夏季強降雨期間千島湖有機碳的時空分布特征及影響因素

鄭 清，黎云祥，朱廣偉，俞 潔，朱夢圓，許 海，王裕成，劉明亮

1. 西華師范大學環(huán)境科學與工程學院，四川 南充 637002

2. 中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008

3. 浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310012

4. 杭州市淳安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 杭州 311700

5. 杭州市生態(tài)環(huán)境科學研究院，浙江 杭州 310005

湖泊是內(nèi)陸水體的重要組成部分，是流域內(nèi)有機碳等物質(zhì)的最終匯集場所，也是大氣CO2的重要交換場所、全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-4]. 水體有機碳是湖庫總碳的重要組成部分，主要有溶解性有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC)兩種基本賦存形式[5-7].其中DOC是主要存在形式[8]，能通過礦化作用釋放CO2和CH4[3]，也可為異養(yǎng)微生物提供碳源和能源[9]，也是天然水體中消毒副產(chǎn)物的重要前驅(qū)物[10]，有機碳與生物的生命過程、初級生產(chǎn)力等密切相關(guān)[11-14]. 鑒于此，研究湖庫有機碳的時空分布特征及影響因素不僅對量化湖庫碳循環(huán)具有重要意義，也可為深入了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)過程提供科學依據(jù)[15-16].

湖泊有機碳的來源主要有外來和內(nèi)生兩種方式[17].其中，外源有機碳主要通過降雨形成的地表徑流進入水體，而內(nèi)源有機碳主要源于浮游植物、大型水草的生長合成[18]. 有研究表明，湖泊水體中有機碳的時空變化很大程度上受其來源的影響[19]，國內(nèi)外大量學者研究了湖庫有機碳的時空分布及影響因素. 例如，Park等[20]研究了韓國兩個大型水庫有機碳的來源和時空特征，結(jié)果表明，氣象和水文決定了Paldang湖有機碳的狀態(tài)，而原位生成和轉(zhuǎn)化是影響Chungju湖有機碳的決定因素；Chow等[16]對翡翠水庫有機碳的長期趨勢和動態(tài)研究結(jié)果也表明，氣候和水文因素是河流DOC動態(tài)的主要驅(qū)動力；范志偉等[21]研究表明，三峽庫區(qū)DOC主要受降水和溫度的影響；王秀君等[17]研究表明，博斯騰湖DOC濃度變化主要受外部因素影響，而夏季POC濃度受浮游生物的影響較大；楊平等[22]研究表明，文武砂水庫浮游植物和外源輸入分別是引起庫區(qū)有機碳濃度季節(jié)性和空間性變化的重要因素；盧曉漩等[23]研究表明，桂林五里峽水庫DOC在豐水期低于枯水期且表層大于底層，這是受Chla和DIC濃度影響的結(jié)果. 但由于大多數(shù)研究區(qū)域面積大、水體情況復(fù)雜，且采樣頻次低、點位少，可能難以準確反映有機碳濃度的時空分布等情況.

在全球變暖，極端氣候事件發(fā)生的頻率和強度顯著提高的背景下[24]，湖庫有機碳濃度的時空格局可能會發(fā)生深遠改變[25]. 有研究表明，夏季風降雨是控制韓國大型深水水庫-昭陽湖有機碳分布的重要因素[26]，DOC濃度主要由溫度和降雨量決定[16]. 此外，由于極端降雨和高溫，貧營養(yǎng)水庫近年來也發(fā)生了藍藻水華[27]. 因此，對貧營養(yǎng)水庫而言，研究極端降水對其時空格局的影響更為關(guān)鍵，因為這類水體有機碳一般以外源輸入為主. 外來碳會顯著影響湖泊碳收支，導(dǎo)致外來負荷遠超過本地負荷[26]，因此研究極端天氣對水庫有機碳通量變化和收支平衡的影響非常有必要. 國內(nèi)外大量研究人員估算了水體有機碳通量[28-30]，但也存在采樣頻次低、點位少等情況，并且對于有機碳賦存量研究主要集中在沉積物碳庫方面[31]，而對水相碳儲量的研究較少.

千島湖是我國長三角地區(qū)最大的水資源儲存庫，是杭州市的飲用水源地，集發(fā)電、防洪、旅游等多功能的典型清澈深水山谷型水庫[32]，水質(zhì)保護要求高.但截至目前，有關(guān)千島湖水體有機碳的研究較少[33-34].1996年特大洪水導(dǎo)致千島湖出現(xiàn)極為突出的“污染峰”[35]，對水庫水質(zhì)造成了極大的影響，而2020年6-7月千島湖流域又出現(xiàn)了建庫以來(60年)最大的強降雨事件，這更加印證了研究極端降水對千島湖以及類似水體有機碳影響研究的必要性. 該研究擬利用2020年5-8月在千島湖布設(shè)的100個監(jiān)測點位有機碳監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期水質(zhì)理化和氣象水文數(shù)據(jù)，分析了千島湖有機碳時空分布特征及影響因子，并著重分析強降雨對大型水庫有機碳濃度、通量和儲量的影響，以期為類似地理環(huán)境背景下水庫的營養(yǎng)鹽管控和碳效應(yīng)評估提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

千島湖，又名新安江水庫，位于浙江省淳安縣(29°22'N～29°50'N、118°36'E～119°14'E)，是我國長三角地區(qū)最大的戰(zhàn)略水源地及杭州市飲用水水源[36]，具有發(fā)電、防洪、旅游等多種功能，流域植被覆蓋率較高[37]. 千島湖地處亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛，年均氣溫約17.3 ℃，年均降水量約為1 733 mm[36]，從新安江入口(街口斷面)到大壩縱長150 km，水面最寬處約50 km, 平均水深31.13 m，最大水深100 m，在水位達到108 m時，水面面積為573.33 km2，庫容為178.6×108m3. 千島湖的主要入湖河流有25條，包括新安江、東源港、武強溪等，其中最大入流為新安江，約占入庫徑流的2/3. 湖區(qū)徑流集中在5-9月，占全年徑流量的77%[38]. 千島湖雖然全湖平均水質(zhì)良好，但仍面臨水體富營養(yǎng)化風險，入湖河道、局部庫灣出現(xiàn)過藍藻水華[39]，部分庫灣春季硅藻生物量較高，優(yōu)良水質(zhì)的長期維持面臨挑戰(zhàn).

1.2 樣品采集與分析

在千島湖全湖布設(shè)100個點位進行采樣(見圖1).采樣時間分別為2020年5月27-28日、6月24-25日、7月21-22日和8月24-25日. 在100個點位均分別使用塞氏盤和手持式測深儀(SM-5A, 美國Speedtech公司)現(xiàn)場測量透明度(SD)和水深(WD)；使用重力采水器分別采集表層(0.5 m)、次表層(葉綠素最大層)、中層(溫躍層位置)和底層(距離底泥2 m)各1.5 L水樣(該研究數(shù)據(jù)均使用每個點位各層濃度的加權(quán)平均濃度值，垂向分布處除外)，低溫避光保存，帶回實驗室用于后續(xù)分析. 5-8月樣品數(shù)分別為326、341、353和344個.

圖 1 2020年5-8月千島湖采樣點的分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

水樣帶回室內(nèi)，12 h內(nèi)使用Whatman GF/F玻璃纖維膜(直徑45 mm、孔徑0.7 μm)過濾(每個樣品均通過未稱重和已烘干稱重的濾膜過濾). 原水、濾膜及濾后水立刻冷藏，及時進行測定和分析. 分析指標包括TOC、DOC、POC、Chla、CODMn、TN、TP、SS、OSS和ISS濃度.

TOC、DOC濃度采用高溫燃燒氧化法、使用multi N/C 2 100分析儀(德國耶拿公司)測定，即在水樣中添加2 mol/L鹽酸酸化(控制pH＜2)，將無機碳酸鹽分解成CO2以去除無機碳，注入高溫燃燒管(最高溫度可達950 ℃)中，分別對未過濾和過濾的樣品進行TOC和DOC濃度測定，二者之差為POC濃度.

水質(zhì)指標測定參考文獻[40]，GF/F濾膜上過濾而得的藻類細胞中Chla濃度使用熱乙醇提取、分光光度法測定(波長665 nm和750 nm)；CODMn濃度采用高錳酸鉀氧化滴定法測定；TN、TP濃度采取堿性過硫酸鉀消解，分別采用紫外分光光度法(波長210 nm)和鉬銻抗顯色分光光度法(波長700 nm)測定；GF/F濾膜濾得物的SS濃度測定利用105 ℃烘干重量法測得(4 h)，烘干后濾膜再用馬弗爐450 ℃灼燒4 h，稱重，損失部分為OSS濃度，剩余灰分為ISS濃度.

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1湖區(qū)劃分

根據(jù)水庫的水文形態(tài)特征及不同區(qū)域流域土地利用情況，將千島湖劃分為6個區(qū)域(見圖1)：安徽區(qū)(AH，n=5)、西北區(qū)(NW，n=17)、中心湖區(qū)(C，n=12)、東南區(qū)(SE，n=29)、東北區(qū)(NE，n=12)和西南區(qū)(SW，n=25)，其中AH、SW、NE三個區(qū)為河流區(qū)，NW為過渡區(qū). 由于流經(jīng)安徽區(qū)的新安江支流占新安江水庫的60%[38]，依次沿AH、NW、C和SE方向變化是新安江主流向.

1.3.2降水類型劃分

為探明降水強度對千島湖有機碳的影響，根據(jù)氣象部門關(guān)于降水強度的等級劃分標準，將日累計降水量25～50 mm定義為大雨、50～100 mm定義為暴雨、100～250 mm定義為大暴雨.

1.3.3有機碳通量和有機碳儲量的計算

為探討千島湖有機碳收支變化情況，根據(jù)式(1)計算有機碳通量(FTOC、FDOC、FPOC)：式中：F為有機碳通量，t；k為常數(shù)；ci為對應(yīng)點位的有機碳濃度，mg/L；Di為25條主要入庫河流和出庫流的流量，m3/s.

為計算千島湖全庫水體有機碳儲量，利用ArcGIS 10.3軟件以全湖100個點位為中心，將新安江水庫劃分為100個泰森多邊形，計算出每個區(qū)域面積，用式(2)計算有機碳儲量(RTOC、RDOC、RPOC).

式中：R為每個月千島湖全庫的水體有機碳儲量，t；Si為點位i的泰森多邊形面積，m2；Hi為點位i的水深，m.

1.3.4相關(guān)分析和空間插值

使用SPSS 23.0軟件進行有機碳和各參數(shù)之間的相關(guān)性分析(Spearman)以及非參數(shù)檢驗(Kruskal-Wallis)差異性；使用ArcGIS 10.3軟件進行Kriging插值，繪制有機碳濃度空間分布圖；利用Origin 2018、SPSS 23.0及Excel 2010軟件進行制圖和統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 水文氣象及水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)特征

2.1.1水文氣象條件的時間變化

5月采樣時間距離第一次大雨(日降雨量43 mm)間隔22 d；6月采樣時間距離第一次暴雨(84 mm)、大暴雨(123.5 mm)分別間隔22和5 d；7月采樣時間距離第二次大暴雨(121.9 mm)間隔14 d，且采樣前十余天只有少量降雨；8月幾乎無降雨〔見圖2(a)〕.

入庫流量對降雨事件響應(yīng)迅速，幾乎同步升高或滯后于降雨事件1～2 d. 受極端強降雨影響，千島湖7月8日平均出庫流量達7 090 m3/s〔見圖2(b)〕. 如圖2(c)所示，千島湖2020年5-8月的平均氣溫分別為23.0、25.9、26.9和30.1 ℃，總降雨量分別為240.4、528.8、509.7和25.8 mm，6月、7月的總降雨量約占歷史平均全年降雨量的2/3.

2.1.2水質(zhì)參數(shù)的時間變化

整體上6月后各水質(zhì)參數(shù)(TN和SD除外)濃度都明顯(P＜0.01)升高，7月Chla、SS、OSS、ISS和TP濃度均處于研究期間的最高水平. 其中，5-7月SS和ISS濃度不斷升高(P＜0.05)，8月顯著降低(P＜0.01)；SD則相反，5-7月逐漸降低而8月升高. 此外，與7月相比，8月各水質(zhì)參數(shù)(CODMn和SD除外)濃度都明顯(P＜0.01)降低(見表1).

2.1.3水質(zhì)參數(shù)的空間變化

5-8月TN、TP、SS和ISS濃度具有相似的空間變化趨勢，即安徽區(qū)到東南區(qū)逐漸下降(見圖3). 7月上述參數(shù)濃度下降較快且濃度明顯高于其余3個月，安徽區(qū)顯著較高，分別是東南區(qū)的2、3、9和17倍. SD相反，安徽區(qū)到東南區(qū)具有上升趨勢，河流區(qū)(東北區(qū)、西南區(qū))開始降低. CODMn濃度在安徽區(qū)到東南區(qū)有一定的下降趨勢，OSS和Chla濃度處于波動變化并且變化趨勢相似.

2.2 有機碳濃度的時空變化

2.2.1有機碳濃度的時間分布特征

圖 2 2020年5—8月千島湖日降雨量、出入庫流量總降雨量和平均氣溫的變化情況Fig.2 Variation of daily rainfall, flow (i.e., inflow and outflow), total rainfall and mean temperature in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

表 1 2020年5—8月千島湖各水質(zhì)參數(shù)的變化Table 1 Variation of water quality parameters in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

研究期間TOC、DOC濃度最大值出現(xiàn)在7月，且顯著高于其余3個月(P＜0.01)，7月后顯著降低(P＜0.01)，而POC濃度有逐漸升高趨勢(見圖4)；5-7月3種有機碳雖呈逐漸升高趨勢，但5月、6月濃度相差不大(P＞0.05). 研究期間TOC濃度范圍為1.19～3.94 mg/L，平均值為(2.06±0.48) mg/L；DOC濃度范圍為0.91～3.25 mg/L，平均值為(1.73±0.39) mg/L；POC濃度范圍為0～1.35 mg/L，平均值為(0.33±0.21) mg/L.

千島湖夏季DOC濃度平均值(1.78 mg/L)低于密云水庫(2.61 mg/L)[9]、水布埡水庫(2.22 mg/L)[7]、三峽庫區(qū)(3.86 mg/L)[21]、Tingalpa淺水水庫(暴雨導(dǎo)致雨季月均值為14.3 mg/L)[41]、東湖(7.31 mg/L)[2]等湖泊水庫；POC濃度(0.33 mg/L)也遠小于博斯騰湖(0.71 mg/L)[17]、巢湖(最低平均濃度1.38 mg/L)[42]等湖泊，這可能與千島湖良好的水質(zhì)狀況和高森林覆蓋率以及高水土保持等條件有關(guān)[37].

2.2.2有機碳濃度的空間分布特征

垂向分布上，5-8月TOC、DOC、POC濃度的垂直分布都具有表層＞中層＞底層的規(guī)律(見圖5).

圖 3 2020年5—8月千島湖各水質(zhì)參數(shù)的空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of water quality parameters in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

圖 4 2020年5—8月千島湖有機碳濃度的月變化特征Fig.4 Monthly variation characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

水平分布上，5-7月有機碳濃度高值沿新安江入庫水流向逐漸降低(見圖6)，整體具有河流區(qū)到湖泊區(qū)逐漸降低趨勢，并且5-7月有機碳濃度高值在全庫的分布范圍逐漸擴大. 其中，5月DOC濃度高值沿新安江主線路輸移到三潭島，6月擴散到大壩，7月擴散到全庫. 此外，5-7月POC濃度高值的輸移距離始終小于DOC濃度. 8月DOC濃度高值主要集中在東南區(qū)、東北區(qū)和西南入庫區(qū)，POC濃度高值主要集中在中心區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū).

2.3 有機碳通量和碳儲量

圖 5 2020年5—8月千島湖有機碳濃度的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

新安江是千島湖全庫25條主要入庫河流有機碳碳通量的重要貢獻河流，研究期間3種有機碳通量平均值都約占全庫總?cè)霂焯纪康?9%，并且與總?cè)霂焯纪康淖兓厔輲缀跻恢?，?-7月逐漸升高而8月降低的特征〔見圖7(a)〕. 具體來說，5-8月總?cè)霂霧TOC分別為2 863、9 796、11 122和268 t，5-7月FTOC分別是8月的11、36、41倍，F(xiàn)DOC分別為2 252、8 064、9 300和217 t，F(xiàn)POC分別為610、1 732、1 823和52 t.

全庫水體有機碳儲量如圖7(b)所示，研究期間3種有機碳儲量平均值分別為44 611、38 452和6 159 t，RDOC占RTOC的86%，結(jié)合DOC濃度與POC濃度的比值(約為5)，表明DOC是千島湖水體有機碳的主要組成部分. 5-8月RTOC分別為37 300、41 724、59 399和40 023 t，RDOC分別為33 089、36 428、52 874和31 419 t，RPOC分 別為4 212、5 296、6 525和8 604 t.5-8月總?cè)霂霧TOC分別占RTOC的7.7%、23.5%、18.7%和0.7%，6月和7月入庫通量均約占當月全庫儲量的1/5，分別是8月的35和28倍.

2.4 千島湖有機碳濃度時空分布的影響因素

Spearman相關(guān)分析表明，千島湖DOC、POC濃度均與Chla、CODMn、SS、OSS和TP濃度呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01，見表2和圖8)，說明這些水質(zhì)參數(shù)是影響千島湖有機碳濃度和分布的關(guān)鍵因素. 在千島湖中，Chla和OSS濃度主要表征浮游植物的生物量，因此Chla、OSS濃度均與DOC、POC濃度呈極顯著線性正相關(guān)(P＜0.01)，表明浮游植物內(nèi)源生產(chǎn)是千島湖有機碳的關(guān)鍵來源[43]. 千島湖的研究結(jié)果符合傳統(tǒng)認知，即浮游植物的內(nèi)源釋放是湖庫有機碳的主要來源之一[9]. 鑒于此，千島湖有機碳濃度的時空分布受浮游植物光合作用強度的影響. 因此，可以直接或間接影響浮游植物生物量的環(huán)境條件(如TP)，也會成為影響千島湖有機碳濃度時空分布的顯著因子之一.

另一方面，湖庫水體有機碳也來自陸源有機物輸入，即降雨對流域的沖刷作用也是影響湖庫有機碳的關(guān)鍵因素[7]. 對千島湖而言，DOC、POC濃度與ISS濃度均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05) (見表2)，而已有研究[38]發(fā)現(xiàn)，千島湖ISS濃度主要與泥沙含量有關(guān)，這主要受到河流入庫等外源輸入影響. 綜合說明千島湖有機碳濃度與外源性有機物輸入具有顯著關(guān)聯(lián)性. 另外，DOC、POC濃度均與SD呈顯著線性負相關(guān)(P＜0.01)(見圖8). 實質(zhì)上，SD反應(yīng)了藻類濁度(即Chla濃度)和非藻類濁度(如ISS濃度)的綜合效應(yīng)[44]，因此有機碳濃度與SD的反相關(guān)，反映出千島湖有機碳濃度的變化受內(nèi)源藻類生長和外源輸入的綜合影響.

降雨是外源性有機碳輸入的重要驅(qū)動力，尤其是強降雨過程帶來的流域沖刷作用[21,26]. 筆者研究發(fā)現(xiàn)，強降雨過程將大量陸源有機物沖入千島湖，對有機碳濃度的時空分布產(chǎn)生較大影響. 降水對不同區(qū)域的影響不同，對入庫河流區(qū)的沖刷影響較大，對湖泊庫區(qū)影響較小. 具體來說，5-7月千島湖有機碳濃度的高值都出現(xiàn)在新安江入庫河流附近水域，而遠離新安江入庫口區(qū)域有機碳濃度相對較低(如大壩、中心湖區(qū)等)(見圖6). 相比較而言，POC濃度輸移距離始終小于DOC濃度(見圖6)，主要是由于POC通過坡面流與泥沙耦合運移，而DOC通過坡面流和地下流與水耦合運移，導(dǎo)致二者有不同的流路[45]. 此外，5-7月有機碳濃度的高值隨湖流輸移分別到三潭島、大壩和全庫(見圖6)，說明月間高值的輸移距離不同，這可能是由于采樣與降雨事件的時間間隔及降雨強度存在差異導(dǎo)致的[46].

圖 6 2020年5—8月千島湖有機碳濃度的空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

同時，該研究還發(fā)現(xiàn)，距大暴雨事件較近的6月，DOC、POC濃度與Chla濃度的相關(guān)系數(shù)均小于5月(見表2)，這可能與強降水導(dǎo)致水體SD降低，以及水體穩(wěn)定性較差等不利于浮游植物生長有關(guān)[17]. 相對地，在基本無降雨的8月，遠離河口的中心區(qū)與東南區(qū)有機碳濃度相對較高，這可能與無降雨影響水動力條件(如相對較低的流速)，以及高溫利于藻類生長產(chǎn)生內(nèi)源釋放有關(guān)[22]. 另外，淳安縣居民區(qū)生活污水的排放也可能是促進上述區(qū)域藻類生長及有機碳濃度進一步增加的重要原因[34]. 綜上，千島湖有機碳濃度的時空分布主要與藻類生長過程和流域外源輸入過程有關(guān). 其中，浮游植物生長過程受營養(yǎng)鹽、透明度、溫度等多種因素的綜合影響，而流域外源輸入主要與降水有關(guān)，尤其是強降雨過程.

2.5 降雨對千島湖有機碳濃度和通量的影響

圖 7 2020年5—8月千島湖有機碳通量和碳儲量隨月份的變化Fig.7 Monthly variation of organic carbon flux and carbon storage in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

表 2 2020年5—8月有機碳濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between organic carbon concentration and environmental factors from May to August in 2020

圖 8 2020年5—8月有機碳濃度與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析(n=400)Fig.8 Correlation analysis between organic carbon concentration and water quality parameters from May to August in 2020(n=400)

調(diào)查期間，5月采樣前發(fā)生了4次大雨、多次小雨，6月臨近采樣前發(fā)生了暴雨和大暴雨，7月采樣前十余天發(fā)生過暴雨和大暴雨，8月幾乎無降雨. 筆者研究表明，有機碳濃度對不同降雨強度的響應(yīng)明顯不同. 具體來說，千島湖非雨季時DOC的背景濃度為1.24 mg/L(筆者所在課題組未發(fā)表的數(shù)據(jù))；相比較而言，5月DOC濃度增幅為28%(1.59 mg/L)，這與千島湖以往研究中30次暴雨事件的DOC濃度平均值相差較小(1.55 mg/L)[33]，說明持續(xù)性大雨將大量外源有機質(zhì)沖進水體[21,26]. 與5月相比，6月千島湖DOC濃度增幅 (1.3%，P＞0.05)較小. 究其原因可能是：①千島湖流域的水土保持率較高[37]；②大量雨水的稀釋作用[47]以及水動力條件不利于內(nèi)源生產(chǎn)；③水力停留時間短，外來有機碳難以在湖泊中滯留[20]. 值得一提的是，同樣發(fā)生了強降水的7月，DOC濃度卻顯著升高(40%，P＜0.01)，這可能是由于強降雨帶來的地表有機碳和營養(yǎng)鹽擴散到全庫(見圖7)[46]，且采樣前十余天只有少量降雨，水動力條件和相對高溫有利于浮游植物生長，從而引起碳滯留和大量內(nèi)源有機碳的產(chǎn)生(DOC、POC濃度與Chla濃度的相關(guān)性均大于6月，見表2).此外，該現(xiàn)象可能也與降雨強度和降雨頻次對流域水土保持的嚴重破壞存在某個臨界點有關(guān). 相對地，幾乎無降雨的8月DOC濃度顯著低于7月(P＜0.01)，這可能是由于降雨后更高的溫度往往會提高微生物活性，從而導(dǎo)致有機碳的分解大于累積[17].

分析降雨對有機碳通量的影響可能更具有科學和現(xiàn)實意義[2,48]. 強降雨期間，來自流域的外來碳會顯著影響湖泊碳收支[26]. 強降雨及其伴隨的高流量是千島湖有機碳通量升高的關(guān)鍵控制因子[48]，并且高入庫碳通量會對全庫水體碳儲量產(chǎn)生強烈沖擊. 雖然6月有機碳濃度與5月相比僅略微增加，但6月的總?cè)霂霻OC通量是5月的3.4倍且達到顯著水平(P＜0.01)，這是由于6月更大的入湖流量所致[18]. 從數(shù)值比例來看，有暴雨及大暴雨的6-7月入庫TOC通量分別是8月的36和41倍，都約占當月全庫水體碳儲量的1/5，所占比例分別是未降雨月份(8月)的35和28倍；由于強降雨的影響，月間出庫碳通量差異也較大，7月3種有機碳的總?cè)霂焱颗c出庫通量差值均為負值，說明開閘泄洪使水庫階段性表現(xiàn)出有機碳碳源功能(以往研究中千島湖常作為DOC碳匯)[33]. 相比較而言，7月新安江入庫和出庫DOC通量分別是千島湖以往研究中年入庫和年出庫通量的39%和1.43倍[33]，這與國外一些研究中風暴事件導(dǎo)致森林流域、溪流等DOC輸出占全年的24%～50%[49-50]相當.但是，千島湖有機碳對強降雨的響應(yīng)程度遠超英國泥炭地集水區(qū)[48]、青藏高原泥炭地排水溝[45]、西江[18]等地的有機碳對洪水過程的響應(yīng).

氣候變化背景下，極端降雨事件可能會更加頻發(fā)[51].同樣需要關(guān)注的是，極端降雨帶來的碳、氮、磷是同步輸入的(見表1)，這會為藻類生長提供大量的生源要素，加之降雨過后的高溫以及平靜的水動力條件(一般夏季)，十分有利于藻類異常增殖，這可能導(dǎo)致貧營養(yǎng)水庫發(fā)生水華[27]，從而引起藻毒素、異味物質(zhì)等多種經(jīng)濟生態(tài)負面效應(yīng). 此外，強降水會帶來更多的外源有機碳，這會增加水處理成本和消毒副產(chǎn)物的形成風險[10]. 綜上，筆者認為，人們需要額外關(guān)注極端氣候事件對水庫碳循環(huán)和水生態(tài)的影響，同時需要構(gòu)建相關(guān)應(yīng)急防控體系. 強降雨事件對千島湖水體有機碳濃度、分布、通量和儲量均影響較大，探究其變化規(guī)律及影響因素對于全球碳循環(huán)的認識與研究具有重要意義.

3 結(jié)論

a) 2020年5-8月千島湖全湖水體TOC、DOC和POC濃度的平均值分別為2.06、1.73和0.33 mg/L，隨著強降雨開始，5-7月TOC、DOC濃度呈逐漸上升趨勢，而雨量急劇下降的8月，其濃度均顯著下降；水平分布上，5-7月有機碳濃度高值具有河流區(qū)到湖泊區(qū)逐漸降低的趨勢.

b) 新安江入庫碳通量約占全庫25條主要河流總?cè)霂焯纪康?9%；強降雨及其伴隨的高流量是有機碳通量升高的關(guān)鍵控制因子，并且對全庫水體碳儲量產(chǎn)生強烈沖擊. 降雨期間5-7月總?cè)霂霧TOC分別是8月的11、36和41倍；6月、7月入庫碳通量都約占當月全庫水體碳儲量的1/5，所占比例分別8月的35和28倍；RDOC約占RTOC的86%，DOC是千島湖水體有機碳的主要儲存形式.

c) 浮游植物內(nèi)源生產(chǎn)及外源輸入均是千島湖有機碳的重要來源，有機碳濃度的時空分布受水文和氣象因素的綜合影響，其中強降雨過程是關(guān)鍵的驅(qū)動因素.