抚仙湖沉积物有机质积累特征及其环境效应研究

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湖泊是有机质生产、转化、储存的重要场所,沉积物有机质不仅可以较好地指示区域环境变化,沉积物有机质也是各类生物地球化学进程的重要影响因素。因此,研究湖泊沉积物有机质的来源,组成及降解特征等,对研究湖泊的功能特征,了解人类活动对湖泊的影响有重要意义。本文选择深水贫营养抚仙湖为研究对象,系统采集表层沉积物及柱状沉积物,通过对沉积物颗粒有机质及溶解性有机质来源及组成的分析,揭示沉积物有机质积累规律,并探讨影响沉积物有机质分布的主要因素。通过对沉积物有机质矿化相关元素的赋存状态及矿化速率的测定,分析了沉积物有机质积累对矿化特征的影响。主要研究内容和结果如下:  (1)本研究首先探讨了抚仙湖表层沉积物有机质的来源。对比抚仙湖表层沉积物及流域内高等植物,典型土壤,河道表层沉积物的碳氮稳定同位素及碳氮比,发现抚仙湖表层沉积物受藻源及陆源有机质的双重影响,大部分样点以藻源有机质为主,水深较浅的沉积物受陆源影响更重。藻源性有机质的δ13Corg相对陆源有机质的特征值偏负,δ13Corg可以较好地指示有机质来源的空间差异。抚仙湖表层沉积物氨基酸以甘氨酸(Gly),天冬氨酸(Asp),丙氨酸(Ala),谷氨酸(Glu)为主,与以藻源有机质为主的海洋沉积物一致,此外,指示藻类生产力的绿素与总有机碳(TOC)含量显著正相关,均直接证实了抚仙湖表层沉积物以藻源有机质为主的特征。本研究表明,抚仙湖沉积物有机质受藻类控制,藻类的动态变化很可能对沉积物的性质产生重要影响。  (2)研究抚仙湖沉积物有机质性质及其空间分布特征。发现活性有机质(绿素(Chlorins),总糖(CHO),总脂(LIP),蛋白质(PRT),总水解氨基酸(THAA))与TOC的分布基本一致。抚仙湖沉积物性质存在较强的空间异质性,有机质含量与粒度、区域污染类型及强度有关,北湖区深水区有机质受细颗粒组分控制,含量最高,其次为村落农田污染型区域,而直接受红土影响的区域受稀释效应的影响,各类有机质含量最低。用沉积物活性有机质的含量及组成评价了最表层沉积物的营养状态,发现大部分样点处于富营养状态,这可能与抚仙湖沉积物颗粒较细及藻类优势种为转板藻有关。利用绿素系数(CI),基于氨基酸的降解系数(DI),PRT/CHO,LIP/CHO评价了表层沉积物的降解状态,得到了较为一致的结论,即抚仙湖最表层沉积物处于中等降解的状态,且随沉积物深度增加变化较快,再矿化作用明显。不同样点新鲜程度并没有显著的空间分布特征,可能受粒度,水深等因素的影响。  (3)在抚仙湖沉积较稳定的南北湖心,综合测定沉积物有机质性质,分析其随沉积物深度的变化趋势,以反演抚仙湖历史环境的变化,并探究其变化原因。结果显示南北湖区的变化趋势较一致,自20世纪80年代初以来,沉积物的营养程度提升比较显著,有机质积累量明显增加。沉积物表层碳同位素的偏负变化指示了流域内污水排放对沉积物的影响,说明人类活动干扰对抚仙湖沉积物性质产生了较大影响。  (4)利用紫外-可见光谱及三维荧光光谱手段,结合平行因子分析,解析出陆源类腐殖质C1,海源类腐殖质物质C3及类色氨酸物质C2三种成分。沉积物间隙水DOC组成与湖水相似,受微生物活动的影响较大,表现出较强的自生源特征,以类色氨酸物质为主。抚仙湖表层沉积物间隙水荧光强度的水平分布呈现远岸点位低于近岸点位,主要与沉积物粒度及上覆水溶氧状况有关系。沉积物间隙水DOC垂向分布受沉积物中矿化作用影响较大,荧光组分强度随沉积物深度增加呈增加趋势,且表层自生组分比例较高,分子量较小,底层腐殖化程度较高。  (5)分析抚仙湖不同点位有机质积累对矿化特征的影响。结果显示,抚仙湖沉积物氧气渗透深度较小,在表层3mm以内迅速被消耗。抚仙湖沉积物产甲烷速率高于铁还原速率,而铁还原速率高于硫还原速率。在沉积物每个层次均发现铁还原,硫还原及产甲烷过程共存,且硫还原最高速率发生的深度最浅。硫还原产物AVS含量随水深增加而增加的趋势,与有机质的含量分布趋势一致。有机质性质对沉积物有机质矿化速率的垂向分布有重要影响,而在有机质来源差异较大的点位之间,有机质矿化方式及速率可能受有机质沉降通量影响较大,与积累的有机质性质直接关联相对较弱。
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