳湖边缘的一个自然小湖泊，蚌湖紧邻赣江、修河和鄱阳湖西北部水域，枯水期水位低落蚌湖因天然堤坝与它们隔离成为独立封闭湖泊；丰水期赣江、修河、鄱阳湖水位上涨，水体逐渐越过堤坝进入蚌湖并逐渐连成一片水域。正是这种河流-湖泊系统的水文连通性控制着湖泊的水位变化，使得蚌湖水源在不同水位期存在差异，随之运移而来的营养盐、阴阳离子、微量元素等也存在差异，表现在湖泊水体、沉积物、水生植物的元素和同位素对环境变化产生响应。本研究以蚌湖为主线，通过阴阳离子浓度、氢氧稳定同位素、无机氮稳定同位素分析蚌湖与赣江、修河水体交换情况；探讨水位变化对蚌湖水体理化参数的影响，并利用碳氮稳定同位素技术判断无机氮和颗粒有机质的来源以及对水位变化产生的响应；揭示蚌湖在不同水位条件下污染物扩散残留机制；并对比研究不同生态类型湖泊蚌湖（自然湖泊）及象湖（城市湖泊）的沉积物重金属元素的污染特征及潜在危害、无机氮及有机质碳氮稳定同位素特征与来源分析。（1）不同生态类型湖泊重金属污染及其潜在危害存在差异：蚌湖表层沉积物5种重金属的平均浓度顺序为CuZnPbCrCd，污染程度较低，Cd污染平均值达到土壤环境质量三级标准；Cu的含量随年代的分布情况与沿湖的工业发展有较密切的联系。象湖表层沉积物污染最严重的是Cd；各点重金属的平均浓度顺序为Zn＞Pb＞Cu＞Cr＞As＞Cd，城市湖泊Pb的污染不容忽视。两湖泊重金属浓度在深度上分布呈锯齿状，蚌湖重金属随深度增加浓度降低，而象湖不如蚌湖明显。（2）蚌湖、赣江、修河存在水体交换：蚌湖在水位上涨时期和赣江、修河的阴阳离子浓度、氢氧同位素差别不大，且蚌湖范围更宽，这是由于水位上涨时期蚌湖受纳了赣江、修河的水体，可能还有其它水源输入如鄱阳湖。而枯水期蚌湖与赣江、修河的阴阳离子浓度、氢氧稳定同位素差异很大，表明蚌湖枯水期是个独立湖泊。蚌湖、赣江、修河无机氮稳定同位素的分析也可以反映蚌湖与两条河流水体交换情况。枯水期蚌湖无机氮稳定同位素均为负值，而赣江修河无机氮稳定同位素均为正值，表明枯水期蚌湖与赣江、修河没有水体交换。平水期（水位上涨阶段）蚌湖无机氮稳定同位素与两条河流无机氮稳定同位素相近，同为正值，表明蚌湖水与两河流水体有交换。丰水期蚌湖、赣江、修河的氨氮稳定同位素都较负，主要来源于流域较多的雨水氨氮源，硝氮主要来源于雨水径流带入的农业氮源。平水期（水位退落阶段）蚌湖硝氮稳定同位素为负值与两河流相反，表明蚌湖水体是丰水期的滞留水体，两河流水可能没有进入蚌湖交换，而且蚌湖的硝化作用较强。（3）水位变化对蚌湖水样δ15N-NH4+、δ15N-NO3-有较大影响：蚌湖水样δ15N-NH4+、δ15N-NO3-在不同月份不同水位变化较大，不同水位条件下蚌湖无机氮稳定同位素都存在显著性差异，反映不同水位水体来源不同，丰水期和平水期（水位上涨）的水源是河流水和雨水，平水期（水位退落）和枯水期是丰水期的滞留水，同时湖泊内部的氨化硝化作用也很强。（4）有机质C和N同位素组成及C/N指示不同水位和季节有机质的来源和迁移：蚌湖季节性水位变化是影响C和N循环的主控因素，从而影响湖体有机质C和N稳定同位素组成及C/N，反映不同水位有机质来源不同。 1）悬浮颗粒有机质（SPM）：SPM的13C丰水期相对富集（δ13C=-27.5‰～-23.1‰），平水期（水位退落阶段）13C相对亏损(δ13C=-29.7‰～-26.8‰)，枯水期δ13C=-31.7‰～-27.3‰，平水期（水位上涨阶段）13C最亏损（δ13C=-35.4‰～-30.8‰）与各水位有显著性差异。SPM的C/N随水位升高而有轻微的上升趋势，大部分样品C/N大于7。丰水期SPM主要来源于外源土壤有机质和水生植物碎屑；平水期（水位退落）湖泊的水生生物碎屑是SPM主要组成。枯水期风浪引起的沉积物再悬浮是SPM重要组成。 2）表层沉积物（SOM）：SOM的δ13C随水位和季节不同而显著变化。SOM的δ13C在冬春季枯水期（δ13C=-30‰～-25.5‰）与夏秋季（δ13C=-26.5‰～-24‰）有显著差异。SOM的C/N变化很大，丰水期和平水期（水位退落阶段）C/N为2～3.5之间，比枯水期C/N为6.5～10.2和平水期（水位上涨阶段）C/N为5.7～9.2低很多，它们之间有显著性差异。丰水期SOM可能以自身矿化分解为主，SPM对SOM有一定贡献；平水期（水位退落阶段）和枯水期SOM主要由衰败的水生植物贡献并且在沉降过程中降解；平水期（水位上涨阶段）可能是外来水源对表层沉积有冲刷作用而使δ13C比枯水期升高很多，外来土壤有机质和水生植物碎屑对SOM没有贡献。 3）水生植物的δ13C的变化主要是季节变化：在夏季13C相对富集（δ13C=-29.2‰～-23.2‰），而在秋冬春季δ13C范围在-29.5‰～-27‰之间。水生植物的C/N在春夏季高（9.6～16.4），而秋冬季C/N是8～10。水生植物C和N循环主要受季节性的湖泊内部生物地球化学过程控制，在不同季节由于光照、温度不同，植物的光合作用、呼吸作用占主导地位的不同而引起同位素分馏。有机质颗粒（POM）的δ15N随水位变化不大，主要是季节变化。（5）不同生态类型湖泊无机氮和有机质碳氮稳定同位素差异及来源分析：根据水体无机氮δ15N和有机质δ13C、δ15N及有机C/N可以大致识别两湖泊无机氮和有机质来源。蚌湖水体无机氮（DIN）含量低，象湖DIN含量高。蚌湖水体无机氮的δ15N偏负，表现为雨水和农业肥料氮污染。象湖水体δ15N-NH4+分布范围大，两污染点δ15N-NH4+值分别为+13.5‰和+25.4‰，表现为污水输入特征，δ15N-NO3-变化主要是湖泊内部的生物地球化学过程分馏所致。蚌湖表层沉积物、大型浮叶植物δ15N差别不大，结合δ13C、有机C/N可以推断水生植物是蚌湖有机质的主要来源。象湖表层沉积物δ15N、有机C/N分布范围大，δ15N在+3.6‰～+8.3‰之间，有机C/N在2.6～10.8之间，表明城市湖泊污染有机质来源广泛，两污染点表现为废水污物有机质输入特征。
【图文】：

同位素分馏,分馏,数字表示,生态系统

图 1.2 生态系统中 δ13C 的分布与同位素分馏，箭头上的数字表示分馏（Δ, ‰）Figure 1.2 the distribution of δ13C and C isotopic fractional in the ecosystem在 N 的循环中，会有一些大的分馏如有机质在土壤中的降解会增加 δ15N -10‰，硝化与反硝化作用在海洋中分馏效应为 Δ = 10 - 40‰，，而其中的硝酸盐游植物同化会产生 Δ = 4 - 8‰的分馏效应。

生态系统,分馏

有差异较大的 δ13C 值，C3的 δ13C 值平均-28‰，而 C4的 δ13C 值平均-13‰[101]图 1.2 生态系统中 δ13C 的分布与同位素分馏，箭头上的数字表示分馏（Δ, ‰）Figure 1.2 the distribution of δ13C and C isotopic fractional in the ecosystem在 N 的循环中，会有一些大的分馏如有机质在土壤中的降解会增加 δ15N 值5-10‰，硝化与反硝化作用在海洋中分馏效应为 Δ = 10 - 40‰，而其中的硝酸盐被浮游植物同化会产生 Δ = 4 - 8‰的分馏效应。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X524

【参考文献】