三門峽黃河濕地有機碳分布及來源分析

官慶松

(1.河南科技大學 應(yīng)用工程學院，河南 三門峽 472000；2.三門峽市黃河濕地環(huán)境過程與生態(tài)修復工程技術(shù)研究中心，河南 三門峽 472000)

1 引言

目前，國家將黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展定位為重大國家戰(zhàn)略，黃河濕地作為“黃河之腎”，具有保持水源、凈化水質(zhì)、控制土壤侵蝕、調(diào)節(jié)氣候和維護生物多樣性等重要生態(tài)功能[1～3]，是維持黃河流域生態(tài)健康的重要屏障。濕地因其積水厭氧的環(huán)境而在土壤中積累大量有機碳，是重要的天然碳匯[4]，占到整個陸地碳匯的10%[5]，有利于緩解全球變暖趨勢，已成為當前全球碳循環(huán)研究中的熱點問題[6]。沉積物中的有機質(zhì)保存了原始的生產(chǎn)力狀況、水體營養(yǎng)狀況轉(zhuǎn)變過程及自然因素控制的水質(zhì)改變進程等重要歷史信息[7]。濕地沉積物所固存的有機碳來源眾多[8]，不同來源的有機碳生物地球化學行為往往存在巨大差異[9]，辨明沉積物有機碳的來源對于深入了解黃河濕地的固碳機理有著重要意義。沉積物中碳、氮穩(wěn)定同位素以及C/N比值經(jīng)常被用來推斷沉積物中有機質(zhì)的來源，這些示蹤是建立在不同來源的有機質(zhì)有不同的C/N比值和穩(wěn)定同位素比值基礎(chǔ)上的[10,11]。三門峽黃河濕地保護區(qū)位于三門峽市，處于黃河中游，是我國東部平原與西部山地丘陵、黃土高原的過渡地帶，濕地中既有峽谷地貌，也有廣闊灘涂，擁有大型水利樞紐三門峽水庫，地理位置十分重要。本文根據(jù)三門峽黃河濕地沉積物TOC、TON、C/N和δ13C-TOC、δ15N-TON等數(shù)據(jù)資料，探討了研究區(qū)沉積物有機碳的分布特征、來源構(gòu)成及其影響因素，以期為濕地沉積物固碳措施的制定提供參考。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集

黃河三門峽庫區(qū)濕地屬于國家級濕地自然保護區(qū)，是國家級珍禽白天鵝的棲息地及重要水源涵養(yǎng)地，位于河南省三門峽市。該區(qū)地處冬候鳥遷徙中線，每年有大量冬候鳥經(jīng)此地往返南北或在此越冬，三門峽水庫每年冬春蓄水，夏秋排水，水位呈周期性升降，形成了廣闊的濕地，野生植被主要以蘆葦、香蒲、水毛草為主。采樣時間為6月份，樣地選為裸露未被水淹的濕地，采樣點共3個，未長植物的光灘(GT)樣點，以蘆葦香蒲為覆蓋植被的YJW樣點(110°43′E,34°37′N)，以水毛草為覆蓋植被的CS樣點(110°51′E,34°38′N)，其中GT和YJW屬于同一區(qū)域濕地，水體連通性一致。采樣深度為0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，在3 m2范圍內(nèi)用沉積物采樣器采集3份作為平行樣品，樣品采集后，立即裝入自封袋并排盡空氣放入便攜式保溫箱。同時，采集水樣和植物樣品，并快速轉(zhuǎn)移至實驗室。

2.2 分析方法

2.3 統(tǒng)計分析

不同樣點之間δ13C-TOC、 δ15N-TON、TOC、TON和C/N顯著性差異采用單因素方差分析(ANOVA)，顯著性水平α為0.05。所有數(shù)據(jù)均通過了Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗和Levene's方差齊性檢驗，沒有變量需要轉(zhuǎn)換。運用Pearson相關(guān)系數(shù)揭示δ13C和δ15N、δ13C和C/N之間的關(guān)系。統(tǒng)計學檢測使用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)，制圖運用Origin pro 8軟件。沉積物有機碳貢獻率采用三端元混合模型IsoSource軟件進行計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物理化參數(shù)

沉積物理化參數(shù)見圖1、圖2。TON垂直分布變化較小，總體含量較低，介于0.01%～0.03%之間；TOC含量高于TON，20～50 cmTOC含量略高于上層，不同深度TOC含量變化范圍為：YJW(0.15±0.02～0.21±0.05，平均值0.17±0.02)，CS(0.18±0.05～0.30±0.02，平均值0.24±0.05)，GT(0.05～0.09±0.03，平均值0.07±0.02)；GT樣點中TON和TOC空間含量分布顯著低于另外兩點。沉積物中無機氮主要以氨氮為主，占比68%～98%， CS氨氮含量(7.77±1.94)顯著(P<0.01)高于GT(1.66±0.56 mg/kg)和YJW(1.98±0.64)；表層沉積物(0～5 cm)中氨氮含量最高，0～30 cm不斷降低，30～50 cm略有增加，硝酸鹽和亞硝酸鹽無顯著垂直變化(圖1)。三個樣點δ13C-TOC特征值變化范圍較小，介于-23.90±0.21～-25.17±0.52之間，垂直變化較小，上層沉積物δ13C-TOC特征值略低于底部沉積物。三個樣點的δ15N-TON特征值分布分別為YJW(1.08±0.14～3.09±0.28)，CS(3.09±0.67～3.85±0.16)，GT(1.68±0.12～-1.48±0.25)，CS樣點特征值顯著高于YJW和CS，GT樣點垂直變化差異較大(圖2)，YJW和CS特征值隨著深度的增加而增加。

圖1 沉積物DIN的垂直變化

圖2 δ15N-TON和δ13C-TOC垂直變化

3.2 不同端元穩(wěn)定碳氮同位素組成

利用δ13C-TOC ‰特征值分析不同端元對濕地沉積物有機碳的貢獻率，本研究最終確定植物，懸浮顆粒物，底棲微藻3個端元，各端元穩(wěn)定碳氮同位素組成見表1。其中以植物樣的平均值作為端元值，YJW蘆葦與香蒲的δ13C-TOC平均值為30.70‰，CS水毛草根和莖的δ13C-TOC平均值為-31.44‰。懸浮顆粒物的δ13C-TOC為-23.11‰和-22.67‰，較植物偏正。不同植物的δ15N-TON特征值差異顯著，蘆葦、香蒲偏負，水毛草偏正。兩個樣點懸浮顆粒物δ15N-TON特征值為正，相差較大，分別為5.00‰、2.61‰。植物的TOC含量高于TON，不同植物的C/N比差異較大，最高可達83.44，最低為21.46，水毛草根和莖的C/N比差異較大，根是莖的3倍。懸浮顆粒物C/N較低，分別為4.7和4.9。

表1 不同端元穩(wěn)定碳氮同位素組成

4 討論

不同類型的有機質(zhì)具有不同的C/N，因此不同的C/N可以判斷沉積物有機質(zhì)的來源[13]。沉積物陸源有機碳的 C/N 比值大于 12[14]。高等陸地植物的C/N 比值一般大于 15，水生植物的 C/N 比值范圍在10～30左右[15]，藻類的C/N一般在5～8[16]。黃河沉積物C/N比介于7.7～10.1之間，反應(yīng)了沉積物有機質(zhì)來源的混合性，既有外源又有內(nèi)源。

當有機質(zhì)的δ13C 和δ15N 間存在很好的相關(guān)關(guān)系時，說明有機質(zhì)的來源較單一[17]。黃河沉積物有機質(zhì)δ13C 和δ15N間的相關(guān)性見可知(圖3)，δ13C-TOC與δ15N-TON間存在較弱的相關(guān)關(guān)系，表明沉積物的物源具有多元性。有機質(zhì)中δ13C 與C/N 間的負相關(guān)性較理想，那么C/N 值就能夠比較嚴格的反映出其來源。本研究沉積物有機質(zhì)δ13C 與C/N 間的相關(guān)性較差(圖4)，說明沉積物中 C/N 比值是一種復雜的生物化學作用相混合的結(jié)果。僅利用單個因子來對沉積物有機質(zhì)進行溯源會面臨巨大的困難，溯源結(jié)果往往較模糊，缺乏精確性。

圖3 沉積物中δ13C 與δ15N 的相關(guān)性

圖4 δ13C 與C/N 間的相關(guān)性

研究表明，每種物質(zhì)的有機質(zhì)的碳氮同位素值有其對應(yīng)的特征值范圍，將δ13C、δ15N兩者結(jié)合是沉積物有機質(zhì)來源探究中的有效分析手段。利用δ13C和δ15N的關(guān)系圖能夠更加精確地確定有機質(zhì)的來源(圖5)，通過比對分析發(fā)現(xiàn)，沉積物有機質(zhì)是植物與懸浮顆粒物的混合相，沉積物與懸浮顆粒物有重合值，植物特征值偏離沉積物特征值，表明其對有機質(zhì)的貢獻率較小。

圖5 不同端元的碳氮同位素值

現(xiàn)場標記法表明底棲微藻是沉積物有機碳的潛在重要來源[18]。根據(jù)同位素特征值和前人的研究成果，本研究沉積物的主要端元設(shè)為濕地植物、懸浮顆粒物和底棲微藻。基于δ13C 線性混合模型，沉積物有機碳來源貢獻率可用公式計算[19]：

δ13Csed=fplant×δ13Cplant+fSPM×δ13CSPM

+fMPB×δ13CMPB

(1)

1=fplant+fSPM+fMPB

(2)

結(jié)果表明(表2)：研究區(qū)域內(nèi)所有樣品懸浮顆粒物貢獻率(fSPM)平均值為45.6%±5.80%；植被貢獻率(fplant)為，為27.90±5.13%；底棲微藻的貢獻率(fMPB)最低，為26.2±3.52%。懸浮顆粒物是沉積物有機質(zhì)的最大貢獻源，兩個樣點fSPM差異顯著，分別為41.4%和49.8%，表層沉積物懸浮顆粒物的貢獻率較高，不同植被帶下fplant差異顯著，香蒲和蘆葦?shù)呢暙I率(32.4%)顯著高于水毛草(23.4%)的貢獻率，底棲微藻與植被的貢獻率相似。黃土質(zhì)地松散，透水性好，植被礦化后的有機碳在潮汐的作用下流失較大，導致植被的貢獻率較低。δ13C示蹤結(jié)果表明，沉積物有機碳主要來源于懸浮顆粒物和植物，兩者對沉積物TOC貢獻率的平均值相加最高可達80%，底棲藻類也是一個穩(wěn)定的有機碳來源。

表2 不同來源對沉積物有機質(zhì)的貢獻率

5 結(jié)論

沉積物穩(wěn)定碳氮同位素組成表明，河流懸浮顆粒物是黃河濕地沉積物有機碳的主要來源，植物，MPB對沉積物有機碳的貢獻較小。三端混合模型定量分析表明，懸浮顆粒物對沉積物有機碳的貢獻率約占沉積物總有機碳的50%，植物和底棲藻類的貢獻率大致相等。