袁紅香,孫惠玲*,段立曾,張虎才

撫仙湖懸浮顆粒物正構(gòu)烷烴來(lái)源及季節(jié)特征

袁紅香1,孫惠玲1*,段立曾2,張虎才2

(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.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院,高原湖泊生態(tài)與污染治理研究院,云南 昆明 650504)

為了探究撫仙湖水體中有機(jī)質(zhì)的正構(gòu)烷烴來(lái)源和時(shí)空變化特征,對(duì)2016年4月～2017年3月?lián)嵯珊鶓腋☆w粒物中正構(gòu)烷烴的分布特征、來(lái)源、季節(jié)變化特征及其與沉積物中正構(gòu)烷烴的關(guān)系進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:撫仙湖水柱懸浮顆粒物中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍在C17～C33之間,呈現(xiàn)以優(yōu)勢(shì)峰C27和C29為主的單峰分布模式.在垂直梯度的空間分布上,正構(gòu)烷烴在變溫層和溫躍層的濃度高于深水層,最大濃度出現(xiàn)在深20m水層,深層水體中正構(gòu)烷烴濃度受沉積物再懸浮作用影響微弱;在季節(jié)變化上,正構(gòu)烷烴含量存在明顯的季節(jié)波動(dòng),在10月和4月呈現(xiàn)最高值;其中,中長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴(C25、C27和C29)豐度與浮游植物生物量季節(jié)變化趨勢(shì)一致,證明浮游植物是撫仙湖水柱中正構(gòu)烷烴的主要來(lái)源,水溫是限制撫仙湖水柱中正構(gòu)烷烴時(shí)空分布的關(guān)鍵因子.浮游植物、流域表土和沉水植物的共同輸入是撫仙湖沉積物中正構(gòu)烷烴C29具有較高豐度的原因,沉積物中正構(gòu)烷烴(C31和C23)來(lái)源相對(duì)單一,可以有效指示流域陸源植物和沉水植物輸入.本文結(jié)果可多應(yīng)用正構(gòu)烷烴指標(biāo)進(jìn)行撫仙湖長(zhǎng)序列鉆孔古環(huán)境重建研究提供數(shù)據(jù)支持.

撫仙湖；懸浮顆粒物；正構(gòu)烷烴；浮游植物

正構(gòu)烷烴是地質(zhì)體中分布廣泛的類脂生物標(biāo)志化合物之一,其分子結(jié)構(gòu)具有飽和性與穩(wěn)定性,通過(guò)其分子特征可以區(qū)分不同生物來(lái)源從而反映氣候環(huán)境變化[1-2].湖泊沉積物中的正構(gòu)烷烴能夠較為準(zhǔn)確地反映不同生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量變化,進(jìn)而用于推測(cè)歷史時(shí)期的沉積環(huán)境[3],是重建古環(huán)境和古氣候的重要指標(biāo)之一[4-5].但對(duì)于沉積環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的湖泊,在進(jìn)行古氣候和古環(huán)境重建之前,評(píng)估正構(gòu)烷烴的來(lái)源、沉積過(guò)程及其在此類沉積環(huán)境中的分布情況,是確保重建環(huán)境信息準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)和前提.湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自于流域外源輸入的陸生有機(jī)質(zhì)、碎屑物質(zhì)和水體內(nèi)源輸入有機(jī)質(zhì)[6],同時(shí),也受到有機(jī)質(zhì)沉降過(guò)程中的生物地球化學(xué)作用過(guò)程影響[7];特別是在深水湖泊中,有機(jī)質(zhì)在水體中存滯時(shí)間較長(zhǎng),沉積過(guò)程中可能會(huì)受到多種因素的影響.因此,了解正構(gòu)烷烴在湖泊水體中的分布特征是利用該指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境重建的前提和基礎(chǔ).

懸浮顆粒物(SPM)是多數(shù)疏水性有機(jī)物在水環(huán)境中的主要載體[8].通常,湖泊水體懸浮顆粒物中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要包括陸源和自生兩大類.自生來(lái)源指來(lái)源于水生植物、藻類和細(xì)菌等分泌、排泄物及其殘?bào)w分解產(chǎn)物,以類蛋白物質(zhì)為主;陸源有機(jī)質(zhì)則主要來(lái)自土壤、陸地植物碎屑及人類活動(dòng),以類腐殖質(zhì)物質(zhì)為主[9-11].目前,我國(guó)對(duì)水體懸浮顆粒物中正構(gòu)烷烴的研究多集中在河流和海灣.如,馮精蘭等[12]、魏星等[13]和張倩等[14]曾對(duì)黃河、長(zhǎng)江和海陵灣水體懸浮顆粒物中正構(gòu)烷烴的組成特征、來(lái)源等進(jìn)行研究,但對(duì)于存在溫躍層的深水湖泊水體中正構(gòu)烷烴的來(lái)源、時(shí)空分布特征及其來(lái)源和影響因素的研究還較少.因此,本文對(duì)撫仙湖SPM中正構(gòu)烷烴的來(lái)源、季節(jié)和垂直分布特征進(jìn)行探尋,從而為利用撫仙湖沉積物正構(gòu)烷烴重建古環(huán)境奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

撫仙湖(24°21'N～24°38'N,102°49'E～102°57'E)是典型的斷陷型高原深水湖泊,位于云南省中部,地跨云南省玉溪市澄江、江川、華寧三縣,湖泊面積為212km2,最大水深157.3m,平均水深87m,是我國(guó)已知的第二大深水湖[15].撫仙湖為南北向的斷層溶蝕湖泊,形狀呈狹長(zhǎng)的倒葫蘆狀(圖1),北部水域?qū)挾?南部水域窄而淺,湖區(qū)四面環(huán)山,陡峭的巖石構(gòu)成了撫仙湖大部分湖岸.撫仙湖是半封閉性的山間盆地淡水湖,屬于珠江和西江水系的源頭水系,共有大小入湖河流103條,?？诤邮菤v史上唯一的明河出水口,經(jīng)出流改道后,隔河是撫仙湖的出湖河流之一,撫仙湖水經(jīng)隔河泄入星云湖,湖水主要靠大氣降水和流域地表徑流進(jìn)行補(bǔ)給[16].

氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/data/weatherBk.html)玉溪紅塔區(qū)氣象站,資料時(shí)段為2016年3月～2017年3月.撫仙湖流域?qū)儆趤啛釒У途暩咴撅L(fēng)氣候,在2016年3月～2017年3月的采樣期間,氣溫在11.2～21.3℃之間波動(dòng),其中5～8月氣溫較高,平均氣溫為21.1℃,6月達(dá)到最高溫(21.3℃),9～12月氣溫呈下降趨勢(shì),9月和10月氣溫仍較高,從10月～11月氣溫從18.1℃驟降到13.4℃,12月和次年1月氣溫較低,均低于12℃;年降水量為994mm,降雨多集中在6～9月,在145.2～162.7mm之間,11月降水量也較大(132mm),但在10月的降水量卻異常減少,僅為52.7mm.

圖1 撫仙湖水深及采樣點(diǎn)位置

1.2 樣品的收集與水質(zhì)參數(shù)測(cè)定

在圖1采樣點(diǎn)位置,從2016年4月～2017年3月期間,逐月通過(guò)采水器(Niskin瓶)采集水柱垂直剖面水樣(0,20,40,60,80,100m),現(xiàn)場(chǎng)用預(yù)先灼燒過(guò)的0.7μm的GF/C Whatman玻璃纖維濾膜過(guò)濾水樣收集懸浮顆粒物(SPM)樣品.同時(shí),用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI-6600V2,美國(guó))原位測(cè)量水柱垂直剖面的水質(zhì)參數(shù)值(水溫,溶解氧,電導(dǎo)率和pH值等).此外,2016年7月分別采集了撫仙湖流域四周不同海拔梯度的表土樣(19個(gè))、典型沉水植物樣(7個(gè)),以及不同水深梯度處的湖泊表層沉積物樣(5個(gè)).浮游植物樣品(5個(gè)),于2016年4月在采樣點(diǎn)附近0～20m水層中以水深5m為間隔使用采水器采集,經(jīng)22μm孔徑網(wǎng)篩過(guò)濾,得到浮游植物樣品;沉水植物包括穗狀狐尾藻(L.)、苦草(L.)、金魚藻(L.)、絲藻(sp.)、輪藻(sp.)、光葉眼子菜(L.)和絲葉眼子菜(Pers.).

1.3 樣品的預(yù)處理和測(cè)定

正構(gòu)烷烴的GC-MS分析測(cè)定在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀為HP6890+GC/5973MS.色譜條件:HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.25μm),始溫70℃,升溫速率3℃/min,終溫300℃,終溫穩(wěn)定20min,進(jìn)樣口溫度300℃,進(jìn)樣量1μL,載氣為氦氣.質(zhì)譜條件:電子轟擊源,電離能量70eV,GC與MS接口溫度280℃.樣品前處理如下:將濾膜剪碎,用二氯甲烷(DCM):甲醇(9:1,體積比)的混合溶液在超聲器中萃取15min,連續(xù)超聲5次.將抽提液濃縮后,轉(zhuǎn)移到細(xì)胞瓶中用氮?dú)獯蹈珊庵?用層析柱法分離出飽和烴、芳烴和非烴[17].飽和烴用正己烷溶解后,直接進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析.

總碳(TC)、總氮(TN)含量的測(cè)定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.樣品用美國(guó)Thermo Scientific的MAT 253氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用Flash EA元素分析儀測(cè)定.樣品預(yù)處理如下:將采集的表土和沉積物樣品經(jīng)真空冷凍干燥后過(guò)篩去除植物殘?bào)w和沙礫等.用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨粉碎再用過(guò)量低濃度10%稀鹽酸反復(fù)濾洗去除碳酸鹽,然后用去離子純水洗至中性,并低溫烘干研磨過(guò)120目篩后制成供試樣品;將清洗干凈風(fēng)干后的水生植物帶回實(shí)驗(yàn)室,用10%鹽酸酸化處理,然后用蒸餾水清洗干凈,60℃下烘干,磨成粉末后待測(cè);浮游植物樣品裝入玻璃皿中進(jìn)行鏡檢并挑出雜質(zhì),用10%鹽酸酸化處理,以去除浮游植物體內(nèi)可能存在的無(wú)機(jī)碳,用蒸餾水清洗干凈,在-50℃下凍干至恒重后磨成均勻粉末待測(cè)[18].

2 結(jié)果與討論

2.1 撫仙湖水體理化參數(shù)時(shí)空變化特征

2.1.1 撫仙湖水溫垂直分層及季節(jié)變動(dòng) 撫仙湖由于上下層水體的增溫與冷卻不一致,致使水溫(WT)沿垂向呈現(xiàn)一定變化[19].采樣期間(2016年4月～2017年3月)的WT變化如圖2(a)所示,撫仙湖WT在夏季和秋季(6月底～10月)水體垂直斷面溫度梯度明顯,在垂直斷面上可分為3層:變溫層(0～20m)、溫躍層(20～40m)和深水層(40m～底部),變溫層WT為最高,平均WT約為18.9℃,最高WT達(dá)23.9℃(2016年8月);在溫躍層WT迅速降低(平均WT為16.5℃),且變化幅度非常明顯;深水層受外界影響較小,WT逐漸趨于平穩(wěn)并恒定至14℃左右;在季節(jié)上,撫仙湖分層受季節(jié)氣溫變化的影響,在夏、秋季(6月底～10月)隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng),氣溫升高,表層水體快速增溫,與深層水體溫差逐漸增大,水體出現(xiàn)分層現(xiàn)象;在冬季和春季(4月、11月、12月、次年2月和3月)太陽(yáng)輻射減弱,氣溫降低,湖泊水體釋放潛熱,最終形成水體上下較均勻的溫度分布,無(wú)明顯分層,因此,撫仙湖水體分層受季節(jié)氣溫變化的影響,在夏秋季水體分層明顯,在冬、春季水體混合.

2.1.2 pH值垂直變化特征及季節(jié)變化 云南高原湖泊pH值偏高的特征性[20]在撫仙湖也有所體現(xiàn),撫仙湖水體pH值整體呈弱堿性,具有垂向變化且季節(jié)變化明顯(圖2b).在垂直方向上隨深度的增加pH值逐漸降低,表現(xiàn)出變溫層(pH為8.0～10.2)高于溫躍層(pH為7.9～10.0)和深水層(pH為7.4～9.9).這可能是由于變溫層光照強(qiáng)度較大,湖泊表層溫度升高,CO2將向大氣逸出,而水中CO2的減少則會(huì)直接導(dǎo)致pH值的升高[21],另外,0～20m深水體中水生生物大量發(fā)育,光合作用強(qiáng)烈,消耗大量CO2,致使表層水體pH值偏高,而深層水體水生植物光合作用較弱,有機(jī)質(zhì)分解使水體積累大量CO2和有機(jī)酸,同時(shí)由于下層水體滯留時(shí)間長(zhǎng),分子擴(kuò)散速率較慢,導(dǎo)致pH值緩慢降低[19].因此,pH值的垂直分層可能主要受到水體CO2溶解和光合作用的影響.從季節(jié)上看,pH值在各深度上均表現(xiàn)出10月達(dá)到異常高值.除了受到光合作用持續(xù)消耗CO2的累積效應(yīng)外,可能還與該年度10月氣溫異常高、降水異常少有關(guān)(圖1b).

2.1.3 溶解氧變化特征 撫仙湖垂向水體的溶解氧(DO)含量表現(xiàn)出變溫層>溫躍層>深水層(圖2c),在垂直梯度上,撫仙湖DO在變溫層(0～20m)呈現(xiàn)最大值,這可能是由于在深水區(qū)的DO主要是通過(guò)水體的垂直對(duì)流擴(kuò)散獲得,而撫仙湖由于溫躍層主要分布在20～40m,高梯度的水溫分布阻礙了上下水團(tuán)交換,表層DO無(wú)法向下層輸移,導(dǎo)致DO迅速降低.此外,隨著水深的增加太陽(yáng)輻射在水體中受到水分子、懸浮顆粒和可溶性有機(jī)物等物質(zhì)的散射和吸收而呈現(xiàn)DO衰減[22],因此,導(dǎo)致湖泊底層的DO較低.在季節(jié)變化上,變溫層DO含量的低值主要分布在夏、秋季,高值出現(xiàn)在春季(2月、3月和4月),最高值在4月(圖2c).這可能是由于撫仙湖流域的氣溫在春季開(kāi)始回暖,加上冬季和春初水體混合較好,且營(yíng)養(yǎng)鹽較為充足,春季浮游植物開(kāi)始激增,這與撫仙湖春季浮游植物細(xì)胞密度最高相一致[23].此外,在水深20～40m處,季節(jié)變化仍延續(xù)著上層水體的季節(jié)變化,由于夏、秋季水體分層較為明顯,導(dǎo)致水層較穩(wěn)定,阻礙了表層水和深層冷水之間的交換,上層水體的營(yíng)養(yǎng)鹽得不到補(bǔ)充,浮游植物逐漸死亡,光合作用強(qiáng)度變?nèi)?導(dǎo)致氧躍層在該深度形成,而冬季和春初水體混合擾動(dòng)較大,氧躍層分布在較深層位.夏、秋季,深水層水體DO值與上層各深度水體的DO值具有明顯的差異,出現(xiàn)DO的最低值,分別為3.68和3.63mg/L.這可能主要受到深度和底層生物的呼吸耗氧所致[24].

圖2 2016年4月～2017年3月?lián)嵯珊魉w理化參數(shù)逐月剖面示意

2.2 撫仙湖SPM中正構(gòu)烷烴時(shí)空分布特征

2.2.1 正構(gòu)烷烴分布特征 如圖3所示,碳數(shù)分布區(qū)間在17～33之間,無(wú)論是從水柱垂直剖面(圖3a)還是季節(jié)變化(圖3b)來(lái)看,正構(gòu)烷烴的相對(duì)豐度分布均呈現(xiàn)出以長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體C27、C29為優(yōu)勢(shì)峰的單峰型分布模式,中鏈C23、C25正構(gòu)烷烴占比也相對(duì)較高,短鏈正構(gòu)烷烴C17、C19和C21的相對(duì)含量較低.通常,在沉積物中以C27、C29為優(yōu)勢(shì)峰的正構(gòu)烷烴分布特征常直接被解譯為外源陸生高等植物輸入,碳數(shù)為C23、C25的正構(gòu)烷烴則被認(rèn)為主要源于沉水和浮水等內(nèi)源大型水生植物[25-26].據(jù)此,撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴可能顯示出以陸生高等植物為主的有機(jī)質(zhì)來(lái)源,然而考慮到浮游藻類和細(xì)菌也可以產(chǎn)生長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴[27-28],本文觀察了撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴含量的季節(jié)變化動(dòng)態(tài).

圖3 撫仙湖水柱SPM中正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布

2.2.2 正構(gòu)烷烴含量的時(shí)空變化特征 撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴總濃度分布范圍為0.01～6.45mg/L (圖4i).水柱從表層到底部的6個(gè)深度(0,20,40,60,80和100m)的正構(gòu)烷烴總含量分別為0.04～0.81,0.05～ 6.45, 0.03～1.74, 0.01～0.64, 0.01～0.69, 0.02～0.35mg/L.高值主要分布在溫躍層及以上,深水層含量較低,且均存在明顯的季節(jié)差異.其中,約20m水深處的變溫層與溫躍層的臨界面是正構(gòu)烷烴含量的峰值所在;從表層到20m水深處正構(gòu)烷烴含量呈現(xiàn)隨水深遞增趨勢(shì),從20m水深到40m水深處正構(gòu)烷烴含量逐漸減少,40m水層以下的深水層正構(gòu)烷烴含量極低.在各深度上長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體C27和C29的濃度最高(圖4f,4g),其次為C23、C25和C31正構(gòu)烷烴單體(圖4d,4e,4h),短鏈正構(gòu)烷烴單體C17、C19、C21濃度最低(圖4a,4b,4c).在季節(jié)上,正構(gòu)烷烴總濃度在各深度上均表現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,總體上,正構(gòu)烷烴總濃度在10月和4月達(dá)到峰值,分布區(qū)間分別為0.19～6.45和0.17～2.07mg/L.短鏈C17、C19和C21正構(gòu)烷烴單體在各月的濃度較低,且僅在變溫層表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,而中、長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴濃度較高,其季節(jié)變化與正構(gòu)烷烴總濃度的季節(jié)變化相一致,從變溫層到深水層都在10月和4月達(dá)到峰值.這與2015年撫仙湖變溫層水體浮游植物總生物量在4月和10月出現(xiàn)峰值[29](圖5b)完全吻合,在垂直分布上,浮游植物也體現(xiàn)出與中、長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴相似的梯度變化,即在變溫層和溫躍層的生物量明顯高于深水層[30-31],這表明中、長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的有機(jī)質(zhì)來(lái)源可能與浮游植物有關(guān).此外,撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴濃度的垂直分布特征(圖4)還證明了在該深水湖泊中沉積物的再懸浮作用較小.通常在深水湖泊中,熱力分層增強(qiáng)了水體運(yùn)動(dòng)隨深度的衰減,溫躍層阻礙了風(fēng)的直接影響[32];在不分層期間,由于水深較深而導(dǎo)致湖底受湖面風(fēng)浪作用的影響較小,從而導(dǎo)致?lián)嵯珊椎脑賾腋∽饔梦⑷?

圖4 撫仙湖水柱深度剖面SPM主要正構(gòu)烷烴的時(shí)空分布

2.2.3 撫仙湖SPM中的正構(gòu)烷烴來(lái)源 C/N值的大小可對(duì)沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源進(jìn)行初步判斷[33].一般湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)的C/N值小于12,指示湖泊內(nèi)部含較多蛋白質(zhì)來(lái)源的水生植物輸入,而富含腐殖質(zhì)的陸生植物的C/N值通常大于14[1].撫仙湖不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)的C/N平均值如圖5(a)所示,其分別是:流域表層土壤13.9;湖泊表層沉積物10.2;沉水植物11.8;表層水(0～20m水深)浮游植物是8.5;水柱(0～100m)SPM為8.6.水柱SPM的C/N值與浮游植物的C/N值分布區(qū)間基本重疊,平均值基本吻合,間接說(shuō)明撫仙湖SPM的有機(jī)質(zhì)可能主要來(lái)源于浮游植物的貢獻(xiàn).同時(shí),本文將2015年撫仙湖表層浮游植物逐月總生物量變化[29]與本文中水柱變溫層(0～ 20m)和整個(gè)水柱(0～100m)的正構(gòu)烷烴含量的年變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比(圖5b),浮游植物生物量和正構(gòu)烷烴含量變化均呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì).即,二者均在4月和10月呈現(xiàn)2個(gè)峰值;只是浮游植物的生物量最大值出現(xiàn)在4月,而正構(gòu)烷烴含量的最大值出現(xiàn)在10月.這或許與兩組數(shù)據(jù)并非同一年度有關(guān),出現(xiàn)正構(gòu)烷烴含量最高值的2016年10月,氣溫和降水較異常,降水偏少,導(dǎo)致云量減少,以及氣溫較往年偏高使得湖泊WT相對(duì)偏高從而為浮游植物生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了環(huán)境.另外,撫仙湖變溫層(0～20m)中,正構(gòu)烷烴單化合物(C25、C27、C29)豐度的年變化趨勢(shì)也與表層浮游植物生物量年變化一致,而短鏈正構(gòu)烷烴單化合物(C17、C19、C21、C23)由于含量極低,并未表現(xiàn)出相似的年變化趨勢(shì),也間接驗(yàn)證了撫仙湖SPM中的中長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單化合物(C25、C27、C29)主要來(lái)源于浮游植物的貢獻(xiàn),而非以往認(rèn)知的浮游植物主要為短鏈正構(gòu)烷烴提供來(lái)源.

圖5 撫仙湖流域表層土壤、表層沉積物、沉水植物、SPM和浮游植物的C/N值分布以及撫仙湖正構(gòu)烷烴總濃度和部分單化合物的季節(jié)年變化與2015年撫仙湖浮游植物總生物量年變化[29]的比較

圖6 撫仙湖現(xiàn)代樣品的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布

=樣品數(shù)量

本文進(jìn)一步對(duì)比了流域表層土壤、湖泊表層沉積物、沉水植物和SPM的正構(gòu)烷烴分布(圖6).由圖4和圖5(b)可知,SPM中的正構(gòu)烷烴單化合物(C29、C27、C25)具有較高的含量,在組成分布中也占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖6c);但在湖泊表層沉積物中正構(gòu)烷烴分布與前人[34]一樣呈雙峰模式分布,優(yōu)勢(shì)峰為C31和C23(圖6d).說(shuō)明沉積物中的中長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴(C29、C27、C25)還大量源于陸生表層土壤(圖6a)和沉水植物(圖6b);浮游植物對(duì)沉積物中有機(jī)質(zhì)的絕對(duì)貢獻(xiàn)還相對(duì)有限.反而是來(lái)源于流域表層土壤中相對(duì)豐度最高的C31和來(lái)源于沉水植物中相對(duì)豐度最高的C23正構(gòu)烷烴與湖泊表層沉積物中的雙峰型(C31,C23)分布相對(duì)應(yīng).由于二者指示來(lái)源都相對(duì)單一,因此,撫仙湖沉積物中正構(gòu)烷烴單化合物C31,C23可以有效的分別指示陸源植物和沉水植物.而同樣在沉積物中豐度較高的正構(gòu)烷烴單化合物C29,其共同來(lái)源于浮游植物、沉水植物、流域表土的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn),環(huán)境指示意義不大.

2.3 環(huán)境影響因素

首先對(duì)撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA),結(jié)果表明,排序軸(第一排序軸梯度長(zhǎng)度為0.082) 的梯度長(zhǎng)度小于3,因此采用基于線性模型的主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)[35].撫仙湖SPM正構(gòu)烷烴 PCA(圖7a)結(jié)果顯示,2個(gè)軸一共解釋了正構(gòu)烷烴單化合物總變量82%的因子載荷.而PCA1就解釋了62.2%的因子載荷,其中,正因子載荷主要由短、中鏈正構(gòu)烷烴單化合物C17、C19、C21、C23組成;負(fù)因子載荷主要由中、長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體C25、C27、C29、C31和C33組成;這表明兩組烷烴化合物來(lái)源上可能存在巨大差異. RDA結(jié)果顯示(圖7b),軸1和軸2的特征值分別為32.3%和4.8%,說(shuō)明軸2上環(huán)境因子pH值對(duì)正構(gòu)烷烴分布的解釋量極低;軸1可以解釋大部分環(huán)境因子WT、DO和深度(Depth)對(duì)正構(gòu)烷烴分布的影響.再利用向前引入法對(duì)環(huán)境因子逐步篩選,Monte Carlo置換檢驗(yàn)結(jié)果顯示,WT對(duì)水柱SPM正構(gòu)烷烴分布的影響達(dá)到了極顯著水平(<0.01);而DO(=0.06)和Depth(= 0.43)對(duì)水柱SPM正構(gòu)烷烴垂直分布的影響不顯著.即WT是限制撫仙湖水柱中正構(gòu)烷烴垂直分布的關(guān)鍵因素.因?yàn)闇囟仁怯绊懜∮沃参锷L(zhǎng)的關(guān)鍵因子之一,在浮游植物生物量和群落結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程中起到了重要的作用.一方面,WT通過(guò)影響水體的對(duì)流運(yùn)動(dòng),改變水體中的DO以及各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的垂直分布;另一方面,WT會(huì)影響藻細(xì)胞酶活性,抑制光合作用和呼吸代謝過(guò)程[36].另外,浮游植物復(fù)雜的群落分布結(jié)構(gòu)也影響SPM中正構(gòu)烷烴垂直分布態(tài)勢(shì).據(jù)潘繼征等[31]和劉曉曦等[29]對(duì)撫仙湖浮游植物空間分布的調(diào)查結(jié)果可知,綠藻、甲藻、金藻、硅藻和藍(lán)藻是撫仙湖主要的浮游植物種類,綠藻是撫仙湖浮游植物中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種,且主要分布在30m水層以上,峰值在10～20m水層;在40m以下的深水層密度銳減;而金藻、甲藻類浮游植物在深水層中幾乎沒(méi)有分布,剛好與撫仙湖水柱中正構(gòu)烷烴的分布特征一致.

圖7 撫仙湖水柱SPM中正構(gòu)烷烴PCA分析和RDA分析

3 結(jié)論

3.1 撫仙湖水柱SPM中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍在C17～C33之間,以C27和C29為優(yōu)勢(shì)峰的單峰型模式分布,水柱SPM中正構(gòu)烷烴總含量分布范圍為0.01～6.45ug/L,在季節(jié)變化尺度上,正構(gòu)烷烴含量在10月和4月呈現(xiàn)最高值,這與浮游植物生物量的變化相一致;在垂直梯度的空間分布上,正構(gòu)烷烴的峰值主要分布在約20m水深處的變溫層與溫躍層的臨界面,底層水體中含量較少,表明湖泊沉積物-水界面的沉積物再懸浮作用影響微弱.

3.2 撫仙湖水柱SPM中正構(gòu)烷烴單化合物(C25、C27和C29)豐度與浮游植物生物量變化顯著相關(guān),水柱SPM與浮游植物的C/N值分布區(qū)間基本吻合,表明浮游植物是SPM正構(gòu)烷烴主要來(lái)源.WT是限制撫仙湖水柱中正構(gòu)烷烴時(shí)空分布的關(guān)鍵因子.撫仙湖沉積物中的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布以雙峰型為主,正構(gòu)烷烴C31和C23可以有效指示流域陸源植物和沉水植物,而沉積物中豐度較高的正構(gòu)烷烴C29則源于浮游植物、流域表土和沉水植物的有機(jī)質(zhì)的共同來(lái)輸入,不宜用于重建古環(huán)境.

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The sources and seasonal variation characteristics of-alkanes in suspended particulate matter in Fuxian Lake.

YUAN Hong-xiang1, SUN Hui-ling1*, DUAN li-zeng2, ZHANG Hu-cai2

(1.Yunnan Key Laboratory of Plateau Geographical Processes and Environmental Change, Faculty of Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China；2.Institute for Ecological Research and Pollution Control of Plateau Lakes, School of Resources, Environment and Earth Sciences, Yunnan University, Kunming 650504, China)., 2021,41(6)：2812～2820

In order to investigate the sources and spatiotemporal variation characteristics of-alkanes in organic matter in Fuxian Lake, the distribution characteristics, biological sources and seasonal variations of suspended particulate matter in water columns of Fuxian Lake from April 2016 to March 2017 were studied. The vertical distribution of-alkanes demonstrated the relative abundance of-alkanes above the thermocline was higher than that below the thermocline. The maximum concentration of-alkanes occured in ～20m depth. The relative abundance of-alkanes in water columns was weakly affected by sediment resuspension. The obvious seasonal fluctuation in-alkanes with the highest values in October and April can be found. Furthermore, the seasonal variation trends of-25,-27,-29 alkanes were consistent with that of phytoplankton biomass, which illustrated that the phytoplankton was the main source of-alkanes in water columns of Fuxian Lake. Water temperature was one of the key factors to limit the spatial and temporal distribution of-alkanes in water columns of Fuxian Lake. All the input from the phytoplanktons, surface soil and submerged plants played an important role for the high abundance of C29in the surface sediments. The-alkanes (C31and C23) in the sediments of Fuxian Lake could effectively indicate the input of terrestrial plants and submerged plants. The results were good foundation of paleo-environmental reconstruction in down core sediments based on-alkanes in Fuxian Lake.

Fuxian Lake；suspended particulate matter；-alkanes；phytoplankton

X524

A

1000-6923(2021)06-2812-09

袁紅香(1995-),女,傈僳族,云南麗江人,云南師范大學(xué)碩士研究生,主要從事湖泊沉積與環(huán)境變化研究.發(fā)表論文1篇.

2020-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41761044,41971115);云南省領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(2015HA024)

* 責(zé)任作者, 副教授, huilingsun07@hotmail.com