基于脂質生物標志物評估河道型水庫表層沉積物有機質來源*

宿苧仁,Emilie Jardé,尹月鵬,Marine Liotaud,張 雯**

(1:成都理工大學生態環境學院,國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室,地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,成都 610059) (2:法國國家科學研究中心(雷恩第一大學),雷恩 35000)

攔河筑壩建庫后產生的攔蓄效應導致入庫河流水動力減緩,這不僅改變了天然河流的水文特性,而且直接影響了水庫內沉積物有機質(OM)的時空分布、埋藏及輸送[1-2]。由于河道型水庫具有河流與水庫的雙重特性,其沉積物OM的組成復雜、來源多樣,全面了解河道型水庫沉積物OM的動態變化仍具挑戰性。以往的研究顯示,水庫表層沉積物OM的來源主要受到陸源和內源的雙重影響[3-5],且通常為自然源(如浮游植物、沉水植物、藻類和草本植物)和人為源貢獻的復雜組合。因此,追蹤水庫沉積物中的OM來源,有助于理解有機碳的保存過程,對于逆轉水環境變化和管理水質具有重要意義,并為水庫的管理和保護提供科學依據。

迄今為止,多種研究工具均已被廣泛用于表征OM的特征與來源,包括穩定碳同位素、分子生物標志物和光譜指數等。其中,穩定碳同位素單一技術能夠通過穩定同位素比率區分異地和本地來源[6],但在應用過程中由于OM遷移和環境變化的復雜性,在OM源區和匯區穩定同位素的數量和質量有顯著差異[7]。光譜指標能夠通過端元混合分析區分陸源和水生OM[8],但主要基于大分子腐殖酸和富里酸來識別OM來源,并且生物地球化學變化會對來源混合OM的光學性質有著進一步影響[9]。而脂質生物標志物則針對單一分子群來跟蹤OM來源,其不但可以區分外來源、本地源和人為輸入,在某些情況下,甚至可以識別特定種類的生物體(例如細菌、植物、浮游生物)來源[10-12]。因此,脂質生物標記法對混合源的精準分辨而被廣泛用于OM的溯源工作中[13-15]。正構烷烴通常用于區分陸源和水生OM[16],其降解速度與其他脂類相比緩慢,在沉積物中易積累[17]。甾醇被用于鑒定自然來源與人為糞便污染的分子標志物[18-19]。多環芳烴(PAHs)由于車輛排放,木材、草燃燒和石油燃燒等多重來源[20],通常被用作人類活動的標志[13]。而目前采用脂質生物標志物方法應用于河道型水庫沉積物OM來源評估及其分布的研究卻鮮有報道[21-22]。

大渡河梯級水電站是我國重要清潔能源基地之一,除了滿足自身河段防洪要求外,還配合三峽水庫對長江中下游發揮防洪作用[23]。梯級水電開發導致河岸生境破碎化程度的增加,并顯著增加水力停留時間(HRT)[24],提升了對沉積物截留的效果[25]。因此,大渡河梯級水庫是研究水庫建立對河道水庫沉積物OM的來源分布的理想場地。本研究利用GC-MS技術對瀑布溝水庫(梯級下游控制水庫)沉積物中OM分子標志物進行了定量分析,并根據來源將其分為自然標志物(高等植物、細菌和微藻、藻類)、人為標志物(包括成巖、熱源和污水糞便)以及非特異性分子標志物,這種方法基于分子標志物的來源特異性,對有機化合物進行詳盡量化和污染源劃分。本研究的主要目的包括:(1)比較人為源和自然源輸入對沉積物OM的貢獻;(2)探究河道型水庫沉積物OM的分布規律與來源特征;(3)揭示工業化和農業化對這個小型水文系統的影響。本研究結果能提高對典型河流上建設大壩過程中OM滯留情況的認識,為河流和大壩管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

大渡河流經四川省中部和西部,是長江支流岷江的最大支流,全長約1062 km,流域面積約77440 km2,該流域主要由森林(37.0%)、草地(24.1%)、灌叢(15.7%)和其他土地利用類型組成,實行了大量水土保持措施以及封山育林等政策。大渡河梯級水電開發項目由3個控制性水庫和22個電站級別組成,其中瀑布溝水電站是于2009年建成的第17級電站,屬于下游控制性水庫。庫容高達5.39億m3,水庫區年均降雨量741.8 mm,平均溫度22℃。瀑布溝水庫建設改變了其原有的河道自然梯度和水流速度,在此范圍內,漢源湖周邊強烈的人為活動可能會影響水庫的潛在人為OM。本研究以瀑布溝水庫為研究區域,在庫中、壩前及壩后選取采樣點,如圖1所示,采樣點具體信息見表1。

表1 采樣點概況Tab.1 Basic information of sampling sites

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

采樣期間平均水深為749 m,庫中、壩前和壩后平均流速為0.7、0.3和0.5 m/s。水體pH為8.0,呈弱堿性,CODCr、DO、NH3-N和TP的濃度分別為192.1～462.2、7.6～12.5、0.1～0.9和0.1～0.2 mg/L。

1.2 樣品采集

根據瀑布溝水庫的水文地質特征和污染源分布情況,在流域內選取了11個具有代表性的采樣點。采樣時間為2019年12月,采樣點在空間上分為3組:(1)D1～D5代表庫中;(2)D6～D10代表壩前;(3)D11代表壩后。使用Peterson采樣器(PBS-411)從0～5 cm深度收集表層沉積物。為確保沉積物的代表性,在每個地點采集一式三份樣品,將3個樣品混合以獲得每個地點的沉積物樣品,將樣品用鋁箔紙包裹、塑膠袋密封后,在4℃下保存。

1.3 測量和分析

1.3.1 沉積物粒徑與有機質測定 將采集的樣品冷凍干燥,研磨并過篩(<2 mm)備用。表層沉積物粒徑根據湖泊沉積物標準處理方法[26],約1 g樣品用30%過氧化氫(1/1,v/v)處理,通過LS 230激光衍射顆粒分析儀(Microtrac S3500)測定顆粒尺寸,將沉積物粒度分為3類[27]:(1)黏土:<4 μm;(2)粉砂:4～63 μm;(3)粗砂:>63 μm。有機質(OM)采用燒失量法測定[28],將鮮樣在烘箱(105℃)中烘至恒重后,稱取烘干試樣(0.5 g)平鋪于瓷坩堝中,置于馬弗爐550℃下煅燒4 h后的質量損失量定義為該樣品中的有機質含量。

1.3.2 脂質生物標志物分析樣品制備 使用1～2 g凍干樣品,采用加速溶劑萃取器(DionexTMASETM200),根據以下條件用二氯甲烷提取[29]:將有機萃取物濃縮至33 mL,在100℃和6×106Pa條件下加熱5 min,靜置10 min,完成80%的沖洗和氮氣吹掃200 s?？傊|組分通過在金屬銅上還原除去元素硫。然后通過兩步液相色譜法將總脂質提取物分餾成脂肪族、芳香族和極性化合物。高分子量的極性化合物被氧化鋁保留,而碳氫化合物和低分子量極性分子被二氯甲烷洗脫下來,然后用甲醇/二氯甲烷(1/1,v/v)回收高分子量極性化合物。被洗脫下來的混合物用環己烷、環己烷/二氯甲烷(2/1,v/v)和甲醇/二氯甲烷(1/1,v/v)連續3次洗脫,并在硅膠柱(40～63 μm,默克)分餾成脂肪族、芳香族和低分子量極性化合物,將兩個極性餾分合并,在N2條件下進行干燥,最后稱重進行定量。

1.3.3 脂質生物標志物分析方法 使用N,O-三甲基甲硅烷基(BSTFA)和三甲基氯硅烷(TMSC)(99/1,v/v)的混合物衍生化后分析極性餾分,將1 μL衍生樣品注入氣相色譜-質譜儀(QP2010SE GC-MS,Shimadzu)分析極性餾分, 而對于脂肪族和芳香族餾分無需進一步處理直接進行分析。使用的進樣器處于不分流模式,并保持310℃。在毛細管柱(SLB-5MS,默克,長度=60 m,直徑=0.25 mm,膜厚度=0.25 μm)上進行色譜分離:70～130℃(保持1 min),速率為15℃/min,然后從130℃升溫至 300℃(保持15 min),速率為 3℃/min。氦氣流量保持在1 mL/min。色譜儀通過在 280℃ 下加熱的傳輸線連接到質譜儀,在全掃描模式下進行分析。在含有脂肪烴、芳香烴和極性化合物的溶液中加入內標,采用外標法進行有機化合物的定量[30]。

1.4 數據處理

運用Excel 2003和Origin 2021對數據進行處理和圖表繪制。

2 結果與討論

2.1 沉積物粒徑與OM分布

水庫作為河流中的“反應器”,阻礙了河水的流動,在降低河流流速的同時,還增加了河流水力停留時間。瀑布溝水庫平均流速表現為庫區(0.7 m/s)>壩后(0.5 m/s)>壩前(0.3 m/s)[24],這種差異性能顯著影響沉積物粒徑大小和OM含量的分布情況。研究區域以粉砂(47.2%±15.6%)和粗砂(39.7%±18.9%)為主(表2)。庫中中值粒徑為(52.0±22.3) μm,壩前的中值粒徑為(42.8±25.6) μm,壩后中值粒徑為(92.9±12.0) μm,粒徑空間分布表現為壩后>庫中>壩前,壩后(D11)流速的增加,可能導致了細顆粒再懸浮和沖刷,在沉積物中留下更大的粗顆粒。黑河[31]和灤河[32]干流河道在空間上也表現出壩后粒徑最大的趨勢,表明梯級水庫建設所產生的干擾作用是導致大壩下游沉積物粒徑大幅度變化的重要原因。

表2 水庫表層沉積物OM組成與粒度參數Tab.2 Organic matter composition and particle size parameters of surface sediments

一般來講,沉積物中OM含量與顆粒大小呈正相關[33]。大顆粒將OM直接暴露于環境中,不能提供長期的物理保護[34],從而導致對OM吸附能力弱。而細顆粒的比表面積更大,為OM的長期物理或化學積累和儲存過程創造了有利的條件[35]。此研究區域壩前沉積物OM(10.7%±4.8%)顯著高于壩后(7.3%±0.9%)和庫中(6.7%±1.8%),表明OM被水庫明顯地滯留在壩前[36-37],與我國三峽大壩[38]和法國克魯薩河[39]的報告相一致。水壩的存在有效地阻礙了水動力學,導致壩前沉積了大量的細顆粒。與之相反,壩后較多細粒顆粒懸浮被水流沖走,而大顆粒對OM的吸附能力弱且對OM的保護能力較差[40],因此壩后OM含量較低。這與不同顆粒物對OM的吸附能力密切相關,說明水庫的截留影響沉積物OM的積累。

通過GC-MS定量的沉積物OM的脂質組分主要由極性化合物組成(圖2),平均占比為51.6%±17.1%,以空間平均比例來看,由庫中(52.8%±24.8%)、壩前(51.8%±10.1%)到壩后(44.4%±8.1%)逐漸降低,然而脂肪族碳氫化合物的比例呈現出相反的趨勢,即由庫中(27.7%±5.2%)到壩前(39.9%±11.0%)再到壩后(42.4%±11.5%)逐漸升高。值得注意的是,除了D4外,芳烴的比例相對穩定,保持在13.9%±15.5%左右。此外,GC-MS量化的分子可以提供有關其來源的信息,并進行了明確的分類(表3),這種分類可以區分沉積物中OM的不同輸入并進行準確溯源。

表3 沉積物有機質中GC-MS測定的有機化合物分類*Tab.3 Classification of organic compounds determined by GC-MS in organic matter

圖2 可提取有機物的組成Fig.2 The composition of extractable organic matter

2.2 自然標志物來源

沉積物脂質組分中的自然標志物(表3)可以分為細菌和微藻源、高等植物源和藻類源(圖3),其中,高等植物源標志物含量最多,比例為70.5%±9.1%(51.6%～85.8%);細菌和微藻標志物比例約為26.5%±10.3%(11.0%～48.1%);還含有少量藻類標志物,其比例為3.0%±1.9%(0.3%～7.2%)。然而,為了確定母源信息,通常需要根據脂質豐度的差異性指標追溯來源信息(附表Ⅰ)。

圖3 自然標志物來源解析Fig.3 Source of natural markers

CPI在數值上代表了原始生物鏈長度的保存程度[52],當CPI>5時,有奇偶數碳優勢,這是來源于高等植物輸入的特點[43];當CPI值接近于1.0時,沒有奇數或偶數碳的偏好,表明來源于石油碳氫化合物[53-54]。在采樣點沉積物中,CPI值介于1.9～9.5之間(表4),平均值為5.5±2.4,強調了陸生高等植物的輸入[55-56],而在D4、D6和D8點位表現出混合輸入的特點。TAR和Paq分別用于評估OM陸生與水生輸入以及區分陸地植物和水生植物的輸入[57-58],TAR的相對比率在1.1～7.9之間,平均值為4.1±2.1,Paq介于0.1～0.2,均表現出以陸生植物輸入為主?？臻g上看,來自高等植物分子標記的比例為壩后(77.7%±2.3%)>庫中(70.5%±9.3%)>壩前(69.1%±10.4%)。標志分子主要是來自于nC24～nC34正構烷烴(奇數碳大于偶數碳)和高分子量的nC20～nC30正鏈烷醇(偶數比奇數的碳數占優勢),這些化合物在植物腐爛后耐降解,通?？勺鳛殛懙馗叩戎参锵蛩w中輸送的生物標志物[43]。此外,植物甾醇的出現也證明了高等植物的貢獻,例如菜油甾醇和豆甾醇,它們是高等植物中的主要甾醇[56]。由表1可知,由于當地封山育林政策,沿著大渡河,周邊林地種植了大量的岷江柏木、云南松和云杉,成為了高等植物標記分子的重要來源[59]。

表4 正構烷烴、芳香分子和類固醇的比率Tab.4 Ratio of n-alkanes, aromatic molecules and steroids

細菌和微藻以及藻類均屬于水中生物群來源,細菌和微藻主要是以短鏈正構烷烴(nC15～nC19)特征分子的出現[51],另外,菜子甾醇是水生初級生產者的標志物,這種分子是原生藻科以及幾種硅藻(芽孢桿菌科)和甲藻(甲藻科)中的主要甾醇[60],沉積物樣品還含有巖藻甾醇,支持浮游藻類的貢獻。在空間上,細菌和微藻、藻類的分布特征變化表現為壩前(27.8%±12.2%、3.1%±2.6%)>庫中(26.7%±10.1%、2.8%±1.5%)>壩后(19.3%±1.1%、3.0%±0.4%)。水庫中營養物質的保留效率與HRT之間為正相關[61-62],低水力動力學條件使得細顆粒沉積,增加了沉積物的孔隙度。水庫壩上游排放的大量工業和生活廢水(表1)有利于SRP和氨氮等生物可利用形式的營養鹽在壩前滯留[24]。這些輸入能促進細菌應激性快速響應,有利于微藻的生長,增加了脂質部分中水生生物群標志物,對湖泊初級生產力有著重要影響。

2.3 人為活動標志物來源

隨著城鎮化進程的加快,許多工業園區興起,進一步導致多環芳烴(PAHs)[63]和藿烷[64](表3)等人為特征分子的出現。在人為來源標志物中,成巖標志物的占比最大,平均比例為77.9%±11.5%(最大值達到6262.1 ng/g)(圖4)。成巖標志物來自化石有機物的非熱源性使用,廣泛存在于潤滑油[65]、潤滑脂[15]和道路瀝青[66]等石油副產品中。來自城市和工業廢水[63]、大氣沉降物[67]、城市化地區石油的滲濾和意外泄漏[65]等人為活動是它們在河流沉積物中吸附和積累的主要原因。成巖標志物在空間上表現為庫中(83.5%±10.5%)>壩前(75.4%±10.6%)>壩后(62.5%±5.9%)。這主要與C12、C13和C14三種低分子量的正構烷烴有關,這些特征分子源自雜酚油,它們通常用于處理航海和戶外部件(例如橋架),以防止腐爛[68]。在D6點位有著最高輸入量(1180.8 ng/g),該采樣點位于大渡河大橋東南側,可能與附近的道路交通有關。藿烷是另一個重要成巖化合物,與芬什河和摩澤爾河匯合處的沉積物[13]類似,它通常來源于原油和石油產品(如煤油、汽油、柴油、潤滑油和瀝青),可以由原油和石油產品經下雨道路沖刷[16]以及碳氫化合物經大氣干沉降和濕沉降[69]等方式進入河流沉積物。另外,成巖標記分子還有三環萜烷、降植烷、植烷和nC20～nC34正構烷烴(奇偶數相當)的出現,可能與近年來水庫的修建以及工業的興起等人為活動有關。

圖4 人類活動標志物來源解析Fig.4 Source of human activity markers

污水標志分子主要為糞甾醇(coprostanol),該分子來源于羊、牛、豬、貓和人類消化系統對膽固醇的降解[70]。一般來講,R1的比值(附表Ⅰ)取決于產生它的動物,當該比值高于0.06則是人類糞便的特征[71]。該研究區域比值在0.06～0.66之間,顯示出人類的特征。污水標志物表現為壩后(30.2%±4.6%)>壩前(22.2%±11.4%)>庫中(11.7%±11.5%)(圖4)。根據實際的場地污染源調查,住宅生活污水處理設施覆蓋率較不完善,絕大部分居民直接排放至周圍的水渠流至河流中。并且當地農村地區大部分化糞池并沒有進行集中處理[72],通常采用農家肥進行農業生產,下雨沖刷或者豐水期漲潮成為污水標志物的另一個輸入途徑[73-74]。

熱源標志物的分布與生產活動密切相關,漢源城鎮下游D6和D7點位(1.4%和1.8%)明顯低于其他采樣點(圖4)。熱源標志物可以從幾種燃燒過程中產生,如汽車尾氣排放、木材燃燒、煤燃燒和煤焦油燃燒。通常使用相同分子質量同分異構體計算出來的比值來區分不同來源(附表Ⅰ),BaA/228的比值表明PAHs來源于熱源和巖石輸入的組合,但以熱源輸入為主[20]。Fl/(Fl+Py)的比值介于0.52～0.65之間,說明熱源來源主要是草、木材、煤炭的燃燒[20],此外,燃燒源的分配還應由其他分子的比率來證實,如IP/(IP+Bghi),該比值介于0.38～0.48之間,偏向于液化石油燃料的燃燒[20]。進一步強調了研究區草、木材、煤燃燒以及液化石油燃料的組合貢獻,說明居民仍然保持著較為傳統的農業生產方式。為區分汽車尾氣顆粒物的老化程度,測試了BaP/(BaP+BeP)的比值[75],除D9外,汽車尾氣顆粒物均通過光解作用老化,表明道路交通是熱源標志物的另一個重要來源方式。

2.4 自然輸入和人為輸入的比較

盡管在實際場地污染調查發現,瀑布溝水庫存在工業、農業和人為活動的不規則排放,但脂質標志物卻清晰地表明自然標志物占主導地位(圖5),與流澗河和北云河[15]、福爾摩沙咸水湖[49]和南海[50]沉積物的報告結果相類似。自然源占脂質定量分子的45.9%±13.9%(21.5%～67.3%),并主要來源于陸生高等植物。樣品中測定的同源脂質化合物(正構烷烴、正鏈烷醇、正鏈烷酸和甾醇)表明,其分布與當地土地利用和河岸覆被類型有關。此外,還有生物群來源(細菌和微生物、藻類分別占自然標志分子的26.5%±10.3%、3.0%±1.9%),它們的空間分布情況與水庫營養狀況密切相關[76]。然而,本研究并沒有評估微生物的豐富度和多樣性,因為它們可能在湖泊養分循環中起著附加作用。據Abell等[77]的報道,細菌的群落組成與河口系統中OM的性質有關,它們可能會導致底棲營養通量的轉變。

圖5 人為標志物和自然標志物的比較Fig.5 Comparison of artificial and natural markers

人為標志物占定量分子的24.6%±15.2%(8.7%～62.4%),其含量是自然標志物的1/2。庫中污水標志物的相對貢獻增多,熱源的貢獻減少。人為輸入定量分子在整體上顯示出壩前(33.0%±16.9%)大于庫中(15.9%±10.3%),壩前靠近漢源城鎮(D6和D7),人為活動顯著(44.6%±25.1%)。這可能是因為D6和D7位于漢源縣鎮下游,處于漢源湖末端,伴隨著水產養殖、污水排放等多源污染,加上大壩的截留作用,在水流速度較低的條件下限制了生物降解[78],同為河道型水庫滃江[79]的研究中也有相似結果。而在整個采樣區域,成巖分子的比例保持不變,石油原油和石油副產品(如燃料、潤滑劑和瀝青)是其成巖分子的主要來源。

研究區沉積物主要由粉砂(4～63 μm)組成,人為污染主要與成巖和污水輸入而來的標記分子有關。當沉積物粒度分布以粉砂(4～63 μm)為中心時(表2),人為標志物平均占量化分子的18.8%(9.9%～29.7%),成巖輸入比污水輸入高3.4倍。當粒度分布以粗砂(>63 μm)時,人為標志物代表了31.6%的量化分子,成巖輸入比污水提高到4.5倍,然而,在芬什河和摩澤爾河匯合處的沉積物[13]以及普拉塔河沉積物[80]中,粒徑差異在人為標記分子中主要是引起熱解來源和成巖輸入定量分子的變化,與本研究有所差異,可能與特定地貌和污染源組成變化有關。此外,本研究結果顯示出自然標記物分子的定量與粒徑無關。

瀑布溝水庫沉積物脂質生物標志物的人為輸入較自然輸入低的原因可能是該流域森林覆被面積較多,有較高的陸生高等植物來源。同時在壩前的人為活動強度更大,而其他區域部分人口居住較為分散,影響范圍相對于瀑布溝水庫較小,因此流域的特征性顯示出研究區域脂質生物標志物以自然輸入為主導。

3 結論

1)本河流型水庫研究范圍內,沉積物OM平均含量呈現壩前(10.7%±4.8%)>壩后(7.3%±0.9%)>庫尾(6.7%±1.8%)的趨勢,OM被明顯地滯留在壩前。這與壩前沉積了大量的細顆粒有關,說明水庫的截留影響了沉積物OM的積累。

2)自然來源標志物(45.9%±13.9%)是研究區沉積物脂類標志物的主要貢獻者,CPI、TAR和Paq的相對比值顯示OM主要來源于陸生高等植物。高等植物源占自然來源定量分子的70.5%±9.1%,其主要的標志化合物為nC24～nC34正構烷烴(奇數碳大于偶數碳占主導地位)和高分子量的nC20～nC30正鏈烷醇。

3)壩前(靠近漢源城鎮)的脂質標記物中人為輸入占主導作用,與庫中相比,人為輸入標記分子的比例明顯升高,并且污水輸入的貢獻率增多,這可能與該地住宅區生活污水處理設施覆蓋率較低有關,其核心機制與水庫滯留效應的耦合作用有關。

4 附錄

附表Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2024.0126)。