沉积物有机质和腐殖质与湖泊富营养化

1 沉积物有机质和腐殖质与湖泊富营养化 诸暨中学 郭亚新

摘要：湖泊富营养化已成为全球性严重的生态环境问题之一,沉积物有机质和腐殖质与湖泊富营养化现象密切相关。本文简要介绍了沉积物有机质与腐殖质的来源与特征，并对其在湖泊富营养化过程中的作用进行了综述。 关键词：湖泊；富营养化；沉积物；有机质；腐殖质

湖泊富营养化已成为全球性严重的生态环境问题之一。湖泊的外源污染被截断之后，沉积物将因有机质的持续降解不断向水柱释放营养物质，从而阻碍了富营养化问题的根本解决。因此，作为湖泊富营养化的重要促进因素的沉积物有机质应该引起我们的重视和研究，本文对沉积物有机质与腐殖质的来源与特征以及两者在湖泊富营养化过程的作用两方面进行了综述。

1沉积物有机质与腐殖质的来源及特征 沉积物中有机质的来源分为内源输入和外源输入两种。内源有机质主要是水体生产力本身产生的动植物残体、浮游生物及微生物等的沉积而得，外源输入主要是通过外界水源补给过程中携带进来的颗粒态和溶解态有机质（Jame et al., 2001）。 姚书春等（2004）分析了巢湖沉积柱状样多环境指标得出巢湖的富营养化过程百年经历了三个阶段：第一阶段(1898－1946年),湖泊沉积物总有机碳含量较低,碳氮比和TARHC表明有机质是藻类与陆生高等植物来源并重;第二阶段(1946～1972年),湖泊沉积物中有机质组份以陆源占主要地位,同时沉积通量大,流域内水土流失严重,可能与此阶段土地开发等强烈人类活动有关。第三阶段(1972～2002年),富营养化加剧,藻类和细菌是有机质的主要来源，这与人为营养物质排放入湖，刺激藻类生产力的提高直接相关。Gale和Reddy（1994）研究亚热带浅水富营养化湖泊沉积物-水中碳通量发现，湖泊初级生产力沉积的碳通量高达1034克/米2·年,其中通过再悬浮而重新进入水体的通量为720克/米2·年，而外源进入湖 2

水的碳通量仅为20克/米2·年。 贾国东等（2002）分析研究了珠江口沉积物柱状样得出土地的过度开发利用、化肥的大量施用、工业废水和生活污水的排放等增加了陆源物质的入海通量,提高了水体初级生产力，从而使珠江口的富营养化趋势加强。Haworth等（1991）研究Hudson河口沉积物来源的结果表明，尽管该河口周围的地貌以森林地为主．但Hudson河口沉积物中有机质并非主要来自周围的林地，而是源于河口周围占比例很小的城市、郊区和农田，沉积物中有机质的年输人强度主要受偶然发生的暴雨天气控制，而与年际间的平均降雨量关系不大，这说明沉积物有机质的输入与地表植被严重破坏区的水土流失有关；范成新等（2000）对太湖底泥中的有机质做了表层和分层研究，发现其分布和人为污染程度正相关，河口处含量明显增加；王新明等（1997）对广州感潮河段的底泥有机质特征也做了研究，发现河流底泥中有机质的分布在河道上游以生物源为主，而下游主要是人为源。这些例子说明人类活动干扰较小的湖泊或同一湖泊中人类活动影响较小阶段，沉积物有机质以内源输入为主。人类活动会大大增加沉积物有机质的外源输入。 有关沉积物有机质特征的研究较少，其研究方法主要采用土壤有机质的研究方法。与土壤不同的是，沉积物中的有机质主要以腐殖质的形态存在，一般认为沉积物中的腐殖质含量约占有机质总量的70-80%，有的区域甚至达到99%。腐殖质是一类深暗色、无定性、比较稳定的化合物，它是有机质经微生物降解和酶促作用产生的一部分生物大分子重新合成而得。腐殖质以外的20－30％的有机质主要是由蛋白质类物质、多糖、脂肪酸和烷烃等组成（金相灿等，1992）。 沉积物腐殖质经过酸和碱的分级提取，主要的传统分组包括腐殖酸（Humic Acids）、富里酸(Fulvic Acids)和胡敏素（Humin）等。三类腐殖质级份在结构上彼此相似，只是在分子量、元素分析和官能团含量上有所差别（Mclaren et al.,1967－1971）。Maris和Elga（1997）提取了Latvia不同营养程度湖泊的腐殖酸和富里酸，测定了这些腐殖质的元素和功能组成以及相关光谱团和分子量。研究表明腐殖质性质与其来源物质的性质有关。低营养和寡营养湖泊腐殖质分子特征类似，具体表现为分子小而单一，羧基和羟基数量较少。富营养和中营养湖泊特征类似，腐殖质多为大分子且具多分散性，含大量极性脂肪链和生色团。孟凡德等（2004）对长江中下游洞庭湖、鄱阳湖、巢湖、太湖、月湖和玄武湖6个湖泊的沉积物进 3

行了理化性质分析，认为长江中下游地区湖泊有机质总量一般处于1.5%左右,污染沉积物中有机质的含量可达一般沉积物的1倍左右,即达到3%以上。其中两个城市湖泊有机质的含量较高,武汉的月湖沉积物中有机质含量超过了7% ,南京的玄武湖也达到了4.04%－5.74%。腐殖酸含量在0.5%以下,占总有机质的3%－10% ,富里酸含量普遍高于腐殖酸,占总有机质的18%－28% ,为腐殖酸的2－3倍。与土壤有机质一样,胡敏素占主导,可达到63%～74%。李振宇等（1999）运用丘林法和红外分析法分析了西湖沉积物有机质的组成和来源，发现西湖沉积物中有机质也是胡敏素含量最高为59－71％，其他各组分的相对含量依次为腐殖酸（11－19％）、富里酸（8－15％）和脂类（3－12％），所以杭州西湖属于中到多腐殖质湖泊。并且由于其沉积物腐殖酸具有典型的湖泊沉积物腐殖酸的红外吸收带，结合E4/E6比率可知西湖沉积物具有泥炭沼泽沉积特征，腐殖化程度较高。研究表明我国东部的黑龙江、松花江、黄河、长江、钱塘江、闽江等27条河流悬浮沉积物中有机质的含量及组成具有明显的地带性分布特征，南方、北方河流中有机质的含量高，中部河流含量低，呈现“V”字型分布；腐殖酸含量则自北而南逐渐降低，这反映出水热条件对其分布的影响（金相灿等，1992）。

2有机质与腐殖质对水体富营养化的影响 沉积物有机质是水生生物的主要营养源，其变化包括矿化和腐殖化两个过程。前者是有机质中易降解部分经微生物分解为CO2、H2O、NH3和无机成分,即矿化过程；另一部分生物大分子经微生物等再降解和合成,形成腐殖质,即腐殖化过程，这两个过程在沉积物中周而复始同时存在（Schlesinger et al.,1990）。Peters 和 Colwelh(1989)发现河流沉积物中葡萄糖和谷氨酸的分解速度几乎为酚类的10倍。 众多研究表明,在外源排入逐步得到控制的情况下,作为内源沉积物向上覆水释放C、N、P、S的作用渐显重要,成为维持上覆水营养状态的重要来源。毛建忠等（2005）对滇池沉积物磷释放的初步研究表明，其释放机制为表层沉积物有机质矿化降解, 有机磷分解形成的浓度梯度驱动了溶解磷从沉积物向水体扩散，即高生产力的富营养化湖泊在表层沉积物中形成“易于分解的活性有机质(磷)- 4

溶解磷-水生生物活体-有机质(磷)”的磷循环过程。Gachter和Wehril（1998）通过10年的湖底曝气,试图降低两个富营养化湖水中磷的浓度,但并未达到预期的效果,原因与湖底富集的大量有机质的矿化释放有关。D’Angelo和Reddy（1994）研究发现,沉积物中NH4+-N和可溶性磷的释放通量是沉积物有机质矿化速率的函数.胡雪峰等（2001）比较了上海市郊河流与鱼塘沉积物的氮磷释放量，发现后者的氮磷释放量要高于前者,但其氮磷负荷并非最高,这与其含有大量的易降解性有机质有关。硫的循环如硫酸盐还原作用与有机质降解之间也关系密切。在厌氧的海洋沉积物中SO42- (包括铁氧化物和锰氧化物)是微生物氧化有机质的重要电子受体,许多海洋沉积物中硫酸盐还原作用可能控制有机质氧化;另一方面,对以色列Agmon湖的研究结果表明，有机质和SO42-(约为海水含量的1/3) 含量较高的浅水湖泊(水深＜1m)中硫酸盐还原会受有机质供应的限制（Hadas et al.,2001）。 由此可见有机质本身的降解转化对湖泊富营养化有着重要的影响。另外,有机质会通过若干其他途径影响内源营养物质的释放,从而对湖泊营养程度产生效应。宋春雷等（2004）研究了武汉东郊池塘水华与底层磷营养状态的关系时发现，有机质可能在上覆水、间隙水与沉积物诱导具不同动力学特征的高碱性磷酸酶活性,同时引发厌氧状态,这双重因素均有利于o-P 的迅速释放,从而促进水华的形成.并由此不断的进一步增加沉积物有机质,致使上述过程反复发生。 有机质总量及其组分是沉积物理化性质中的重要指标,它对沉积物氮磷的释放和吸附有很大的影响。王圣瑞等（2005）研究发现长江中下游浅水湖泊沉积物对磷酸盐的吸附-解吸附平衡浓度与其有机质含量呈显著正相关。侯立军和刘敏(2003)发现长江口潮滩沉积物对NH4+- N 的吸附系数为3.81～9.00,并与沉积物中有机碳含量有较好的相关性,这反映了有机质是控制长江口潮滩沉积物中 NH4+- N 吸附行为的主要因素。 与有机质不同，腐殖质对湖泊富营养化的影响具有两重性，太湖的东太湖湖区大量茭草残体沉积在湖底形成松散的纤维素腐殖层，由此构成限制沉水植物恢复的主要因素（李文朝，1997）；腐殖质亦能影响细胞的分裂和伸长，故与藻类水华有关（Schnitzer et al., 1972），这些作用均有促进富营养化过程的效应；其次，腐殖质的形成可固定营养物质，如氨基酸和多糖等（Tuomela et al.，2000），使 5

其暂时退出营养循环。此外，腐殖质能抑制碱性磷酸酶活性，阻碍有机磷向无机磷的转化与释放，Newman和Reddy（1993）研究了沉积物控制有机磷转化为无机磷的碱性磷酸酶活性的影响因素，发现它与沉积物pε+pH正相关，而与间隙水中胡敏酸的浓度负相关。沉积物有机质含量会降低沉积物的pε+pH，从而对磷的矿化产生抑制。有研究表明腐殖质能抑制土壤中的硝化作用，影响氮的循环（Schnitzer et al.，1972）。这些作用具有延缓营养循环的效应。另外腐殖质还可以形成胶膜粘覆在粘土矿物,铁、铝氧化物以及碳酸钙等无机物内外表面,形成无机有机复合体,亦成为沉积物－水界面的对磷迁移转化的重要自然胶体。总之，湖泊沉积物有机质和腐殖质对湖泊富营养化的影响是多方面、多层次的，其影响途径是复杂的，应该引起我们的重视和研究。

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