1.3.1　元素地球化学

1.3.1.1　湖泊沉积物有机地化元素

沉积物元素的地球化学性质和沉积环境对元素在空间上的分布有重要影响，而沉积物中的有机质与生物作用密切相关，生物活动又依赖于环境条件，故对这些有机地化元素的研究更具突出意义。目前分析最多的有机地化元素有C、N、P、S、H等（谭红兵、于升松，1999）。

湖泊沉积物总有机碳（TOC）含量是代表沉积过程中没有被矿化分解的那部分有机质中的碳总量，可以用来判识湖泊环境。总有机碳含量受到初始生产力以及保存的影响。它既可以反映沉积物中有机质输入的多少，又可以反映沉积环境对有机质的保存能力。因此它们包括了不同来源的有机质、运移路径、沉积过程以及保存能力。湖泊沉积物有机质的主要来源是植物碎片（只有百分之几的有机质来自动物），分为内生和陆源两部分。总有机碳浓度表示成总量百分比时，会受到其他的沉积物成分的影响（Meyers, 2003）。如当沉积物中加入碎屑颗粒物质时，总有机碳浓度得到稀释，而去除碳酸盐矿物又会浓缩总有机碳浓度（Dean, 1999）。沉积物粒度也会影响总有机碳浓度，颗粒变细则总有机碳浓度增加（Thompson and Eglinton, 1978）。通常在湖泊的较深处由于细颗粒物质沉降而使总有机碳浓度高于岸边快速富集的粗颗粒物质中的总有机碳含量。准确的年代测定对于获得有机碳的堆积速率的计算非常重要。

沉积物是湖泊环境中氮重要的源和汇，在其生物地球化学循环中具有重要的意义。沉积物中能参与交换的生物可利用氮量，取决于沉积物中氮的赋存形态。不同形态氮与沉积物的结合能力不同，在氮循环中的作用不同。在无人类干扰的自然状态下，活性氮主要通过闪电和生物固氮作用产生，由于微生物固氮的速率和反硝化的速率几乎一致，因此活性氮在环境中没有大量累积（Ayres, Schlesinger and Socolow, 1994）。但是近代人类活动造成的N排放的增加改变了全球的N循环，全球的活性氮排放相比工业革命前已经成倍地增加（Galloway and Cowling, 2002）。在自然状态下N是生态系统生产力的重要限制因子。在挪威、瑞典和美国近2000个湖泊的调查表明湖泊已经由N限制转变为P限制（Elser et al.，2009）。

在历史自然农耕时期，人类活动就已经对湖泊氮磷营养盐平衡产生重要影响。如早期洱海人类的选择性毁林使得森林土壤的稳定性降低，导致侵蚀增强，引起入湖营养盐增高（羊向东等，2005）。在近代，湖泊流域内工农业和城市初始发展的同时，入湖的营养盐也在快速增加。如洪湖的研究揭示20世纪80年代输移入湖的氮、磷分别是新中国成立初期的3.93，3.88倍，人类活动极大地改变了流域营养盐的输移浓度与总量（桂峰、于革、赖格英，2006）。20世纪80年代之后，我国化肥的施用量急剧增加，如化肥磷的年投入从1980年的273.3万吨增加到2008年的780.1万吨（曹宁、张玉斌、陈新平，2009）。农田土壤磷平衡研究揭示我国农田土壤磷在20世纪70年代末由亏转盈，特别是1985年以后，农田土壤每年的磷盈余量呈直线上升趋势，使得农田磷流失风险增大（曹宁、张玉斌、陈新平，2009）。再加上现代湖泊流域内人口增加，工农业的快速发展，使得流域氮、磷输出入湖呈快速增加趋势，湖泊水体富营养化问题不断显露，湖泊沉积物氮磷含量增加，甚至成为湖泊重要的内源污染。

1.3.1.2　湖泊沉积物常量、微量金属元素

研究认为，对湖泊沉积物中常量、微量元素的分析，可以获得沉积时期水热条件及元素迁移变化过程，建立湖泊演化的气候干湿波动曲线。目前湖泊研究中对环境变化具有特征指示意义的元素有：Si, Al, Mg, Ca, Na, K, Fe, Mn, Ti, Sr, Ba, Cd 等。在选取这些元素作为指标时，要视具体的湖泊沉积环境而选用不同的元素（谭红兵、于升松，1999）。

在元素的表生地球化学过程中，水作为诸多化学过程发生的主要介质，对沉积物中元素的迁移、聚集起了控制性作用。沉积物中的元素按照水迁移系数的大小，可以分为易迁移元素和弱（难）迁移元素。如部分卤族元素（Cl, Br和I）、碱土类元素（如Ca, Mg, Na, F和Sr）属于易迁移元素；弱（难）迁移元素则包含了大部分稀土元素（REE）以及Fe, Al, Ti等金属元素和Si（石英中主要元素）等非金属元素。通常，迁移能力最强的Cl和S等元素最先从风化带中流失；其次是Ca, Mg, Na和F等；K, Mn和P等元素迁移能力相对较弱；Al, Fe和Ti等迁移能力很弱，往往残留在原地。因此，与沉积物中活泼元素Ca, Na和Mg相比，Si, Al和Ti的化学搬运非常有限，所以（CaO＋MgO＋Na2O）/（SiO2＋Al2O3）或者（CaO＋MgO＋Na2O）/Al2O3常常可以作为流域化学风化强度的参考，反映流域气候的温湿变化。

随着近现代人类活动的影响，湖泊沉积物相关的重金属污染备受关注。在近代工业社会，铅、锌、镉、铬、铜、镍，这些重金属被广泛开采使用。环境中这些重金属主要天然来源是地壳物质，经地球表面风化（溶解）和侵蚀（颗粒），或火山活动进入地球大气层的。这两个来源占天然来源的80％，森林火灾和生物来源各占10％（Nriagu, 1989）。环境中金属有众多的人为排放。这些金属主要的来源是开采和冶炼。采矿通过尾矿释放金属到河流环境，通过富含金属的灰尘释放到大气，而冶炼中高温精炼过程导致释放金属到大气中。汞（Hg）是一种剧毒重金属，过去一个世纪里，大气中Hg 含量急剧增加，而进入生态系统的通量也达到了骇人的地步，成为全球备受关注的环境问题。来自中北美和欧洲的研究表明，100 多年来湖泊沉积中Hg的浓度普遍升高（Ouellet and Jones, 1983; Swain et al.，1992; Verta, Tolonen and Simola, 1989）。中国研究者也对部分湖泊沉积物中Hg 的富集特征进行了研究（吴艳宏等，2008）。