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塘西河顆粒有機(jī)碳濃度季節(jié)變化及其來源分析

2016-05-17 11:14:44 安裝信息網(wǎng)

張金流，鮑祥，姚堯，何雪兵

（合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系，安徽合肥230601）

摘要：基于2014年塘西河下游水體中顆粒有機(jī)碳(POC)、葉綠素a為期1年的野外調(diào)查，結(jié)合顆粒有機(jī)物C/N比值、POC濃度與葉綠素a濃度比值(POC/Ch/a)及降雨量等數(shù)據(jù)，分析了塘西河下游水體中POC濃度的季節(jié)變化規(guī)律、影響因素及其主要來源÷結(jié)果表明，塘西河下游水體中POC濃度夏季最高，冬季最低，呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的變化趨勢(shì)；POC濃度與葉綠素a濃度呈現(xiàn)基本一致的變化趨勢(shì)，說明兩者具有共同的來源，但陸源輸入對(duì)POC濃度變化產(chǎn)生一定的影響；水體中顆粒有機(jī)物C/N比值在5.11—8.15之問，年平均值6.12，POC/Ch/ a比值在16.24—32.18之間，年平均值為21,47，說明塘西河下游水體中POC主要來源于內(nèi)源：通過計(jì)算，內(nèi)源對(duì)水體中POC的貢獻(xiàn)率在40.4%~80.07%之問，年平均值為62.55%，春、夏、秋、冬季內(nèi)源貢獻(xiàn)率分別是59.95%、70.24%、59.84%和58./18%。

關(guān)鍵詞：顆粒有機(jī)碳；季節(jié)變化；來源；C/N比值； POC/Ch/a比值

碳是生命活動(dòng)能流物流中最重要的元素，幾乎所有的生物地球化學(xué)循環(huán)過程都與它有關(guān)，其中顆粒有機(jī)碳(POC)是碳元素在水體中的主要存在形式之一，在水生生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。水生生態(tài)系統(tǒng)POC相關(guān)研究目前國內(nèi)外已有大量報(bào)道，其主要來源渠道有陸源和內(nèi)源2種，內(nèi)源POC主要來源于水生植物生長代謝產(chǎn)生的有機(jī)物，陸源顆粒有機(jī)碳主要來源于陸生植物碎屑的降解和土壤有機(jī)物質(zhì)腐殖化，往往隨地表徑流進(jìn)入河流；由于生長環(huán)境的差異，陸生植物和水生植物在其有機(jī)物元素組成方面存在一定的差異，例如陸生維管植物常含有較多木質(zhì)纖維素，蛋白質(zhì)含量較少（不足20%)，因此其顆粒有機(jī)物中C/N比值較高，而水生植物木質(zhì)纖維素含量較少；前者顆粒有機(jī)物組成C/N比值往往大于20，而后者則在4—10之間（水生生物比值最低，為2.8—3.4，浮游動(dòng)物與浮游植物為6—13，藻類為5—14)，平均值為7。因此，可以利用不同來源顆粒有機(jī)物C/N比值來示蹤水體中顆粒有機(jī)物的來源。對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)，如果顆粒有機(jī)物C/N>20，則可認(rèn)為水體中的顆粒有機(jī)物以陸生來源有機(jī)物為主，而C／N<7，則可認(rèn)為水體中的顆粒有機(jī)物以內(nèi)源水生植物生長代謝來源為主。

由于利用顆粒有機(jī)物C/N比值分析水體中顆粒有機(jī)物來源的精確度較差，常需要結(jié)合其它指標(biāo)，如顆粒有機(jī)碳／葉綠素a比值（POC/Ch/a）、顆粒有機(jī)物813C等數(shù)據(jù)來綜合分析顆粒有機(jī)物來源，以提高分析的準(zhǔn)確度；據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)水體中POC/Ch/ a>200，則可認(rèn)為顆粒有機(jī)物主要來源于陸源m；POC/Ch/ a<100，則主要來源于內(nèi)源。

巢湖水體中有機(jī)碳來源及其影響因素目前已有初步研究，如葛茜等對(duì)春、夏季巢湖水體中有機(jī)碳的研究發(fā)現(xiàn)，巢湖水體中總有機(jī)碳濃度與葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，顆粒有機(jī)碳與水溫、總磷、葉綠素a均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，由此作者認(rèn)為，巢湖水生生物量的變化是影響巢湖水體總有機(jī)碳的重要因素，即有機(jī)碳主要來源于內(nèi)源；而葉琳琳等卻發(fā)現(xiàn)，巢湖水體中溶解性有機(jī)碳與葉綠素a濃度之間不具有顯著相關(guān)性，由此作者認(rèn)為除了內(nèi)源外，陸源輸入也可能是巢湖水體中溶解有機(jī)碳的重要來源。由上可知，針對(duì)巢湖水體中有機(jī)碳的來源，不同研究結(jié)論之間還存在一定的不確定性；同時(shí)，專門針對(duì)巢湖水體中POC來源的研究目前還未曾有相關(guān)報(bào)道，因此有必要對(duì)相關(guān)內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)研究。

塘西河是巢湖重要支流之一，其下游水體中POC濃度變化及其不同來源方式必然對(duì)巢湖（特別是湖口區(qū)域）水體中的POC產(chǎn)生影響，其生態(tài)環(huán)境與巢湖相似，相關(guān)研究結(jié)果可以為巢湖水體中POC來源提供參考；另外，與巢湖相比，塘西河下游水域面積相對(duì)較小，開展相關(guān)研究較為方便；同時(shí)有關(guān)塘西河水體中POC含量、季節(jié)變化規(guī)律及其主要來源目前還未曾有報(bào)道。因此，本文對(duì)塘西河下游（塘西河公園段）水體中POC開展為期1年的調(diào)查研究，分析其濃度季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合顆粒有機(jī)物C/N比值、POC/Chla比值、降雨量等數(shù)據(jù)對(duì)水體中POC來源及其影響因素進(jìn)行分析，明確該河流水體中POC是陸生來源為主還是內(nèi)生來源為主。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)設(shè)置

塘西河位于安徽省合肥市境內(nèi)，為巢湖西半湖北側(cè)一條長約12.7 km的支流，小流域面積約50.0 km2。該河流由西北向東南依次流經(jīng)合肥市肥西縣桃花工業(yè)園、合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)和濱湖新區(qū)，并在合肥市義城鎮(zhèn)附近流人巢湖。本次研究河段兩岸為濱湖濕地公園，岸邊依次種植有大量沼澤濕地植物、陸生高等植物及草本植物，植被覆蓋較好。近幾年合肥市政府對(duì)塘西河小流域開展治理，目前已無工業(yè)和城市居民生活污水排入塘西河。

為便于采樣，此次采樣點(diǎn)設(shè)置于合肥市濱湖新區(qū)廬州大道與塘西河交叉口西側(cè)河道的正中央，采樣點(diǎn)下游不遠(yuǎn)處有一攔水壩，在攔水壩阻擋作用下，采樣點(diǎn)處水流速度相對(duì)平緩，有利于水生植物特別是水生藻類的生長。具體位置見圖1。

1.2 樣品采集及前處理

每周于各采樣點(diǎn)用采水器采集表層水樣(水下0.5m)2.5 L，樣品盛于2.5 L有機(jī)塑料桶中，采樣周期為一個(gè)水文年。樣品采集后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室用預(yù)先灼燒（450℃，灼燒4h并用0.1 mg精度天平稱重）過的WhatmanTM GF/F(Cat N0 1825-047，0.7 ym)玻璃纖維濾紙真空（循環(huán)水式多用真空泵）抽濾。過濾后的玻璃纖維濾紙放置冰箱中冷凍，等徹底冷凍后用韓國llshin公司產(chǎn)的R-13Bl型真空冷凍干燥機(jī)干燥，之后同樣用0.1 mg精度的分析天平稱重，濾紙前后重量差為總懸浮物凈重(TSM)，除以水樣體積得TSM質(zhì)量濃度；之后將濾膜放置于內(nèi)徑為400 mm玻璃干燥器內(nèi)用濃鹽酸熏蒸24 h以去除顆粒無機(jī)碳，濃鹽酸熏蒸后的濾膜置于烘箱中在50℃條件下烘干備用。

1.3 測定方法

1.3.1 C/N比值分析

在經(jīng)過濃鹽酸熏蒸后的濾膜上小心提取適量膜上剩余樣品(2—3 mg)，用意大利利曼科技有限公司出產(chǎn)的EA3000元素分析儀分析顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒有機(jī)氮(PON)含量(%)，兩者相除得顆粒有機(jī)物C/N比值。

1.3.2 POC濃度分析

POC濃度由TSM質(zhì)量濃度乘以1.3.1節(jié)獲取的POC%獲得。

1.3.3 葉綠素a的測定

采集1L水樣用Whatman GF/C玻璃纖維濾膜真空過濾，研磨濾膜，用90%丙酮萃取，離心機(jī)離心，提取上清液，然后用752型紫外可見分光光度計(jì)（上海天翔光學(xué)儀器有限公司）測定葉綠素a含量。

1.3.4 降雨量

降雨量數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)( http://data．cma.gov.cn/)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒有機(jī)碳濃度季節(jié)變化

圖2顯示了塘西河采樣點(diǎn)POC濃度季節(jié)變化規(guī)律，從圖2可以看出，POC濃度夏季最高，為1.51mg/L，冬季最低，為0.33 mg/L;其整體變化趨勢(shì)為夏季>春季>秋季>冬季，這一變化趨勢(shì)與巢湖POC濃度變化趨勢(shì)基本一致，與新疆博斯騰湖入湖河流開都河水體中POC濃度季節(jié)變化趨勢(shì)完全一致，但POC濃度平均值明顯高于開都河。

2.2 顆粒有機(jī)碳濃度與葉綠素a濃度、降雨量關(guān)系分析

巢湖水體中有機(jī)碳濃度變化影響因素（如水溫、透明度、溶解氧、pH值、總氮、總磷等）在相關(guān)文獻(xiàn)中已有報(bào)道，在此不再贅述。鑒于目前巢湖水體中有機(jī)碳來源不同研究結(jié)論之間還存在一定的不確定性，為確定塘西河下游水體中POC的來源，為巢湖水體中POC來源研究提供參考，本文著重分析POC濃度與葉綠素a濃度（代表內(nèi)源輸入強(qiáng)度）、降雨量（代表陸源輸入強(qiáng)度）之間的關(guān)系。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，塘西河水體中POC濃度與葉綠素a濃度大體呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，說明水體中POC濃度變化可能主要受水生植物生長代謝即內(nèi)源的影響，此結(jié)果和巢湖水體中POC已有相關(guān)研究結(jié)論相一致吲；但我們從圖3中也可看出，雖然塘西河水體中POC濃度變化趨勢(shì)與葉綠素a變化趨勢(shì)基本一致，但兩者在濃度變化幅度方面往往存在一定的差異，冬春季及秋冬季POC濃度變化幅度往往要比葉綠素a濃度變化幅度大，而夏季POC濃度變化幅度要比葉綠素a濃度變化幅度小，這可以從圖3中POC與葉綠素a之間虛線雙箭頭所指示的時(shí)間點(diǎn)可以看出，說明塘西河水體中POC濃度變化可能還受到其它因素的影響（如陸源輸入）。如前文所述，塘西河流域經(jīng)過生態(tài)治理后，目前已無生活污水和工業(yè)廢水直接排人，因此影響塘西河下游水體中POC濃度變化，除了內(nèi)源因素外，只可能受到來自陸源顆粒有機(jī)物輸入的影響。為此我們進(jìn)一步分析POC濃度與同期降雨量間的關(guān)系，由圖3降雨量與POC濃度間的關(guān)系可以看出，在冬春季和秋冬季，降雨期間水體中的POC濃度都有所上升，這可以從圖3中降雨量與POC之間實(shí)線雙箭頭所指示的時(shí)間點(diǎn)可以看出，說明降雨產(chǎn)生的地表徑流可能從陸源輸入一定量的顆粒有機(jī)物，使水體中POC濃度有所增加；這一現(xiàn)象也很容易理解，因?yàn)榍锒竟?jié)，地表植被基本都處于枯死期，因此很容易隨地表徑流流人塘西河。這一現(xiàn)象在黃龍風(fēng)景區(qū)地表水體中溶解有機(jī)碳相關(guān)研究中也有發(fā)現(xiàn)；但在夏季，水體中POC濃度在降雨期間往往呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如6月7日、7月10日采樣期間即是如此，這可能是由于強(qiáng)降雨引起的地表徑流輸入陸源無機(jī)顆粒物，河水濁度增加，致使水體透光度下降，抑制了水生植物（特別是水藻）的生長，減少了內(nèi)源向水體中POC的輸入量；同時(shí)由于夏季地表植被處于生長旺盛期，塘西河兩岸植被覆蓋度好，由此由陸生植物產(chǎn)生的地表顆粒有機(jī)物相對(duì)較少且不容易隨地表徑流流入塘西河。因此在夏季強(qiáng)降雨期間，內(nèi)源、陸源輸入都有所減少，使得塘西河水體中POC濃度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

據(jù)此我們可以推斷，塘西河水體中POC濃度變化可能受內(nèi)源水生植物生長和陸源有機(jī)物輸入2種來源渠道的共同影響，但在不同時(shí)期，2種來源對(duì)POC濃度變化的影響程度有所變化。

2.3 顆粒有機(jī)碳來源及其定量化分析

由2.2節(jié)分析可知，塘西河水體中POC濃度變化可能受內(nèi)源、陸源2種來源渠道的共同影響，為進(jìn)一步明確上述推斷，文章進(jìn)一步分析了POC濃度變化與水體中顆粒有機(jī)物C/N比值及POC/Ch/a兩參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，水體中顆粒有機(jī)物C/N比值在5.11—8.15之間，年平均值6.12，據(jù)此可以認(rèn)為塘西河水體中POC主要來源于內(nèi)源，但陸源輸入對(duì)其有一定的影響（因?yàn)椴糠謺r(shí)段C/N>7），從顆粒有機(jī)物C/N比值變化情況來看，陸源輸入在冬春季和秋冬季對(duì)POC濃度的影響程度相較夏季要比內(nèi)源輸入影響更為顯著，這從水體中顆粒有機(jī)物C/N比值在冬春季節(jié)、秋冬季節(jié)明顯變大即可看出，如圖4中實(shí)箭頭所指示的時(shí)間點(diǎn)。

鑒于顆粒有機(jī)物C/N比值分析顆粒有機(jī)物來源的精確性較差，我們同時(shí)分析了水體中POC濃度與POC/Chla間的關(guān)系，由圖4可以看出，水體中POC濃度與葉綠素a濃度比值（POC/Chla）在16.24—32.18之間，平均值21.47，其變化趨勢(shì)與顆粒有機(jī)物C/N比值變化趨勢(shì)基本一致（見圖4中C/N、POC/Chla下向箭頭指示）。因此，根據(jù)前人研究結(jié)論，結(jié)合上文顆粒有機(jī)物C/N比值數(shù)據(jù)，作者認(rèn)為塘西河水體中POC主要來源于水生植物生長代謝，即內(nèi)源。

另外由圖4可以看出，部分時(shí)段（主要是夏季）水體中POC濃度與C/N比值呈相反變化趨勢(shì)（見圖中虛線雙箭頭所示時(shí)間點(diǎn)），這主要是由于強(qiáng)降雨期間（由圖3降雨量可知）,地表徑流攜帶陸源顆粒無機(jī)物，降低了水的透光度，影響到水生植物的光合作用，抑制了內(nèi)源顆粒有機(jī)物的輸入，導(dǎo)致水體中POC濃度整體下降，但是在強(qiáng)降雨導(dǎo)致的陸源輸入的影響，陸源顆粒有機(jī)物占水體中全部來源顆粒有機(jī)物的比重反而有所上升，從而使得水體中顆粒有機(jī)物C/N比值與POC濃度呈相反變化趨勢(shì)。

為定量分析塘西河水體中內(nèi)源和陸源2種來源對(duì)水體中POC的貢獻(xiàn)率，本文采用如公式估算內(nèi)源對(duì)塘西河水體中POC的貢獻(xiàn)率：

式中，w為內(nèi)源貢獻(xiàn)率(%)，f為轉(zhuǎn)化因子，此處取值13，Chla、POC分別是葉綠素a（ug/L）、顆粒有機(jī)碳(mg/L)濃度。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出，塘西河水體中內(nèi)源，即水生植物生長代謝對(duì)POC的貢獻(xiàn)率在40.4%—80.07%之間，年平均值為62.55%。春夏秋冬內(nèi)源貢獻(xiàn)率分別是59.95%、70.24%、59.84%和58.48%。