長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化特征

高進(jìn)長,龍 翼,張信寶,賀秀斌,王銘烽

(1.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室,成都 610041; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化特征

高進(jìn)長1,2,龍 翼1,張信寶1,賀秀斌1,王銘烽1,2

(1.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室,成都 610041; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

為揭示長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化特征，采用重力采樣器采集水庫沉積泥沙，測定了沉積物樣品的容重、顆粒組成、總有機碳(TOC)等。結(jié)果表明：自1956年水庫建成后，長壽湖水庫采樣點沉積物的厚度為92 cm，年均沉積深度為1.59 cm。沉積物顆粒粒徑隨深度減小呈現(xiàn)出先變細(xì)，再變粗，表層變細(xì)的變化趨勢。沉積物中TOC平均含量為14.14 g/kg，從建庫開始，采樣點沉積物中TOC的含量變化趨勢是先減??；隨著人類活動的加劇導(dǎo)致土地利用發(fā)生較大變化，如退耕還林、城市化進(jìn)程加快等，特別是水面上肥水網(wǎng)箱養(yǎng)魚等活動，使沉積物中TOC含量逐漸增加；在2004年長壽湖水庫全面禁止肥水養(yǎng)魚后，TOC含量逐漸減小。研究長壽湖水庫沉積物有機碳的垂直變化，對認(rèn)識水庫沉積物物理性質(zhì)、沉積歷史及沉積物與人類活動的關(guān)系有重要的意義。

沉積物; 有機碳; 垂直變化; 長壽湖水庫

水庫作為特殊的半自然半人工水體，其水深、水動力學(xué)、水生態(tài)系統(tǒng)等特征明顯區(qū)別于湖泊[1]和海洋，是具有重要研究價值的水體類型。水庫沉積物的連續(xù)性及其剖面保存的完整性，可以敏感、高分辨地記錄區(qū)域環(huán)境變化，提供時間分辨率達(dá)1～10 a的高精度環(huán)境信息[2-3]，同時，水庫與人類活動密切相關(guān)，流域內(nèi)人類活動的信息也保存在沉積物。有機碳是水庫沉積物的主要組分之一，主要來源于水庫水生植物、流域侵蝕帶來的陸源植物碎屑，受到地貌過程、生態(tài)過程和水文過程等的影響，也受到人類活動如修筑大壩、毀壞森林、大規(guī)模退耕還林及城市化等的影響。因此，有機碳是描述水庫沉積物中有機物質(zhì)的一項基本參數(shù)，其攜帶著的不同時間流域環(huán)境變化和人類活動信息，可以反映全流域范圍內(nèi)自然過程和人類活動的詳細(xì)記錄[4-5]。近年來，隨著人類經(jīng)濟活動對流域地表和水庫干擾程度的加劇，水庫水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化發(fā)展迅速，嚴(yán)重制約著區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高[6]，這些變化既與流域范圍內(nèi)日益劇烈的人類活動有關(guān)，如鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的異軍突起、土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、城市規(guī)模急劇擴張，又有可能是流域自然沉積演化的自然結(jié)果[7]。總有機碳(TOC)是以碳的含量表示沉積物有機物總量的綜合指標(biāo)，可以較全面地反映出沉積物的污染程度及水庫水的污染程度。水庫沉積物有機碳在數(shù)量和性質(zhì)等方面已經(jīng)發(fā)生并且仍在發(fā)生著顯著的變化，而這些變化將在沉積物的垂直變化中得以反映。

本文探討長壽湖水庫沉積物有機碳垂直變化特征及其與人類活動的相互關(guān)系，對認(rèn)識沉積物特征、歷史變化及人類活動之間的關(guān)系有重要意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

長壽湖水庫位于重慶市長壽區(qū)境內(nèi)，距重慶市主城區(qū)100 km，距長壽城區(qū)約20 km，水域面積約65.5 km2，總庫容為10億m3，一般水深15 m，地理位置為29°50′—30°04′N，107°15′—107°25′E。長壽湖水庫屬于大型水庫，始建于1954年，于1956年建成，其最初功能為發(fā)電、蓄水和灌溉。龍溪河是長壽湖水庫的主要河流，其發(fā)源于重慶市梁平縣境內(nèi)，流經(jīng)梁平縣、墊江縣和長壽區(qū)，最后匯入長江，龍溪河長約220 km，流域面積約3 150 km2，多年平均徑流量約為54.0 m3/s，是重慶市轄區(qū)內(nèi)流入長江的主要一級支流。龍溪河沿岸的梁平、墊江兩縣是重慶市最大的平壩地區(qū)和重要的糧食產(chǎn)地，近30年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市污水和工業(yè)廢水排放量逐步增加，并通過龍溪河流入長壽湖水庫，對長壽湖水庫及水庫沉積泥沙產(chǎn)生了一定的影響。

長壽湖水庫也是重慶市最大的湖泊旅游風(fēng)景區(qū)和重要的淡水魚養(yǎng)殖基地之一。20世紀(jì)90年代，由于水庫肥水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展，以及養(yǎng)殖密度的不斷提高，長壽湖水庫開始人工投放飼料和肥料，采用投餌式的肥水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，產(chǎn)生大量的殘餌和魚類糞便，并且在水庫泥沙中不斷沉降和積累，使沉積泥沙中有機物的含量不斷增加，對水庫環(huán)境造成一定的負(fù)面影響[8-9]。

1.2采樣點的布設(shè)與樣品采集

選擇長壽湖水庫為研究對象，是因為長壽湖水庫興建時間距今50多年，自水庫建成后，庫底沒有進(jìn)行清淤，并且對研究三峽水庫的沉積物淤積及有機碳的特征有一定的借鑒作用。2014年5月，我們對重慶市長壽湖水庫進(jìn)行了實地考察，并調(diào)查采樣。為了使調(diào)查數(shù)據(jù)更具代表性，選取典型樣點在龍溪河主支流流入長壽湖水庫的入口處，上游攜帶著泥沙、工業(yè)廢水等經(jīng)龍溪河進(jìn)入長壽湖水庫，東西兩側(cè)均分布著果園，岸邊村落密集，采樣點位置見圖1。

圖1　研究區(qū)概況

用重力采樣器采集沉積物(model HR,RIGO Co.Ltd.,Saitama,Swit)，采樣方法是將長2 m、內(nèi)徑6 cm的PVC管伴隨鋼管，通過錘擊將PVC管垂直打入水庫底泥中，直至打到硬底無法錘入，垂直拔出鋼管后，將PVC管取出，兩端封閉，垂直放置，直至實驗室，避免沉積物干擾和損失，以獲得完整的原狀沉積物樣芯。

1.3樣品處理與分析

在龍溪河主支流入口處，隨機采集兩個重復(fù)沉積樣芯，分析發(fā)現(xiàn)，二者具有相似的層理變化和相同的深度，故任意選取一個沉積樣芯，作為研究對象。從沉積物表層，將沉積物樣芯按照2 cm等厚分層取樣，以(50±2)℃烘箱烘干，分別稱量分層取樣的濕樣品與烘干樣品重量，再由已知樣品體積(56.5 cm3)，求出沉積物樣品濕容重和干容重，本文章采用的是干容重，簡稱容重。樣品干燥后，去除各種雜質(zhì)，經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理后過10目尼龍篩，用MasterSizer 2000激光粒度儀(英國)對其進(jìn)行粒度組成測試，分析前在樣品中加入雙氧水(H2O2)和鹽酸(HCl)，去除沉積物中的有機物，然后再加入分散劑六偏磷酸鈉，并經(jīng)超聲波震蕩90 s，使樣品顆粒充分分散，最后用激光粒度儀進(jìn)行分析。根據(jù)國際粒級制分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和砂粒(0.02～2 mm)。

樣品經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理后，再磨細(xì)過100目尼龍篩，用10%的鹽酸酸化處理，除去無機碳后，采用常量元素分析儀(Vario MACRO cube，德國Elementar公司生產(chǎn))測定沉積物有機碳，測試質(zhì)量為60～80 mg。

2　結(jié)果與分析

2.1長壽湖水庫沉積物物理特征

長壽湖水庫沉積物容重受質(zhì)地、有機質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)、土壤松緊度等的影響。長壽湖水庫采樣點沉積物表層到92 cm處，平均容重為0.47 g/cm3。如圖2所示，整體上，沉積物從底層到表層，容重先減小，在中間部分上下波動，在表層有再次變小的趨勢。容重在沉積物樣芯的92 cm處，驟然變小，這是因為長壽湖水庫于1956年建成，在修建之前，采樣點是耕地或河岸，土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等與修建水庫后沉積泥沙的有巨大差異，表現(xiàn)為容重的驟然變化，因此，可以推斷，自1956年水庫建成后，采樣點沉積泥沙的厚度為92 cm，年均沉積深度為1.59 cm/a。

圖2　長壽湖水庫沉積物樣芯的容重剖面變化

圖3為長壽湖水庫采樣點的沉積泥沙顆粒組成特征。黏粒(2.81%～14.63%，均值6.91%)與粉粒(58.90%～93.31%，均值76.79%)相比較，占據(jù)整個泥沙顆粒組成的比例較大，而砂粒(1.86%～38.29%，均值16.30%)所占比例也較大。分析沉積泥沙顆粒組成可知，整體上，沉積泥沙顆粒隨深度減小表現(xiàn)先變細(xì)，再變粗，表層變細(xì)的趨勢。經(jīng)Pearson相關(guān)性分析，TOC與黏粒、粉粒，均呈現(xiàn)負(fù)的極顯著相關(guān)關(guān)系(分別是r=-0.860和r=-0.938)，而TOC與砂粒之間具有正的極顯著的相關(guān)性(r=0.975)，表明沉積泥沙的總有機碳主要賦存在泥沙細(xì)顆粒上，一般情況下，沉積物TOC與黏粒、粉粒緊密結(jié)合，隨著泥沙細(xì)顆粒含量增加而呈現(xiàn)增加趨勢。杜德文等[10]研究發(fā)現(xiàn)，有機碳(有機質(zhì))主要富集在細(xì)顆粒沉積物中(含黏土和粉砂較多)，羅建育等[11]在研究臺灣嘉明湖時也得出有機質(zhì)含量與細(xì)顆粒物質(zhì)有對應(yīng)關(guān)系，劉清玉等[12]發(fā)現(xiàn)巢湖內(nèi)兩個樣柱樣品有機碳含量變化與粒度及粒級的相關(guān)性，表現(xiàn)為有機碳與平均粒徑存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與黏粒百分含量存在一定的正相關(guān)性。

圖3　長壽湖水庫沉積物顆粒組成百分比分布

方差反映的是離散程度，由表1所示，采樣點沉積泥沙，黏粒的離散程度最小，粉粒次之，砂粒的離散程度最大。變異系數(shù)(CV)是指標(biāo)準(zhǔn)差與算數(shù)平均值的比值，根據(jù)變異系數(shù)的大小，可以比較它們的變異程度。一般認(rèn)為，CV的大小分為3個級，分別表現(xiàn)為：CV<0.1表現(xiàn)為為弱變異性，CV在0.1～1為中等變異，CV>1為強變異[13]。沉積泥沙樣品顆粒組成的變異系數(shù)較小，均為0.1～1，都屬于中等變異(表1)，說明在垂直分布上，長壽湖水庫沉積泥沙顆粒，變異大小為砂粒>黏粒>粉粒。同樣地，計算出有機碳在垂直深度的變異系數(shù)為0.18，說明有機碳的垂直變化屬于中等變異程度。

表1　長壽湖水庫沉積物顆粒組成參數(shù)

在長壽湖建設(shè)初期，沉積泥沙中顆粒較粗，主要因為1956年水庫建成后，水位升高，庫岸不穩(wěn)定，庫岸侵蝕嚴(yán)重，原土壤或庫岸受到浸泡、沖刷，表層泥沙隨著水流進(jìn)入水庫，并沉淀淤積。在20世紀(jì)80年代末期至2005年，沉積泥沙顆粒組成表現(xiàn)出粗化的趨勢，可能由于近些年進(jìn)行的退耕還林、耕地保護(hù)政策，土地利用發(fā)生變化，致使土壤侵蝕和水土流失發(fā)生改變，因此沉積物泥沙顆粒粒徑變粗，容重變小。由于歷年降雨量的變化及引起的土壤侵蝕的變化，水庫沉積物顆粒組成發(fā)生變化，尤其是在特大暴雨及山洪時，黏粒、粉粒及砂粒將呈現(xiàn)峰谷值變化，說明沉積物有機質(zhì)的輸入與地表植被嚴(yán)重破壞區(qū)的水土流失密切有關(guān)。自2005年以來，泥沙顆粒組成逐漸變細(xì)，可能是龍溪河流域退耕還林政策和長壽湖水庫禁止肥水養(yǎng)魚政策對泥沙的影響。根據(jù)本課題組已有研究，確定沉積物樣芯在表層、14 cm、42 cm、84 cm和92 cm，對應(yīng)的年份分別為2013年、2005年、1989年、1963年、1956年。

2.2長壽湖水庫沉積物中TOC的垂直變化特征及與人類活動的關(guān)系

將1956年以來長壽湖水庫沉積物中TOC含量作圖(圖4)。沉積物底層的TOC最小值為6.94 g/kg，最大值是27.69 g/kg，沉積物底層的TOC平均含量為(14.14±0.92)g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為6.22。采樣點沉積物中的TOC垂直分布特性，底層92—84 cm，TOC含量逐漸降低；在沉積物樣芯84—42 cm深度，TOC含量變化較小，僅有較小的波動；42—14 cm，TOC含量逐漸增加，14 cm至表層，TOC含量又明顯降低。應(yīng)用Pearson相關(guān)性分析長壽湖水庫采樣點沉積泥沙的顆粒組成與TOC的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，TOC和泥沙顆粒組成之間，存在極顯著相關(guān)關(guān)系，說明長壽湖沉積物顆粒組成與有機碳關(guān)系緊密，徑流作用進(jìn)入到水體的土壤顆粒將會對沉積物的顆粒組成和有機碳的分布產(chǎn)生一定的影響。

圖4　長壽湖水庫沉積物TOC含量的垂直分布

因為長壽湖水庫水位較深(約15 m)，水庫沉積物有機碳受水體擾動較小，有機碳主要來自龍溪河上游水土流失中的土壤、沿湖場鎮(zhèn)生活污水、城市污水、周邊果林、農(nóng)田水土流失攜帶的泥沙等。沉積物與岸邊土壤各級粒徑有機碳分布特征均具有一定的差異，一般情況下，沉積物有機碳平均含量高于土壤，其中，大多數(shù)存在于黏粒，其次是粉粒[14]。在沉積泥沙中，一部分有機質(zhì)在生物化學(xué)作用條件下迅速分解，一部分沉積下來，將會改變被淹沒土壤的化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致不穩(wěn)定碳釋放到水中[15]。宋金明[16]和朱廣偉等[17]研究發(fā)現(xiàn)，氧化還原環(huán)境是控制沉積物有機質(zhì)礦化的主要因素，隨著深度的增加，礦化作用明顯，沉積泥沙的有機碳含量逐漸降低。

人為活動會大大增加沉積物有機質(zhì)的輸入。在20世紀(jì)80年代末以前，龍溪河流域是以農(nóng)業(yè)種植業(yè)為主，較大型的工業(yè)化及城市化還處于起步階段，對長壽湖水庫有機碳的貢獻(xiàn)較小，而水庫的養(yǎng)殖業(yè)以淡水敞養(yǎng)為主，如圖4所示，沉積物42—84 cm，沉積泥沙中有機碳含量變化幅度較小。90年代以來，隨著龍溪河流域特別是梁平縣和墊江縣工業(yè)化和城市化的加快，工業(yè)廢水和城市污水大量排入到龍溪河，致使長壽湖水庫沉積物中有機碳增加，特別是逐步實行的網(wǎng)箱養(yǎng)殖方式，使沉積物中機碳含量逐漸增加。至1995年，網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模發(fā)展到27 000 m2左右，因年投餌料達(dá)9 000 t，致使長壽湖水庫水質(zhì)為中度污染；“九五”期間，即1996—2000年，推廣的肥水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)，在庫區(qū)水域大面積實行，如1998年和1999年兩年時間內(nèi)，肥水網(wǎng)箱養(yǎng)殖投放雞糞6 000 t和化肥7 000 t，肥水網(wǎng)箱養(yǎng)殖使水質(zhì)進(jìn)一步惡化[9]；2001年，龍溪河流域廢水總量近4 000萬t/a，主要來源于工業(yè)廢水和城市污水，其對沉積物有機碳也有一定的影響。Howarth等[18]對Hudson河口沉積物來源分析結(jié)果表明，河口周圍占比例很小的城市、郊區(qū)和農(nóng)田是Hudson河口沉積物中有機質(zhì)的主要來源。另外，有研究表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖增加沉積物中碳含量，如東太湖圍欄養(yǎng)殖導(dǎo)致沉積物TOC含量增加了593%[19]。

沉積物中有機質(zhì)含量以及藻類活動等因素具有密切關(guān)系[13]，當(dāng)沉積物有機碳含量較高，藻類生長旺盛，夏秋兩季藻華爆發(fā)，2002年7月，長壽湖水庫大面積漂浮植物，“水華”現(xiàn)象引起社會各界廣泛重視。2004年4月，長壽湖水庫，全面拆除網(wǎng)箱網(wǎng)欄后，禁止肥水養(yǎng)魚，水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，但是，多年沉積于底泥表層的大量有機物質(zhì)，作為內(nèi)源污染物緩慢釋放，見圖4，沉積物樣芯14 cm至表層，沉積物中TOC逐漸減小。而據(jù)2009年長壽新聞網(wǎng)報道重慶市長壽區(qū)委員會的報告，長壽湖水庫周邊10個場鎮(zhèn)，日產(chǎn)生活費水約8 000 t，生活垃圾約32 t，并且均未修建生活污水處理場和生活垃圾處理場，生活廢水通過小溪直接排入，對長壽湖水庫有機碳的增加還是有很大影響，可見，廢水直接排放到河流和水庫是人類對河流/水庫沉積物有機質(zhì)輸入水庫，增加水庫沉積物有機碳增加主要影響方式。范成新等[20]對太湖底泥有機質(zhì)做了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)，底泥有機質(zhì)的分布和人類污染程度呈現(xiàn)正相關(guān)性，且在河口處有機質(zhì)含量明顯增加。王新明等[21]在研究廣州感潮河段的底泥有機質(zhì)時，判定河流底泥中有機質(zhì)的來源，在河道上游以生物來源為主，而下游主要受到人類活動的影響。

3　結(jié) 論

(1)自1956年長壽湖水庫建成后，采樣點沉積泥沙的厚度為92 cm，年均沉積深度為1.59 cm/a。沉積泥沙粒徑組成隨深度減小表現(xiàn)為先變細(xì)，再變粗，表層變細(xì)的趨勢。

(2)從長壽湖水庫建庫開始，長壽湖水庫沉積物中TOC含量是動態(tài)變化的，在建庫初期逐漸減?。粡?0世紀(jì)80年代末期，因龍溪河流域退耕還林、城市化進(jìn)程等土地利用類型的變化，以及湖面網(wǎng)箱養(yǎng)魚、肥水養(yǎng)魚的綜合作用，沉積物TOC逐漸增加，說明這些人類活動，加劇了水庫沉積物有機碳含量；在2004年全面禁止肥水網(wǎng)箱養(yǎng)魚后，沉積物有機碳呈現(xiàn)逐漸減小的特征，說明水庫沉積物污染近年有減小趨勢。

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Characteristics of Vertical Variation of Organic Carbon in the Sediment of Changshouhu Reservoir,China

GAO Jinchang1,2,LONG Yi1,ZHANG Xinbao1,HE Xiubin1,WANG Mingfeng1,2

(1.Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation,Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Ministry of Water Resources,Chengdu 610041， China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049， China)

To examine the characteristics of vertical variation for organic carbon in the sediment of Changshouhu Reservoir,deposit sediment was collected by using gravity sampler and bulk density,particle sizes and total organic carbon (TOC)were measured.Since the completion of the Changshouhu Reservoir in 1956,the siltation sediment thickness was 92 cm and the annual average sediment depth was 1.59 cm in the sediment deposit of Changshouhu Reservoir.The particle sizes were thinner gradually in the sediment,and increasingly coarser then thinner in the surface.The measured mean content of TOC was 14.14 g/kg in the sampling site.Since 1956,the trend of the content of TOC decreased,and gradually increased from the late 1980s for the change of land-use such as returning farmland to forest and urbanization in the Longxi catchment and especially the cages fish farming and fertilizer fish farming in the Chagnshouhu reservoir,and decreased gradually in 2004 when the ban for fertilizer framing fish was initiated.In addition,the present results would be helpful for studying the history of sediment and future controlling eutrophication in the Changshouhu Reservoir.

sedimentation; organic carbon; vertical variation; Changshouhu Reservoir

2015-10-08

2015-10-21

中國科學(xué)院西部行動計劃(KZCX2-XB3-09);國家科技支撐計劃(2011BAD31B03);國家自然科學(xué)基金(41101259,41201275)

高進(jìn)長(1984—),男,河南安陽人,博士,研究方向為土壤侵蝕與水土保持。E-mail:jzhgao@imde.ac.cn

龍翼(1976—),男,湖北黃岡人,副研究員,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:longyi@imde.ac.cn

X524; S153.6+2

A

1005-3409(2016)05-0080-05