滇池浮游植物碳氮同位素時(shí)空分布特征及其影響因子分析

陳 蓉,王明果,黃林培,郭 雯,李 蕊,王教元,陳光杰

滇池浮游植物碳氮同位素時(shí)空分布特征及其影響因子分析

陳 蓉1,2,王明果3,4,黃林培1*,郭 雯1,李 蕊1,王教元5,陳光杰1

(1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福建 福州 350007；3.云南省地質(zhì)科學(xué)研究所,云南 昆明 650501；4.云南省地礦測(cè)繪院,云南 昆明 650218；5.淮陰師范學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

通過(guò)對(duì)旱季、旱雨季過(guò)渡期和雨季3個(gè)不同時(shí)期滇池浮游植物13C、15N的研究發(fā)現(xiàn),滇池浮游植物13C、15N存在顯著的時(shí)空分布特征.從旱季、過(guò)渡期到雨季,浮游植物13C值分別為-20.44‰±0.72‰、-17.32‰±1.09‰和-15.92‰±1.74‰,呈逐漸升高趨勢(shì);而浮游植物15N值的季節(jié)變化模式則相反,雨季(13.55‰±0.85‰)顯著低于旱季(15.33‰±0.31‰)和過(guò)渡期(15.02‰±1.12‰).空間分布上,浮游植物13C值呈現(xiàn)南高北低的變化特征,極差為13.17‰,15N值則中部湖區(qū)高,南北部湖區(qū)低,極差為11.37‰.統(tǒng)計(jì)分析表明,浮游植物13C值與水溫、降水量、電導(dǎo)率和pH值等多因素相關(guān),反映了生物生長(zhǎng)速率和無(wú)機(jī)碳源的影響顯著;浮游植物15N值季節(jié)變化受降水量、總氮(TN)、總磷(TP)的影響,其空間變化與滇池流域內(nèi)土地利用的空間分布格局一致.上述結(jié)果顯示,城市生活污水仍然是滇池重要的污染來(lái)源,而農(nóng)業(yè)化肥等面源污染對(duì)15N值的時(shí)空變化起到顯著的調(diào)控作用.因此,滇池流域土地利用與營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源的空間差異以及西南季風(fēng)區(qū)降水的季節(jié)變化是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)與同位素生物示蹤信號(hào)的重要因子.

滇池；碳氮穩(wěn)定同位素；富營(yíng)養(yǎng)化；浮游植物；時(shí)空分布

滇池作為云南面積最大的淡水湖泊,是昆明市重要的淡水資源庫(kù),水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)滇池生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[1],滇池浮游植物群落結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)70～80年代以顆粒直鏈藻()、銅綠微囊藻()、小顫藻()和轉(zhuǎn)板藻為主[2]演替為現(xiàn)如今的以微囊藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種[3],水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為影響滇池浮游植物群落構(gòu)建的主控因子[3].近年來(lái),滇池治理取得一定成效,滇池水體總磷(TP)、總氮(TN)濃度呈顯著降低趨勢(shì)[4],2018年全湖水質(zhì)從V類(lèi)轉(zhuǎn)為IV類(lèi)[5],綜合富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)有所下降,但水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象依然很?chē)?yán)重.在長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷及水污染防治的雙重影響下,研究者多重視對(duì)滇池浮游植物群落結(jié)構(gòu)的改變及物種多樣性的研究,但其對(duì)滇池生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程可能產(chǎn)生的影響同樣應(yīng)該引起關(guān)注.

穩(wěn)定同位素技術(shù)具有高精準(zhǔn)度的示蹤、溯源、指示特征[6-7],可以追蹤碳、氮等重要元素的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[8].有機(jī)碳穩(wěn)定同位素(13C)不隨能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程而變化[9],常用于識(shí)別水體中有機(jī)質(zhì)來(lái)源[10],示蹤有機(jī)物在食物網(wǎng)中遷移和轉(zhuǎn)化[11-12].氮穩(wěn)定同位素(15N)能夠示蹤污染物的來(lái)源及其組成[13],反映氮素利用和分餾過(guò)程[14].對(duì)滇池沉積物[15-16]及分子生物標(biāo)志物[17]13C和15N的研究,揭示了滇池及其流域的生態(tài)環(huán)境演變過(guò)程,較好地記錄了近幾十年來(lái)滇池富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程的加劇,是反映湖泊重富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的重要指標(biāo)[18-20].通過(guò)滇池流域硝酸鹽污染的氮同位素示蹤研究發(fā)現(xiàn),流域內(nèi)硝酸鹽污染存在較大的空間差異,流域居民區(qū)地下水與主城區(qū)河水中硝酸鹽主要來(lái)源于生活污水,流域南部以農(nóng)業(yè)化肥面源污染為主[21-23].

然而,前人多集中于滇池沉積物有機(jī)碳和水體營(yíng)養(yǎng)鹽氮素等非生命物質(zhì)的同位素研究,對(duì)滇池生物碳氮地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的研究也多限于食物網(wǎng)的構(gòu)建[27-28]和軟體動(dòng)物殼體恢復(fù)古氣候環(huán)境[29-30],缺少針對(duì)環(huán)境變化敏感、生物量高的浮游植物的影響評(píng)價(jià).浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)的基礎(chǔ),與生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān),同時(shí)也是各種養(yǎng)分(碳、氮等)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[31-33],在水域生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程中起著重要作用.因此,識(shí)別淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊滇池的浮游植物13C、15N信號(hào)時(shí)空分布特征,有利于對(duì)滇池污染來(lái)源進(jìn)行示蹤,有助于深入了解滇池富營(yíng)養(yǎng)狀況及湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程,可為滇池藍(lán)藻水華治理及水生態(tài)修復(fù)等研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池(24°40′～25°02′N(xiāo),102°37′～102°48′E)地處云南省中部,位于昆明市西南,滇池東南臨農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的呈貢區(qū)和晉寧縣,東北近人口密集的西山、官渡兩區(qū).大體呈南北向展布,南北長(zhǎng)41.2km,東西平均寬7.2km.滇池湖面海拔1886.35m,面積297.9km2,最大水深5.87m,平均水深2.93m[34].新運(yùn)糧河、盤(pán)龍江、大清河、寶象河、洛龍河、撈魚(yú)河、大河、柴河、大東河、古城河等二十多條主要河流注入滇池,構(gòu)成滇池流域,流域面積2866.0km2(圖1),流域土地利用以森林(25.47%)、耕地(27.56%)和建筑用地(17.79%)為主.研究區(qū)屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候,干濕季分明,其中4月平均氣溫16.6℃,平均降水量?jī)H23.5mm,從5月開(kāi)始,氣溫和降水量開(kāi)始上升,平均氣溫19.0℃,降水量增加至97.4mm,最高降水量出現(xiàn)在8月,為204.0mm,平均氣溫19.4℃(圖2).

圖1 滇池流域水系與采樣點(diǎn)分布

圖2 昆明地區(qū)各月氣溫和降水量

為遏制滇池水質(zhì)惡化問(wèn)題,于1996年修建船閘和節(jié)制閘將滇池分為2部分,以北為草海,以南為外海,是滇池主體部分(圖1).草海流域內(nèi)由于人口密度大,污染較為嚴(yán)重.2015年將牛欄江水經(jīng)盤(pán)龍江引入草海作為生態(tài)補(bǔ)水,對(duì)草海水質(zhì)有明顯改善[32-33].

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)昆明地區(qū)氣溫及降水的逐月分布情況,于2017年8月和2018年4, 5月進(jìn)行采樣,分別代表雨季、旱季和旱雨季過(guò)渡期.2017年8月、2018年4月在滇池外海設(shè)置10個(gè)樣點(diǎn),2018年5月設(shè)置41個(gè)樣點(diǎn),其中4個(gè)樣點(diǎn)位于草海,37個(gè)樣點(diǎn)位于外海,以考察旱雨季過(guò)渡期滇池浮游植物同位素的空間變化規(guī)律.在每個(gè)樣點(diǎn)使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國(guó)Xylem公司,型號(hào)YSI6600V2)測(cè)定表層水溫、pH值、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和電導(dǎo)率(Cond)等水質(zhì)參數(shù),用塞氏盤(pán)測(cè)量水體透明度(SD),用測(cè)探儀測(cè)量水深.采集表層水質(zhì)樣品1L,于4 ℃低溫保存,帶回實(shí)驗(yàn),參照《水和廢水檢測(cè)分析方法》[34]對(duì)總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl.a)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定.

先使用22μm浮游生物網(wǎng)在湖泊表層0～2m拖曳采集,再經(jīng)64μm網(wǎng)篩過(guò)濾獲得浮游植物同位素樣品(22～64μm).在22～64μm粒徑下浮游植物占比最高,>64μm浮游動(dòng)物含量增加浮游植物含量減少, <22μm的顆粒沉降慢,陸源及其他非生命有機(jī)質(zhì)多,如大小為10μm的顆粒,其典型沉降速率約為0.25m/d[35].經(jīng)鏡下檢驗(yàn),所有同位素樣品均以浮游植物為主,浮游動(dòng)物少,陸源有機(jī)碎屑及其他雜質(zhì)極少或未檢出.在同位素樣品中加入1mol/L的鹽酸浸泡,靜置24h以去除無(wú)機(jī)碳再用去離子水反復(fù)洗滌直到溶液呈中性,然后置于凍干機(jī)(意大利EYELA公司,型號(hào)FDU-1110),在-50℃下凍干至恒重,包于錫囊中待測(cè).

浮游植物碳、氮同位素測(cè)試使用氣體同位素比質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermo Scientific公司,型號(hào)MAT-253)聯(lián)用Flash EA元素分析儀,采用快速燃燒法測(cè)定.浮游植物碳、氮穩(wěn)定同位素比值(13C、15N)計(jì)算公式為:

(‰)=(sample/standard-1)×1000 (1)

式中:表示13C或15N,sample和standard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重同位素與輕同位素的比值(13C/12C或15N/14N),分析精度<0.1‰.樣品測(cè)試在云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 滇池水化學(xué)參數(shù)

滇池表層水體溫度季節(jié)變化顯著,旱季水體溫度較低,平均為(18.82±0.71)℃,過(guò)渡期水溫上升,為(21.66±0.97)℃,雨季水溫較高,為(23.20±0.87)℃(表1).過(guò)渡期滇池外海透明度最低,僅為(0.19±0.03) m.滇池表層水體pH值季節(jié)變化不明顯,全年平均為8.91±0.26.電導(dǎo)率在旱季最高,為(505.20±15.20) μS/ cm,過(guò)渡期的草海最低,為(389.75±43.89) μS/cm.在營(yíng)養(yǎng)鹽方面,TN、TP雨季最高,分別為(4.39±2.74) mg/L和(317.63±198.58)μg/L,旱季最低,分別為(1.58±0.28) mg/L和(152.99±13.05) μg/L.總體而言,滇池營(yíng)養(yǎng)鹽濃度季節(jié)差異顯著,空間差異較大.滇池葉綠素濃度(Chl.a)季節(jié)變化趨勢(shì)與營(yíng)養(yǎng)鹽一致,旱季濃度最低,平均值為(80.30±13.92) μg/L,雨季濃度最高,為(214.68±106.87) μg/L.

根據(jù)OECD湖泊營(yíng)養(yǎng)水平分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[36],并結(jié)合所有水質(zhì)參數(shù)表明,滇池旱季水體質(zhì)量相對(duì)較好,過(guò)渡期水體富營(yíng)養(yǎng)化加重,草海水質(zhì)優(yōu)于外海,雨季水質(zhì)較為惡劣,污染最為嚴(yán)重.

表1 滇池湖沼學(xué)基本特征

2.2 滇池外海浮游植物δ13C、δ15N季節(jié)分布特征

箱線(xiàn)圖上下兩條短線(xiàn)表示數(shù)據(jù)范圍,箱子中包含中間50%分位數(shù)的數(shù)據(jù)值,箱子的中橫線(xiàn)為中位數(shù),菱形表示異常值;表示樣點(diǎn)數(shù)量,不同小寫(xiě)字母表示顯著差異,<0.05

滇池旱雨季節(jié)和過(guò)渡期的浮游植物同位素結(jié)果表明,滇池外海浮游植物13C、15N季節(jié)差異明顯(圖3).雨季浮游植物13C值最高,平均值為-15.92‰±1.74‰,旱季13C值最小,平均值為-20.44‰±0.72‰,季節(jié)間13C差異達(dá)到4.52‰.過(guò)渡期碳同位素值介于兩者中間,為-17.32‰±1.09‰.經(jīng)Student's-test檢驗(yàn),不同時(shí)期浮游植物13C存在顯著差異(<0.05).浮游植物氮同位素則表現(xiàn)出相反的季節(jié)變化趨勢(shì),旱季15N值最高,為15.33‰±0.31‰,過(guò)渡期15N值下降,為15.02‰±1.12‰,而雨季15N值最小(13.55‰±0.85‰).季節(jié)間15N差異為1.78‰,小于碳同位素的季節(jié)變幅.檢驗(yàn)結(jié)果表明,旱季和過(guò)渡期滇池外海浮游植物15N值不存在顯著差異(>0.05),而雨季則顯著降低(>0.05)(圖3).

旱季滇池浮游植物13C、15N值變異系數(shù)較小,分別為3.50%和2.10%,雨季滇池浮游植物13C、15N值變異系數(shù)較大,分別為10.92%和6.25%.過(guò)渡期滇池外海浮游植物13C變異系數(shù)為6.32%,15N變異系數(shù)值為7.46%.總體上,滇池浮游植物碳氮同位素旱季變幅小于過(guò)渡期和雨季.

2.3 過(guò)渡期滇池浮游植物δ13C、δ15N空間分布特征

過(guò)渡期滇池全湖浮游植物13C值變化范圍大,最高值出現(xiàn)在東南沿岸,為-14.73‰,最低值在草海,為-27.90‰,整體呈現(xiàn)南高北低的空間變化特征,平均值-18.24‰±3.02‰,極差為13.17‰(圖4a).草海浮游植物13C平均值為-26.73‰±1.07‰,顯著低于外海(-17.32‰±1.09‰,<0.001).滇池西南部古城河及東部撈魚(yú)河、洛龍河等河流入湖口浮游植物13C值低于周?chē)w的.

在氮同位素方面,過(guò)渡期滇池浮游植物15N值分布在8.10‰～19.47‰之間,最高值位于中部,靠近昆明主城區(qū),整體分布趨勢(shì)中部湖區(qū)高,往南部湖區(qū)、北部湖區(qū)逐漸變小(圖4b),極差為11.37‰.全湖浮游植物15N平均值為14.48‰±1.54‰,其中草海為11.04‰±2.00‰,顯著低于外海(14.89‰±0.82‰,<0.001).

總體上,過(guò)渡期滇池草海浮游植物13C、15N值均顯著低于外海.滇池外海浮游植物13C值為南高北低,15N值則南低北高,呈現(xiàn)大致相反的空間變化模式(圖4).

圖4 滇池流域土地利用類(lèi)型及過(guò)渡期浮游植物δ13C(a)、δ15N(b)空間分布

2.4 滇池浮游植物δ13C、δ15N與環(huán)境因子關(guān)系

對(duì)滇池各采樣點(diǎn)的環(huán)境因子分別進(jìn)行季節(jié)尺度和空間尺度上的主成分分析(PCA),將篩選出的主要環(huán)境因子與浮游植物碳氮同位素進(jìn)行相關(guān)分析,以找出影響浮游植物碳氮同位素時(shí)空分布的關(guān)鍵環(huán)境因子.

圖5 季節(jié)(a)和空間(b)尺度上滇池環(huán)境因子PCA分析

實(shí)心圓為旱季樣點(diǎn),方形為過(guò)渡期樣點(diǎn),菱形為雨季樣點(diǎn)

滇池環(huán)境因子的PCA分析表明,季節(jié)上PCA兩軸分別解釋了數(shù)據(jù)承載量的48.65%和16.09%,主軸一解釋的環(huán)境因子為T(mén)N、TP、Chl.a、降水量、Cond等,代表了營(yíng)養(yǎng)鹽特征;主軸二解釋的環(huán)境因子為pH和水溫,代表了滇池的生境狀況(圖5a).水溫與降水量矢量線(xiàn)夾角較小,指示研究區(qū)雨熱同期的氣候特點(diǎn).Chl.a與TN、TP矢量線(xiàn)方向一致,指示滇池浮游植物生物量受營(yíng)養(yǎng)鹽控制顯著.降水量與電導(dǎo)率矢量線(xiàn)方向相反,表明雨水的稀釋作用會(huì)降低滇池水體離子濃度,導(dǎo)致電導(dǎo)率下降.空間上PCA兩軸分別解釋了數(shù)據(jù)承載量的34.44%和21.66%,主軸1解釋的環(huán)境因子為pH值、ORP、DO和TP;主軸2解釋的環(huán)境因子為Chl.a和TN(圖5b).

在季節(jié)上,對(duì)滇池外海10個(gè)樣點(diǎn)浮游植物碳氮同位素與環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),滇池外海浮游植物13C值與溫度(2=0.61,<0.05)、降水量(2=0.66,<0.001)呈正相關(guān),與電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.64,<0.05).浮游植物15N值則與TN(2= 0.48,<0.001)、TP(2=0.34,<0.01)等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度以及降水量(2=0.57,<0.001)呈負(fù)相關(guān)(圖6).

在空間上,過(guò)渡期滇池外海浮游植物13C值受pH影響(2=0.25,<0.05),隨pH值的升高而升高.外海浮游植物15N值空間變化上仍與營(yíng)養(yǎng)鹽TN(2= 0.33,<0.05)、TP(2=0.64,<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)(圖7).與草海相比,外海浮游植物13C、15N均顯著偏高,可能與外海較高的營(yíng)養(yǎng)水平有關(guān)(表1).

與不同氮素來(lái)源15N值的對(duì)比結(jié)果表明,滇池浮游植物15N與生活污水的分布范圍高度重疊,而與農(nóng)業(yè)化肥、土壤流失等的15N分布范圍差異較大(圖8).

3 討論

3.1 滇池浮游植物碳同位素時(shí)空變化的影響因子識(shí)別

滇池不同季節(jié)浮游植物13C值變化受水溫、降水量和電導(dǎo)率影響顯著.溫度是一切酶促反應(yīng)的控制因子,浮游植物光合作用中酶催化過(guò)程的速度受溫度影響[41-42].當(dāng)水溫范圍有利于浮游植物生長(zhǎng),代謝作用的速率隨溫度的上升而加快,浮游植物的13C溫度呈對(duì)數(shù)相關(guān)[43],水溫每上升10℃,細(xì)胞分裂速度可增加1～3倍[44].實(shí)驗(yàn)室研究表明,浮游植物生長(zhǎng)速率會(huì)影響其同位素組成,快的生長(zhǎng)速率導(dǎo)致浮游植物具有較高的13C值[45].滇池外海在旱季、過(guò)渡期和雨季3個(gè)季節(jié)水溫逐步升高,浮游植物生長(zhǎng)速率加快,進(jìn)而導(dǎo)致其13C值偏高.研究結(jié)果與廣東水庫(kù)懸浮顆粒物以及云南撫仙湖、陽(yáng)宗海浮游植物的碳同位素季節(jié)調(diào)查結(jié)果相吻合[46-47],表明水溫影響下的浮游植物生長(zhǎng)速率改變是造成浮游植物13C值季節(jié)變化的主要因素之一.水溫同樣會(huì)對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響[48],硅藻類(lèi)和金藻類(lèi)喜歡在水溫較低的季節(jié)生長(zhǎng),藍(lán)藻和綠藻喜歡水溫較高的環(huán)境,而不同藻類(lèi)的13C值存在差異.對(duì)不同藻類(lèi)13C值的研究發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻和綠藻的13C值分布范圍較大,為-32.4～-5.9‰和-20.1～-8.9‰,而硅藻和金藻的13C值分布范圍較窄且小,為-30.6～-26.6‰和-34.4～-31.3‰[49-50].Xiao等[51]研究表明,藍(lán)藻和甲藻占優(yōu)的浮游植物群落中,其13C偏高,而硅藻占優(yōu)時(shí),13C則偏低.然而,滇池目前為重富營(yíng)養(yǎng)湖泊,全年以藍(lán)藻和綠藻為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群,藍(lán)藻生物量占明顯優(yōu)勢(shì)[1-3].因此,藻類(lèi)群落變化不是滇池浮游植物13C值季節(jié)變化的主要影響因素.

降水量也是影響滇池浮游植物13C值季節(jié)變化的重要因素之一,呈現(xiàn)從旱季到雨季13C值逐步升高的變化趨勢(shì).由于研究區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū),具有雨熱同期的特點(diǎn),降水量季節(jié)變化與溫度密切相關(guān)(圖2),降水量充沛的雨季正是水溫高、浮游植物13C值高的季節(jié),因此降水量與浮游植物13C值間接相關(guān).此外,雨季的到來(lái)會(huì)導(dǎo)致滇池流域農(nóng)業(yè)面源氮、磷污染輸入增加,促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng).滇池雨季表層水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度最高,是旱季的2倍(表1).高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度疊加雨季高溫的雙重影響,造成滇池浮游植物在雨季快速生長(zhǎng),藍(lán)藻水華頻發(fā),浮游植物13C值增大.

電導(dǎo)率是反映水體可電離的帶電微粒的含量,水體中離子總濃度越大,則電導(dǎo)率就越大[35].淡水湖泊中陰離子以HCO3-為主,約占陰離子總數(shù)的70%[52],而云南地區(qū)石灰?guī)r廣布,水體中HCO3-濃度占比更高[53],因此,滇池水體電導(dǎo)率很大程度上能夠反映HCO3-濃度變化.前人研究表明,水體中溶解無(wú)機(jī)碳濃度與水生植物13C值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[54].旱季滇池電導(dǎo)率最高,指示水體中可被浮游植物利用的無(wú)機(jī)碳庫(kù)(主要為HCO3-)更多,浮游植物更容易吸收利用其中輕的同位素,從而導(dǎo)致13C虧損,13C值降低.相反,雨季電導(dǎo)率下降,可利用的HCO3-濃度降低,浮游植物13C值升高.

圖8 滇池浮游植物以及不同氮素來(lái)源δ15N值的分布范圍 [37-40]

空間變化上,過(guò)渡期滇池外海浮游植物13C值受pH值影響顯著.pH值能夠反映水中溶解CO2和HCO3-兩種碳源相對(duì)濃度關(guān)系[35].眾多研究表明,對(duì)不同碳源的吸收和利用是造成浮游植物13C值差異的重要原因之一[55-56].pH值高時(shí)HCO3-占比升高,浮游植物會(huì)利用更多的HCO3-碳源(13C偏高)進(jìn)行光合作用,導(dǎo)致浮游植物13C值升高.此外,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度可能也是引起滇池浮游植物13C值空間變化的原因.滇池浮游植物較高的13C值出現(xiàn)在東南部湖區(qū),周?chē)恋乩妙?lèi)型以耕地為主(圖4),過(guò)渡期降水帶來(lái)的面源污染輸入滇池,導(dǎo)致東南部湖區(qū),特別是沿岸帶浮游植物生長(zhǎng)速率加快,造成浮游植物13C值偏高.草海由于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度總體低于外海(表1),因此草海的浮游植物13C值最低.由此可見(jiàn),水溫或營(yíng)養(yǎng)鹽影響下的浮游植物生長(zhǎng)速率是造成滇池浮游植物13C值時(shí)空變化的主因,水體中無(wú)機(jī)碳源及無(wú)機(jī)碳濃度同樣會(huì)對(duì)浮游植物13C值產(chǎn)生重要影響.

3.2 浮游植物氮同位素示蹤滇池水體污染源

浮游植物15N值可作為示蹤污染物來(lái)源的有效代用指標(biāo)[47,57].滇池浮游植物不同時(shí)期15N值均較高,全年平均為14.54‰±1.40‰,與城市污水的15N值接近,指示滇池水體氮素污染來(lái)源主要來(lái)自城市居民排放的生活污水.滇池位于昆明主城區(qū)下游,是昆明城區(qū)海拔最低的地帶.長(zhǎng)期以來(lái),流域污染物大量輸入滇池,其中生活污水是最主要的污染物來(lái)源[58-59].城鎮(zhèn)生活污水由于硝化作用和氨的揮發(fā),其15N值可高達(dá)10‰～20‰[37-40],并通過(guò)生物吸收作用導(dǎo)致浮游植物15N值偏高.盡管現(xiàn)在入滇生活污水已經(jīng)過(guò)凈化,城市納污型河流盤(pán)龍江和城鄉(xiāng)結(jié)合型河流寶象河的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷顯著低于農(nóng)田型河流大河和村鎮(zhèn)型河流柴河[60],但滇池浮游植物偏高的15N值表明,底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的持續(xù)釋放仍會(huì)長(zhǎng)期影響浮游植物的生長(zhǎng)及其同位素信號(hào)特征.研究結(jié)果與余麗燕等[60]認(rèn)為的內(nèi)源釋放是滇池北部水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因素的研究結(jié)論相吻合.因此,滇池底泥的污染物釋放已成為滇池富營(yíng)養(yǎng)化治理的重要瓶頸.

浮游植物15N值季節(jié)變化受降水量、TN、TP的影響,呈現(xiàn)旱季高雨季低的特點(diǎn),與浮游植物13C值的季節(jié)變化模式相反(圖3),指示降水量對(duì)滇池浮游植物碳氮同位素信號(hào)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制并不相同.滇池浮游植物13C值是受雨季面源輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高影響,生物生長(zhǎng)速率快,其13C升高.而浮游植物15N值的季節(jié)變化更多的是受污染源的15N信號(hào)控制[46-47],雨季浮游植物15N降低表明滇池受到來(lái)自低15N值污染源的影響.雨季是面源污染輸入為主的季節(jié),流域內(nèi)虧損15N的陸源有機(jī)質(zhì)[40]、農(nóng)業(yè)化肥(-3‰～3‰)[39]等污染負(fù)荷增加,水體中TN、TP隨雨季的到來(lái)而快速升高(表1),導(dǎo)致浮游植物15N值隨降水量增加和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度上升而降低的季節(jié)變化模式(圖6).浮游植物15N值的空間調(diào)查結(jié)果同樣證明, 滇池中部湖區(qū)靠近人口密集的昆明主城區(qū),生活污水負(fù)荷重,而南部沿岸帶的土地利用類(lèi)型中建筑用地占比較小,耕地較多[61],農(nóng)業(yè)化肥負(fù)荷明顯高于中部湖區(qū)(圖4),形成滇池浮游植物15N值南低中高的空間變化特點(diǎn),與滇池流域內(nèi)土地利用的空間分布格局一致.因此,滇池流域土地利用與營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源的空間差異與西南季風(fēng)區(qū)降水的季節(jié)變化是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)與同位素生物示蹤信號(hào)的重要因子.從總體上看,滇池外海浮游植物15N值較高,表明農(nóng)業(yè)化肥對(duì)滇池污染物來(lái)源的貢獻(xiàn)度比較有限.與草海相比,滇池外海浮游植物15N值顯著偏高,可能是由于牛欄江-滇池補(bǔ)水工程改善了草海水質(zhì)[62],草海水體TP、TN等達(dá)到Ⅲ、IV類(lèi)水指標(biāo)[63],水體置換使草海水質(zhì)朝良好的方向發(fā)展.Cole等[64]和梁紅等[55]研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)水平低的湖泊浮游生物和水生植物往往具有較低的15N值.草海水質(zhì)優(yōu)于外海,因此草海浮游植物15N值更低.由此可見(jiàn),浮游植物15N值降低可作為水質(zhì)改善的參考指標(biāo),但要注意排除15N值低的污染源(如農(nóng)業(yè)化肥)輸入影響.

4 結(jié)論

4.1 滇池浮游植物碳氮同位素組成存在顯著的時(shí)空分布特征.季節(jié)上,從旱季、過(guò)渡期到雨季,浮游植物13C值逐漸升高,而15N值降低.空間上,滇池浮游植物13C值呈現(xiàn)南高北低的變化趨勢(shì),15N值則中部湖區(qū)高,南部北部湖區(qū)低.

4.2 滇池浮游植物13C值時(shí)空變化與水溫、降水量、電導(dǎo)率和pH值等多因素相關(guān),反映浮游植物13C值受生長(zhǎng)速率、無(wú)機(jī)碳來(lái)源及濃度等的影響.

4.3 浮游植物15N值可指示不同污染來(lái)源,較高的15N值表明,滇池水體氮污染源主要來(lái)自城市生活污水,而雨季面源污染負(fù)荷的時(shí)空差異性則是導(dǎo)致浮游植物δ15N值季節(jié)和空間變化的主要因子.因此,城市點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)面源污染防治仍是影響滇池富營(yíng)養(yǎng)化治理和湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的重要內(nèi)容.

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Spatio-temporal distribution and influencing factors of stable carbon and nitrogen isotopes of phytoplankton in Dianchi Lake.

CHEN Rong1,2, WANG Ming-guo3,4, HUANG Lin-pei1*, GUO Wen1, LI Rui1, WANG Jiao-yuan5, CHEN Guang-jie1

(1.Yunnan Key Laboratory of Plateau Geographic Processes and Environmental Change, Faculty of Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China；2.State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology Cultivation Base, School of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China；3.Yunnan Institute of Geological Sciences, Kunming 650501, China；4.Yunnan Institute of Geology and Mineral Surveying and Mapping, Kunming 650218, China；5.Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China), 2022,42(2)：843～853

A comparative study of13C and15N values of phytoplankton in Dianchi during the dry, transitional and rainy seasons showed that the13C and15N levels of phytoplankton were characterized by significant spatial and temporal fluctuations. During the dry, transitional and rainy seasons, the13C of phytoplankton were respectively at -20.44‰±0.72‰, -17.32‰±1.09‰ and -15.92‰±1.74‰, showing a gradually increasing trend. However, the opposite trend was recorded for the seasonal variation of15N levels in phytoplankton, because in rainy season the level was significantly lower (13.55‰±0.85‰) than in the transitional period (15.02‰±1.12‰), and in the dry season (15.02‰±1.12‰). The average of the spatial distribution of the13C levels in phytoplankton is 13.17‰, with an upper level in the south basin and a lower level in the north basin. For the15N levels of spatial distribution in phytoplankton, the average was 11.37‰, with a high value n the central basin and lower values in the southern and northern basins of the lake. About the level influencing factors, the statistical analyses showed that the13C value of phytoplankton in Dianchi was strongly related to multiple factors such as water temperature, precipitation, electrical conductivity and pH value, indicating that13C level of phytoplankton was significantly affected by cell growth rate and inorganic carbon sources. The seasonal variation in the15N values of phytoplankton in the lakes was mainly related to precipitation, and to the total nitrogen, and total phosphorus levels in the waters. The spatial variation in the15N was consistent with the spatial pattern of catchment land uses in Dianchi. This indicated that urban domestic sewage still remains an important pollution source of Dianchi, while agricultural fertilizer and other non-point source pollution played an important role in modulating both spatial and temporal variation of the phytoplankton15N levels. Therefore, spatial patterns of land use and seasonal variations in precipitation, were importantly affecting the ecosystem nutrient cycling and isotopic levels in the biota of the Dianchi lake.

Dianchi；stable carbon and nitrogen isotopes；eutrophication；phytoplankton；spatio-temporal distribution；influencing factors (levels)

X524

A

1000-6923(2022)02-0843-11

陳 蓉(1997-),女,云南昭通人,福建師范大學(xué)碩士研究生,主要從事高原湖泊生態(tài)研究.

2021-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42067064,41771239);云南省John P. Smol院士工作站(202005AF150005)

* 責(zé)任作者, 講師, huanglinpei@gmail.com