何 虎，于謹(jǐn)磊，章 銘，劉正文1，，李寬意

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008)

(2:中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

(3:暨南大學(xué)水生生物研究所，廣州510632)

(4:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，武漢430070)

太湖不同湖灣中銅銹環(huán)棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮穩(wěn)定同位素特征*

何 虎1，2，于謹(jǐn)磊3，章 銘4，劉正文1，3，李寬意1＊＊

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008)

(2:中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

(3:暨南大學(xué)水生生物研究所，廣州510632)

(4:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，武漢430070)

進(jìn)入湖泊中不同氮源氮穩(wěn)定同位素值(δ15N)的差異和生物對(duì)氮穩(wěn)定同位素的記憶作用，可以反映流域人類活動(dòng)輸入的污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響程度.本文調(diào)查了太湖4個(gè)湖灣(梅梁灣、貢湖灣、竺山灣和東太湖)中銅銹環(huán)棱螺(Bellamya aeruginosa)的δ15N值，結(jié)果表明環(huán)棱螺δ15N值的變幅為6.9‰～18.1‰，平均值為11.2‰，不同湖灣中環(huán)棱螺δ15N值差異極顯著，從高到低依次為梅梁灣(17.7‰)、貢湖灣(13.2‰)、東太湖(10.2‰)和竺山灣(7.8‰).分析認(rèn)為，梅梁灣和貢湖灣接納較多的人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，其周邊城市如無錫、常州等地的污水處理效率有待提高;竺山灣水體氮素主要來自于農(nóng)業(yè)面源污染，需降低農(nóng)田化肥的使用量.

銅銹環(huán)棱螺;氮穩(wěn)定同位素;人類活動(dòng)污染物;太湖

輸入到湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的各種氮源的氮穩(wěn)定同位素值(δ15N)通常具有很大差異，如生活污水或動(dòng)物糞便的 δ15N 值范圍為10‰ ～20‰［1-2］，明顯高于大氣降水(2‰ ～8‰)和綜合肥料(－3‰ ～4‰)［3］.人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物的δ15N較高，輸入到湖泊生態(tài)系統(tǒng)后，會(huì)通過生產(chǎn)者吸收固定或者消費(fèi)者直接攝食的方式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)，由于δ15N信號(hào)能夠沿著食物鏈向上傳遞，所以各營養(yǎng)級(jí)生物的δ15N都會(huì)升高.因此，δ15N是反映流域人類活動(dòng)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)影響的一個(gè)良好指標(biāo).例如，Anderson等［4］對(duì)82條不同營養(yǎng)水平河流的3個(gè)營養(yǎng)級(jí)生物的δ15N進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果表明生物的δ15N值與該流域人類活動(dòng)產(chǎn)生的氮負(fù)荷量(包括家畜糞便、化肥和人類廢水)顯著相關(guān).Benson等［5］調(diào)查也發(fā)現(xiàn)紐約東北部Upper Saranac湖苦草(Vallisneria americana)的δ15N值與該流域的人口密度呈正相關(guān).在水生態(tài)系統(tǒng)中，水體硝氮［6］、沉積物［7］、水生植物［5］和魚類［8］的δ15N值都可以用來指示氮源.螺貝類等大型底棲動(dòng)物作為初級(jí)消費(fèi)者，具有壽命長、機(jī)體組織周轉(zhuǎn)率低［9］、遷移能力差、活動(dòng)場所相對(duì)固定［10］的特點(diǎn)，其機(jī)體組織的δ15N值反映了棲息地長時(shí)間、綜合的氮素來源，在研究流域人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響上同樣具有很好的指示效果.例如，Karube等［11］調(diào)查了日本琵琶湖沿岸帶螺Semisulcospira spp.和雙殼類Unio douglasiae biwae Kobelt的碳、氮穩(wěn)定同位素值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品的δ15N值存在較大的空間差異，螺的δ15N值與流域人口密度顯著相關(guān).Fry［12］研究了舊金山灣(San Francisco Bay)蛤Potamocorbula amurensis的δ15N值，發(fā)現(xiàn)受人類活動(dòng)影響較大的南部灣(South Bay)中蛤的δ15N值較高.

太湖地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的上海、江蘇和浙江兩省一市交界處，湖泊面積2338 km2，平均水深1.9 m.太湖流域面積達(dá)36895 km2，是我國人口最稠密和城市化程度最高的地區(qū)之一.竺山灣、梅梁灣、貢湖灣是太湖北部相鄰的三個(gè)湖灣，東太湖則位于太湖東南部，與北部湖灣相距較遠(yuǎn).由于太湖流域周邊地區(qū)的土地利用方式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度存在差異，輸入到湖灣中的氮分布具有較大的空間異質(zhì)性［13］.本文調(diào)查了四個(gè)湖灣沿岸帶大型底棲動(dòng)物銅銹環(huán)棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮穩(wěn)定同位素值，擬通過螺的δ15N值來指示人類活動(dòng)對(duì)湖灣生態(tài)系統(tǒng)的影響，研究成果對(duì)太湖的控源截污工作具有一定的指導(dǎo)意義.

1 材料和方法

2009年7月3日和4日，在太湖梅梁灣、貢湖灣、竺山灣以及東太湖采集水樣及環(huán)棱螺樣品.其中東太湖布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，其余各湖灣布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)作為重復(fù)，采樣點(diǎn)盡量選取靠近河口的沿岸帶區(qū)域(圖1).采用彼得森采泥器在沉積物表面收集大型底棲動(dòng)物銅銹環(huán)棱螺.每個(gè)采樣點(diǎn)選取3～4個(gè)規(guī)格相近的環(huán)棱螺，取肌肉組織放入烘箱，60℃烘干，然后磨碎過100目篩，稱重，包裝后送入DELTA plus Advantage質(zhì)譜儀(Thermo Fisher)分析氮穩(wěn)定同位素豐度.氮穩(wěn)定同位素值以國際通用的大氣氮作為參考標(biāo)準(zhǔn)，以δ值形式表示，δ15N值的分析精度為±0.1‰.水樣分析指標(biāo)為總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素 a(Chl.a)，分別采用堿性過硫酸鉀消解法、堿性過硫酸鉀消解鉬銻鈧分光光度法和丙酮萃取分光光度法測定.數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析.

圖1 太湖采樣點(diǎn)位分布Fig.1 Sampling sites in Lake Taihu

2 結(jié)果

各采樣點(diǎn)銅銹環(huán)棱螺的δ15N值最小為6.9‰，出現(xiàn)在竺山灣的殷村港(5#點(diǎn));最大為18.1‰，出現(xiàn)在梅梁灣的山水游艇會(huì)(2#點(diǎn))(表1).方差分析表明，銅銹環(huán)棱螺的δ15N值在四個(gè)湖灣的分布具有較大的空間異質(zhì)性(P＜0.05).兩兩比較(LSD法)發(fā)現(xiàn)，梅梁灣銅銹環(huán)棱螺的δ15N值(17.7‰)最高，其次是貢湖灣(13.2‰)，而東太湖(10.2‰)和竺山灣(7.8‰)采集的銅銹環(huán)棱螺的δ15N值均較低，二者無顯著差異(P＞0.05).

表1 采樣點(diǎn)銅銹環(huán)棱螺δ15N值及水體TN、TP和葉綠素a濃度Tab.1 TN，TP and chlorophyll-a concentrations for waters and δ15N values for Bellamya aeruginosa collected at each sites of Lake Taihu

3 討論

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在梅梁灣采集的銅銹環(huán)棱螺的δ15N值最高，已有研究也表明該湖灣水體中微囊藻和硝態(tài)氮的同位素值較高［14］，說明梅梁灣受人類活動(dòng)的影響較大，接收了大量生活污水等高δ15N值污染物.梅梁灣位于太湖北部，周邊城市如無錫和常州具有較高的城鎮(zhèn)化率和人口密度，人類活動(dòng)劇烈.秦伯強(qiáng)等［15］調(diào)查表明，無錫和常州是太湖水體污染物的主要來源地區(qū)，大量污染物通過直湖港、武進(jìn)港和梁溪河等入湖河道排入梅梁灣和五里湖后［15-16］，使水體的氮磷濃度升高，造成水體富營養(yǎng)化，同時(shí)棲息地生物的氮同位素值也升高.近年來，由于太湖富營養(yǎng)化問題的日益突出，各地政府加大投資力度處理城市生活污水，但從本實(shí)驗(yàn)調(diào)查的結(jié)果來看，現(xiàn)階段太湖流域城市的污水處理能力仍顯不足.Townsend-Small等［6］研究也表明武進(jìn)港和梁溪河水體硝氮的δ15N值較高，暗示無錫和常州市生活污水的排放仍然是梅梁灣面臨的主要問題.

貢湖灣位于太湖東北部，本研究發(fā)現(xiàn)該湖灣采集的銅銹環(huán)棱螺的氮穩(wěn)定同位素值僅次于梅梁灣，遠(yuǎn)高于其它湖灣(P＜0.05).這一方面是因?yàn)樵摵撑c生活污染嚴(yán)重的梅梁灣緊鄰，兩個(gè)湖灣容易發(fā)生水量交換，從而受到梅梁灣接納的污染物的影響較大;另一方面，雖然該湖灣河流多以出湖為主，但“引江濟(jì)太”工程的通道——望虞河是以入湖為主的.所謂“引江濟(jì)太”，即通過望虞河從長江大量引水入太湖，以求達(dá)到改善太湖水質(zhì)的目的［17］.然而，望虞河在引水入太湖的過程中，同時(shí)也可能將沿岸帶，特別是西岸地區(qū)大量的污染物排入太湖.研究表明望虞河西岸水體污染嚴(yán)重，幾條主要支流總體均處于劣Ⅴ類水平［18］，生活污染是主要的氮磷污染源，其排放的總氮和氨氮分別占河道總負(fù)荷量的52.5%和60.2%［17］.研究發(fā)現(xiàn)貢湖灣沿岸帶采集的蘆葦δ15N值也較高［13］，與本研究對(duì)銅銹環(huán)棱螺δ15N值的調(diào)查結(jié)果一致，說明貢湖灣接納了較多的人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物.

竺山灣一直是太湖富營養(yǎng)化程度最嚴(yán)重的地區(qū)之一，水體氮磷濃度較高，水華暴發(fā)頻繁［19-20］，然而，該湖灣采集的銅銹環(huán)棱螺的δ15N值在四個(gè)湖灣中卻最低，這說明該湖灣并沒有接收過多的生活源污染物，輸入到湖灣生態(tài)系統(tǒng)的氮素應(yīng)該有其它來源.竺山灣位于太湖西北部，和其它三個(gè)湖灣不同，流域的土地利用方式以農(nóng)田為主，林琳［21］利用同位素示蹤技術(shù)識(shí)別不同人類活動(dòng)對(duì)太湖環(huán)境的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)宜興小流域的δ15N值主要受農(nóng)業(yè)面源污染的影響，所以該湖灣水體氮素可能主要來源于農(nóng)田化肥.據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖流域每畝地施用化肥38.5 kg，遠(yuǎn)高于全國平均的27.4 kg，有機(jī)肥和化肥的比例在1990s中期就達(dá)到了 1∶9［22］，大量低δ15N值的綜合化肥［3］通過徑流或其它途徑進(jìn)入湖灣后，不僅造成湖灣水質(zhì)惡化，水體氮、磷營養(yǎng)鹽濃度升高，同時(shí)也導(dǎo)致棲息地生物的δ15N值較低.

東太湖3個(gè)采樣點(diǎn)銅銹環(huán)棱螺的δ15N值都較低，分析認(rèn)為這可能有兩方面的原因:首先，東太湖是太湖的出水通道，河流以出湖為主，這導(dǎo)致沿岸帶人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物不能通過河道進(jìn)入湖灣，并且由于太湖南部較短的換水周期［15］，即使有少量污染物被輸入湖灣，也會(huì)很快通過河道排泄至下游，所以湖灣中滯留的污染物較少.相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)東太湖水體氨氮［14］、硝氮［6］以及水生植物蘆葦［13］的δ15N值都較其它湖灣低.其次，食物來源不同也可能是導(dǎo)致東太湖螺的δ15N值較低的一個(gè)原因，銅銹環(huán)棱螺屬前腮亞綱(Prosobranchia)，田螺科(Viviparidae)，環(huán)棱螺屬(Bellamya)，主要以水體中的附著生物和有機(jī)碎屑為食［23-24］，也能攝食浮游藻類［25］.和太湖北部的三個(gè)湖灣已經(jīng)發(fā)展成藻型湖灣不同，東太湖至今仍屬于草型生態(tài)系統(tǒng)，沉水植被覆蓋率較高［19］，所以棲息在東太湖的環(huán)棱螺可能攝食了較多的附植生物和水生植物碎屑，而其它湖灣的銅銹環(huán)棱螺則主要以沉積物表面的藻源有機(jī)質(zhì)為食.由于水生高等植物和浮游藻類在生理結(jié)構(gòu)和對(duì)水體氮素的利用上的差異，導(dǎo)致同一棲息地的某些水生高等植物的δ15N值要顯著低于浮游藻類.例如，林琳等［14］調(diào)查發(fā)現(xiàn)太湖梅梁灣采集的菱的δ15N值(6.59‰)要顯著低于該湖灣藻類的δ15N值(16.79‰)，因此，東太湖采集的環(huán)棱螺的δ15N值較低也有可能是因?yàn)樵摵硹⒌你~銹環(huán)棱螺攝食了較多的水生植物碎屑.

4 結(jié)論

本研究表明太湖沿岸帶銅銹環(huán)棱螺的δ15N值存在較大的空間差異，梅梁灣和貢湖灣采集的銅銹環(huán)棱螺的δ15N偏高，湖灣接收了大量人類活動(dòng)所排放的污染物，說明周邊城市如無錫、常州等地的污水處理效率還有待提高.竺山灣水體氮磷營養(yǎng)鹽濃度較高，銅銹環(huán)棱螺的δ15N值較低可能是因?yàn)橥庠吹刂饕獊碜杂诘挺?5N值的農(nóng)田化肥，這也說明湖灣受農(nóng)業(yè)面源污染的影響相對(duì)較大，應(yīng)該考慮減少綜合化肥的使用量.東太湖銅銹環(huán)棱螺δ15N值較低，一方面是由于河流出湖污染物在湖灣中滯留時(shí)間較短;另一方面也可能是因?yàn)樵摵炽~銹環(huán)棱螺攝食了較多的水生植物碎屑.

［1］Kreitler CW，Jones DC.Natural soil nitrate:the cause of the nitrate contamination of ground water in runnels county，Texas.Ground Water，1975，13(1):53-62.

［2］Gormly JR，Spalding RF.Sources and concentrations of nitrate-nitrogen in ground water of the central platte region，Nebraska.Ground Water，1979，17(3):291-301.

［3］McClelland JW，Valiela I，Michener RH.Nitrogen-stable isotope signatures in estuarine food webs:A record of increasing urbanization in coastal watersheds.Limnology and Oceanography，1997，42(5):930-937.

［4］Anderson C，Cabana G.Does δ15N in river food webs reflect the intensity and origin of N loads from the watershed?Science of the Total Environment，2006，367(2/3):968-978.

［5］Benson ER，O'Neil JM，Dennison WC.Using the aquatic macrophyte Vallisneria americana(wild celery)as a nutrient bioindicator.Hydrobiologia，2008，596(1):187-196.

［6］Townsend-Small A，McCarthy MJ，Brandes JA et al.Stable isotopic composition of nitrate in Lake Taihu，China，and major inflow rivers.Biomedical and Life Sciences，2007，194:135-140.

［7］吳敬祿，林 琳，劉建軍等.太湖沉積物碳氮同位素組成特征與環(huán)境意義.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2005，25(2):25-30.

［8］Xu J，Xie P，Zhang M et al.Icefish(Salangidae)as an indicator of anthropogenic pollution in freshwater systems using nitrogen isotope analysis.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2007，79(3):323-326.

［9］Zanden MJ，Rasmussen JB.Primary consumer δ13C and δ15N and the trophic position of aquatic consumers.Ecology，1999，80(4):1395-1404.

［10］Vizzini S，Mazzola A.The effects of anthropogenic organic matter inputs on stable carbon and nitrogen isotopes in organisms from different trophic levels in a southern Mediterranean coastal area.Science of the Total Environment，2006，368(2/3):723-731.

［11］Karube Zi，Sakai Y，Takeyama T et al.Carbon and nitrogen stable isotope ratios of macroinvertebrates in the littoral zone of Lake Biwa as indicators of anthropogenic activities in the watershed.Ecological Research，2010，25(4):847-855.

［12］Fry B.Using stable isotopes to monitor watershed influences on aquatic trophodynamics.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1999，56(11):2167-2171.

［13］張雷燕.太湖大型水生植物營養(yǎng)鹽來源的穩(wěn)定同位素研究［學(xué)位論文］.南京:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，2010.

［14］林 琳，吳敬祿.太湖梅梁灣富營養(yǎng)化過程的同位素地球化學(xué)證據(jù).中國科學(xué):D輯，2005，35(增刊Ⅱ):55-62.

［15］秦伯強(qiáng)，羅瀲蔥.太湖生態(tài)環(huán)境演化及其原因分析.第四紀(jì)研究，2004，24(5):561-567.

［16］羅 縉，逄 勇，林 穎等.太湖流域主要入湖河道污染物通量研究.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(2):131-135.

［17］張利民，王 水，韓 敏等.太湖流域望虞河西岸地區(qū)氮磷污染來源解析及控制對(duì)策.湖泊科學(xué)，2010，22(3):315-320.

［18］陳亞男，逄 勇，趙 偉等.望虞河西岸主要入河支流污染物通量研究.水資源保護(hù)，2011，27(2):26-34.

［19］馬榮華，孔繁翔，段洪濤等.基于衛(wèi)星遙感的太湖藍(lán)藻水華時(shí)空分布規(guī)律認(rèn)識(shí).湖泊科學(xué)，2008，20(6):687-694.

［20］朱廣偉.太湖富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及原因分析.湖泊科學(xué)，2008，20(1):21-26.

［21］林 琳.人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下太湖環(huán)境變化的碳氮同位素地球化學(xué)響應(yīng)［學(xué)位論文］.南京:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，2008.

［22］林澤新.太湖流域水環(huán)境變化及緣由分析.湖泊科學(xué)，2002，14(2):111-115.

［23］李寬意，文明章，楊宏偉等.螺－草的互利關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(12):5427-5432.

［24］Bronmark C.Interactions between epiphytes，macrophytes and freshwater snails:a review.Jonrnal of Molluscan Studies，1989，55(2):299-311.

［25］Shiqun H，Shaohua Y，Kaining C et al.15N isotopic fractionation in an aquatic food chain:Bellamya aeruginosa(Reeve)as an algal control agent.Journal of Environmental Sciences，2010，22(2):242-247.

Characteristic of nitrogen stable isotope in Bellamya aeruginosa in different bays of Lake Taihu，China

HE Hu1，2，YU Jinlei3，ZHANG Ming4，LIU Zhengwen1，3＆ LI Kuanyi1
(1:State Key Laboratory of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China)
(2:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)
(3:Institute of Hydrobiology，Jinan University，Guangzhou 510632，P.R.China)
(4:College of Fisheries，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，P.R.China)

Nitrogen discharged into lake ecosystems typically has different nitrogen stable isotope ratios(δ15N)and measurement of δ15N in organisms can be useful indicators of anthropogenic impacts from the watershed.The δ15N values of Bellamya aeruginosa were investigated in four bays of Lake Taihu.Results showed that δ15N values in snail ranged from 6.9‰ to 18.1‰，with an average of 11.2‰.Snail δ15N values displayed a significant variation among four bays.The highest average value was found in Meiliang Bay(17.7‰)，followed by Gonghu Bay(13.2‰)，East Taihu(10.2‰)and Zhushan Bay(7.8‰).Our investigation suggested that both Meiliang Bay and Gonghu Bay have

tremendous amount of domestic sewage derived from increasing human activities.Therefore，it's necessary to promote investment of sewage treatment plants in surrounding cities including Wuxi and Changzhou.Our research also indicated that Zhushan Bay，which is located in northwest part of Lake Taihu is mainly affected by agriculture non-point source pollution.So it's necessary to reduce the use of fertilizers to improve the water quality of that bay.

Bellamya aeruginosa;nitrogen stable isotope;anthropogenic swage;Lake Taihu

＊ 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070419)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2008CB418104)聯(lián)合資助.2011－04－18收稿;2011－09－01收修改稿.何虎，男，1985年生，碩士研究生;E-mail:hehuabc@tom.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:kyli@niglas.ac.cn.