2.2沉積物中色素含量及有機質(zhì)來(lái)源辨析


色素作為沉積物中反演湖庫生態(tài)環(huán)境的重要化學(xué)生物標志物,不僅可以反映藻類(lèi)生物量和表征特定生物來(lái)源,還可以記錄藻類(lèi)群落演替和初級生產(chǎn)力變化等重要信息。脫鎂葉綠素是葉綠素a的降解產(chǎn)物,可以用葉綠素a和脫鎂葉綠素來(lái)表征從水體中輸入的有機質(zhì)質(zhì)量。由圖4可知,沉積物中葉綠素a和脫鎂葉綠素含量的垂向分布特征與含水率和燒失量具有一致性,開(kāi)敞湖區(C1和C2)表層15 cm沉積物呈現明顯的下降趨勢,隨后趨于穩定。開(kāi)敞湖區沉積物中葉綠素a和脫鎂葉綠素含量的最大值分別為3.7±0.2和26.6±0.7μg/g,而湖濱帶沉積物葉綠素a和脫鎂葉綠素含量的最大值分別為14.9±0.6和32.5±0.3μg/g,這與何延召等對巢湖沉積物中葉綠素a及其降解產(chǎn)物脫鎂葉綠素的研究結果一致,巢湖表層沉積物中葉綠素含量在1.3——27.4μg/g之間,脫鎂葉綠素含量在1.0——32.1μg/g之間,沉積物有機質(zhì)主要以藻源性有機碎屑組成為主。研究表明,近年來(lái),隨著(zhù)氣候變化和富營(yíng)養化程度的加劇,在富營(yíng)養化湖泊巢湖、太湖、滇池,甚至部分水庫,表層沉積物均以藻源性有機質(zhì)為主。

圖4沉積物中葉綠素a和脫鎂葉綠素含量的垂向變化


為進(jìn)一步驗證沉積物中有機質(zhì)來(lái)源,對沉積物中TOC和TN含量進(jìn)行分析。由于陸生高等植物纖維素含量較高而蛋白質(zhì)含量較低,而湖泊內源有機質(zhì)富含蛋白質(zhì),纖維素含量低。一般而言,陸生高等植物的有機質(zhì)C/N比通常為20——30,內源藻類(lèi)有機質(zhì)TOC/TN比為4——10之間,沉積物有機質(zhì)TOC/TN比大于10則認為受到藻源性和陸源性有機質(zhì)的共同影響。因此,利用沉積物中碳氮元素比可以判斷沉積物中有機質(zhì)的來(lái)源是湖泊自身還是外源輸入。由圖5可知,湖濱帶(L1和L2)沉積物中,TOC/TN分別在5.6——7.3和8.3——11.3之間,而開(kāi)敞湖區(C1和C2)沉積物中,TOC/TN比分別在6.3——13.1和7.2——19.8之間。究其原因,在主導風(fēng)向東南風(fēng)的作用下,在竺山灣湖濱帶、侵蝕漕及挺水植物群叢內,堆積了大量碎屑殘體而形成堆積層,該堆積層主要是藻類(lèi)碎屑殘體占優(yōu),局部區域夾帶著(zhù)水生植物碎屑殘體及外源有機質(zhì),因而TOC/TN偏低。因此,根據以上的結果綜合判斷,太湖西北湖區竺山灣沉積物中有機質(zhì)以藻源性為主,而開(kāi)敞湖區沉積物中有機質(zhì)則呈現出藻源性和陸源性混合輸入的特征。

圖5沉積物中碳氮比的空間變化


2.3沉積物中生物易降解有機質(zhì)的垂向分布特征


藻型湖區沉積物中生物易降解有機質(zhì)的組成和分布存在明顯的空間異質(zhì)性。沉積物中生物易降解成分占TOC的比重在46.3%——77.9%之間,組成上以脂類(lèi)(7.7 mg/g)含量為主,其次是糖類(lèi)(4.5 mg/g),蛋白質(zhì)(0.8 mg/g)含量最低;空間上,湖濱帶沉積物中生物易降解有機質(zhì)含量顯著(zhù)高于開(kāi)敞湖區(P<0.05),湖濱帶沉積物中總蛋白、總糖和總脂的含量分別在0.1——3.5、3.1——16.3和6.3——10.9 mg/g之間,而開(kāi)敞湖區中分別在0.1——1.9、2.5——6.0和4.3——9.6 mg/g之間(圖6)。這與富營(yíng)養化湖泊巢湖沉積物中易降解有機質(zhì)的組成較為一致,巢湖沉積物中總蛋白、總糖和總脂含量分別在0.6——5.5、1.6——6.5和1.0——3.9 mg/g之間。究其原因,一方面,湖濱帶更偏向滯水環(huán)境,有利于藻類(lèi)碎屑殘體的堆積,而開(kāi)敞湖區水動(dòng)力更強,沉積物再懸浮更嚴重,有機質(zhì)降解更加充分,故表現為生物易降解有機質(zhì)在湖濱帶富集的特征。另一方面,在富營(yíng)養化狀態(tài)下,藻類(lèi)碎屑殘體的大量沉積,其中部分活性高的有機質(zhì)優(yōu)先降解,如色素、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)等,而腐殖質(zhì)等較難降解有機質(zhì)會(huì )保留在沉積物中。對40種不同藻類(lèi)細胞組分研究表明,藻細胞主要由蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和脂類(lèi)物質(zhì)組成,不同組分的相對含量因藻的種類(lèi)不同而有所差異。通常藍藻中蛋白質(zhì)含量較高(41%——69%),而硅藻中脂類(lèi)含量較高(5%——43%),其中蛋白質(zhì)是有機質(zhì)中活性較高的組分,其含量和組成的變化對于底棲生物的分布、群落結構及動(dòng)態(tài)有重要的影響。雖然藻類(lèi)衰亡后釋放多種有機質(zhì),且蛋白質(zhì)和多糖是其主要組成,但其降解較快,4天內可分解其自身干重的50%,大量藻類(lèi)碎屑殘體在沉降到湖底之前,蛋白質(zhì)等最易降解的有機質(zhì)基本降解完全,其易降解程度表現為:蛋白質(zhì)>總糖>總脂,因而沉積物中蛋白質(zhì)含量較低,而脂類(lèi)含量較高。

圖6沉積物中生物易降解有機質(zhì)的垂向變化


3結論


微電極系統(Unisense A/S,Arbus,丹麥)對富營(yíng)養化湖泊藻型湖區沉積物~水界面理化指標的剖面特征及沉積物中生物易降解有機質(zhì)的組成和分布特征進(jìn)行研究,主要結論如下:


1)藻類(lèi)碎屑殘體沉降會(huì )影響沉積物~水界面的氧化還原環(huán)境,因呼吸、微生物降解而造成DO濃度降低,水和沉積物Eh快速下降,形成厭氧強還原環(huán)境,并產(chǎn)生大量H2S.


2)湖濱帶藻類(lèi)碎屑殘體堆積嚴重,使得大量光合色素在沉積物中累積,表層15 cm以上沉積物含水率和燒失量較高,有機質(zhì)含量豐富。


3)太湖竺山灣湖濱帶沉積物中有機質(zhì)以藻源性為主,而開(kāi)敞湖區沉積物中有機質(zhì)則呈現出藻源性和陸源性混合輸入的特征。


4)藻型湖區沉積物中生物易降解有機質(zhì)的組成和分布存在明顯的空間異質(zhì)性。組成上以脂類(lèi)為主,其次是糖類(lèi),蛋白質(zhì)含量最低;空間上,湖濱帶沉積物中生物易降解有機質(zhì)含量顯著(zhù)高于開(kāi)敞湖區。