吴姗姗，杨 浩

(1 无锡开放大学环境与艺术系，江苏 无锡 214000；2 南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023)

沉积物是水体营养物质的重要蓄积库，在养分循环和富营养化过程中起着重要的作用。高分辨率的沉积物记录了人类活动及自然活动的演变过程。水库作为半自然半人工的特殊水体，其水生生态系统、水动力特征等均与普通湖泊存在较大差异[1]。近年来随着昆明市经济的发展，滇池水质恶化，富营养化程度严重，水污染事件频发[2-4]。双龙水库作为滇池下游的一座中小型水库，其水体生态系统必然受到人类活动的影响。因此，本文基于沉积柱营养盐，放射性同位素，解析沉积物营养盐历史演变，有机质来源，探究了人类活动对沉积环境的影响，为该流域生态环境治理提供理论依据。

1 研究区域概况

双龙水库位于中国云南省昆明市晋宁县境内，是云南省晋宁县的重要水源地，属于滇池流域。水库建成于1956年，流域面积约66 km2，库容为1.22×107m3，水库水位年际变化为12～27 m。由于双龙水库开发较早，受周边人类活动影响较大，自建立后接受小流域内径流及其携带的大量碎屑泥沙，其生态环境受损较为严重，近年来水质呈现富营养化趋势[3-4]。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

水库以北，由于水流入库区流速大，对沉积物扰动严重，不符合沉积物柱状样采集条件。而水库南部，流速小，沉积物扰动轻微且上游物质大部分在此沉积，底泥淤积丰富。因此选择水库南部作为主要采样区域。于2012年7月进行沉积物样品的采集，采样点及位置如图1所示。样点剖面深度为70 cm，采用分层采样的方式，每层1 cm，共70层。分层样品置于自封袋中，运回实验室-20 ℃保存待测。

图1 双龙水库地理位置及采样点位置

2.2 样品分析方法

2.2.1 放射性核素测定

称取冷冻干燥，研磨过100目筛的样品10±0.5 g，装满同一规格的塑料小罐中，蜡封20 d，使放射性核素处于永久衰变平衡体系，然后利用高纯锗γ谱仪(GWL-120-15，ORTEC，USA)进行放射性核素(210Pb和137Cs)的测量，每个样品的测量时间≥40000 s(实时)。其中210Pbex的比活度为210Pb和226Ra的比活度的差值。210Pb和137Cs的比活度分别根据γ射线谱峰面积(46.5 keV，661.6 keV)获得，而226Ra的比活度则由214Pb在351.9 keV处的γ射线谱峰面积求算得到[5]。

2.2.2 沉积物营养盐测定

将冷冻干燥过的样品，用玛瑙研钵研磨过200目筛，用于沉积物营养盐：总氮(TN)，总磷(TP)和总有机碳(TOC)的测定。TN浓度采用碱性过硫酸钾法，TP浓度采用过硫酸钾消解钼酸铵法[6-7]，TOC浓度使用岛津TOC仪(TOC-LCSH，岛津，日本)测定[8]。

3 结果与讨论

3.1 放射性核素垂向分布特征及沉积年代

沉积物柱芯中放射性核素210Pbex和137Cs的比活度垂直分布如图2所示。其中210Pbex比活度随着深度增加呈现递减趋势，且具有一定的负向指数拟合关系(R2=0.52)。由于研究区域受周围人类活动影响较大，且沉积速率存在较大波动，故采用CRS(稳恒沉积通量)计年法来计算沉积柱芯的年代序列。CRS模式计年法的计算公式如下：

t=λ-1·ln(A0/Ax)

(1)

式中：t为沉积年代；A0为沉积柱芯中210Pbex的总累计输入，Bq·cm-2；Ax为深度x以下各沉积层210Pbex的累计输入总量，Bq·cm-2；λ为210Pb放射性衰变常数(λ=0.03114 a-1)。

本文利用CRS计算得到沉积柱年代序列以及双龙库区沉积速率随深度的变化如图2所示。同时137Cs于39 cm处出现一个较为明显的蓄积峰，推测为1964年。将该层沉积物柱芯作为1964年计年时标，与利用210Pbex构建库区沉积物年代学序列一致。

沉积速率及其变化反映了区域自然因素和人类活动影响下，沉积环境的历史变化。由图2可以看出库区近百年来沉积速率整体呈现上升趋势，上升速度逐渐增加，平均沉积速率为0.36 g·cm-2·a-1。水库建立前(～1956年)研究区域人为输入较少，使得该阶段初期沉积速率保持在较低的水平。1956年后，各类人类活动的不断加剧。上游滇池的涸湖、围湖等行为，导致滇池流域土壤侵蚀严重。滇南小流域工农业发展迅猛，加上养殖业也逐步展开，水资源开发过度，大量工农业废水、生活污水、养殖业排污等进入水体，作为小流域内接受径流及其携带的碎屑泥沙及污染物质的“汇”，双龙水库的沉积速率在此阶段不断增加。较为特殊的是，2003-2006年沉积速率出现了小幅的降低。根据调查显示[9]，1999年我国提出“退耕还林还草”政策，2002年该工程全面铺开，滇池流域被列为重点整治区域之一，在植被恢复，生态环境整治方面取得了一定的成效。泥沙的来源得到有效的控制，沉积速率也相应有所降低。

图2 S1双龙水库沉积物年代构建与沉积速率分布

3.2 物营养盐垂直分布特征及分析

沉积物营养盐(TN，TP和TOC)的浓度剖面分布特征如图3(a)所示。根据研究结果可知TN与TOC含量剖面变化趋势类似，两者具有良好的相关关系，均呈现随深度增加而递减的趋势，这与多数研究结果一致[10-14]。而沉积物TP剖面浓度变化较TN、TOC波动更为剧烈，但整体上仍呈现随深度递减的趋势。通过计算可知，双龙水库沉积柱芯中营养盐的累积通量年际变化较大，且具有相似的垂向变化趋势，如图3(b)所示。结合定年结果，营养盐的浓度及沉积通量垂向分布可分为以下三个阶段：第一阶段：44～70 cm(1869-1955年)，该阶段恰为双龙水库建成前，指示了人为扰动较少的时期沉积物营养盐情况。沉积通量较低且基本稳定(<0.5 mg·cm2·a-1)。表明该阶段以自然沉积为主，沉积物基本维持近自然状态演化造成了该阶段较低的营养盐浓度及沉积通量。第二阶段：16～43 cm(1956-1999年)，沉积物营养盐浓度不断增加且浓度含量较为稳定。同时营养盐沉积通量也呈现逐步上升的趋势。这与该时期研究区域内人类活动有关。20世纪60年代末，人类于滇池小流域内展开大规模的围湖造田和蚕食湖湾的活动，加剧了土壤侵蚀的过程，致使大量营养盐通过地表径流、土壤侵蚀等途径进入湖泊水库中，一定程度上增加了沉积物中碳氮营养盐的浓度。第三阶段：0～15 cm(2000-2010年)，此阶段的TN，TOC，TP的沉积通量分别为20世纪50年代的沉积通量的约25倍，20倍和12倍。究其原因可归纳为两个方面。首先，此阶段沉积物属于沉积物表层，多为水体、沉积物间物质能量交换的介质，大量植物碎屑残体集中于此，造成此阶段沉积物碳氮浓度远高于其他阶段。其次，骤增的流域人口、无法控制的人类活动及频发的异常气候均导致了双龙库区所在小流域植被覆盖率的减少和土壤侵蚀的加剧，进一步加速了水库的富营养化的演化。这些外源负荷的输入造成了较高的表层沉积物营养盐沉积通量。

图3 (a) S1沉积物TN、TOC及TP浓度剖面变化； (b) TN、TOC及TP沉积通量剖面变化

3.3 基于C/N及稳定性碳同位素的有机质溯源

沉积物有机质对环境污染物质迁移、释放等行为起着关键的作用，其源解析对流域污染防治有着指导作用。通常认为TOC/TN是能够有效辨析沉积物有机质来源的重要指标。根据以往的研究结果显示，来自底栖生物和细菌有机质的C/N约为4.5，浮游动物的C/N约5，来自藻类的有机质C/N值为3～8，水生无维管束植物碎屑的C/N值为4～10，维管束植物碎屑的C/N>20，而来自陆源高等植物的有机质C/N值>20，陆生禾木科或莎草科植物的C/N比值可高达45～50[15-16]。当沉积物中C/N值介于8～20时，认为是受内外源共同作用的影响。双龙水库沉积物C/N值变化范围是4.39～9.57(图4)，与我国大部分湖泊沉积物C/N值(6～14)基本一致[11,15]。说明研究区域沉积物有机质受到两种物源的影响。建国前1867-1945年(51～70 cm)人类活动影响小，沉积环境基本维持自然状态，有机质主要受内源作用影响。随着人类生产生活活动不断加剧，外源输入比例也不断增加，C/N值也在波动上升，至表层达到峰值9.57。沉积物有机质输入从内源水生植物逐步演变为内外源共同作用。

图4 沉积物C/N剖面变化

4 结 论

(1)利用CRS模型计算得到双龙库区沉积速率，平均值为0.47 g·cm-2·a-1，整体呈现上升趋势，上升速度经历由快变慢的过程。当流域工农业发展昌盛，人口增加，沉积速率迅速增加；2002年大规模正式开展退耕还林工程缓解了双龙水库泥沙淤积，使得沉积物率有所降低。

(2)沉积物中TN、TP和TOC浓度垂向变化趋势相近，随深度增加呈自上而下不断减少。双龙水库建立前(1956年前)人为扰动较少，沉积环境稳定。20世纪60年代末随着人类活动的加剧，大量工业废水、农业尾水和生活污水排入水体，造成了沉积物中营养盐的富集，TN、TP和TOC浓度及沉积通量也随之增长，水体富营养化程度加剧。

(3)综合沉积物中C/N的变化范围为4.42～12.05，指示了沉积物中有机质主要来源于藻类，浮游动植物。