湖泊表层沉积物生物硅的空间分布范文

《生态学杂志》2015年第十二期

摘要

选取我国东北、西南、西北及中北部地区的10个典型湖泊，调查了表层沉积物生物硅含量变化情况，并通过区域对比分析了生物硅含量变化的原因，寻找我国湖泊生物硅变化的空间规律。结果表明，西北及中北部地区湖泊生物硅含量平均值整体低于东北和西南地区湖泊，可能是由于西北及中北部地区较低的温度和较少的降水量导致硅藻生长受限，从而造成生物硅含量偏低。东北湖泊与西南湖泊生物硅含量相对较高，但其形成原因不同。东北2个湖泊均靠近人类聚居区，属富营养型湖泊，虽然东北地区年均温较低，但充足的营养盐为硅藻生长提供了必要因素。而西南地区湖泊大多为中贫营养型湖泊，其生物硅含量整体较高可能主要归因于较高的温度和较多的降水。

关键词

湖泊;表层沉积物;生物硅;空间分布

湖泊是联系地球表面各圈层的纽带，也是陆地水圈的重要组成之一。湖泊具有调节区域气候、记录环境变化、维持区域生态系统平衡等功能。湖泊沉积物能记录不同地质历史时期湖区气候、植被及人类活动，因此在全球气候变化方面具有重要意义。生物硅(BSi)指来源于硅藻、放射虫等硅质生物的无定形硅。沉积物中的生物硅记录了生产力的变化，是古气候学研究中的一种重要替代性指标。

Carter等(1994)在研究贝加尔湖岩芯样品中的生物硅的基础上估算了过去硅藻的生产力，为解释古气候提供了良好依据;Colman等(1995)通过深入研究贝加尔湖沉积物的生物硅，认为生物硅是高纬度大陆湖泊理想的古气候替代指标;Xiao等(1997)研究了日本琵琶湖沉积物生物硅通量的变化，证明生物硅可作为温带中纬度湖泊的理想气候替代指标。还有研究表明，湖泊沉积物生物硅含量(BSi%)是反映气候环境变化和生态响应的重要指标之一，可以用来反演湖泊环境变化历史和湖泊水体营养水平变化历史。例如，北美五大湖生物硅记录(Schelskeetal．，1983，1986)表明，在受磷限制的湖泊中营养物质的小幅增加能够引起硅藻生产力增加并导致10～20年时间尺度上温跃层中溶解硅的下降。Wes-sels等(1999)基于沉积物硅藻和生物硅重建了德国Constance湖20世纪以来的营养水平变化历史。生物硅指标在国内湖泊营养水平变化历史研究中也得到了广泛应用。例如，Li等(2008)通过测定太湖北部沉积物生物硅通量和总磷含量，反演了太湖近50年来的营养水平变化历史;吴峰炜等(2009)、胡胜华等(2008，2011a，2011b，2011c)分别测定了滇池、红枫湖、杭州西湖、武汉月湖、东湖和严东湖的沉积物生物硅含量，并反演了各湖泊营养水平演化的动态过程。吕昌伟等(2010)通过分析岱海沉积物BSi%的空间分布和垂向分布特征，探索了硅藻类浮游植物初级生产力的硅限制理论。李世广等(2011)通过分析九寨沟箭竹海沉积物生物硅含量，探讨了自然和人类因素对湖泊水体营养水平的影响。我国湖泊众多，湖泊环境极为复杂，不同区域的湖泊环境变化具有显著差异，而我国湖泊生物硅的空间分布尚不明确。研究我国生物硅空间分布特征有利于全面把握我国生物硅分布现状，进而了解湖泊营养演化过程，并结合湖泊碳循环研究理解我国湖泊碳储量。因此，有必要开展不同湖泊生物硅的空间分布特征研究。

1研究地区与研究方法

1.1研究区概况本文研究了我国东北、西南、西北及中北部湖泊共计10个，其中西北及中北部地区湖泊有青海湖、岱海、朝那湫(六盘山天池)，西南湖泊有腾冲青海、抚仙湖、洱海、四川马湖、泸沽湖，东北部湖泊有松花湖和镜泊湖。各湖泊基本参数见表1。

1.1.1西北湖泊概况青海湖位于青藏高原东北部，是我国最大的内陆咸水湖。青海湖的主要补给水源是入湖河流，其次主要来源于湖底的泉水和大气降水。青海湖入湖河流有40余条，都属内陆封闭水系，湖区径流呈明显的不对称分布(中国科学院兰州分院，1994)。岱海位于我国内蒙古自治区东南部乌兰察布盟凉城县境内，地处中温带干旱-半干旱过渡区大陆性季风气候，冬季受蒙古-西伯利亚高压控制，盛行西北风，气候寒冷且干燥，夏季主要受大陆低压控制，来源于低纬大洋的暖湿气流带来大量降水，气候温凉湿润(孙千里，2005)。朝那湫(六盘山天池)，地处黄土高原西部六盘山接近山顶处，在甘肃庄浪县境内。朝那湫为淡水湖，湖水主要依靠降水补给。流域目前植被状况主要以灌丛和草甸为主(周爱锋等，2010)。

1.1.2西南湖泊概况洱海地处云贵高原的西北部，横断山脉的东部边缘，湖盆形成于更新世早期，属高原断陷湖泊。湖盆大致呈南北展布，西侧为苍山山地，苍山十九峰海拔均超过3500m，与湖盆平行展布;东侧为滇中高原，地形起伏和缓。入湖河流北有弥苴河、罗时江、永安江，南有波罗江，东有海潮河、玉龙河，西部为苍山十八溪，西洱河是唯一的出水口(周静等，2003)。抚仙湖是一个断层溶蚀湖泊，也是我国第二大深水湖。抚仙湖属于珠江流域南盘江水系，湖区四面环山，沿湖有尖山河、东大河、西大河和梁王河等20多条大小溪流汇入湖中，湖东岸的海口河为唯一的出水口，西南方向有条长1．0km，落差1．0m的隔河与星云湖相连，属半封闭高原湖泊。湖水主要补给除雨季时由湖四周河流沟溪汇水汇集外，少部分由地下水补充(王小雷等，2011)。马湖属四川省凉山彝族自治州雷波县所辖，在我国已知的深水湖中位居第三，仅次于长白山天池和云南抚仙湖。马湖属金沙江水系，湖水靠湖面降水和东、西两岸沟溪汇水和区间坡面漫流补给，主要的流域来水通过湖泊南端海脑坝的东大河、西大河和额子沟三条河流注入。湖水外泄主要为地下渗漏，因此属于微流通的半封闭型湖泊。1978年人工控制闸建成后，利用湖水灌溉和发电，湖水流入金沙江(季江等，1994)。泸沽湖是一深水断陷湖，位于云南省西北部与四川省交界处。入湖主要河流为三家村河、山跨河等，地表水、地下水补给极少，湖水补给主要方式是地表径漫流和湖面降水。湖水补给系数仅3．4，湖水寄宿时间长达18．5年，是一个半封闭湖泊(王苏民等，1998)。腾冲青海湖位于云南省保山市腾冲县境内，是600kaBP的火山喷发时火山口断陷而成的火山口湖，也是典型的高山湖泊。湖水呈微酸性，pH平均值5．8，矿化度16．24mg•L－1，也是世界上已探明的仅有的三个酸性湖泊之一。腾冲青海湖区属于亚热带高原湿润季风气候，全年主要受西南季风影响。由于受到南北向的高黎贡山和高原地势的抬升致雨作用，年降水量较多(王云飞等，2002)。

1.1.3东北湖泊概况镜泊湖位于黑龙江宁安县境内，是大约1万年前火山喷发堵塞牡丹江中游河道而成的河道形堰塞湖，也是我国最大的火山堰塞湖。调查结果表明，镜泊湖的浮游藻类春季以硅藻-隐藻为主，夏秋季以隐藻-蓝藻的生物量大，春季的生物量大于秋季(陈立群等，1994)。松花湖位于吉林市东南，是在第二松花江小丰满处建水坝而形成的大型人工湖泊，也是我国东北地区最大的人工湖泊。松花湖最大补给水源为松花江干流，入湖支流40余条，主要有辉发河、蛟河等(郝立波等，2009)。

1.2样品采集与实验方法分别在各湖泊采集表层沉积物样品，岩芯编号见表1。各湖泊岩芯研究长度在27～35cm，按照1cm间距分割后冷冻干燥后磨细至200目备用。本文选用单点提取法并通过条件实验进行了适当改进，确定了湖泊沉积物中生物硅测定方法，具体步骤如下:称取120mg样品放入离心管中，加5mL、10%的H2O2，振荡30min;然后再加5mL、1．0mol•L－1的盐酸溶液，超声振荡约30min，振荡后加20mL去离子水，6000r•min－1离心约5min，倒掉上清液，放在50℃烘箱中烘12h;准确吸取40．0mL、0．5mol•L－1的Na2CO3于管中，超声振荡后放在85℃振荡式水浴锅中恒温加热，7h后取出，并迅速在6000r•min－1下离心约5min;取离心后的上清液5mL于100mL容量瓶中，加入过量1mol•L－1盐酸溶液，用蒸馏水稀释至50mL，摇匀。加入50g•L－1钼酸铵溶液5mL，摇匀，放置15～20min后加入2g•L－1抗坏血酸10mL，摇匀放至冷却后用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，放置1．5～2．0h;利用岛津UV-2550分光光度计进行测量。用1cm比色皿，于波长680nm处，以试剂空白(指添加试剂的蒸馏水)做参比，测定吸光度(刘斌等，2010)。

2结果与分析

各湖泊生物硅含量变化情况见表2。由表2可知，生物硅平均值由高到低依次为:镜泊湖、马湖、泸沽湖、松花湖、洱海、腾冲青海、岱海、朝那湫、青海湖和抚仙湖。

2.1生物硅含量的最大值和最小值及其原因10个湖泊中，高纬度东北地区的镜泊湖生物硅含量最高，而低纬度云南地区的抚仙湖生物硅含量最低。二者均是深水湖，镜泊湖最深65m，抚仙湖则深达155m，一般深水湖泊富营养化程度缓慢，但镜泊湖生物硅含量较高。根据陈立群等(1994)、金志民等(2009)、潘保原等(2012)对镜泊湖的藻类生长、水质及富营养化程度研究，表明镜泊湖属于硅藻-隐藻型富营养型湖泊，平均值分别为137．395万个•L－1(占47%)和127．315万个•L－1(占43．6%)。富营养化湖泊浮游生物多，尤其是硅藻的生物量对生物硅含量有直接影响。根据李荫玺等(2003)对抚仙湖1980、1990、2000年的水质富营养化状态评价结果表明，抚仙湖目前尚处于贫营养状态。贫营养湖泊由于藻类生长所需的营养盐较少，因而藻类相对较少，湖泊生物量低，加之抚仙湖深达155m，过深的湖水对硅藻沉积有一定影响，因此沉积物中生物硅含量较低。

2.2不同区域湖泊生物硅含量变化原因位于我国北部及西北部的3个湖泊(岱海、朝那湫和青海湖)生物硅含量平均值整体偏低，而我国东北部和西南的几个湖泊整体偏高(抚仙湖除外)。东北部的松花湖和镜泊湖虽然处于较高纬度，整体气温偏低(年均气温分别为3～5℃和3．5℃)，客观上气候条件不利于藻类生长，但由于2个湖泊均靠近人类聚居区，受到人类活动影响较大，均呈现严重富营养化，其中松花湖的污染类型为TN、TP型，而镜泊湖为TN型污染(吴锋等，2012)。充足的营养物质导致湖中藻类大量繁殖，因此沉积物中生物硅的累积量也相对较多。西南部湖泊除抚仙湖外，4个湖泊的生物硅含量整体较高。4个湖泊由东北向西南依次为马湖、泸沽湖、洱海、腾冲青海，沉积物中生物硅也按此顺序依次由高变低。虽然4个湖泊的生物硅含量较高，但是造成其偏高的原因却跟东北部湖泊不尽相同。我国西南主要是云贵川高原，虽然整体海拔偏高，但由于处于低纬地区，年均温均在12℃以上。加之受到西南季风的影响，降水较多。温度和降水均适宜的条件下硅藻的生长自然相对繁盛。马湖、泸沽湖和腾冲青海相对远离人类活动区，受人类影响较小，因此人类活动不是生物硅含量较高的主要原因。青海湖、岱海和朝那湫的生物硅平均值分别为1．55%、1．75%、1．64%，整体偏低于其他湖泊。青海湖、岱海和朝那湫均处于较高纬度，3个湖泊的年均气温分别为0．9～2．7、2～5、3．4℃，年均降水量也整体偏低，分别为300～400、350～450和615mm，较小的降水量导致入湖的营养盐相对较少，也成为影响硅藻生长的限制因子之一。3个湖泊相较于东北部的松花湖和镜泊湖，相对远离人类聚居区，受到人类影响较小，因此湖水多为贫中营养状态。因此，这3个湖泊的硅藻生物量不高，沉积物中生物硅的含量也相对较低。除本文研究的10个湖泊外，还对比了他人的研究，结果表明，他人湖泊研究结果也大致符合本文观点。西南部湖泊生物硅含量整体较高;靠近岱海的乌梁素海生物硅含量较低，而位于大兴安岭的月亮湖是一小型火山口玛珥湖，选取其研究岩芯表层数据进行对比，发现月亮湖生物硅含量较高。位于我国东南部的湖光岩玛珥湖生物硅含量相对较低，可能是由于不同研究工作所取岩芯长度不同，且生物硅提取方法不同造成的。此外，硅是硅藻生长重要的元素之一。有研究表明，在硅缺乏环境中，某些硅藻会停止生长。镜泊湖、马湖生物硅含量较高，可能是由于这2个湖泊流域火山岩较多，火山岩中的火山玻璃属无定形硅，对生物硅可能有一定贡献。

2.3腾冲青海酸性湖泊生物硅含量变化原因在10个湖泊中，最特殊的是腾冲青海。腾冲青海是我国唯一的天然酸性湖泊。多种因素共同作用使其逐渐成为酸性湖泊，例如流域面积较小，盐基饱和度较低、酸性地下水持续补给以及火山湖成因等(王云飞等，2002)。研究表明，腾冲青海湖泊生物种群少且生物量低，其基本特点之一就是生物贫化和耐酸种扩张(王云飞等，2002)。尽管腾冲青海生物量低，但生物硅在酸性环境下相对易保存，这可能是腾冲青海生物硅含量相对较高的原因之一。

3结论

本研究的10个湖泊中，西北及中北部地区湖泊生物硅含量平均值整体低于东北和西南地区湖泊，可能是由于西北及中北部地区较低的温度和较少的降水量导致硅藻生长受限，从而造成生物硅含量偏低。东北湖泊与西南湖泊生物硅含量相对较高。东北2个湖泊均属富营养型湖泊，充足的营养盐为硅藻生长提供了必要因素。而西南地区湖泊大多为中贫营养型湖泊，其生物硅含量整体较高可能主要归因于较高的温度和较多的降水。

参考文献

陈立群，王友联，王全喜，等．1994．镜泊湖的浮游藻类及水质评价．哈尔滨师范大学:自然科学学报，10(1):80－84．

郝立波，刘海洋，陆继龙，等．2009．松花湖沉积物137Cs和210Pb分布及沉积速率．吉林大学学报:地球科学版，39(3):470－473．

胡胜华，贺锋，孔令为，等．2011a．杭州西湖湖湾生物硅沉积测定与营养演化的过程．生态环境学报，20(12):1892－1897．

胡胜华，叶艳婷，郭伟杰，等．2011b．武汉东湖近代沉积物中总氮、总磷与生物硅沉积与营养演化的动态过程．生态环境学报，20(8－9):1278－1288．

胡胜华，叶艳婷，郭伟杰，等．2011c．武汉严东湖近代沉积物中总氮、总磷与生物硅沉积与营养演化的动态过程．生态环境学报，20(1):124－131．

胡胜华，周巧红，成水平，等．2008．月湖近代生物硅沉积测定与营养演化的动态过程．生态环境，17(6):2141－2144．

季江，胡文英．1994．马湖水资源的初步分析．湖泊科学，6(2):115－123．

金志民，杨春文，金建丽，等．2009．镜泊湖水质及富营养化现状调查．水资源保护，25(6):56－57．

雷云逸，汪福顺，陆丹萍，等．2011．乌江流域水库沉积物中生物硅的测定方法及其环境意义．矿物学报，31(1):30－35．

李世广，胡欣欣，唐亚，等．2011．九寨沟箭竹海沉积物中BSi含量及其环境指示意义．山地学报，29(4):395－401．

李世广，胡欣欣，唐亚，等．2011．九寨沟箭竹海沉积物中BSi含量极其环境指示意义．山地学报，29(4):395－401．

李荫玺，刘红，陆娅，等．2003．抚仙湖富营养化初探．湖泊科学，15(3):285－288．

刘斌，徐海，蓝江湖，等．2010．青海湖沉积物生物硅的环境意义初步研究．第四纪研究，30(6):1169－1176．

吕昌伟，何江，梁英，等．2010．岱海硅藻类浮游植物初级生产力Si限制初探．环境科学，31(3):639－644．

吕昌伟．2008．内蒙古高原湖泊碳(氮、磷、硅)的地球化学特征(博士学位论文)．呼和浩特:内蒙古大学．

麻涛，何江，高际玫，等．2012．呼伦湖沉积物生物硅的分布特征．农业环境科学学报，31(4):832－837．

潘保原，马云，刘佳琦．2012．镜泊湖富营养化评价及预测研究．环境保护与循环经济，(11):52－54．

孙千里．2005．岱海湖泊沉积记录的末次冰消期以来的气候环境演变(博士学位论文)．北京:中国科学院研究生院．

王利贤，刘强，游海涛．2012．晚冰期以来月亮湖生物硅含量变化的古气候意义．地球与环境，40(3):328－335．

王苏民，窦鸿身．1998．中国湖泊志．北京:科学出版社．

王小雷，杨浩，丁兆运，等．2011．云南抚仙湖现代沉积速率变化研究．地理学报，66(11):1551－1561．

王云飞，朱育新，潘红玺，等．2002．云南腾冲青海———酸性湖泊的环境特征．湖泊科学，14(2):117－124．

吴锋，战金艳，邓祥征，等．2012．中国湖泊富营养化影响因素研究———基于中国22个湖泊实证分析．生态环境学报，21(1):94－100．

吴峰炜，汪福顺，吴明红，等．2009．滇池、红枫湖沉积物中总磷、分态磷及生物硅形态与分布特征．生态学杂志，28(1):88－94．

中国科学院兰州分院．1994．青海湖近代环境的演化和预测．北京:科学出版社．

周静，王苏民，吕静．2003．洱海地区一万多年以来气候环境演化的湖泊沉积记录．湖泊科学，15(2):104－111．

周爱锋，孙惠玲，陈发虎，等．2010．黄土高原六盘山天池记录的中晚全新世高分辨率气候变化及其意义．科学通报，55(22):2263－2266．

作者：刘斌 徐海 盛恩国 蓝江湖 郁科科 孙辉 单位：遵义师范学院 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室 中国科学院大学