湖泊表层沉积物可溶性有机氮含量及分布特性

J.LakeSci.(湖泊科学),2009,21(5):[e-mail]©2009byJournalofLakeSciences湖泊表层沉积物可溶性有机氮含量及分布特性*林素梅1,2,王圣瑞2,金相灿2,何星存3(1:广西师范大学化学化工学院,桂林541004)(2:中国环境科学研究院湖泊环境创新基地,国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,北京100012)(3:广西师范大学环境与资源学院,桂林541004)摘要:选择鄱阳湖、洞庭湖等6个湖泊的15个表层沉积物样品,用1mol/LKCl溶液提取沉积物中的可溶性有机氮(SON),并研究了SON的含量、分布状况及特性.结果表明,所研究的沉积物SON含量变异较大,在17.18-292.31mg/kg之间波动,平均为134.45mg/kg,占可溶性总氮(TSN)的51.86%,沉积物总氮的7.14%.污染程度重的沉积物中SON含量均较污染程度轻的高,且SON含量与TN、TSN含量呈正相关,即与沉积物氮污染程度呈正相关.分布状况则与湖泊污染程度、人类活动干扰强度等紧密相关.所研究表层湖泊沉积物中游离氨基酸(FAA)含量处于4.69-42.04mg/kg间,平均为23.27mg/kg,占SON的18.80%,TN的1.24%.FAA与SON含量呈显著正相关,在沉积物中的平均含量及在SON中的比例均较土壤中高,说明湖泊沉积物SON有较大的易分解组分.SON与沉积物可溶性无机氮、有机质、CEC等显著相关.因此,SON是湖泊沉积物氮的重要组成部分,对湖泊富营养化具有重要的影响,特别是对污染严重的沉积物而言,更应重视其SON在湖泊氮循环及富营养化中的作用.关键词:湖泊表层沉积物;可溶性有机氮;含量;游离氨基酸;鄱阳湖;洞庭湖ContentsanddistributioncharacteristicsofsolubleorganicnitrogeninsurfacesedimentsoflakesLINSumei1,2,WANGShengrui2,JINXiangcan2&HEXingcun3(1:CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,P.R.China)(2:StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofLakePollutionControl,ResearchCenterofLakeEnvironment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing100012,P.R.China)(3:CollegeofEnvironmentalScienceandResource,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,P.R.China)Abstract:Thecontentsanddistributioncharacteristicsofsolubleorganicnitrogen(SON)extractedwith1mol/LKClfromthesedimentsofsixtypicallakesincludingLakePoyang,LakeDongtinginHunanandJiangxiProvinceswerestudied.TheresultsindicatedthattheSONcontentsvariedgreatlyfrom17.18mg/kgto292.31mg/kg(meancontent,134.45mg/kg),comprising51.86%oftotalsolublenitrogen(TSN)and7.14%oftotalnitrogen(TN)insixlakes.TheSONcontentsweresignificantlycorrelatedwiththeircontentsofTNandTSN,andSONwerehigherintheheavilypollutedsedimentsthanthelightpollutedones.TheirdistributionsofSONwerecloselyrelatedtotheirlakepollutionlevels.Thecontentsoffreeaminoacidinthesedimentswerealsostudied,andtheyvariedfrom4.69to42.04mg/kg,comprising18.80%ofSON,and1.24%ofTN,andweresignificantlycorrelatedwiththeirSONcontents.ThemeancontentofFAAwas23.27mg/kg,higherthanthoseinsoilsinthesameregion.ItindicatedthattherewasmorebioavailableSONfromlakesedimentthanthosefromsoil.ThecontentsofSONinthesedimentswerealsocorrelatedwithinorganicnitrogen,OMandCECandsoon.Asoneofthemostimportantnitrogencompositionsinlakesediments,SONshouldbepaidmoreattentiontothenitrogencyclingandentrophicationcontrolinlakes.*国家自然科学基金项目(40873079)、科技部基础性工作专项重点项目“中国湖泊水质、水量和生物资源调查”(2006FY110600)和中央级公益性科研院所基本科研业务专项项目(2007KYYW27)联合资助.2009-01-04收稿;2009-02-19收修改稿.林素梅,女,1982年生,硕士研究生;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2009,21(5)624Keywords:Surfacesedimentoflake;solubleorganicnitrogen;contents;freeaminoacid;LakePoyang;LakeDongting目前,关于可溶性有机氮(SolubleOrganicNitrogen,SON)的研究主要集中在土壤方面.可溶性有机氮定义为土壤中能够被水、盐溶液或用电超滤法(EUF)提取出来的有机态氮[1],它是土壤中主要的可溶性氮库,是微生物和植物的潜在可利用氮源[2].一些低分子量的SON组分,如游离氨基酸(FreeAminoAcid,FAA)等,是微生物的重要来源,能被植物直接吸收[3-4].有机氮是沉积物中最主要的氮素组分,因而可溶性的有机态氮必定是含量较大的有机氮库.目前对湖泊溶解有机氮的研究主要集中在湖泊水体及沉积物孔隙水方面[5-6],对利用水或盐溶液提取的有机态氮,即SON的研究尚不多见.土壤中的SON能被直接释放出来[7],且在特殊情况下,藻类在吸收N源时能直接吸收或更倾向于吸收溶解有机氮而不是溶解无机氮[8].前人研究表明,陆地生态系统土壤中的SON有较强的移动性,易被淋失而进入湖泊,对湖泊藻类氮素供应甚至湖泊富养化产生显著影响[9-10],且有研究认为沉积物释放是湖泊水体溶解有机氮的重要来源[5].因此,研究SON在湖泊沉积物中的含量及其分布特性对理解湖泊富营养化过程具有重要意义.SON的含量较复杂,其中以低分子量物质为主的SON主要含有尿素、游离氨基酸[4]等.由于FAA可以被植物吸收,且会较快为土壤微生物所降解,因而是土壤SON中较为活跃的组分之一[11].沉积物中FAA的研究较多[12],但其与SON的含量关系研究较少.本研究选取位于湖南、江西两省的6个湖泊,研究其表层沉积物中SON和游离氨基酸的含量、分布特征,SON特性等,为进一步研究SON在湖泊系统氮循环中的作用及其对湖泊富营养化的影响等提供依据.1材料与方法1.1研究区概况本研究涉及6个湖泊(图1).其中鄱阳湖是中国最大的淡水湖,湖泊面积2933km2,平均水深5.1m,水位变幅巨大,属吞吐性湖泊,其水质在五大淡水湖中较好[13],2007年水质总体为Ⅳ类,处于中营养状态.军山湖位于江西省进贤县,是鄱阳湖的子湖泊,湖泊面积192.5km2,平均水深4m,是重要的养殖湖泊,渔业历史悠久,湖泊周围乡村众多,人口密集,耕地面积大,一遇暴雨,即将周围村庄和农田中的肥水冲入湖中,污染较为严重[14].图1湖泊(a)及采样点位置(b)Fig.1Locationofthelakes(a)andsamplingsites(b)洞庭湖是我国第二大淡水湖,是长江中游一个重要集水蓄洪湖泊,湖泊面积2432.5km2,平均水深6.39m,全湖水质较好,污染程度与鄱阳湖相似,但存在潜在变劣趋势[15].湖南东湖位于洞庭湖区华容县,湖泊面积23.2km2,平均水深3.5m,湖内天然饵料丰富,是华容县最大的养殖场,受养殖影响,污染也较严重,水质达中-富营养状态[16].大通湖位于湖南省益阳市,湖泊面积114.2km2,平均水深2.89m,岸线平直,湖底平坦,淤泥多,水质状况为中-富营养化状态[17].岳阳南湖位于岳阳市市郊,湖泊面积12km2,平林素梅等:湖泊表层沉积物可溶性有机氮含量及分布特性625均水深3m,水环境呈现富营养化特征.由于多年的化肥养鱼,大通湖与岳阳南湖已由20世纪70年代初的草型湖转变为藻型湖,水生态系统严重退化[18].1.2样品采集与分析1.2.1样品采集及分析于2007年11月至12月在湖南省的洞庭湖、大通湖、湖南东湖、岳阳南湖,江西省的鄱阳湖、军山湖共布设15个采样点(图1),现场用柱状采样器采集表层10cm沉积物,混合均匀后置于封口塑料袋中,在冰盒中存放,带回实验室.样品经冷冻干燥机干燥后,研磨过100目筛,装入自封袋置于干燥器内备用.经浓H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后,用KDY-9820型凯氏定氮仪测定沉积物总氮含量,经典重铬酸钾法[19]测定有机质含量,SMT法[20]测定总磷含量,EDTA-铵盐快速法[21]测定阳离子代换量(CEC).1.2.2可溶性有机氮的测定方法采用1mol/LKCl溶液浸提沉积物样品(水:土=10:1),在室温下恒温振荡1h(200r/min),然后在5000r/min条件下离心10min,取上清液过0.45µm滤膜后,用紫外吸收法测定滤液的NO3--N含量[22],纳氏试剂比色法测定提取液中NH4+-N含量,过硫酸钾氧化法测定可溶性总氮含量(TSN).可溶性总氮与可溶性无机氮(NH4+-N、NO3--N之和)的含量之差即为SON含量.1.2.3游离氨基酸的测定方法称取过100目沉积物样品4g于离心管中,加入20ml1mol/LKCl提取液后恒温振荡1h,5000r/min离心15min.上清液过0.45µm滤膜后,取2ml滤液于10ml刻度试管中,加入1.25ml茚三酮混合指示剂,100℃水浴加热25min,冷却后加入4.5ml10%乙醇于570nm处测定吸光度值[11].配制了一系列浓度梯度的甘氨酸标准溶液,与沉积物样品一起测定,观察甘氨酸浓度与吸光度间的决定系数,结果显示二者的决定系数大于0.999.2结果与分析2.1沉积物营养状况为分析和区分沉积物的营养程度,对各湖泊沉积物进行了营养评价[23].评价方法为有机指数法和有机氮法,前者通常用作衡量水域沉积物的环境状况,后者是常用来衡量湖泊表层沉积物是否遭受氮污染的重要指标.有机氮和有机指数法的评价结果相同(表1).沉积物污染程度的顺序为岳阳南湖大通湖湖表1沉积物营养状况评价结果Tab.1Results