張金流, 鮑 祥, 蔡敬民, 吳 克, 俞志敏, 金 杰
(合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系, 合肥 230601)
塘西河水體顆粒和溶解有機(jī)碳季節(jié)變化及其來(lái)源分析
張金流, 鮑 祥, 蔡敬民, 吳 克, 俞志敏, 金 杰
(合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系, 合肥 230601)
基于2014年7月至2015年6月對(duì)塘西河水體中顆粒有機(jī)碳(POC)和溶解有機(jī)碳(DOC)為期一年的調(diào)查數(shù)據(jù),分析了塘西河水體中POC、DOC濃度時(shí)空分布特征,結(jié)合DOC、POC、總有機(jī)碳(TOC)及POC、C/N比值相關(guān)性分析和顆粒有機(jī)物C/N比值分布范圍,探討了水體中有機(jī)碳的來(lái)源。結(jié)果表明,塘西河水體中DOC質(zhì)量濃度年平均值在2.53~3.91 mg/L之間,DOC占總有機(jī)碳60%以上,高于世界河流平均水平;POC質(zhì)量濃度范圍在1.62~2.53 mg/L之間,POC占總有機(jī)碳40%以下,低于世界河流平均水平;在空間分布上,由1#到5#采樣點(diǎn),DOC濃度年平均值逐漸上升,POC濃度年平均值在各采樣點(diǎn)之間變化不大;在時(shí)間分布上,DOC、POC濃度均呈現(xiàn)夏季高于春、秋季,冬季最低的變化規(guī)律;在每一季節(jié)內(nèi),DOC、POC濃度均存在一定的變化,且POC季節(jié)變異系數(shù)大于DOC,說明塘西河POC來(lái)源要比DOC復(fù)雜;塘西河水體中POC、DOC主要來(lái)源于內(nèi)源,即水藻生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物,但陸源輸入對(duì)水體中POC濃度有一定的影響。
顆粒有機(jī)碳;溶解有機(jī)碳;季節(jié)變化;來(lái)源;C/N比;塘西河
河流水體中的有機(jī)碳主要以溶解有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC)兩種形式存在[1-4],是大多數(shù)水生生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)的最大組成部分,對(duì)其開展研究有助于了解水體中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源,且溶解有機(jī)物能夠控制水體中微量金屬和有毒物質(zhì)的運(yùn)輸、毒性及其最終命運(yùn)[5];另一方面,從全球碳循環(huán)角度講,河流有機(jī)碳通量是全球碳循環(huán)的重要組成部分,其內(nèi)、外源通量的大小往往是流域內(nèi)自然過程和人為過程綜合作用的結(jié)果[6],其整體通量的大小則是區(qū)域碳“匯”研究的基礎(chǔ)[6-7]。然而,要界定內(nèi)、外源通量大小,首先要明確河流水體中有機(jī)碳的來(lái)源。一般認(rèn)為,河流有機(jī)碳主要有兩種來(lái)源,即外源和內(nèi)源[8-13],外源有機(jī)碳主要來(lái)源于陸生植物碎屑的降解和土壤有機(jī)物質(zhì)腐殖化,而內(nèi)源有機(jī)碳主要來(lái)源于水生植物生長(zhǎng)產(chǎn)生的有機(jī)物分解。由于生態(tài)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,陸生維管植物常含有較多木質(zhì)纖維素,而蛋白質(zhì)含量不足20%,因此其產(chǎn)生的有機(jī)物中C/N比值較高,而水生植物木質(zhì)纖維素含量較少,則有機(jī)物中C/N比值較低;前者有機(jī)物組成中C/N比值往往大于20,而后者則在4~10之間,平均值為7。鑒于不同來(lái)源有機(jī)物C/N比值這一差異特性,可以利用其對(duì)河流水體中顆粒有機(jī)物的來(lái)源進(jìn)行示蹤[9-19]。對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng),一般認(rèn)為顆粒有機(jī)物C/N>20,則可認(rèn)為水體中的有機(jī)物以陸生有機(jī)物來(lái)源為主,而C/N<8,則可認(rèn)為水體中的有機(jī)物以內(nèi)源水生生物分泌來(lái)源為主[14]。
塘西河是巢湖重要支流之一,有關(guān)其水體中POC、DOC含量、時(shí)空變化規(guī)律及其來(lái)源目前還未曾有報(bào)道。因此,本文對(duì)其下游河段水體中POC、DOC進(jìn)行為期一個(gè)水文年的采樣,分析其濃度時(shí)、空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,同時(shí)結(jié)合顆粒有機(jī)物C/N比值范圍、POC濃度與C/N比值變化相關(guān)性以及POC、DOC、TOC三者間濃度變化的相關(guān)性,對(duì)各采樣點(diǎn)POC、DOC的來(lái)源進(jìn)行初步分析,以明確該河流水體中POC、DOC是陸生來(lái)源(外源)為主還是內(nèi)生來(lái)源(內(nèi)源)為主,以期為區(qū)域碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)設(shè)置
塘西河為巢湖西半湖北側(cè)一條長(zhǎng)約12.7 km的小河流,流域面積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),并在合肥市包河區(qū)義城鎮(zhèn)附近流入巢湖。本次研究區(qū)域位于塘西河下游,即從合肥市濱湖新區(qū)塘西河與徽州大道交叉點(diǎn)處到巢湖入湖口,全長(zhǎng)約6 km。該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[20]。
由徽州大道與塘西河交叉處開始,沿塘西河河道水流方向分別設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn),采樣點(diǎn)間距約1 km,具體河道及采樣點(diǎn)位置如圖1。
1.2 樣品采集及前處理
每隔半月于各采樣點(diǎn)用采水器采集表層水樣(水下0.5 m)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4 h)并用精度為0.1 mg分析天平稱重過的WhatmanTMGF/F(Cat No 1825-047,0.7 μm)玻璃纖維濾紙真空(循環(huán)水式多用真空泵)抽濾,所得濾液用60 mL棕色玻璃瓶盛放在低溫下(4℃)保存,過濾后的濾紙用冰箱冷凍,等徹底冷凍后用韓國(guó)llshin公司產(chǎn)的R-13B1型真空冷凍干燥機(jī)干燥后再用分析天平稱重,玻璃纖維濾紙過濾前后的質(zhì)量差即為總懸浮顆粒物(TSS)質(zhì)量,除以水樣體積即得TSS質(zhì)量濃度。再將過濾后的玻璃纖維濾膜放置于內(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(wú)機(jī)碳,熏蒸后的濾膜用超純水小心清洗3次,之后放置冰箱中冷凍并再次用冷凍干燥機(jī)冷凍干燥備用。采樣所用有機(jī)塑料桶在使用前需用1∶10稀硝酸浸泡24 h,之后用超純水(Millipore超純水機(jī)制備)清洗3次,再用超純水浸泡24 h并用超純水再次清洗一次后干燥備用。
圖1 采樣點(diǎn)示意圖
1.3 測(cè)定方法
1.3.1 DOC濃度分析 用微量進(jìn)樣器(上海高鴿)取500 μL水樣玻璃纖維濾紙過濾液,用德國(guó)耶拿公司生產(chǎn)的multi N/C 2100總有機(jī)碳、氮分析儀分析水樣DOC質(zhì)量濃度。
1.3.2 C/N比值分析 在經(jīng)過真空冷凍干燥后的濾膜上取適量膜上剩余樣品(2~3 mg),用意大利利曼科技有限公司生產(chǎn)的EA3000元素分析儀分析顆粒物碳(POC)、TN含量(POC%、TN%),兩者相除即得顆粒有機(jī)物C/N質(zhì)量比值。
1.3.3 POC濃度分析 POC質(zhì)量濃度由TSM質(zhì)量濃度乘以POC%(1.3.2獲取的)獲得[3]。
2.1 溶解有機(jī)碳濃度時(shí)空變化
通過監(jiān)測(cè),塘西河下游各采樣點(diǎn)水體中DOC濃度年平均值分別是2.53 mg/L、3.61 mg/L、3.74 mg/L、3.86 mg/L和3.91 mg/L,DOC占水體TOC含量的60%以上,5#采樣點(diǎn)所占比例最高,達(dá)66%,略高于世界研究結(jié)果平均值(55%)[21-22],絕對(duì)濃度明顯低于新疆的博斯騰湖[23],也低于巢湖前期已有研究結(jié)果(約9.5 mg/L)[24],說明近年巢湖及其支流經(jīng)過治理[25],水質(zhì)已有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)(圖2)。從空間分布上看,由1#到5#采樣點(diǎn),水體中DOC濃度逐漸升高,這主要與河道水流速度變化有關(guān),由圖1可知,隨著湖口的接近,水流速度逐漸下降,這一水動(dòng)力條件有利于水藻生長(zhǎng)[26],水生藻類密度加大,導(dǎo)致水體中DOC濃度逐漸上升。在時(shí)間分布上,DOC濃度夏季最高,其次是春、秋季,冬季較低(表1),據(jù)我們現(xiàn)場(chǎng)觀察,這同樣與水藻生長(zhǎng)有關(guān),由于該河段富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重,夏季河道水面生長(zhǎng)有大量浮游藻類,致使內(nèi)源性DOC濃度升高。同時(shí)由圖2我們可以看出,在4#、5#采樣點(diǎn),在9—10月之間,DOC濃度有下降趨勢(shì),之后的10—11月又逐漸升高,這可能與這一時(shí)間段表層水流動(dòng)性增加有關(guān);據(jù)氣象資料顯示(http://cdc.nmic.cn/home.do),2014年9月份平均風(fēng)速較7—8月份大,導(dǎo)致表層水流動(dòng)性增強(qiáng),不利于浮游藻類的生長(zhǎng),致使DOC濃度下降;這從圖1也可看出,4#、5#采樣點(diǎn)位于較寬闊的水面,浮游藻類生長(zhǎng)受風(fēng)速影響相對(duì)明顯,雖然2#、3#采樣點(diǎn)水體中DOC也有類似的變化,但變化幅度不明顯,這與該采樣點(diǎn)處水面較窄(圖1),風(fēng)力影響作用相對(duì)較小相一致。
圖2 溶解有機(jī)碳濃度時(shí)空變化
另外,從圖2和表1可知,各采樣點(diǎn)DOC濃度季節(jié)內(nèi)也存在一定的變化,且無(wú)明顯的變化規(guī)律性;DOC濃度各采樣點(diǎn)季節(jié)內(nèi)差異(用變異系數(shù)表示,變導(dǎo)系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)[23]大小依次是春、夏、冬、秋季,秋季各采樣點(diǎn)DOC濃度季節(jié)內(nèi)差異最小,說明秋季其DOC來(lái)源最為穩(wěn)定;從空間分布上看,3#采樣點(diǎn)DOC濃度差異在各季節(jié)較小,可能與該采樣點(diǎn)位于河道轉(zhuǎn)彎處,水流較慢,水環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,利于浮游藻類生長(zhǎng),內(nèi)源DOC供給相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。DOC濃度季節(jié)內(nèi)差異最大值發(fā)生在夏季2#采樣點(diǎn),最小發(fā)生在冬季的5#采樣點(diǎn)。
表1 春、夏、秋、冬DOC、POC平均濃度及變異系數(shù)
圖3 顆粒有機(jī)碳濃度時(shí)空變化
Fig 3 Spatial and temporal changes of particulate organic carbon concentration
2.2 顆粒有機(jī)碳濃度時(shí)空變化
由圖3可知,塘西河下游各采樣點(diǎn)水體中顆粒有機(jī)碳濃度年平均值分別是1.62 mg/L、2.45 mg/L、2.53 mg/L、2.29 mg/L和2.26 mg/L,絕對(duì)濃度高于博斯騰湖[23],POC年平均值占TOC的40%以下,低于世界45%這一平均值[21-22]。3#采樣點(diǎn)年平均值最高;除1#采樣點(diǎn)外,其他各采樣點(diǎn)POC濃度年平均值差別不大;在時(shí)間分布上,水體中POC濃度同樣是夏季最高,春、秋季次之,冬季最低,其中1#、3#、5#采樣點(diǎn)具有同DOC非常相似的變化趨勢(shì),說明POC、DOC兩者間可能具有共同的主要來(lái)源。另由表1可知,各采樣點(diǎn)夏季POC濃度平均值最高,其季節(jié)內(nèi)變異系數(shù)也最大,這一點(diǎn)與DOC相似;POC濃度各采樣點(diǎn)季節(jié)內(nèi)差異大小依次是夏、秋、春、冬季,說明夏、秋季水體中POC濃度影響因素相對(duì)復(fù)雜;另外,與DOC相比,各個(gè)采樣點(diǎn)季節(jié)內(nèi)POC濃度的差異均比DOC大,說明塘西河水體中POC的來(lái)源要比DOC復(fù)雜(內(nèi)源、外源)。
為探索DOC、POC、TOC 3者間是否具有同源性,我們進(jìn)一步利用SPSS軟件分析了3者間的相關(guān)性,結(jié)果如表2所示。
表2 各采樣點(diǎn)DOC、POC、TOC濃度相關(guān)系數(shù)
*P<0.05;**P<0.01
由表2可知,各采樣點(diǎn)DOC、POC及TOC兩兩間濃度變化都存在顯著正相關(guān),說明塘西河各采樣點(diǎn)水體中DOC、POC及TOC 3者可能具有某一共同的主導(dǎo)來(lái)源;但從表2也可以看出,POC、DOC兩者間的相關(guān)系數(shù)沒有DOC、TOC或POC、TOC間的相關(guān)系數(shù)高,說明POC、DOC,特別是POC除了這一主要來(lái)源,可能還受到其他來(lái)源的影響。
2.3 顆粒有機(jī)碳來(lái)源
為明確這一共同的主導(dǎo)來(lái)源(外源、內(nèi)源),我們對(duì)水體中POC濃度與C/N比值、降雨量之間的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,并用SPSS軟件分析兩者間變化的相關(guān)性,結(jié)果見圖4和表3。
圖4 1#采樣點(diǎn)POC濃度與C/N、降雨量之間的關(guān)系
由圖4可知,在1#采樣點(diǎn),水體POC與其C/N比值呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì),即隨著POC濃度的升降,C/N比值也呈現(xiàn)出與之大體一致的升降趨勢(shì),同樣說明塘西河水體中POC濃度受某一主導(dǎo)來(lái)源影響,這點(diǎn)我們從表3中的POC濃度與C/N比值之間的相關(guān)性分析可以進(jìn)一步得到定量化明確(表3中雖然相關(guān)系數(shù)不是太高,但均呈現(xiàn)顯著性相關(guān)),而從此5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒有機(jī)物C/N比值平均值來(lái)看(表4),C/N比值平均值均小于8,說明塘西河水體中POC主要來(lái)源于內(nèi)源,即主要來(lái)源于水生植物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物。但從圖4也可看出,在整個(gè)采樣周期內(nèi),部分時(shí)間點(diǎn)水體中顆粒有機(jī)物C/N>8(例如1#采樣點(diǎn)圖中實(shí)線下箭頭指示的時(shí)間點(diǎn),這些時(shí)間點(diǎn)主要發(fā)生在降雨后),說明這些時(shí)間點(diǎn)水體中POC來(lái)源也受到陸源有機(jī)物輸入的影響。另外從圖4中也可看出,部分時(shí)間點(diǎn)(圖中虛線下箭頭指示的時(shí)間點(diǎn))水體中POC濃度下降,但顆粒有機(jī)物C/N比值卻有所升高,說明可能有高C/N比值的污水流入塘西河[27]。
但從各個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)看(圖5),水體中顆粒有機(jī)物出現(xiàn)C/N>8的時(shí)間點(diǎn)并不完全一致,說明陸源等外源有機(jī)物輸入對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的影響在時(shí)間段以及影響程度均存在一定的差異。
圖5 2#~5#采樣點(diǎn)POC濃度與C/N之間的關(guān)系
采樣點(diǎn)1#2#3#4#5#POCPOCPOCPOCPOCC/N0.383*0.477**0.421*0.406*0.350*
*P<0.05;**P<0.01
表4 各采樣點(diǎn)顆粒有機(jī)物C/N比值平均值
另外,從表2中DOC與POC濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性變化來(lái)看,我們同樣可以推斷塘西河水體中的DOC也主要來(lái)源于內(nèi)源,即水生植物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物。
1)塘西河下游各采樣點(diǎn)水體中DOC年平均濃度范圍在2.53~3.91 mg/L之間,POC年平均濃度范圍在1.62~2.53 mg/L之間。
2)在空間分布上,DOC濃度沿水流方向逐漸升高,而POC濃度沿水流方向變化不大。
3)在時(shí)間分布上,夏季水體中DOC、POC深度最高,春秋季次之,冬季最低。
4)DOC、POC濃度均存在一定的季節(jié)內(nèi)差異性變化。
5)塘西河水體中POC、DOC主要來(lái)源于內(nèi)源,即水生植物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)物,但陸源有機(jī)物輸入對(duì)水體POC濃度能夠產(chǎn)生一定的影響。
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Seasonal variations and sources of particulate and dissolved organic carbon in Tangxihe River
ZHANG Jin-liu, BAO Xiang, CAI Jing-min, WU Ke, YU Zhi-min, JIN Jie
(Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China)
Based on the survey data of particulate organic carbon (POC) and dissolved organic carbon (DOC) concentration in Tangxi River from July 2014 to June 2015, its spatial and temporal distribution characteristics were studied, and the source of POC was analyzed combined with correlation of POC, DOC, TOC, POC and C/N. The results showed that DOC annual average mass concentration in Tangxi River water range was between 2.53-3.91 mg/L, DOC accounted for more than 60% of total organic carbon, POC mass concentration ranged from 1.62 to 2.53 mg/L. In the spatial distribution, the DOC concentration annual average value increased gradually from 1#to 5#sampling site, the POC concentration average value changed slightly at each sampling site. In the temporal distribution, DOC and POC concentrations were higher in summer than that in spring and autumn, and the lowest in winter. Result showed that the concentrations of DOC and POC changed in each season.
POC; DOC; seasonal variation; source; C/N; Tangxi River
2016-05-18;
2016-05-25
安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A214);高校優(yōu)秀中青年骨干人才國(guó)內(nèi)外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目(gxfxZD2016212);合肥學(xué)院人才基金項(xiàng)目(13RC04)
張金流,博士,講師,主要從事環(huán)境地球化學(xué)研究,E-mail: zhanggolden@163.com
X143
A
2095-1736(2017)02-0058-05
doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.058