粵東五華河懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)的組成及輸出通量*

張勝華，高全洲，陶 貞，解晨驥，林培松，張 超，何文芳

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院∥廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275;2.廣東省水文局湛江水文分局，廣東湛江 524037;3.廣東省水文局河子口水文站，廣東五華 514471)

河流水系向河口和近海輸送各種來(lái)自陸地風(fēng)化和侵蝕的產(chǎn)物，構(gòu)成全球生物地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1－3］。河流輸出的物質(zhì)帶有流域生態(tài)系統(tǒng)所特有的生物地球化學(xué)標(biāo)記及流域人類活動(dòng)的信息［4］，對(duì)河口和海岸水域的生態(tài)和沉積過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［5－6］。隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，河流水系對(duì)有機(jī)質(zhì)的輸送過(guò)程逐漸成為流域生態(tài)學(xué)、河口和近海環(huán)境地球化學(xué)及環(huán)境水文學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)［7－9］。許多學(xué)者在全球不同生物氣候帶對(duì)大河中有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)、來(lái)源及輸出通量作了較為詳盡的研究［10－19］，發(fā)現(xiàn)河流有機(jī)質(zhì)的含量和輸出通量既決定于流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的自然特征和土地利用模式、強(qiáng)度［20］，也受包括生產(chǎn)者和消費(fèi)者在內(nèi)的河流水體微生物群落生長(zhǎng)和代謝過(guò)程的制約［21］。山區(qū)小流域往往因坡面陡峭而導(dǎo)致較大的土壤侵蝕速率，成為河流下游懸移質(zhì)的主要來(lái)源區(qū)［22］。迄今，對(duì)山區(qū)小流域河流顆粒有機(jī)質(zhì) (POM)的生物地球化學(xué)循環(huán)研究較少［23－25］。本文選擇受亞熱帶季風(fēng)氣候影響的典型山區(qū)小流域—粵東五華河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行一個(gè)完整水文年的月周期性采樣，分析五華河徑流中懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)及其來(lái)源，并估算該流域顆粒有機(jī)碳和有機(jī)氮的輸出通量。

圖1 五華河流域水系分布Fig.1 The river systems distribution in the Wuhua River basin

五華河是粵東韓江上游梅江的一級(jí)支流，全長(zhǎng)105 km，集雨面積1 848 km2。河子口水文站控制流域面積1 031 km2［26］(圖1)。河子口水文站以上流域以花崗巖和泥質(zhì)頁(yè)巖為主，風(fēng)化層深厚而松散。地貌多為山地丘陵。土壤主要包括黃壤、紅壤、赤紅壤、紫色土、水稻土、潮泥沙土和菜園土等。流域內(nèi)年平均氣溫21.2℃，平均降雨量約為1 518 mm，年平均徑流總量為14.47億m3(河子口水文站，1960－2009)，汛期 (4－9月)徑流量占年徑流總量的78%左右。20世紀(jì)80年代初期，由于自然因素和長(zhǎng)期濫伐導(dǎo)致五華河流域成為我國(guó)乃至全球季風(fēng)區(qū)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，且以強(qiáng)度水土流失形式溝蝕和崩崗為主［27］。崩崗即是在溝谷水流和重力作用下，山坡土體的崩坍和侵蝕過(guò)程;在我國(guó)南方地區(qū)，特別是風(fēng)化殼深厚的花崗巖和泥質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成的低山丘陵區(qū)分布較為普遍［28］。

1 材料與方法

選擇五華河河子口水文站為控制斷面，于2008年12月至2009年12月間每月一次在河流中泓線水面以下0.5 m處采集水樣。將所采集水樣(約60 L)在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)0.45 μm孔徑的醋酸纖維微孔濾膜進(jìn)行抽濾，將濾膜上的顆粒物收集在蒸發(fā)皿中并剔除肉眼可見(jiàn)的植物殘屑，烘干 (65℃)后用感量為0.1 mg的分析天平稱量，求出河流總懸浮顆粒物 (TSS)含量。用瑪瑙研缽均一化后備用。

用棕色玻璃瓶另外裝取水樣 (1.0 L)以測(cè)定葉綠素a含量。采樣當(dāng)天用預(yù)先灼燒 (450℃，12 h)的Whatman GF/F玻璃纖維微孔 (0.7 μm)濾膜過(guò)濾，收集濾膜上顆粒物，用90%丙酮浸泡(經(jīng)壓碎處理)提取藻類體內(nèi)的葉綠素。用分光光度計(jì)讀取提取液在665 nm和750 nm處的吸光度，據(jù)此計(jì)算水體葉綠素a的含量［29］。

2010年1月，選取五華河流域內(nèi)代表性的植物群落 (常綠闊葉林、竹林、竹林－蘆葦、收割后的水稻田和菜園地)樣地采集土壤樣品。每個(gè)樣地呈“V”形布點(diǎn)采集3個(gè)表土樣品混合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣。用10%的稀鹽酸溶液除去河流懸浮顆粒物和土壤樣品中的碳酸鹽。用Vario EL型號(hào)的元素分析儀 (德國(guó)Elementar公司生產(chǎn))測(cè)量河流懸浮顆粒物和土壤的有機(jī)碳含量 (POC，%)和總氮含量 (TN，%)。測(cè)量重復(fù)3次，分析精度≤0.3%。

河子口水文站的流量數(shù)據(jù)由梅州水文分局提供。

土壤中的氮素主要以有機(jī)態(tài)的形式存在，一般占土壤全氮量的95%以上，無(wú)機(jī)氮只占全氮量的1% ～5%［30］。因此，五華河河流懸浮顆粒物中有機(jī)氮 (PON)的含量按照 (1)式計(jì)算:

式中，PON是河流懸浮顆粒物有機(jī)氮含量，mg/L;TN是河流懸浮顆粒物總氮含量，mg/L。

應(yīng)用Pearson相關(guān)分析探討河流顆粒有機(jī)質(zhì)變化的影響因子;所有統(tǒng)計(jì)分析均由SPSS17.0軟件完成。

根據(jù) (2)式計(jì)算每月POC和PON的輸出量(Mi，單位:t):

式中，λ是無(wú)量綱系數(shù);Ci是每月POC和PON的含量 (mg/L，假設(shè)POC和PON含量在月尺度內(nèi)不變);Qi為河子口水文站的逐日流量 (m3/s)。

2 結(jié)果與討論

2.1 河流總懸浮顆粒物中有機(jī)質(zhì)含量的變化

采樣年內(nèi)五華河TSS含量變化于3.66 ～178.41 mg/L之間，平均為25.22±44.58 mg/L，僅為多年 (1981－2000)平均含沙量 (660 mg/L)［26］的3.82%。采樣年五華河懸移質(zhì)輸出總量(1.6萬(wàn)t)為多年 (1981－2000年)平均懸移質(zhì)輸出量 (59萬(wàn)t)［26］的2.71%，揭示了流域內(nèi)近20年來(lái)植被恢復(fù)所產(chǎn)生的水土保持效益，及修建水庫(kù)塘壩對(duì)流域侵蝕物質(zhì)產(chǎn)生的顯著攔蓄作用［31－32］。

一般而言，河流懸浮顆粒物的有機(jī)質(zhì)是流域土壤 (外源)有機(jī)質(zhì)和河流水體自生 (內(nèi)源)有機(jī)質(zhì)的混合［2］。五華河徑流中 POC的含量變化于0.17～2.88 mg/L之間，平均為0.77±0.65 mg/L;PON的含量變化于0.02～0.4 mg/L之間，平均為0.12±0.09 mg/L。河流TSS、POC、PON含量的季節(jié)變化與流量顯著正相關(guān) (表1，圖2)。如2009年6月12日采集的樣品，河流TSS含量和流量 (分別為178.41 mg/L和39.3 m3/s)分別為所有樣品和采樣年日流量的最大值;而2009年1月12日采集的水樣中TSS含量只有12.9 mg/L，相應(yīng)的流量為12.3 m3/s。2009年6月12日POC含量為2.88 mg/L;而2009年1月12日POC含量?jī)H為0.17 mg/L。汛期 (4－9月)顆粒有機(jī)質(zhì)含量平均為 (1.03±0.85)mg/L，高于非汛期 (10－3月)的相應(yīng)值 (0.57±0.26)mg/L。這些參數(shù)高度協(xié)同的變化規(guī)律反映了五華河水體中懸移質(zhì)與顆粒有機(jī)質(zhì)的來(lái)源較為一致，即河流懸浮顆粒物和POM主要來(lái)自流域土壤的侵蝕過(guò)程。

表1 五華河TSS、POC、PON與流量 (Q)的關(guān)系Table 1 The relationship between the contents of TSS，POC，PON and discharge(Q)of the Wuhua River

圖2 五華河TSS、POC、PON含量與流量的季節(jié)變化Fig.2 The seasonal variation of TSS，POC，PON contents and discharge of the Wuhua River

五華河懸浮顆粒物中POC和PON的含量分別變化于1.3% ～13.82%和0.19% ～2.49%，低于流域內(nèi)水庫(kù)較多、植被蓋度較高、水土流失輕微的增江 (東江一級(jí)支流)河流POC(2.84% ～26.61%)和PON(0.43% ～5.03%)的含量［25］;接近于西江河流的相應(yīng)值［17］;高于長(zhǎng)江流域河流 POC的含量 (0.5% ～ 2.5%)［16］。而且POC和PON的含量均與TSS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系 (圖3)，一致于世界上其它流域河流顆粒有機(jī)質(zhì)與TSS的關(guān)系［2，24］。這是由于汛期不僅坡面徑流沖蝕表層土壤顆粒有機(jī)質(zhì)，同時(shí)松厚的風(fēng)化殼物質(zhì)也遭到溝谷水流的侵蝕，使得徑流侵蝕輸出物中礦物成分增加，河流顆粒有機(jī)質(zhì)被礦物所稀釋。如2009年6月份徑流量、TSS含量最大，但是懸浮顆粒物中POC和PON含量 (%)卻最小。

圖3 五華河TSS與POC和PON含量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The relationship between TSS content and contents of POC and PON in the Wuhua River

2.2 水體生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)河流顆粒有機(jī)質(zhì)的改造

顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比被廣泛用于識(shí)別有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。陸源有機(jī)質(zhì)的C/N比變化于12～400之間，淡水浮游植物的C/N比變化于6 ～8之間［16］。

五華河流域土壤有機(jī)質(zhì)C/N比變化于9.99～18.36之間 (圖4)，平均為12.66±2.74。偏向陸源有機(jī)質(zhì)C/N比的低值區(qū)，這與濕熱地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的強(qiáng)烈礦化過(guò)程有關(guān)。群落類型也影響土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比。五華河流域常綠闊葉林土壤有機(jī)質(zhì)C/N比最大 (18.36);竹林土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比為10.24;竹林－蘆葦群落土壤有機(jī)質(zhì)C/N比為12.54;收割后的水稻田和菜園地C/N比較接近(分別為11.86和12.72)。另外，比較不同群落土壤樣品的POC、PON含量 (圖4)，發(fā)現(xiàn)水稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，這可能與水稻田土壤長(zhǎng)期處于還原環(huán)境有關(guān)。

圖4 五華河流域不同群落土壤有機(jī)質(zhì)含量及其C/N比Fig.4 Contents and C/N ratio of organic matter in soils from different type vegetations within the Wuhua River basin

五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比變化于5.64～9.54之間，平均為7.58±1.01，顯著小于流域土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比 (P=0.000)，而接近淡水浮游植物的C/N比。

五華河水體葉綠素含量變化于0.68～6.81 μg/L之間，平均為2.83±2.15 μg/L。表明五華河水體浮游植物的生產(chǎn)力水平較低。采樣年內(nèi)只在2009年1、2、4、5、11、12月采集的水樣中檢測(cè)出葉綠素，其中最大值出現(xiàn)在11月份，最小值出現(xiàn)在1月份，其他月份未檢出葉綠素含量 (圖5)。這些現(xiàn)象與五華河流域的水文情勢(shì)和水體藻類的生態(tài)習(xí)性有關(guān)。1月份河流水溫較低;汛期6－9月份，降雨徑流侵蝕作用較強(qiáng)，致使河流TSS較多。增加的TSS和汛期較大的河水流速抑制了水體光合作用致使浮游植物有機(jī)質(zhì)大量減少。

圖5 五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比、水體葉綠素a含量的時(shí)間變化Fig.5 The temporal variation of the chlorophyll-a content and C/N ratio in the TSS of the Wuhua River

五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比與流量正相關(guān) (r=0.77，P=0.045)，揭示河流顆粒有機(jī)質(zhì)來(lái)源于降雨徑流侵蝕的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入，即隨著汛期徑流侵蝕動(dòng)力的增大，更多的陸地有機(jī)質(zhì)進(jìn)入河流;同時(shí)汛期增大的河流流速和增加的河流泥沙含量均抑制河流水體中的光合作用，進(jìn)而減少浮游植物對(duì)河流POC的貢獻(xiàn)。這兩個(gè)方面均導(dǎo)致河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比增大。

另外，7－10月份河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比較小，這可能是由于這期間正值水稻生長(zhǎng)階段追施氮肥，殘留的NH+4進(jìn)入河流被TSS細(xì)顆粒吸附所致。

但是，如果把五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)看作浮游植物生物量與土壤有機(jī)質(zhì)的兩端元簡(jiǎn)單混合，就會(huì)得出浮游植物生物量在河流顆粒有機(jī)質(zhì)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的結(jié)論，因?yàn)槲迦A河河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比與浮游植物的更接近。這與五華河河流TSS較低的有機(jī)質(zhì)含量和水體中較低的葉綠素含量相矛盾。顯然，僅浮游植物貢獻(xiàn)并不能完全解釋五華河POM較低的C/N比。

河流水體中分解者的作用可以進(jìn)一步幫助解釋河流POM所經(jīng)歷的生物地球化學(xué)變化。河流顆粒有機(jī)質(zhì)在遷移過(guò)程中不斷地遭受著主要包括細(xì)菌和真菌等微生物群落的分解作用［33］，最先遭到分解的是水解性氨基酸、碳水化合物和脂類等活性較大的物質(zhì)［34］。這類活性大的化學(xué)物質(zhì)具有“高碳低氮”的元素組成特征。因此，隨著分解過(guò)程的持續(xù)，五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)的C/N比逐漸降低。五華河水體中較高的CO2分壓，也佐證了這種微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程 (未刊數(shù)據(jù))。事實(shí)上，在全球許多大河流中尤其是下游河段均發(fā)現(xiàn)了這種水體與大氣之間的CO2交換現(xiàn)象［15］。

2.3 河流顆粒有機(jī)質(zhì)的輸出通量

根據(jù)公式 (2)分別計(jì)算出采樣年五華河POC和PON的月輸出量和年輸出量。

五華河流域POC和PON月輸出量變化較大，其變差系數(shù)分別達(dá)到1.328和1.225。最小值均出現(xiàn)在2009年1月份，最大值出現(xiàn)在2009年6月份;汛期 (4－9月)POC和PON輸出量占采樣全年輸出總量的74.23%和76.17%。

五華河流域不同水文季節(jié)河流顆粒有機(jī)質(zhì)輸出通量的變化，揭示流域內(nèi)碳、氮元素在不同地貌單元間的遷移轉(zhuǎn)化主要受控于降雨徑流驅(qū)動(dòng)的流域侵蝕變化、河流流量變化或人為因素 (水庫(kù)調(diào)度)導(dǎo)致的懸浮物沉淀或河床沉積物再懸浮等多因素共同作用。在年尺度上，五華河流域POC和PON的輸出量分別是430 kg/(km2.a)和70 kg/(km2.a)。比較發(fā)現(xiàn)，五華河POC輸出通量小于同一生物氣候帶內(nèi)其他河流的POC輸出通量 (增江為830 kg/(km2.a)［25］、西江為 8 300 kg/(km2.a)［17］、北江為6 530 kg/(km2.a)［18］);亦小于全球河流 POC輸出通量的平均值 (1 650 kg/(km2.a)［2］)。

3 結(jié)論

采樣年內(nèi)五華河TSS含量和TSS輸出總量分別僅為多年 (1981－2000年)平均值的3.82%和2.71%。揭示20多年來(lái)五華河流域水土流失治理效果顯著。

五華河徑流中POC和PON的含量較低而且均與TSS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映隨著地表徑流侵蝕作用的加強(qiáng)，陸地輸出物中礦物成分增加，河流顆粒有機(jī)質(zhì)響應(yīng)TSS中礦物組分增多的稀釋效應(yīng)。

五華河河流TSS、POC、PON含量以及河流顆粒有機(jī)質(zhì)C/N比與流量顯著正相關(guān)，揭示河流顆粒有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于流域土壤侵蝕;汛期POC和PON輸出量分別占采樣全年輸出總量的74.23%和76.17%。揭示流域內(nèi)碳、氮元素在不同地貌單元間的遷移轉(zhuǎn)化主要受控于降雨徑流驅(qū)動(dòng)的流域侵蝕變化、河流流量變化或人為因素 (水庫(kù)調(diào)度)導(dǎo)致的懸浮物沉淀或河床沉積物再懸浮等多因素共同作用。五華河河流顆粒有機(jī)質(zhì)較小的C/N比是由于河流顆粒有機(jī)質(zhì)在遷移過(guò)程中不斷地遭受著主要包括細(xì)菌和真菌等微生物群落分解作用的結(jié)果。

相比較，五華河河流POC輸出通量小于我國(guó)季風(fēng)區(qū)其他河流、甚至全球較大流域的河流POC輸出通量。

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