烏江梯級水庫碳氮耦合的生物地球化學(xué)循環(huán)

王寶利，劉叢強(qiáng)，汪福順，劉小龍，彭　希，趙顏創(chuàng)

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽　550002；2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上?！?00444；3.天津師范大學(xué)天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300387）

烏江梯級水庫碳氮耦合的生物地球化學(xué)循環(huán)

王寶利1，劉叢強(qiáng)1，汪福順2，劉小龍3，彭希1，趙顏創(chuàng)1

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550002；
2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海200444；
3.天津師范大學(xué)天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

以烏江梯級水庫及相關(guān)河段為研究對象，對溶解含量的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究.溶解CO2平均值為（113.6±105.7）μmol·L-1，變化為1.6～934.6μmol·L-1；NO-3平均值為（163.0±104.9）μmol·L-1，變化為0.4～632.0μmol·L-1.水庫采樣點(diǎn)溶解CO2和NO-3的含量以及振幅均小于相應(yīng)河流采樣點(diǎn).由于來源及影響因素不同，河流采樣點(diǎn)不存在顯著性相關(guān).筑壩建庫后，水庫浮游植物生物作用增強(qiáng)，成為影響物質(zhì)循環(huán)的重要因素.光合作用和呼吸作用將C和N的生物地球化學(xué)循環(huán)耦合在一起，致使水庫表現(xiàn)出顯著性相關(guān).研究結(jié)果表明，梯級水電開發(fā)顯著改變了原始河流C和N的生物地球化學(xué)循環(huán)特征.關(guān)鍵詞：碳氮耦合；浮游植物；呼吸作用；水電開發(fā)；烏江

河流梯級水電開發(fā)是目前影響河流自然屬性的重要人為擾動事件.筑壩攔截?cái)_亂了自然河流的洪水脈動周期以及依靠洪水過程塑造的河流水環(huán)境自然特性和作用過程（如營養(yǎng)補(bǔ)給、河床形態(tài)）［1］.由于水量、物質(zhì)等的上下承接關(guān)系，河流梯級水庫表現(xiàn)出更為復(fù)雜的累積效應(yīng).水庫既具有水體溫度、營養(yǎng)鹽分層等湖沼學(xué)特點(diǎn)，又具有底層泄水和反季節(jié)蓄水等水電站人為調(diào)控的特點(diǎn)［2-3］，最終演化形成了特有的元素的生物地球化學(xué)循環(huán).

1　研究區(qū)域概況

烏江是貴州省第一大河，是長江上游右岸的一級支流，全長1 037 km，徑流量534億m3，落差2 124 m.烏江梯級水電開發(fā)較早，是中國西電東輸工程的主要河流之一.研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為12.3℃，最高氣溫35.4℃，最低氣溫-10.1℃，最冷月（1月）平均氣溫為3.5℃，最熱月（7月）平均氣溫為26℃.年均降雨量為1 100～1 300 mm，主要集中在5—10月，其降雨量約占全年總降雨量的75%.烏江流域?qū)儆诳λ固貛r溶地貌，其水化學(xué)由碳酸鹽礦物風(fēng)化控制，主要離子為Ca2+，，Mg2+和.

2　樣品采集與分析

采集時(shí)間為2007年7月—2008年6月，采集地點(diǎn)為烏江中上游的11個(gè)采樣點(diǎn)（見圖1），每月1次進(jìn)行了水樣采集.入庫河流點(diǎn)（W1，W2和M1～M4）僅采集表層水樣，而水庫采樣點(diǎn)（W3～W5和M5，M6）則分層采集水樣.分層水樣用5 L的Niskin采樣器收集.洪家渡水庫（W3）、東風(fēng)水庫（W4）和烏江渡水庫（W5）采樣深度分別為0，5，15，30，60 m，紅楓水庫（M5）采樣深度分別為0，3，6，10，15，25 m，百花水庫（M6）采集深度分別為0，5，10，15，20 m.

用水質(zhì)參數(shù)儀YSI-6600（美國金泉公司生產(chǎn)）原位測定酸堿度（pH）、水體溫度、溶解氧（dissolved oxygen，DO），并用鹽酸現(xiàn)場滴定水樣堿度.采集的水樣用0.70μm的玻璃纖維濾膜（Whatman GF/F）過濾并分裝于相應(yīng)的容器中，用于測定陰陽離子.在用于測定陽離子（Ca2+， Mg2+，K+和Na+）的水樣中加入超純HNO3，并酸化至pH＜2；用于測定陰離子Cl-和）的樣品直接封裝后冷藏保存.陰離子采用ICS-90型離子色譜儀（美國Dionex公司生產(chǎn)）進(jìn)行測定，檢測限為0.01 mg/L；陽離子用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）進(jìn)行測定，檢測限為0.01 mg/L.

水樣溶解CO2的濃度利用堿度、pH和解離常數(shù)計(jì)算獲得，其中各種常數(shù)用溫度和離子強(qiáng)度進(jìn)行校正，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)［5-7］.

3　結(jié)果

3.1基本參數(shù)

水體溫度為5.5～30.2℃，平均值為16.2℃；pH值為6.93～9.29，平均為7.85.烏江干流的水體溫度和pH值均略高于支流貓?zhí)?，但相?yīng)河流點(diǎn)和水庫點(diǎn)的平均值并未發(fā)現(xiàn)有顯著差異（見表1）.DO為0～482.2μmol·L-1，平均值為206.2μmol·L-1.烏江干流和支流DO平均值無顯著性差異，但水庫點(diǎn)DO表現(xiàn)出更大的變化幅度（見表1）.各水庫點(diǎn)溶解氧在秋季均發(fā)生了明顯的分層現(xiàn)象（見圖2）.

圖1　烏江采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Map showing sampling locations and sample numbers in the Wujiang River

表1　研究區(qū)域水化學(xué)基本概況Table 1 Basic water chemistry in the studied area

圖2　水庫剖面上溶解CO2，及DO的月變化Fig.2 Monthly depth profiles of dissolved CO2，NO-3and DO in the reservoirs

3.2溶解CO2的時(shí)空變化

水體溶解CO2為1.6～934.6μmol·L-1，平均值為113.6μmol·L-1.烏江干流CO2平均值低于支流貓?zhí)樱凰畮霤O2平均值和波動比相應(yīng)的河流點(diǎn)要低（見表1）.CO2在水庫剖面發(fā)生了明顯的化學(xué)分層，表層濃度遠(yuǎn)低于底層；分層作用在夏、秋兩季較為明顯，且支流水庫CO2剖面變化明顯大于干流水庫（見圖2）.

4　討論

4.1河流溶解CO2和的來源及影響因素

河流溶解CO2主要有以下來源：①河道內(nèi)有機(jī)質(zhì)的降解生成的CO2；②土壤水中的CO2（通過地表徑流進(jìn)入河流）；③巖石風(fēng)化生成的轉(zhuǎn)化生成的CO2+H+H2CO3H2O+CO2）；④大氣CO2（通過交換進(jìn)入水體）.有機(jī)質(zhì)降解生成的CO2為河流溶解CO2的主要來源.有機(jī)質(zhì)降解會產(chǎn)生大量的CO2，致使河流表層CO2分壓遠(yuǎn)大于大氣CO2分壓［8］.河流是以呼吸作用為主，從而不斷向大氣排放CO2，成為大氣CO2的源.地質(zhì)地貌、植被類型、土地利用方式等影響到河流有機(jī)質(zhì)的種類和數(shù)量，進(jìn)而影響到河流溶解CO2的濃度.此外，水流、風(fēng)速和溫度等水文地球化學(xué)參數(shù)影響河流水氣界面CO2交換，容易引起河流溶解CO2濃度的劇烈波動.

烏江干支流河流點(diǎn)的CO2和不存在顯著性相關(guān)（見圖3（a）），這表明河流溶解CO2和不存在耦合關(guān)系.由河流溶解CO2和的來源及影響因素可以看出，二者缺乏耦合的物質(zhì)基礎(chǔ)和地球化學(xué)過程.

4.2水庫溶解CO2和耦合的生物地球化學(xué)機(jī)制

河流經(jīng)過大壩攔截，形成水庫.相對河流而言，水庫水流減緩，水深加大，營養(yǎng)物質(zhì)滯留時(shí)間增長.這些環(huán)境變化有利于浮游植物的生長，從而使光合作用逐漸成為影響水庫物質(zhì)循環(huán)的主要生物作用.表層浮游植物通過光合作用，吸收合成有機(jī)質(zhì)（organic matter，OM），同時(shí)放出氧氣（O2）.合成的有機(jī)質(zhì)在向底部的沉降過程中，經(jīng)微生物分解，發(fā)生呼吸作用最終生成CO2和，同時(shí)消耗O2（見圖4）.浮游植物驅(qū)動的物質(zhì)循環(huán)消減了河流CO2和的寬幅波動（見表1），成為控制水庫C，N循環(huán)的主導(dǎo)因素.

圖3　溶解CO2與的關(guān)系Fig.3 Dissolved CO2versus

圖4　水庫碳循環(huán)示意圖Fig.4 Sketch map for carbon biogeochemical cycle in a reservoir

烏江干支流水庫剖面CO2和表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（見圖3（b）和（c）），這說明剖面的光合作用和呼吸作用將二者正向耦合在一起.呼吸作用消耗O2，當(dāng)O2濃度小于62.5μmol·L-1時(shí)，O2已經(jīng)不足以支持有機(jī)質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行有氧呼吸［12-13］，這樣有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)而開始無氧呼吸，消耗生成CO2（（CH2O）106（NH3）16（H3PO4）+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+ 16NH3+H3PO4），從而使二者表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖3（d））.無氧呼吸因水庫不同而不同，其中烏江干流水庫僅有2.8%的數(shù)據(jù)點(diǎn)O2濃度小于62.5μmol·L-1；而支流貓?zhí)铀畮靹t有21.5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)O2濃度小于62.5μmol·L-1.支流貓?zhí)蛹t楓水庫和百花水庫均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，而干流只有烏江渡水庫處于富營養(yǎng)化狀態(tài)［14］，這使得支流水庫底部的無氧呼吸遠(yuǎn)多于干流水庫，因此不能忽略不計(jì).

5　結(jié)束語

烏江溶解CO2和在河流點(diǎn)和水庫剖面點(diǎn)顯示出不同的生物地球化學(xué)循環(huán)特征.溶解在剖面上表現(xiàn)出明顯的化學(xué)分層，分層現(xiàn)象在夏、秋兩季最為顯著.河流點(diǎn)溶解不存在顯著的相關(guān)關(guān)系.河流筑壩截流形成水庫，浮游植物生物作用增強(qiáng)，表層的光合作用和底層的呼吸作用將的生物地球化學(xué)循環(huán)耦合在一起，從而使二者表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系.

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Carbon and nitrogen coupled biogeochemical cycle in cascade reservoirs of the Wujiang River

WANG Bao-li1，LIU Cong-qiang1，WANG Fu-shun2，Liu Xiao-long3，PENG Xi1，ZHAO Yan-chuang1
（1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550002，China；
2.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，
Shanghai 200444，China；
3.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Concentrations of dissolved CO2andwere investigated in cascade reservoirs and related river reaches along the Wujiang River to understand temporal and spatial variations.The average of dissolved CO2were（113.6±105.7）μmol·L-1，ranging from 1.6 to 934.6μmol·L-1.The average ofwere（163.0±104.9）μmol·L-1，ranging from 0.4 to 632.0μmol·L-1.Averages and amplitudes of dissolved CO2andin the reservoirs are less than those in the rivers.Due to different resources and influencing factors，no significant correlation was found between dissolved CO2andin rivers.After damming，the activity of phytoplankton was enhanced，and became an important factor controlling material cycle in reservoirs.Photosynthesis and respiration couple C and N biogeochemicalcycle，and dissolved CO2andin reservoirs were significantly correlated.The results indicate that C and N biogeochemical cycles in the original rivers are changed by cascade hydropower exploitation.

C-N coupling；phytoplankton；respiration；hydropower exploitation；the Wujiang River

X 142

A

1007-2861（2015）03-0294-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.013

2015-04-20

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013CB956703）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41473082）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃

王寶利（1976—），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué).E-mail：baoliwang@163.com