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第 1 5卷 第 4期
l 9 9 5年 1 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA S1NICA
始 f
V01．15．No．4
Dec．．1 9 9 5
洪湖生态环境的化学结构
杨汉东 蔡述明 ＼，
(中国科 i写’窟 物毫葡 积 葺雨 o077) _＼
Ll 摘 要 本史探讨了化学元素在洪期水，植物，沉积物中的分布，在此基础上分析了水生植物对元素的吸
l 1 收特征及元素在生态系境中的贮存和迁移规樟．指出期水中ca 和Hc0 是主要的阳离子和阴离子 ，期
水酸窖纳能力在 1．2×10一-2 0×1 ’mol／I H+之间，东化学的稳定性受到碳酸盐地球化学平衡过程
的控审l}湖中水生植物县有富集 C、N、K、Ca和 cd的性质，井导致这些元素在沉积物表层橐辱l系统中C
关 她 ’ 蚜袁
在生态系统中．生物与环境是相互依赖、相互联系、相互制约、互为因果的，其中化学结构
是决定生态环境性质的关键部分，组成生态系统中生命亚系统及物质迁移、转化 、再生与循环
的物质基础 ，是生态系统发展变化的综合结果 ，研究生态环境的化学结构，有助于进一步认识
系统中物质和能量循环交换的过程及系统中的生命物质，进而从宏观到微观 ，从定性到定量地
认识和研究整个生态系统。 ，也有助于指导对生态系统中资源和环境的开发和利用。
江汉平原湖泊多，且多为浅水草型湖泊，是我国多种湿地类型的一种，这些湖泊所处的区
域人类活动强度较大，湖泊环境资源的利用在很大程度上影响着区域经济的发展，洪湖在江汉
平原的这类湖泊中具典型性。
本文拟对洪湖生态系统化学结构的特征，做初步研究。
1 研究方法
根据洪湖生态环境状况，在湖中有代表性选取 10个取样点，按季节 4次在这 10个点位取
水样和植物样．迅速测量水样 pH，水样中HC0 、C0}¨ 用酸碱滴定法分析 ，有机碳含量通过分
析化学耗氧量近似求出，总氮用凯氏法分析，其他各类氮、磷用光度法分析，Ca 、Mg“用 ED
TA络合滴定法分析，K 、Na一用火焰光度法分析，其他金属元素用 ICP—AES法分析 。植物
取出后风干，尽量搓打干净植物上的附着物，将植物和附着物分别称重，用于分析。沉积物用
Russia取样器取得，分样，根据沉积物的视觉状况，选取有代表性的湖心区洪 B剖面和湖内偏
东南缘的洪 A剖面进行分析。植物、植物附着物和沉积物中 C、N用 1129型元素分析仪分析，
K 、Na 用火焰光度法分析，其他元素在 IcAP一9000上用 ICP—AES法分析。 。
植物的吸收系数为植物体 中元素的含量与植物所取区沉积物表层(0一l0cm)中该元素平
均含量之比；沉积物中迁移系数为表层(0—5cm)沉积物 中某元素含量与同剖面(55—60cm)沉
*国家自然科学基金(49070060)J[~中国科学院重大资助(KY85—08一o2)项 目。工作中得到北京大学黄润华教授、闰育梅同志
和幸所陈世恃、任晓华等同志的帮助，谨此致谢．
收稿 日期 1994 02 19．修改稿收到 日期 1994 07 io。
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4期 杨投东等：洪胡生态环境的化学结构
积物该元素含量之 比。
2 洪湖的水化学特征
2．1 湖水的离子组成
湖水的离子组成是湖内生物生存的基本条件。洪湖是一个半封闭型湖泊，水量受人为的调
控，湖水离子组成也受到人为和自然因素的影响。
经过 1 992年夏、秋和 1993年冬、春 4季的周年调查 ，湖水中 HcO 是主要的阴离子，其
变动范围在 50mg／l至 130mg／l之间，均值为 84mg／l。cO I¨的变动范围为 0 44mg／l，均值
20mg／I．CI的浓度范围为 5 1 5mg／l，但多在 llmg／I。sol 浓度变化在 4 22 g／l，均值为
1 6mg／I，季节变动较大
ca 是湖水中主要阳离子 ，浓度多在 23mg／I。其次 为 Mg”，浓度为 7— 1 6mg／l，均值
1lmg／I 其他离子浓度的大小顺序为Na>K>Fe>AI>Cu>Zn>Mn>Mo>Cd。由于水体中
富含有机酸及还原条件较好，zn、Cu、Mn、Mo的溶解度增大，其含量明显高于世界河水的平均
值 。
2．2 湖水的酸碱容纳能力
洪湖水体的 pH值多数在 8．4 9之间，pH值主要受水体碳酸盐平衡体系的控制 ，其值的
变化既受湖泊系统内部因素如矿物的溶解和沉淀，水生植物的生长等的影响，也受外部因素的
干扰 ，如纳入江水，上游区农业废水的排入等。若以pH值 6．5和 8．5为标准，考察酸和碱的容
纳能力，可知洪湖湖水对碱的缓冲容量极小或无，对酸的缓i巾容量较大，一般在 1．2×10 —
2．0×10。”mol／IH一之间。洪湖生态系统中碳酸盐的沉积量较大，大量沉水植物的生长可能促
使重碳酸盐分解，增强湖水碱度 ．加大湖水酸的容纳能力
2．3 湖水的化学稳定性
在碳酸盐型湖水中，碳酸盐的沉淀和溶解过程控制了湖水的化学稳定性，决定了湖水的溶
解性和沉积性 ，根据公式。 、
pH。=pK． -pK， +p(Ca“]+p~HCO．]一Igrc．一一IgrHc0
S=pH 一 pH
式中 K 为 CaCO 的溶度积 -K．，为 HcO 的离解平衡常 数，[ca”-]、rc．z一和[Hco ]、
~HCO
s 分别为溶液中ca 和 HCO 的平衡浓度和活度系数，pH 为假想水与 CaCO 固体处于
平衡状态时应具有的 pH值 ，pH 为实际测出的 pH值。
洪湖水体的化学稳定性指数 S主要在 0．76—0．1 6范围内，即碳酸盐体系不稳定，具中等
程度的沉积性
3 植物的化学特征
洪湖水位较低，湖泊水深常维持在 2m 下，此 区所在的江汉平原地处北亚热带 ，为水生
植物的生长提供了良好条件。洪湖水生植物繁多，生物量大，周年 4次测量的平均现存量干重
在 0．5kg／m 左右。由于该湖受人工干预影响较大 ，近年来大量投放鱼苗及控制湖水水位，水
生植物的群落结构发生 了一些变化，1989年 以前，全湖 由挺水植物菰 (Ziza 缸 caduciflora
Turcz)和莲 (Ndumbo nucifera Gaern)为优势种，1990年以来转变为以沉水植物微齿眼子菜
(Potamogeton maakianns Benn)、光叶眼子菜(Potamogeton lucen)、轮叶黑藻(Hydrilla Varti—
cilata Royle)、五刺金鱼藻 (Ceratopkylumm Oryzetorum Kom)、聚草 (Myriophyllum spica—
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m．L．)等为优势群，且各 区植物群落构成不均匀。湖水中碳酸盐具有中等程度沉积性 ，表现
在沉水植物的叶和茎上附有大量淀积和植物和分泌物所组成 的附着物，其重量全湖平均约为
90g／m ，标准偏差为 40．8+即分布不均匀。洪湖优势植物附着物的化学元素含量列入表 l。
表 1 洪湖优势植物及植物所附物质的化学元素含量‘
Table l Contenls of ckemiea／elements in dominant kelopbyt~s-l the malerills il1． bed 0n lime htlophyt~
in Lake Hough．
植 物 N P K Na Ca Mg Fe AI Mn Mo Cd Cu Zn
He]ophyre (％) (mg／kg3
菰 O
． 836 0．12 1．82 0．57 0 81 0 45 13．254 0 c14 Zi
zanla caduclfl~a Turcz
莲 0
． 94O 0．08 1．62 0．29 L．96 0．44 0．145 0．032 53l Z．57 l_l2 l 2 9 39 5 N
elumho n~-ifera Gaern
话齿眼于莱 2 325 0
． 14 1．53 0 79 1 92 O．39 0．320 0．227 95 2 07 1．0110 6 33．9 Potamogeton maakianus Benn
光叶眼子 菜 1
． 8 52 0．12 5．O5 0．68 l_65 0 33 0．023 0．022 t~
otamogegon Lucen
轮 叶黑藻 1 937 0 06 1
． 06 0．16 L_82 0 73 0 023 0．O18 H：Mrilla vartAillata Royle
五刺金 鱼 2 054 O 13 4
． 8Z 0．44 1．51 0．96 0 078 0．030 2323 1．7S l_4l 10．5 42．3 C
eratopblum。 ： f⋯ K0m
聚草 1 956 0 15 1 4Z 0 75 1
． 71 0．34 0 039 0．020 {l7 1 89 Z O0 6．“ 88．1 M
，I坤 h num spicat~m L
附着拘 0
． 612 0 04 5 31 1 17 28．94 1．1 6 0 169 0．214 113 0 25 0 07 23．1 L7 8 A
ttached material
*化学 元幕檀 测的 回收翠 recla~at；on>95
在洪湖优势种植物中，植物烧失量 多在 80 至 9O 之间，元素含量可排序为 C>K
>N≈ca>Mg≈Na>P>Fe>Mn>AI>zn>cu>Mo>cd。与世界陆生植物中元素含量的
文献 值比较 ，洪湖水生植物中N、K、Na、Ca和 Mg含量较高，其中N、K和 Na与侯学煜的结
果。 相同，也证实了沼泽植物富集 K的结论，而 ca的高含量可能与洪湖水体中钙质碳酸盐的
淀积有关。Mo、Cd、Cu、Zn的含量低于世界陆生植物的平均值，其他元素与平均值相近。洪湖
水生植物的元素组成构型与我国北方怊泽植物的元素构型“ 有较多相似之处，反映长江中游
水生植物的元素构型。
在水生植物的叶和茎上形成的附着物中，ca含量极其丰富，占其总量的近 ]／3，Mg的含
量也较高，烧失量为 l6．1 ，这些物质主要来自于水中碳酸盐的沉淀 ，其次为植物的分泌物 。
4 元素在沉积物剖面中的分布
元素在沉积物剖面中的分布，反映了沉积物所在区域生态环境的变化过程。”。洪湖各区
域受自然及人为因素的影响 ，因而沉积物剖面也有一些变化，现以洪 A、洪 B两个典型剖面加
以说明。
洪 A：表层稀黄泥+有螺壳，含草屑，之下为一青泥层，有土壤团粒结构，可见些许 尚未完全
腐烂的稻壳 ，含螺壳，这是历史时期湖泊干涸垦殖留下的痕迹 ，此层以下又逐渐过渡到黄色沉
积 层。
洪 B：表层为黑色淤泥层，含大量腐殖质及草屑，有螺壳，以下为青泥层，夹大量植物碎屑，
再下逐渐过渡为黄泥夹青泥的互层。
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4期 杨投东等：洪湖生态环境的化学结构
有的区域 A类与 B类剖面表层或底层互有对方特征，只是 A类剖面有人类垦殖过的痕
迹 。
洪湖剖面中 Eh、pH固物质组成 ，氧化还原条件的差异 ，变化较复杂，元素在各剖面中的分
布较一致，N、C、S、Ca、Mg、Mn和 cd等元素含量一般随剖面加深而明显减少，其中 N、C、S等
主要富集在沉积物表层，可能与植物生长和外源输入有关 ，Ca、Mg元素在剖面中的富集有渐
变的过程，可能是植物生长及湖水相应碳酸盐沉淀的结果 。P、Cr、Zn、Ni、Pb、V、Fe、K、Ti等元
素在剖面中基本上无明显的升降趋势，这与三江平原沼泽土壤中的分布特性不同“ 。
。．
图 1 谱瑚 积物剖 面 中化 学元 幕的甘 市
Fig．I D~st ribufion of chem~al elements in sediment profile ia Lake Honghu
5 洪湖生态系统中元素迁移的特征
洪湖生态系统中基本的生物背景是水生植被，由于水生植物对不同元素的选择性吸收，因
而在元素迁移过程中起了重要的作用，成为系统中物质循环的一个重要环节
洪湖优势植物对沉积物表层(0—10cm)的平均植物吸收系数列入表 2。
沉积物表层(0—5cm)与深部(55 60era)元素含量比(剖面迁移系数)列入表 3中
表 2 洪湖优势植物元素吸收序列
Table 2 An arder of element assirailation c,~efrieielzZs 0f domhm~t helophytes in Lake ltoughu
表 3 洪湖沉积物剖面中化学元素的迁移序列
Tahle 3 An order or element migration coefficients h sediment profile In]L,Et~e H蚰 ghu
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-古- 1叶一言 _畜一 ： ^v毛 世姑
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生 态 学 报 15卷
由表 2、表 3可知，生物强烈吸收 N、C、CA、K、Mo、Ca、P等元素，由于植物对元素的选择
性吸收，元素的分布发生了变化 ，沉积表层 N、C、Cd、Ca等元素的含量增高，而 AI、si、Fe、Cu
等元素的生物吸收系数较小，即被植物富集和迁移的能力较弱。AI在植物大量生长的沉积物
表层含量较小，就是因为植物对 AI的吸收程度很弱，反映在剖面上，若大量植物持续生长，相
应剖面 AI的含量较低，这与武汉东湘沉积物剖面中 AI的特征相同 ”。值得指出的是 ca在湖
内沉积物上部富集与湖区垦殖剖面上部 ca含量相对较高的机制是不同的“ 。
沉积物中元素的特征决定植物的生长，不同的植物群落与不同的沉积物相适应。洪湖生态
系统中沉积物、植物和水的化学元素含量分布特征如图 2所示。
素
扣
l
圈 2 珙胡 生悉系筑 吾组或或 丹 中化学元幂 的丹 布特征
Fig z Distribution 0 chemical element con~eHts jns0me major components of ecologiical environment
in Lake Honghu
I 水Water， z 檀物 Plant． 3 沉积物 ~diment
图中显示出植物与水和沉积物中各种元素的组成比例有一定的差异，但具有显著的相 似
性，说明植物体的化学组成，主要取决于环境，即沉积物和水的化学组成，同时植物选择性吸收
元素及满足自身的生理、生化需要。
若将洪湖生态系统划分为水生植物、水、沉积物和植物附着物 4个分室，可考察化学物质，
特别是营养物质在系统中各分室间的分配及系统的发育程度。表 4列出C、N、P、K、Na、Ca和
Mg在 4个分室中的分布 ．其中沉积物分室为植物根系的主要发育层(0一l5cm)的沉积物表
层，水深平均为 1．5m。
通过分室间的比较 ，c在植物中分配 比例最大，为 54．7 ，即大多数 C分布在植物分 室
中．植物为 C的主要贮存库 ，N主要分布在沉积物分室，其次为植物分室，其他营养元素的绝
大部分贮存在沉积物分室．沉积物在系统发育过程中作为主要贮存库 ，起着流通枢纽作用。
由于洪湘是一个注重渔业生产的半封闭湖泊，每年有大量营养元素随鱼的收获而移出，如
8O年代 ，每年的鱼产量多在 3×10 一4×10 kg之间。与湖相通的水流的输入和输出也对系统
的化学结构产生影响，据调查分析，洪湖主要进水口之一子贝渊河 1992年和 1993年平均每年
输入湖内的总氮、总磷分别为 240t和 4600kg，主要出水口之-]J,港渠 1992年和 1993年平均
每年输出总氮、总磷分别为 l948t和 2500kg
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4期 杨慢东等：洪胡生态环境的化学结构 397
水 0．83’ 2．1 0．03 2．25 12 43-9
W t 0．2‘‘ I 2 0．04 0 I I·2 1 3
植物 246．5 9 5 0．5 9．0 2．25 9 5
Helophyte 54 7 5．3 0．7 0-5 0·2 0·5
附 着物 8．3 5．51 0 36 4．78 1．09 26．0
Attaeh d materiaI 1．8 0 3 0．05 0 2 0．1 0．8
哲【租钧 194 9 168 67．2 1848 1008 3360
Sediment 43 3 93 2 99．2 99 2 98·5 97·6
分子 分室 中绝对量 ． 愀 ntor is abso]ute value in the compartment．
**分母为占系挠总量的百分鼓．Menomina~or is peTcen~age accounting for the total of the ecosystem．
6 结论
6．1 洪湖水体中，ca 是主要的阳离子，HCOf是主要的阴离子，pH值多大于 8。湖水属重碳
酸盐水，对酸的容纳能力较大，其稳定性主要由碳酸盐的平衡过程控制，且稳定性较差 ，易于形
成碳酸盐沉淀。
6．2 水生植物构成了洪湖主要的生物背景 ，植物强烈吸收 C、N、K、Cd、Ca等元素，通过植物
对元素的选择性吸收 ，使元素发生迁移并在植物体中富集 ，而 Al、Si等的生物迁移能力则较
弱。水生植物以其叶和茎的巨大有效表面，附着大量来 自水体中的钙质碳酸盐沉淀 。
6．3 由于大量水生植物的生长及其对元素的迁移作用 ，沉积物剖面中元素含量发生变化，c、
N、s、Ca、Cd等在沉积物表层富集。
6．4 营养元素中 c多存在于植物体中，其他元素如 N、P、K、Na、Ca、Mg等多存在于沉积物
中，沉积物是系统中营养元素主要的贮存库。
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箍
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398 生 态 学 报 15卷
THE CHEM ICAL STRUCTURE 0F THE EC0L0GICAL
ENVIR0NM ENT lN LAKE H0NGHU
Yang Handong Cai Shuming
([~stitute of c∞dt and Geop 5，Academia Sinica．Wuhan·China r430077)
Lake Honghu is a typical shallow lake and rich in aquatic plants in the middle reach of
the Yangze River．It is an example of an important of type wetland in China．This paper re—
D0rts on the chemical structure of the ecological environment in the lake．In the lake water，
Ca“ and HCO．are major cation and anion．alkal capacity is rather low·add capacity is 1．2×
1O 一2．O×10 。mol／lH ．The equiIibrum course of carbonatesisthe basicfactorto control
the geochemical process of water quality．
Aquatic plants in the lake play the role of concentrating C，N ，K ，Ca and Cd．The sendi—
ment profile of the surface is rich in C．N ，S，Ca and Cd．The AI content is relatively low in
the sediment although there were large amount of aquatic plants．
Most of the C exists in the aquatic plants and most of the N ，P，K ，Ca and M g exist in
the sediment．Tbe sediment compartment serves aS a nutrient reserve．
Key words：ecological environment tchemical structure，Lake Honghu
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