鄱陽湖區(qū)蚌湖重金屬及氮的生物地球化學(xué)與同位素示蹤.pdf

1、蚌湖是鄱陽湖邊緣的一個自然小湖泊,蚌湖緊鄰贛江、修河和鄱陽湖西北部水域,枯水期水位低落蚌湖因天然堤壩與它們隔離成為獨立封閉湖泊;豐水期贛江、修河、鄱陽湖水位上漲,水體逐漸越過堤壩進入蚌湖并逐漸連成一片水域。正是這種河流-湖泊系統(tǒng)的水文連通性控制著湖泊的水位變化,使得蚌湖水源在不同水位期存在差異,隨之運移而來的營養(yǎng)鹽、陰陽離子、微量元素等也存在差異,表現(xiàn)在湖泊水體、沉積物、水生植物的元素和同位素對環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)。
　　本研究以蚌湖

2、為主線,通過陰陽離子濃度、氫氧穩(wěn)定同位素、無機氮穩(wěn)定同位素分析蚌湖與贛江、修河水體交換情況;探討水位變化對蚌湖水體理化參數(shù)的影響,并利用碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)判斷無機氮和顆粒有機質(zhì)的來源以及對水位變化產(chǎn)生的響應(yīng);揭示蚌湖在不同水位條件下污染物擴散殘留機制;并對比研究不同生態(tài)類型湖泊蚌湖(自然湖泊)及象湖(城市湖泊)的沉積物重金屬元素的污染特征及潛在危害、無機氮及有機質(zhì)碳氮穩(wěn)定同位素特征與來源分析。
　　(1)不同生態(tài)類型湖泊重金屬污染

3、及其潛在危害存在差異:蚌湖表層沉積物5種重金屬的平均濃度順序為Cu>Zn>Pb>Cr>Cd,污染程度較低,Cd污染平均值達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn);Cu的含量隨年代的分布情況與沿湖的工業(yè)發(fā)展有較密切的聯(lián)系。象湖表層沉積物污染最嚴(yán)重的是Cd;各點重金屬的平均濃度順序為Zn>Pb>Cu>Cr>As>Cd,城市湖泊Pb的污染不容忽視。兩湖泊重金屬濃度在深度上分布呈鋸齒狀,蚌湖重金屬隨深度增加濃度降低,而象湖不如蚌湖明顯。
　　(2)蚌湖、

4、贛江、修河存在水體交換:蚌湖在水位上漲時期和贛江、修河的陰陽離子濃度、氫氧同位素差別不大,且蚌湖范圍更寬,這是由于水位上漲時期蚌湖受納了贛江、修河的水體,可能還有其它水源輸入如鄱陽湖。而枯水期蚌湖與贛江、修河的陰陽離子濃度、氫氧穩(wěn)定同位素差異很大,表明蚌湖枯水期是個獨立湖泊。
　　蚌湖、贛江、修河無機氮穩(wěn)定同位素的分析也可以反映蚌湖與兩條河流水體交換情況?？菟诎龊o機氮穩(wěn)定同位素均為負(fù)值,而贛江修河無機氮穩(wěn)定同位素均為正值,表明

5、枯水期蚌湖與贛江、修河沒有水體交換。平水期(水位上漲階段)蚌湖無機氮穩(wěn)定同位素與兩條河流無機氮穩(wěn)定同位素相近,同為正值,表明蚌湖水與兩河流水體有交換。豐水期蚌湖、贛江、修河的氨氮穩(wěn)定同位素都較負(fù),主要來源于流域較多的雨水氨氮源,硝氮主要來源于雨水徑流帶入的農(nóng)業(yè)氮源。平水期(水位退落階段)蚌湖硝氮穩(wěn)定同位素為負(fù)值與兩河流相反,表明蚌湖水體是豐水期的滯留水體,兩河流水可能沒有進入蚌湖交換,而且蚌湖的硝化作用較強。
　　(3)水位變化對

6、蚌湖水樣δ15N-NH4+、δ15N-NO3-有較大影響:蚌湖水樣δ15N-NH4+、δ15N-NO3-在不同月份不同水位變化較大,不同水位條件下蚌湖無機氮穩(wěn)定同位素都存在顯著性差異,反映不同水位水體來源不同,豐水期和平水期(水位上漲)的水源是河流水和雨水,平水期(水位退落)和枯水期是豐水期的滯留水,同時湖泊內(nèi)部的氨化硝化作用也很強。
　　(4)有機質(zhì)C和N同位素組成及C/N指示不同水位和季節(jié)有機質(zhì)的來源和遷移:蚌湖季節(jié)性水位變化

7、是影響C和N循環(huán)的主控因素,從而影響湖體有機質(zhì)C和N穩(wěn)定同位素組成及C/N,反映不同水位有機質(zhì)來源不同。
　　1)懸浮顆粒有機質(zhì)(SPM):SPM的13C豐水期相對富集(δ13C=-27.5‰~-23.1‰),平水期(水位退落階段)13C相對虧損(δ13C=-29.7‰~-26.8‰),枯水期δ13C=-31.7‰~-27.3‰,平水期(水位上漲階段)13C最虧損(δ13C=-35.4‰~-30.8‰)與各水位有顯著性差異。SPM

8、的C/N隨水位升高而有輕微的上升趨勢,大部分樣品C/N大于7。豐水期SPM主要來源于外源土壤有機質(zhì)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主要組成。枯水期風(fēng)浪引起的沉積物再懸浮是SPM重要組成。
　　2)表層沉積物(SOM):SOM的δ13C隨水位和季節(jié)不同而顯著變化。SOM的δ13C在冬春季枯水期(δ13C=-30‰~-25.5‰)與夏秋季(δ13C=-26.5‰~-24‰)有顯著差異。SOM的C/N變化很大

9、,豐水期和平水期(水位退落階段)C/N為2~3.5之間,比枯水期C/N為6.5~10.2和平水期(水位上漲階段)C/N為5.7~9.2低很多,它們之間有顯著性差異。豐水期 SOM可能以自身礦化分解為主, SPM對SOM有一定貢獻(xiàn);平水期(水位退落階段)和枯水期SOM主要由衰敗的水生植物貢獻(xiàn)并且在沉降過程中降解;平水期(水位上漲階段)可能是外來水源對表層沉積有沖刷作用而使δ13C比枯水期升高很多,外來土壤有機質(zhì)和水生植物碎屑對SOM沒有貢

10、獻(xiàn)。
　　3)水生植物的δ13C的變化主要是季節(jié)變化:在夏季13C相對富集(δ13C=-29.2‰~-23.2‰),而在秋冬春季δ13C范圍在-29.5‰~-27‰之間。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循環(huán)主要受季節(jié)性的湖泊內(nèi)部生物地球化學(xué)過程控制,在不同季節(jié)由于光照、溫度不同,植物的光合作用、呼吸作用占主導(dǎo)地位的不同而引起同位素分餾。有機質(zhì)顆粒(POM)的δ15N隨水位變

11、化不大,主要是季節(jié)變化。
　　(5)不同生態(tài)類型湖泊無機氮和有機質(zhì)碳氮穩(wěn)定同位素差異及來源分析:根據(jù)水體無機氮δ15N和有機質(zhì)δ13C、δ15N及有機C/N可以大致識別兩湖泊無機氮和有機質(zhì)來源。蚌湖水體無機氮(DIN)含量低,象湖DIN含量高。蚌湖水體無機氮的δ15N偏負(fù),表現(xiàn)為雨水和農(nóng)業(yè)肥料氮污染。象湖水體δ15N-NH4+分布范圍大,兩污染點δ15N-NH4+值分別為+13.5‰和+25.4‰,表現(xiàn)為污水輸入特征,δ15N-N