（环境科学专业论文）鄱阳湖区悬浮颗粒物和表层沉积物有机质碳、氮同位素研究.pdf

摘要 河流域入湖口处表层沉积物中有机质碳、氮主要源于陆源有机质。 6 、主航道6 1 3 c 与叶绿素a 、悬浮颗粒物浓度均未有显著的相关性，6 1 n 与 硝氮、亚硝氮呈显著正相关，悬浮颗粒物与表层沉积物碳、氮同位素无显著相 关性。五河入湖口悬浮颗粒物中有机质碳、氮同位素与环境影响因子的显著性 不明显，反映了多种影响因子综合作用。五河入湖口区悬浮颗粒物有机质中6 1 n 与表层沉积物有机质中6 1 3 c 、c n 比值均呈显著相关，有机质来源基本一致。 关键词：鄱阳湖；悬浮颗粒物；表层沉积物；碳同位素；氮同位素 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s a m p l e so fs u s p e n d e dp a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r ( s p o m ) a n d s u r f a c es e d i m e n t o r g a n i cm a t t e rw e r ec o l l e c t e di nt h ep o y a n gl a k ea r e ad u r i n gt h ed r y s e a s o na n dt h e w e t p e r i o d ，r e s p e c t i v e l y ，a n a l y z e d f o rs t a b l ec a r b o na n dn i t r o g e ni s o t o p e c o m p o s i t i o n sw i t hu s i n go fs t a b l ec a r b o ni s o t o p ea n dn i t r o g e ni s o t o p et e c h n i q u e s t h eo r i g i no fs u s p e n d e dp a r t i c u l a t em a t t e ra n ds u r f a c es e d i m e n to r g a n i cm a t t e rw e r e i d e n t i f i e d ，b a s e do nv a l u e so fs t a b l ec a r b o na n dn i t r o g e ni s o t o p e ，a sw e l la st h e c o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h e m t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ev a l u e so f c a r b o ni s o t o p eo fs p o mw e r e - 2 4 9 1 旷- 2 5 7 9 i na r ys e a s o n a n d 2 5 8 8 2 6 9 1 oi nw e ts e a s o n ，v a r i e dl i t t l ei nt h em a i nc h a n n e la r e ao f p o y a n g l a k e ，a n dp r e j u d i c e dd u r i n gd r ys e a s o nt h a nt h o s ed u r i n gw e ts e a s o n t h erv a l u e so f n i t r o g e ni s o t o p ew e r e6 3 5 9 缸1 0 5 5 oi nd r ys e a s o na n d4 2 0 旷1 9 6 9 o i nw e t s e a s o n ，v a r i e do b v i o u s l ya n dh i g h e rd u r i n gw e ts e a s o n ，a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n w a ss i m i l a rb e t w e e nt h et w op e r i o d c nr a t i o sw e r e8 6 2 - 9 6 7i nw e ts e a s o na n d 8 1 - 1 0 5 4i nd r ys e a s o n h i g h e ri nw e tp e r i o dg e n e r a l l y , a n dv a r i e dm o r es i g n i f i c a n t l y a m o n gs a m p l e sd u r i n gt h ew e t s e a s o n 2 、t h ev a l u e so fc a r b o na n dn i t r o g e ni s o t o p eo fs u r f a c es e d i m e n to r g a n i cw e r e 一1 2 5 6 臻 o o - 2 5 6 6 0a n d3 5 1 o - 6 2 6 0i nt h em a i nc h a n n e la r e ao fp o y a n gl a k e r e s p e c t i v e l yw i t hs i m i l a rd i s t r i b u t i o nt r e n d t h er a n g eo f c nr a t i o sw e r e8 9 7 - 2 4 01 ， l a r g e ri nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mt h a nt h o s ei nt h em i d d l ec h a n n e l 3 、t h ev a l u e so fc a r b o ni s o t o p eo fs p o mw e r e 一2 5 2 2 o 一2 7 7 9 oi nw e ts e a s o n 2 6 0 2 o - 2 8 0 7 o i nd r ys e a s o n ，v a r i e dl i t t l ea m o n gs a m p l e si nt h ef i v er i v e r s 、m o u t h a r e a ；t h ev a l u e so fn i t r o g e ni s o t o p ew e r e2 8 7 0 - 17 4 9 i nw e ts e a s o na n d 2 12 9 钿- 8 7 5 9 6 0i nd r ys e a s o n v a r i e dg r e a t l ya m o n gs a m p l e sd u r i n gw e ts e a s o nt h a n t h o s ei nd r ys e a s o nw h i l ec nr a t i o sv a r i e dl i t t l ea m o n gt h es a m p l e s ，a sw e l la s v a r i e t yb e t w e e nt h et w op e r i o d t h ev a l u e so fc a r b o na n dn i t r o g e ni s o t o p eo f s u r f a c e s e d i m e n to r g a n i cw e r e 一1 9 5 5 0 - - 2 4 7 9 0 ，2 8 5 o 4 6 4 9 0 0 ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h e r a n g eo fc nr a t i o sw e r e8 9 7 - 2 4 0 1 ，w h i c hs h o w e dl i t t e rs p a t i a ld i s t r i b u t i o n 4 、c a r b o ni s o t o p eo fs p o mw e r ef r o mc 3p l a n t sw h i l en i t r o g e ns o u r c ew e r e i i i a b s t r a c t f r o ma q u a t i cp l a n t sa n ds o i lo r g a n i cm a t t e ri nt h em a i nc h a n n e la r e a t h es o u r c eo f o r g a n i cm a t t e rw e r em a i n l yf r o ms o i li nt h eu p s t r e a mw h i l ea l g a ew e r et h eo r i g i no f t h eo r g a n i cm a t t e ri nt h ed o w n s t r e a m 5 、c a r b o ni s o t o p ea n dn i t r o g e ni s o t o p eo fs p o mw e r em a i n l yf r o mt h em i x t i 鹏 o fs o i lo r g a n i cm a t t e ra n da q u a t i cp l a n t si ng a n j i a n gs o u t hb r a n c he s t u a r yw h i l et h o s e w e r ef r o ma q u a t i cp l a n t si ng a n j i a n gn o r t hb r a n c he s t u a r yi nw e ts e a s o n ，a sw e l la s d r ys e a s o n ；o r g a n i cn i t r o g e nt e n d st ob ef r o mt e r r e s t r i a li n p u ta n do r g a n i cc a r b o n w e r ef r o mt h em i x t u r eo fs o i lo r g a n i cm a t t e ra n da q u a t i cp l a n t si nb o t hm o u t ho ff u h e f i v e ra n dx i n j i a n gf i v e r ；t h es u s p e n d e dp a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e rm a yb er e l a t e dw i m f i s hf a r m i n g ，w h i l et h ea q u a t i ca l g a ec o n t r i b u t eal o tt ot h eo r g a n i cm a t t e ri nx i u s h u i f i v e rm o u t h 1 1 1 ec a r b o ni s o t o p ea n dn i t r o g e ni s o t o p eo ft h eo r g a n i cm a t t e ra tt h e s u r f a c es e d i m e m si nt h em o u t ho ff i v er i v e r sw e r em a i n l yf r o mt e r r e s t r i a lo r g a n i c m a t t e r 6 、t h e r ew e r en os i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n so nt h ev a l u eb e t w e e nc a r b o ni s o t o p e a n dc h l o r o p h y l l 孔s u s p e n d e dm a t t e rc o n c e n t r a t i o n ，w h i l et h ev a l u e si n d i c a t e da s i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn i t r o g e ni s o t o p ea n dn i t r a t e ，n i t r i t ei nt h e m a i nc h a n n e la r e a 1 1 l ev a l u e sw e r ef r o mt h er e s u l to ft h ei n t e g r a t e de f f e c t so ff a c t o r s a n dl i t t l ec o r r e l a t i o n sw i t hs i n g l ef a c t o ri nt h em o u t ho ff i v er i v e r s b o t hc a r b o n i s o t o p ea n dn i t r o g e ni s o t o p es h o w e dn os i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e ns p o ma n d s u r f a c es e d i m e n to r g a n i cm a t t e ri nt h em a i nc h a n n e la r e a , w h i l en i t r o g e ni s o t o p eo f s u s p e n d e do r g a n i cm a t t e r w e r ec o r r e l a t e d s i g n i f i c a n t l yw i t hv a l u e s o fc a r b o n i s o t o p e ，c nr a t i o so fs u r f a c es e d i m e n to r g a n i cm a t t e rw h i c hi n d i c a t e dt h es i m i l a r s o u r c ei nf i v er i v e r s k e y w o r d s ：p o y a n gl a k e ；s u s p e n d e dp a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r ；s u r f a c es e d i m e n t ； c a r b o ni s o t o p e ； n i t r o g e ni s o t o p e i v 第一章概述 第一章概述 随着各种严峻生态环境问题的出现，越来越多国内、外学者对如何应对出 现的各种生态环境问题、用何种方法及怎样才能更快更简单的探讨和处理生态 环境问题等展开了深入的探讨，研究出了多种不同的研究方法和技术：如通过 测定水境容量来测定其自净能力和背景值【l 】、测定各营养盐元素来判定其富营养 程度、通过通量的监测来预测水环境将可能出现的问题、利用同位素技术溯源【2 j 等等。其中，同位素的应用，尤其是稳定碳、氮同位素在探讨环境问题中的应 用，作为一种新兴的研究技术，正在各领域迅速展开。 1 1 碳、氮同位素应用研究 同位素是指原子核中质子数相同而中子不同的原子，如原子核中只有1 个 质子氕、氘和氚，但是它们的原子核中分别有0 个中子，1 个中子及2 个中子， 因此称它们互为氢的同位素。在化学中，同位素被定义为：具有相同质子数，不 同中子数( 或不同质量数) 的原子互称为同位素【3 】。自然界同位素有放射性同位素 和稳定性同位素两种，放射性同位素物理性质不稳定，而且会白发的放出射线， 直到变成另外一种稳定性同位素才停止放射，期问比较长，呈不间断发射。碳 的稳定同位素有两种，分别为1 2 c 和1 3 c ，氮的同位素比较多，但其稳定同位位素 也只有1 4 n 和1 5 n 两种，其余均为放射性元素。稳定性同位素没有放射性，物理 性质相对稳定，同时也无辐射效应。稳定性同位素虽然不释放射线，但是可以 利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质量分析仪器如质谱仪、核磁共振、 气相层析仪等进行测定。同时，这也是稳定同位素实际应用广泛的基础。 通常所指的同位素效应1 4 j 是指由于同位素之间在物理和化学性质上的差异 所造成的反应物和生成物在同位素组成上的微小差别；同位素比值则是同位素 效应的直接表现结果，之所以采用同位素比值来表示同位素组成主因于任何一 种元素的同位素的轻同位素的自然丰度比重同位素高的多，而且难于用绝对丰 度来表示。 同位素在物理、化学作用过程中，或在生化过程中，因具有不同的化学反 应和物理变化( 如扩散、挥发、速率等) ，易导致同位素分馏【5 1 ，从而使一种元 第一章概述 素的不同同位素在不同物质之间的分配具有不同的同位素比率。其中，同位素 交换反应、同位素动力学效应和其它物理化学效应【6 】等是引起同位素分馏的主 要机制。同位素分馏效应是稳定同位素技术研究中的重点，尤其是有机质污染 物中稳定碳同位素在生物和化学过程的分馏效应。稳定性碳、氮同位素的分馏 效应在不同污染物来源探索中影响非常大i _ ，这也是很多情况下很难对污染物做 到定量分析的主要原因。同时，由于稳定性同位素的分馏效应会使得不同元素 的同位素在自然界各种生物地球化学过程中产生丰度的变化，从而造成不同物 质或同一物质内部不同部分的同位素分布不均匀1 8 。o 】。 稳定性同位素的应用非常广泛，其主要应用之一则是根据同位素示踪原理 来对不同物质的形成原因和来源进行示踪探索，此技术不仅在地球的水文地质 中应用广泛，而且已经成为地球化学特别是有机地球化学领域最重要的研究方 法。源于稳定同位素分析测试技术的先进性，其它领域如生物工程、矿床学、 医学、食品工程等纷纷效用，稳定同位素技术的应用领域逐渐扩大。 稳定性碳、氮同位素技术在水、大气等不同的环境介质中的应用为研究者 们提供了及其便利的研究方法，尤其是对不同环境中不同物质物源的探索，稳 定碳、氮同位素示踪技术已成为研究者们最为广泛利用的方法之一【1 1 | 。通常情 况下，稳定碳、氮同位素在特定污染物质中的组成是确定的，而且不会随着污 染物质的迁移转化而发生较明显的变化，可以对其进行精确的定量分析，因此 它们常被用来探索不同环境介质中不同污染物的成因和来源，其中，稳定性碳 同位素在不同的生态环境系统中，常用于不同污染物的的迁移规律和物质来源 的研究【1 2 1 ，稳定氮同位素则常用于不同生态环境中生物氮循环的示踪探索【1 3 - 1 4 】。 近年来，应用稳定碳、氮同位素技术在不同环境介质中进行来源探索吸引 了无数研究者的关注，应用领域不断扩大。如利用氮同位素技术探讨天津地表 水、根据氮同位素组成特征变化判断古气候的演化5 j 及大气沉降问题、通过测 定碳、氮含量来判断富营养化程度、利用其示踪技术来研究食物网及生态群落 组成结构和各湖泊沉积速率等。稳定同位素技术在各种环境介质中的研究应用 正在兴起，为预测和处理各种环境问题带来了更简便、更快的新方法，进一步 加快了发展生态经济和构建生态文明的步伐。 1 1 1 碳、氮同位素在水环境中的应用 2 0 世纪8 0 年代以来，国内、外利用稳定性碳、氮同位素对于水环境方面 2 第一章概述 的研究极为广泛。如利用各生源要素如碳、氮等天然稳定性同位素对水环境( 主 要包括河口、海岸、潮滩、地下水、湖泊、沼泽等) 中持久性有毒有污害污染 物进行判源分析、形态研究、生态危害风险评估以及生物有效性等；通过天然 稳定性碳、氮同位素在河流生态系统各种形态的有机物质( p o m 、d o m 、p o c 、 t o c 、d o c 等) 中的迁移、转化、降解过程进行溯源分析等研究，在水环境中 的应用主要如下： ( 1 ) 对不同形态有机物质的迁移、转化及判源分析 碳、氮同位素可以用来对不同形态有机物质的迁移、转化及判源分析，如 利用自然水中d o n 的稳定性氮同位素可以研究水体中氮的动态变化【l 酬，根据 碳同位素可以估算河口地区溶态有机碳中1 4 c 含量及示踪其迁移变化和溶态有 机碳中腐殖质含量i l7 j ：利用稳定性同位素方法可以研究新陈代谢的来源和在氨 基酸的碳同位素分馏模式中所留下的转化标志【l8 】；碳同位素比率则可以用来示 踪人工地下水中溶态有机碳的分解i l 圳；利用油脂生物体、元素比率及其稳定性同 位素可以对河口沿岸的颗粒态有机质和高分子的溶态有机质进行研究【2 0 】； v e l i n s k y j 等通过测定挪威的f r a m v a r e n 海可溶性的无机物质和颗粒态的有机 物质中的稳定性同位素1 3 c 和”n 的含量研究了海湾中碳和氮的反应路径并从 稳定性同位素和同位素迁移、转化的研究中推断黑海当中n o 的循环过程；刘 敏u 列等以长江河口及上海滨岸作为研究对象，分析了潮滩上覆水、沉积物孔隙 水中营养物质氮的含量，并初步估算了潮滩沉积物水界面间氮的扩散通量。 ( 2 ) 对水环境中生物链各营养级关系的判断 水环境中各种生物之间均存在一个营养级的关系，食物链的存在使水体中 的各种营养元素以及重金属元素在各营养级之间单向流动，而各种元素在生物 体内的单向流动则可把各种生物联系起来。因此，利用对各生物体内的碳、氮 以及重金属的测定出来的数值便可判断各生物体之间的营养级关系，从而达到 对各种污染物在水环境中进行判源分析、生态危害风险评估以及生物有效性的 研究目的 例如，利用1 3 c 和”n 在潮间带食物链中细菌的示踪监测，并通过采用各种 不同的物质，包括向潮间滩增加肥料、海草以及其它的东西作对照试验，利用 细菌数目的增、减状况，可以找出对治理沙滩上潮间带的石油污染具有重大作 用的物质和最佳时机；因细菌的繁殖在消耗了原有的载体之后，在有石油存在的 情况下，它会继续以石油为载体继续繁殖，所以可以通过稳定性碳、氮同位素 3 第一章概述 的示踪潮间带细菌的变化情况进行监测，从而判断出石油的去除情况【2 4 】； s t r u c k l 2 5 j 等通过监测在波罗的海南部和中部的4 个富集2 1 0 p b 的中心地区有 机碳的累积速率和有机质中的标志性的稳定性同位素1 3 c 和1 5 n ，研究了不断增 加的营养输入以及生物生产力的所形成的沉积记录。此外，通过测定稳定性氮 同位素含量来确定选定的重金属在食物链中的营养关系和比较生态系统中示踪 元素的浓度大小也有所探讨【2 6 j 。 ( 3 ) 在水文方面的研究 稳定性碳、氮同位素的应用主要在于地表水和地下水中污染物如硝氮、亚 硝氮、氨氮机水体中有机质污染物等及地表水和地下水之间联系的探索，如通 过对地下水稳定氮同位素的测定分析，不仅可以判断硝酸盐对地下水的污染程 度，而且还可以对氮同位素的来源进行分析 2 7 - 2 8 】。文东光【2 9 】等通过各种同位素 利用的比较全面的分析了人类各种活动对地下水资源属性的影响程度，同时运 用同位素技术探讨了具有水层系统的各种区域的地下水资源的特征。水环境问 题的解决首要任务则是辨别出污染物的来源，而稳定碳、氮同位素则是示踪污 染物来源的最直接的方法，因此稳定碳、氮同位素技术的应用至关重要。目前， 稳定碳、氮同位素技术在不管是在探讨地表水和地下水中污染物质的来源及不 同污染物的在总污染中的所占比例等，还是确定地表水和地下水两者之间的相 关性，都已经比较成熟1 3 0 ，而且其在水文研究中的重要性将日益突出。 ( 4 ) 在持久性毒害污染物变化趋势及溯源研究中的应用 持久性有毒有害污染物p 1 是一种对生物毒害性非常大、时间非常久的难降 解物质，找出其来源是为测底消除污染根本途径。目前国内、外，运用稳定碳、 氮同位素的对其示踪的研究并不多见，但有研究者利用其它同位素对其示踪而 且在持久污染物来源和趋势探索中取得较好的成果。如f i s k d e n g 3 2 1 对存于北极 冰问湖的桡脚类浮游动物中持久污染物的研究，e v e n s e t l j 副等通过研究两个湖泊 中稳定氮同位素分布特征，从而对不同湖泊生物体中持久有害物质进行含量分 析。稳定碳、氮同位素技术在持久毒害污染物的应用虽还不成熟，但是，随着 技术的提高，其应用将会不断扩大。 稳定性碳、氮同为素技术不仅在水环境领域研究中发挥着举足轻重的作用， 在大气环境等它领域研究中的应用也正快速展开。如稳定性碳、氮同位素分馏 在大气环境中对于来源分析的影响以及在污染物溯源与示踪中识别大气多环芳 烃来源【3 4 】。同时，有关研究者不限于对地球上的研究，开始运用此技术对地球 4 第一章概述 外的领域进行探索，如b a r b u 3 5 】等为探索火星大气层二氧化碳的迁移转化规律， 利用激光两极管感应器对其同位素进行测定，取得了很好的效果，而且获取了 其边缘大气层的特性的大量信息。 1 1 2 碳、氮同位素在其它学科中的应用 ( 1 ) 稳定性同位素在微生物科学中的应用 微生物细小且种类繁多，然而，能在实验室进行培养的微生物却非常少， 对于相通过传统的实验室培养的方法来全面获取微生物功能等有关信息是非常 困难的，分子生物学技术的发展和应用，使得环境微生物生态学的研究水平迅 速提高【36 1 ，但只限于对微生物遗传特性的信息的获取。稳定碳、氮同位素标记 技术的出现不仅扩大了对微生物的遗传特性的认识，而且为微生物新陈代谢及 它们之间的相互作用的研究提供了可能，且已在土壤微生物研究中取得显著成 果1 37 3 8 j 。稳定性同位素探测技术的出现便是稳定性同位素标记法和分子生物学 技术的综合利用的结果，不仅可以鉴定各种环境复杂群落中微生物的遗传特性， 还可以提供大量它们相互作用及其代谢功能的信剧3 9 j ，在环境微生物学、功能 宏基因组学等领域具有重大作用。因此，稳定性同位素探测技术在环境微生物 的研究中的应用前景非常广阔。 ( 2 ) 在动物科学中的应用 稳定性碳、氮同位素之所以能在动物科学中得到广泛应用，主要是与动物 在周边环境中的食取的食物密切相关。食物被动物食取后，食物中的稳定同位 素在并不会在动物的形成代谢中轻易发生改变，与动物血液、组织中的稳定碳、 氮同位素具有很好的一致性。因此，稳定性碳、氮同位素不仅在动物的新陈代 谢1 4 ，对营养物质汲取研究中具有重要应用，而且当动物的生活环境发生改变 时也能对动物的捕食特征【4 1 1 即食物链机制进行示踪探索 4 2 】，同时，即使动物的 栖息地有迁移变化时，动物组织、血液中稳定同位素也会逐渐被新生存中的食 物中的稳定同位素所代替1 4 引，可以很好的对动物食物进行溯源分析。 ( 3 ) 在植物科学中的应用 稳定性同位素在植物科学中应用主要是利用稳定性碳同位素方法，辨别植 物光合作用不同途径，主要源于c 3 ，c 4 植物对1 3 c 0 2 的具有不同敏感度而导致排 斥程度不一样。传统方法不仅需要分析植物细胞的排列情况和细胞中叶绿素的 含量，还要对其光合作用的产物进行分析，过程麻烦而且时间长，效率不高。 第一章概述 稳定同位素方法则简易得多，只需要对植物叶片的稳定同位素值进行测定，便 可以精确判断出植物类型，同时可判断出其相应光合途径是c 3 途径还是c 4 途径 【4 4 】 ，o 此外，稳定氮同位素在植物科学中的研究利用也在逐步展开，如在鉴别植 物生长区有无受人类活动的影响，f r y 等【4 5 】通过对测定生长于南佛罗里达海岸 带沼泽地中受人类活动影响大的红树林和远离人类的红树林中稳定性氮同位素 值和氮含量，受人类活动影响的稳定氮同位素值要比远离人类活动区的高，且 由两者之间的相关性表明受人类活动影响大的红树林和远离人类的红树林之间 具有显著的差异。因此，稳定氮同位素技术的在植物科学中具有广阔的应用前 景。 ( 4 ) 在食品检验中的应用 随着化学技术的提高，人工合成食品日益成为人们重要的食物来源。然而， 这也给一些唯利是图的不法商人投机取巧的可能，如在糖的制作中，更换原材 料或添加玉米、甘蔗等，市场上人工合成食品质量在不断下降。这些伪造的食 品有的与原食品非常像，难于辨别。然而，随着稳定性同位素技术的出现， b r i c o n t 4 6 1 提出了利用稳定同位素分析技术来检验天然食品中掺假物质的设想， 并取得成功，其主要原理是由于天然食品的原料在生长过程中会发生某些同位 素分馏作用，因此稳定同位素比值在天然食品和人工合成伪造食品之间具有显 著的差别。目前，运用稳定碳同位素检验食品应用效果最好的便是对香草精的 检验，因此技术简便有效，其应用将在食品检测领域中不断扩大。 1 1 3 碳、氮同位素技术应用进展 稳定性碳、氮同位素技术的应用虽已在各领域展开，并取得重大的研究成 果，但还不够成熟，总的可概括为： ( 1 ) 稳定性碳、氮同位素的应用在国内、外发展迅速，应用领域在不断扩 大，而且随着稳定性碳、氮同位素示踪技术的应用，在不同环境介质中不同形 态的物质的迁移、转化和来源中的研究已比较成熟。但是，稳定碳、氮同位素 的应用远不限于此，目前所涉及的领域并不大，尤其是在国内仍尚属起步阶段， 国内技术与国外还有一定的差距。 ( 2 ) 稳定性碳、氮同位素技术虽在解决环境问题中应用性强，尤其的是对 不同环境中不同形态物质的迁移、转化和来源的示踪，但是环境问题日趋复杂， 6 第一章概述 其技术并不能解决环境研究中出现的所用问题。因此，在复杂的环境问题研究 中，研究者们更重于稳定性碳、氮同位素与其它同位素或与相关物理、化学方 法相结合的综合应用。 1 1 4 碳、氮同位素技术应用特点 随着新测试仪器的出现，碳、氮同位素测试技术不断改进，新技术、新方 法也不断涌现，使得碳、氮同位素技术的应用水平不断提高，能够日益适应碳、 氮同位素地球化学研究工作的需要，同时也为同位素地球化学的研究提供了强 大的推动力。目前，碳、氮同位素技术，作为同位素地球化学的依托，在应用 中具有如下特点： ( 1 ) 不会对人造成人身安全威胁，无放射性、辐射性等其它影响： ( 2 ) 不会对周边环境造成破坏，无污染； ( 3 ) 与放射性同位素相比，稳定性无衰变，不受试验时间等其它条件限， 能进行其所不能进行的示踪研究。 1 2 水域悬浮物和沉积物碳、氮同位素研究 河流、湖泊、海洋等水域中悬浮颗粒物和沉积物与大气圈、生物圈等具有 密切的联系，悬浮颗粒物和沉积物有机质组成特征是非常重要的生物地球化学 信号，也是地球化学、生物学、沉积学等的研究的重要信息来源。稳定同位素 技术应用的兴起，为水域悬浮颗粒物和沉积物有机质组成特征和来源的探索提 供了重要的研究方法，借此，关于水域悬浮颗粒物和沉积物有机质的研究在国 内、外正迅速展开。 1 2 1 悬浮物有机质溯源 0 4 5 9 m 滤膜能阻留水体中悬浮物和大部分细菌通过，所以，通常把水样过 滤后阻留在此孔径滤膜上的溶解的和可溶的部分称为悬浮物。稳定性同位素， 尤其是碳、氮稳定性同位素，在悬浮物中具有自己固有的特性，不仅不同的物 质具有不同的固定稳定同位素值，而且在悬浮物中也不会因不同类物质聚在一 起而发生稳定同位素特征值的改变，因此，一般而言，在湖泊、河口等自然环 境系统内，不同来源的悬浮物有机质中，其化学组成成分和稳定同位素组成特 征会存在显著差异4 7 。4 8 1 ，而且相关研列4 9 , 5 0 1 表明：( 1 ) 有机质中稳定同位素比具 7 第一章概述 有保守性；( 2 ) 不同输入源之间的物理混合控制着有机质中稳定同位素的分布。 基于此，国内外诸多学者利用上述特征来推断水域中有机物的来源，其中，碳、 氮稳定同为素示踪是为应用最广泛的方法。 在自然环境系统内，不同来源的有机物中c n 比值具有明显的差异，如多 数细菌等微生物的c n 比值分布在2 6 4 3 之间，浮游植物体内的c n 比值在 7 7 1 0 1 范围内，而高等植物则具有较高的c n 比值，高达5 0 以上。通常我们 所指的海源和陆源有机质中的c n 比值也相差较大，海源中有机质c n 比值分 布在6 9 内，而陆源一般为1 2 【5 。因此，利用悬浮物有机质中c n 比值可以对 有机质进行溯源分析。 除c n 比值经常被用来指示物源外，大量研究成果表明稳定氮同位素可以 也用来反映不同物源的贡献。地球上不同物质的稳定氮同位素值不同，一般来 说，大多数陆地物质的氮同位素组成为1 2 - + 3 0 o ，而且不同来源氮的氮同位 素组成一般不相同，因此氮同位素可以用来较好地示踪氮素的来源。如化肥一 般为n = 0 3 0 ，土壤氮的稳定1 5 n 值可以在较大的范围内变化( 1 0 + 1 5 1 ，但大部分为+ 2 + 5 5 2 1 。地表环境中不同物质的氮同位素值的大致分 布范围如图1 1 所示： 4 0 3 0 2 0 1 5 n 1 0 0 1 0 2 0 _ _ ； _舅l _ ! 图1 1 自然界中稳定氮同位素大致分布范围 图1 1 中数字代表意义：1 水生植物，2 陆地植物，3 土壤有机质，4 人造 化肥，5 铵盐，6 硝酸盐，7 农业废水，8 人畜排泄等生或污水，9 工业废水， 1 0 大气沉降。 水体氮主要以n 2 、n i - h + 、n 0 3 。、n 0 2 等形式存在，这些形式相互作用主要 8 第一章概述 包括：同化作用、固氮作用、矿化分解作用、硝化作用、反硝化作用、挥发、 吸附解吸作用等，在不同相互作用中产生的分馏变化如图1 2 所示。 2 0 1 0 分0 r - 馏 系 一1 0r 数 一2 0r _ - 3 0 l l m l - 9 第一章概述 氮在发生硝化作用、反硝化作用、同化作用和异化作用等过程中引起的氮同位 素分馏很可能会影响到有机质中氮同位素的分布，如在氨充足的情况下，已有 实验发现因藻类吸收同化而引起的氮同位素分馏系数达1 6 7 【5 引。所以， 在同化和异化作用、硝化和反硝化作用等过程中引起的分馏很可能会在有机质 氮同位素组成上得到反馈而使氮同位素值发生改变【5 4 。55 1 ，因此在利用稳定氮同 位素判别有机质来源应格外小心。 在有机物溯源分析中，与稳定同位素c n 比值和稳定氮同位素相比较，国 内外相关研究表明，稳定碳同位素具有更高的准确性。目前，国际通用的碳同 位标准大多来自于国际原子能委员会和美国国家标准局，由于碳同位素标量的 含量比大多数的无机物和有机质都高，因此，一般所测样品值都为负值。对于 河流悬浮物有机质稳定1 3 c 不同来源，其值差别较大，如c 3 来源的为2 0 0 0 , - - 一3 2 0 ，c 4 来源为7 1 o , - - 一1 o 5 6 4 7 】。因此，通过对碳同位素的测定，可以为水体 有机质溯源分析提供更准确的依据。 据生物地球化学和同位素地球化学分析显示大多数河流特别是大型河流中 悬浮物颗粒有机质主要是外源【5 8 1 ，主要来源于流域侵蚀和水土流失过程。大量 显微研究发现大多数河流中的粗颗粒有机质中有部分类似于植物降解的碎片， 并且保留有可见的细胞结构【”】，而且其比相同粒级的矿物质颗粒密度小1 6 。同 时，根据悬浮颗粒物有机质中的1 4 c 分析和低密度土壤颗粒有机质的研究也证 实了其最近来源【6 1 】。此外，关于溪流和小河的研究也显示，持续不断的进入河 流的悬浮颗粒有机质，大多来源于河岸直接落入河流中的植物和碎屑【6 2 。生物 来源的指示剂也显示了河流中的悬浮颗粒物有机质来源于植物叶子【6 引，并且还 进一步显示草类来源的有机质在河流中的次要地位畔j 。所以，一般情况下，河 流悬浮颗粒物中有机质来源主要为外部来源。至于湖泊类流动性不强的水域， 营养盐丰富，是微生物、藻类等的生长的极佳环境，悬浮颗粒物有机质的组成 除外源外，则还需考虑水生生物的影响。 目前，水体悬浮物作为有机质的载体，国内、外相关学者利用其独特性质 正在国内、外河流、湖泊展开大量的有机质溯源研究，而且已取得丰硕的成果。 唐艳林【6 5 】等通过流域中悬浮颗粒物碳、氮稳定同位素的研究表明石头口门水库 流域水体中悬浮颗粒有机质的来源存在季节性差异，指出浮游植物则不再是流 域水体中悬浮颗粒有机质的主要来源。此外还突出石头口f - j t g 库流域水体中悬 浮颗粒有机质来源的空间差异，从而初步推断出其有机质来源：土壤有机质的 1 0 第一章概述 贡献为6 9 2 ，其次为藻类等大型水生生物来源，其贡献为2 3 1 等。刘敏1 6 6 j 等在 长江河口潮滩根据悬浮颗粒物中有机质碳、氮稳定同位素的季节分布特征表明 有机质中的稳定碳、氮同位素组成不仅受陆源和海源有机质输入量之问消长变 化的影响，同时一系列的生物地球化学过程、人为有机质的输入和沉积物粒度 与叶绿素对碳、氮同位素组成均存往一定程度的改造作用。此外，他们还利用 稳定碳同位素质量平衡混合模型，对陆源有机质输入量的贡献率进行了初步定 量估算。蔡德陵【6 1 7 】等根据无定河流域植被、土壤、沉积物的碳同位素调查结果， 估算出该河流颗粒有机质中c 3 植物碳的贡献可占7 5 8 0 。揭示河水悬浮 体中有机质的控制性来源是中下游陆地侵蚀物质，同时也反映了流域植被的同 位素特征，c 3 植物碳的贡献占优势。同时由水中悬浮体的碳、氮稳定同位素值 之间存在良好的负相关关系判断出了它有两种主要的物质来源：上游的浮游生 物和中下游的陆地侵蚀物质，并且它们呈保守性的物理混合特征。 1 2 2 沉积物有机质溯源 水域沉积物研究中，海域、湖泊及水陆交接区沉积物是如今国内、外研究 的主要方向，其中沉积物有机质的研究因沉积物有机质对湖泊、海洋等的生态 环境演变、生产力具有密切的联系而广受研究者们的青睐【6 8 7 0 】。吴敬禄【7 1 1 等 通过对东太湖沉积物有机质的碳、氮同位素等研究，发现东太湖地区湖泊沉积 物有机质稳定碳、氮同位素及总氮、总磷含量变化一致，有效的指示了湖泊富 营养化过程；葛晨东【7 2 j 等根据海南岛万泉河口沉积物有机质碳、氮同位素等分 布特征，提取了环境演变和人类活动信息等。 长期以来，沉积物有机质来源的识别一直是沉积物有机质研究的主要内容。 目前，研究沉积物有机质来源的主要方法有有机碳、氮元素含量、有机c n 比 值【7 3 。7 5 】、木质素、脂类分子标识物等，其中稳定性碳、氮同位素技术是在 探索沉积物有机质在系统中迁移转化示踪和来源分析中的一种非常重要的手 段。水域沉积物有机质一般来自于陆地植物、碎屑等陆源有机质和水体中藻类， 而不同的有机质来源具有不同的碳、氮同位素特征值，这就为沉积物有机质来 源的辨析提供了可能，总体与水体悬浮颗粒物中有机质来源探索机制相似。沉 积物有机质为微生物等提供了生存活动的能源，但微生物等对有机质的利用可 能会使有机质中稳定碳、氮同位素发生分馏，尤其是稳定氮同位素的分馏效应 非常明显，从而导致有时候情况非常复杂。 第一章概述 1 3 选题研究意义 近些年来，随着全球经济的快速发展，人类面对的环境问题逐日增多，水 土流失、温室效应、植物破坏等不断出现，它们与地球系统中发生的一系列生 物地球化学过程具有紧密的联系。治标先治本，然而，正确的认识和掌握地球 系统的各种生物地球化学变化过程则是“治本”的首要任务，也是当今环境问 题研究的基础。 鄱阳湖作为我国第一大淡水湖，年内水位变化显著，枯水似河，丰水如海， 吸纳赣江、抚河、信江、饶河、修水“五河”流域及长江来水来沙。然而，随 着鄱阳湖自然资源的开发和科技的快速发展，鄱阳湖已成为人类经济活动日益 加剧的重要地区，废水排放、水土流失等环境问题也日益严峻。长期以来，随 着各种严峻的生态环境问题的出现，已引起了人类的重视，国内、外正从不同 层面和不同角度对鄱阳湖展开大规模的研究和探讨如自然环境特征的研究、生 态安全的监测、水环境特征、水质富营养化和生态经济等，而且已取得巨大的 理论研究成果，为鄱阳湖环境的保护和管理提供了理论指导。然而，关于鄱阳 湖稳定碳、氮同位素的研究却并不多见。 本文以鄱阳湖区为研究对象，探讨了鄱阳湖主航道区及其五大主水系入湖 口水体中悬浮颗粒和表层沉积物有机物中稳定性碳、氮同位素分布特征及相关 性，并结合稳定碳、氮同位素特征值及c n 比值对悬浮颗粒有机物和表层沉积 物分别展开了溯源研究，以期为鄱阳湖环境的保护和改善提供科学的依据。 1 2 第二章研究区域概况和样品采集测试 第二章研究区域概况和样品采集测试 2 1 鄱阳湖湖区 2 1 1 自然地理 鄱阳湖位于江西省北部，长江之南，是与赣江、抚河、信江、饶河和修水 五大河流尾尾相接而形成的似盆状的凹地，受长江和五河水位制约、水量吞吐 平衡的连河湖。在鄱阳湖地区地质，尤其是第四纪以来的地质构造运动中，鄱 阳湖处于中心沉降区，并成为了五河流水汇聚中心，通过星子至湖口谷道外泄 与长江，大体上以湖盆为中心，构成了广阔的冲积一洪泛平原。鄱阳湖沉降区 东以彭泽一都昌一波阳一余干为界与大浩山一乐平上升去为邻，西界北起九江， 经星子南延至新建一丰城，与瑞昌一高安上升区相接，南与军山湖一福州间歇 性上升区相毗连，而形成了现代湖体以松门山为界南北湖区的基本格局，鄱阳 湖区主航道则以康山为头，贯穿两湖，尾接与湖口。湖区地貌以鄱阳湖水域为 中心，平原、岗地丘陵山地依次向四周展开，其中以平原、岗地为主，约占湖 区总面积的5 8 9 ，其次是水域，约占1 9 5 ，丘陵则占1 2 2 ，是平原、岗地 和山地之间的过度地带；山地占全区面积最小，仅为9 4 且零星分布于湖区周 边。 2 1 2 水文、气候及植被 鄱阳湖区“枯水一线，洪水一片”的自然独特景观早己闻名中外，且水位 变幅大是其较其它淡水湖所独有的特征。据统计鄱阳湖1 9 5