異養(yǎng)細(xì)菌作用下巖溶水體惰性有機(jī)碳變化及其環(huán)境影響因素分析

何若雪, 李 強(qiáng), 于 奭, 孫平安

1)成都工業(yè)學(xué)院, 四川成都 611730;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004

2020年聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上, 我國(guó)承諾力爭(zhēng)在 2030年前達(dá)到 CO2排放峰值, 努力爭(zhēng)取 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。已有研究表明, 2010—2019年平均每年的碳收支不平衡量達(dá) 0.1×1015gC·yr-1(Friedlingstein et al., 2020)。尋找遺失碳匯是平衡大氣CO2收支的關(guān)鍵問題。除海洋和大氣外, 陸地生態(tài)系統(tǒng)是最有可能的容納匯, 其中巖石風(fēng)化由于其時(shí)間尺度、化學(xué)反應(yīng)速率和穩(wěn)定性問題, 在全球碳收支評(píng)估中的角色和地位一直被低估(蒲俊兵等,2015), 尤其是碳酸鹽巖風(fēng)化。近年來, 大量研究表明巖溶水體中的浮游植物可以利用巖溶水高濃度的作為碳源進(jìn)行光合作用, 并將其轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳(POC, Particulate Organic Carbon)沉降。但也有研究指出, 大部分POC在沉降途中即被降解轉(zhuǎn)化為 CO2, 以至每年最終埋藏的有機(jī)碳大約僅為初級(jí)生產(chǎn)力的0.1%(Jiao and Zheng, 2011; Stocker et al.,2013)。除顆粒有機(jī)碳外, 溶解有機(jī)碳(DOC, Dissolved Organic Carbon)也是水體有機(jī)碳存在的主要形式, 其中 95%是“生物難以降解”的惰性溶解有機(jī)碳(RDOC, Recalcitrant Dissolved Organic Carbon),可以在深層水體中保存數(shù)千年, 形成長(zhǎng)期碳儲(chǔ), 在全球碳循環(huán)中起到重要作用(張傳倫等, 2019), 而可以被水體微生物降解和利用的 DOC即為生物有機(jī)碳(BDOC, Bioavailable Dissolved Organic Carbon)。為此, 焦念志基于海洋中微型生物生態(tài)過程的研究提出了“微型生物碳泵”理論, 指出異養(yǎng)微型生物在利用 DOC的同時(shí), 會(huì)產(chǎn)生部分 RDOC, 是海洋RDOC的主要貢獻(xiàn)者(Jiao et al., 2010)。

異養(yǎng)細(xì)菌利用有機(jī)質(zhì)進(jìn)行呼吸作用, 維持異養(yǎng)生長(zhǎng)(張霞等, 2012), 是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 是水體有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)者(王海麗等, 2020)。研究表明, 海洋中約有200億噸浮游植物釋放的有機(jī)碳被異養(yǎng)細(xì)菌迅速吸收利用, 是海洋碳循環(huán)的重要組成部分(Williams, 1998)。其中,好氧不產(chǎn)氧光合異養(yǎng)細(xì)菌(AAPB, Aerobic Anoxygenic Phototrophic Bacteria)由于其獨(dú)特的生態(tài)功能,受到廣泛關(guān)注。1979年, Shiba在日本海灣首次發(fā)現(xiàn)了好氧不產(chǎn)氧光合異養(yǎng)細(xì)菌(Shiba et al., 1979),AAPB保留了不發(fā)達(dá)的光合系統(tǒng), 好氧異養(yǎng)兼有光合作用, 在依靠呼吸消耗有機(jī)質(zhì)維持生長(zhǎng)代謝的同時(shí), 還能以光能作為補(bǔ)充, 光合作用產(chǎn)生的ATP(Adenosine Triphosphate)既減少其呼吸代謝的能量需求, 還增加了進(jìn)入細(xì)胞的DOC量, 在減少呼吸作用對(duì)現(xiàn)有有機(jī)碳消耗的同時(shí)使更多 DOC留存在水體中。另一方面, 有研究表明AAPB細(xì)胞表面的黏性使其更易與其他顆粒物形成聚合物沉降, 加強(qiáng)基于沉降的生物泵作用(焦念志等, 2011)。

已有研究表明, 異養(yǎng)細(xì)菌更傾向于利用浮游植物產(chǎn)生的 DOC(張海涵等, 2020), 而巖溶水偏堿和高含量的特征為浮游植物提供了充足的無機(jī)碳源(Liu and Dreybrodt, 2015; 楊明星等, 2017), 對(duì)浮游植物產(chǎn)生施肥效應(yīng), 使其生物量增大, 進(jìn)而使流域內(nèi)源有機(jī)碳比例增大(韓翠紅等, 2020), 為異養(yǎng)細(xì)菌提供豐富的有機(jī)質(zhì)底物。但目前對(duì)惰性有機(jī)碳的研究主要集中于海洋(L?nborg et al., 2018)、河口(Dang and Jiao, 2014)、土壤(Liang and Balser, 2011;Liang et al., 2017; Roth et al., 2019)。李強(qiáng)等(2019)對(duì)巖溶水體惰性有機(jī)碳的存在機(jī)理進(jìn)行探討, 認(rèn)為巖溶筑壩河流中存在“生物惰性有機(jī)碳”。肖瓊等(2020)對(duì)漓江惰性有機(jī)碳進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明漓江地表水體有平均2.42 mg·L-1的RDOC, 且受DOC濃度和水生生物活動(dòng)影響, 存在明顯的時(shí)空變化。盡管異養(yǎng)細(xì)菌的生物量和初級(jí)生產(chǎn)力均受到環(huán)境影響, 但其在環(huán)境因子的影響下如何變化需要進(jìn)一步探討。

為此, 本文于2016年6月和9月對(duì)廣西壯族自治區(qū)柳江進(jìn)行了監(jiān)測(cè)采樣和室內(nèi)培養(yǎng), 利用δ14C示蹤法進(jìn)行初級(jí)生產(chǎn)力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、利用熒光實(shí)時(shí)定量PCR法測(cè)定研究區(qū)細(xì)菌基因豐度、利用原位微生物法進(jìn)行RDOC培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 并結(jié)合水體理化性質(zhì)對(duì)流域內(nèi)浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力、細(xì)菌豐度和RDOC的變化和相互作用進(jìn)行探討, 以期為巖溶水體惰性有機(jī)碳研究提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

柳江位于廣西壯族自治區(qū)北部(圖1), 流域面積 5.84×104km2, 年平均流量 1.28×103m3·s-1。碳酸鹽巖分布面積 4.93×103km2, 主要分布于流域西南一側(cè), 流域內(nèi)出露地層主要包括: 晚泥盆系灰?guī)r(D3)、早石炭系大塘組灰?guī)r(C1d、C1d3)、中石炭系灰?guī)r(C2d)、晚石炭系灰?guī)r(C3)、晚二疊系碳酸鹽巖夾碎屑巖(P2d、P2h)、早三疊紀(jì)碎屑巖夾碳酸鹽巖(T1)、白堊系下統(tǒng)碎屑巖夾碳酸鹽巖、第四系更新世(Q、Qp)、全新世(Qh)松散巖類。柳州市工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá), 人口集中, 是廣西最大的工業(yè)城市。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig. 1 A sketch of the sampling site

本研究選取柳州市廣雅大橋(A點(diǎn))、紅花水電站壩后(B點(diǎn))和紅花水電站壩前(C點(diǎn))三個(gè)斷面(圖1), 分別于2016年6月和9月在各采樣點(diǎn)進(jìn)行分層(0m、-5m、-10 m)采樣和監(jiān)測(cè)。

1.2 研究方法

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

水體物理性質(zhì)監(jiān)測(cè)利用法國(guó) Ponsel公司ODEON多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水體水溫(WT)、溶解氧(DO)濃度、pH 值、電導(dǎo)率(EC), 精度分別為 0.1℃、0.01 mg·L-1、0.01個(gè) pH 單位、1 μS·cm-1; 利用YSI EXO2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定濁度、葉綠素a濃度, 精度分別為0.01 FNU、0.01 ng·L-1。

初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)定將過濾水樣(3 μm)和未過濾水樣分別裝入經(jīng)過滅菌處理的西林瓶中, 加入標(biāo)記過的NaH14CO3作為示蹤劑, 進(jìn)行48 h原位懸掛培養(yǎng)后, 過濾出水樣中的顆粒有機(jī)質(zhì)并測(cè)定其δ14C放射性強(qiáng)度, 分別計(jì)算得到水體細(xì)菌及總浮游生物的固碳速率, 計(jì)算公式(國(guó)家海洋局 908專項(xiàng)辦公室,2006)如下:

其中,DMP為同位素計(jì)數(shù)率,DMPlive為所測(cè)樣品計(jì)數(shù)率,DMPkill為加入 HgCl2后無生物作用的計(jì)數(shù)率背景值,DMPorg為碳源本底計(jì)數(shù)率,DIC為水體溶解無機(jī)碳濃度,T為實(shí)際培養(yǎng)時(shí)間。

1.2.2 采樣及樣品測(cè)試

水化學(xué)樣品用于主要溶解離子、TOC、DOC測(cè)試的水樣儲(chǔ)存在 596 mL聚乙烯采樣瓶中, 每次采樣前用水樣清洗采樣瓶3～4次。陰離子采用離子色譜儀(861 Advanced Compact IC Metrohm)進(jìn)行測(cè)試, 陽離子采用ICP-OES光譜儀進(jìn)行測(cè)試, 精度均為0.01 mg·L-1, 測(cè)試工作在自然資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

碳同位素樣品利用直徑47 mm的GF/F濾膜(0.65 μm)過濾水樣并記錄過濾體積。將濾膜置于裝有濃鹽酸的干燥皿熏蒸24 h去除無機(jī)碳后, 用去離子水將濾膜清洗至中性后置于 50℃烘箱中 12 h恒溫烘干, 送樣至國(guó)家海洋局第三海洋研究所測(cè)試。

微生物樣品利用經(jīng)滅菌處理的直徑47 mm混合濾膜(0.22 μm)過濾水樣并記錄體積, 濾膜用于微生物DNA提取。DNA提取采用MP(USA)公司土壤DNA快速提取試劑盒(Fast DNA? SPIN KIT FOR SOIL), 按操作進(jìn)行。利用Realtime PCR實(shí)時(shí)熒光定量 PCR方法測(cè)定水體細(xì)菌和 AAPB豐度, 細(xì)菌16S rRNA基因和AAPB pufM光合基因定量PCR定量體系和反應(yīng)程序見表1。

表1 細(xì)菌16S rRNA基因和AAPB pufM光合基因定量PCR定量體系和反應(yīng)程序Table 1 The realtime qPCR formula and its reaction procedures of 16S rRNA and pufM gene

1.2.3 惰性有機(jī)碳培養(yǎng)

惰性有機(jī)碳培養(yǎng)參考 Mermillod-Blondin et al.(2015)的方法。將過濾水樣(47 mm 混合膜, 孔徑0.22 μm)裝入經(jīng)滅菌處理的玻璃試劑瓶中, 以1: 100的比例加入研究區(qū)原生接種液, 進(jìn)行恒溫暗培養(yǎng)。每組樣品設(shè)置1個(gè)同比例加入接種液的超純水樣和1個(gè)不加入接種液的超純水樣以減少實(shí)驗(yàn)誤差。每30天測(cè)試一次水體DOC濃度, 直到前后兩次測(cè)試的DOC濃度變化幅度小于5%, 即認(rèn)為此時(shí)的DOC為生物難以利用的惰性有機(jī)碳。DOC濃度采用總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行測(cè)定, 每 10個(gè)樣品后插入一個(gè)空白水樣, 并隨機(jī)加測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行空白測(cè)定和質(zhì)量控制。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試 2次, 保證變異系數(shù)小于1%, 取平均值作為此次培養(yǎng)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 水化學(xué)特征

研究區(qū)WT介于23.84～30.88 ℃之間, pH介于7.58～8.02 之間, EC 介于 86.9～218.9 μS·cm-1之間,三者均呈豐水期低、平水期高的趨勢(shì)(圖2a), 但平水期 A點(diǎn) WT和 pH值最低, EC最高。DO介于6.16～8.34 mg·L-1之間, 濁度介于 3.62～28.91 之間,均表現(xiàn)為豐水期高、平水期低, 其中平水期B點(diǎn)DO濃度最高、A點(diǎn)濁度最高。

圖2 研究區(qū)RDOC 濃度、水體理化性質(zhì)、生物效應(yīng)及碳源情況Fig. 2The RDOC concentration, hydrochemical parameter, biological parameter, andcarbonsources at the studyarea

研究區(qū)水化學(xué)類型為HCO3-Ca型, Ca2+為主要陽離子, 占平均總陽離子的72.88%, Mg2+為次要陽離子, 占19.09%;為主要陰離子, 占平均總陰離子的80.93%,為次要陰離子, 占11.39%。除Na+和 Cl-外, 各水體溶解離子濃度均表現(xiàn)為豐水期低、平水期高(圖2d)。

2.2 細(xì)菌16S rRNA和AAPB pufM光合基因豐度

研究區(qū)細(xì)菌 16S rRNA 基因豐度(圖2c)介于2.17×105～18.97×105copies·L-1之間, 豐水期平均值為 2.62×105copies·L-1, 平水期為 9.56×105copies·L-1,且表現(xiàn)為B點(diǎn)豐度最高。

pufM基因豐度(圖2c)介于0.21×104～1.46×104copies·L-1之間 ,豐水期平均值為0.50×104copies·L-1, 平水期為 0.68×104copies·L-1, 表現(xiàn)為B點(diǎn)最高。

2.3 總浮游生物、細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力

研究區(qū)浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力(圖2c)介于10.02～354.50 μgC·L-1·h-1之間, 豐水期平均值為302.88 μgC·L-1·h-1, 平水期為 166.39 μgC·L-1·h-1,表現(xiàn)為豐水期高、平水期低, 平水期表現(xiàn)為B點(diǎn)最高、C點(diǎn)最低。

細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力(圖 2c)介于 2.69～56.59 μgC·L-1·h-1之間,豐水期平均值為19.28 μgC·L-1·h-1, 平水期為 36.49 μgC·L-1·h-1, 表現(xiàn)為豐水期低、平水期高, 平水期C點(diǎn)初級(jí)生產(chǎn)力最低。細(xì)菌生產(chǎn)力占總浮游生物生產(chǎn)力的5.58%～32.16%, 豐水期平均占 6.47%, 平水期平均占23.81%。

2.4 有機(jī)碳分布特征

研究區(qū) DOC 濃度(圖2b)介于 2.10～3.58 mg·L-1之間, 豐水期平均值為 3.14 mg·L-1, 平水期為2.73 mg·L-1, 表現(xiàn)為 B 點(diǎn)最低。TOC 濃度介于2.38～3.82 mg·L-1之間, 豐水期平均值為 3.32 mg·L-1,平水期為3.37 mg·L-1, 表現(xiàn)為C點(diǎn)最低。POC濃度介于 0.27～1.55 mg·L-1之間, 豐水期平均值為0.93 mg·L-1, 平水期為0.65 mg·L-1, 表現(xiàn)為 B 點(diǎn)最高。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)(表2), 最終得到研究區(qū) BDOC濃度介于 0.21～1.80 mg·L-1之間, 豐水期平均值為1.31 mg·L-1, 平水期為 0.87 mg·L-1, 無明顯的沿流程變化趨勢(shì)。RDOC濃度介于 1.46～2.66 mg·L-1之間, 豐水期平均值為 1.83 mg·L-1, 平水期為1.86 mg·L-1, 且表現(xiàn)為A點(diǎn)最高。RDOC占總DOC的 48.16%～92.61%, 豐水期平均占 60.78%, 平水期占67.99%, 表現(xiàn)為A點(diǎn)最高。

表2 研究區(qū)DOC、BDOC、RDOC含量Table 2 Concentration values of DOC, BDOC, and RDOC

2.5 環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳的影響分析

研究區(qū) RDOC和 BDOC均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和空間變化特征(圖2), 與各環(huán)境因子間無直接的相關(guān)關(guān)系, 但其變化趨勢(shì)與部分環(huán)境因子呈一定的響應(yīng)關(guān)系。為分析各環(huán)境因子對(duì)流域內(nèi)RDOC的具體影響, 利用 SPSS20.0對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析(表3)。

表3 各環(huán)境因子的載荷及方差貢獻(xiàn)率Table 3 Component loading and variance contribution rate of the influential factors

經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后, 獲得四個(gè)特征值大于 1的主成分(PC1、PC2、PC3、PC4), 其方差貢獻(xiàn)率分別為39.19%、37.92%、8.93%、8.63%, 累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)94.66%。

與PC1相關(guān)性最高的是pH、T、葉綠素a濃度、Cl-, 主要反應(yīng)水體物理性質(zhì)及浮游植物的影響。與PC2相關(guān)性最高的是 Ca2+、、EC、Mg2+和, 主要反應(yīng)流域內(nèi)硫酸參與的碳酸鹽巖風(fēng)化。與PC3相關(guān)性最高的是細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力和總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力。與PC4相關(guān)性最高的是TOC濃度和DOC濃度。綜上, PC1的部分因子和PC3、PC4代表研究區(qū)浮游生物和細(xì)菌的生物效應(yīng)對(duì)RDOC的影響; PC1和PC2的部分因子代表水體理化性質(zhì)的影響; PC4也代表流域內(nèi)有機(jī)碳情況對(duì)RDOC的影響。因此, 通過研究區(qū)生物效應(yīng)、碳源和水體理化性質(zhì)的分析, 可探討在環(huán)境因子影響下研究區(qū)惰性有機(jī)碳的響應(yīng)機(jī)制。

3 討論

3.1 生物效應(yīng)對(duì)惰性有機(jī)碳的影響

浮游植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)碳是水體內(nèi)源有機(jī)碳的主要來源, 也是細(xì)菌代謝所需有機(jī)質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者, 而異養(yǎng)細(xì)菌是RDOC的主要貢獻(xiàn)者, 因此浮游植物及細(xì)菌的生物量和活性可能是影響水體惰性有機(jī)碳含量的重要影響因素。

研究區(qū)細(xì)菌豐度、細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力均表現(xiàn)出豐水期低、平水期高的季節(jié)變化特征, 與RDOC濃度變化特征一致(圖2c), 表明細(xì)菌豐度越高、初級(jí)生產(chǎn)力越高, RDOC濃度越高, 即作為RDOC的主要貢獻(xiàn)者, 細(xì)菌代謝活動(dòng)越強(qiáng), 其產(chǎn)生的 RDOC越多。

然而對(duì)RDOC濃度、細(xì)菌豐度和細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行多元線性回歸分析得到式(1):

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與觀察到的季節(jié)變化趨勢(shì)相反。主要是由于平水期細(xì)菌豐度的空間變化特征與RDOC 濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2= -902,p＜0.05)。B點(diǎn)細(xì)菌和AAPB豐度最高但RDOC濃度最低, A點(diǎn)細(xì)菌和AAPB豐度較低但RDOC含量高,這一現(xiàn)象可能是水庫(kù)筑壩所致。B點(diǎn)位于水庫(kù)壩后,一般而言, 筑壩使水體流動(dòng)速度明顯變緩, 有利水生生物生長(zhǎng)繁殖, 因此庫(kù)區(qū)DOC濃度最高, 較高的DOC濃度可為異養(yǎng)細(xì)菌提供充足的有機(jī)質(zhì), 產(chǎn)生的RDOC也相應(yīng)增多, 這在丁冰嵐(2021)和肖瓊等(2020)對(duì)大沽河和漓江的研究中得到證實(shí)。平水期B點(diǎn)葉綠素a濃度、細(xì)菌豐度、總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力及細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力均較高, 也表明較緩的流速有利于水生生物生長(zhǎng)代謝。然而, 圖2c可見, 平水期B點(diǎn)的DOC和RDOC濃度明顯最低。較緩的流速也有利于有機(jī)質(zhì)沉降, 尤其部分細(xì)菌的胞外黏性分泌物使其更易形成較大聚合物, 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)留存的DOC也隨之沉降(Shi et al., 2010)。研究結(jié)果(圖2b, c)表明, 平水期A點(diǎn)和B點(diǎn)總浮游生物和細(xì)菌的初級(jí)生產(chǎn)力大致相同, TOC濃度也較接近, 但B點(diǎn)DOC濃度明顯最低、POC濃度最高, 表明該點(diǎn)浮游生物生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)大部分形成沉降, 水體中部分RDOC也隨之沉降, 留存的DOC較少, RDOC濃度也較低。汪旋等(2020)對(duì)太湖沉積物有機(jī)碳組分的研究表明惰性有機(jī)碳增加了沉積物TOC含量, 是沉積物碳庫(kù)中較為穩(wěn)定的組分。

異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)主要依靠?jī)?nèi)源有機(jī)質(zhì), 浮游植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)為異養(yǎng)細(xì)菌代謝提供充足的碳源, 二者可能呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(樂鳳鳳等,2015; Ofrat et al., 2015; 賀成等, 2019)。但異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)也依賴于無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽, 因此二者也相互爭(zhēng)奪必須的養(yǎng)分, 產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)抑制(周進(jìn)等, 2016)。多元線性回歸分析得到式(2),R2較小(0.37), 表明浮游植物對(duì)RDOC可能更多地產(chǎn)生間接影響。

浮游植物利用DIC生成有機(jī)質(zhì)和氧氣, 因此往往采用葉綠素a和DO濃度表征生物量和生物碳泵效應(yīng)強(qiáng)度(Beaver et al., 2018)。研究區(qū)葉綠素a濃度呈豐水期低、平水期高的季節(jié)變化特征(圖2c), 一方面平水期水溫較高, 促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)繁殖, 同時(shí)B點(diǎn)較緩的流速更利于浮游植物生長(zhǎng)繁殖, 生物量增加, 葉綠素 a濃度明顯升高。但總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力和 DO濃度卻呈相反的季節(jié)變化趨勢(shì), 豐水期高、平水期低。豐水期水溫較低, 較高的氧分壓使水體中DO濃度升高(Boyer et al., 1999), 同時(shí)A點(diǎn)位于市區(qū)內(nèi), 人類活動(dòng)產(chǎn)生大量的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入,其中氮是浮游植物重要的生源要素(葉琳琳等,2014), 圖2a和 2d可見, 豐水期和平水期 A點(diǎn)和 DON 濃度都較高, 為浮游植物代謝提供豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽, 該兩點(diǎn)總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力較高,RDOC濃度也較高。

與細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力相比, 浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力季節(jié)性差異較小, 除平水期B點(diǎn)因水動(dòng)力條件影響導(dǎo)致有機(jī)碳大量沉降外, 其余采樣點(diǎn)均表現(xiàn)出浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力高時(shí)、RDOC濃度較低的趨勢(shì)(圖2c)。已有研究表明浮游植物分泌的有機(jī)物較易降解(張霞等, 2012), 研究區(qū)豐水期A點(diǎn)浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力最高, 但 RDOC濃度和所占比例相對(duì)偏低,BDOC濃度和所占比例較高, 表明浮游生物代謝產(chǎn)生的DOC活性較大, 更易被降解。平水期A、B兩點(diǎn)浮游生物和細(xì)菌生產(chǎn)力均較高, 異養(yǎng)細(xì)菌利用浮游植物產(chǎn)生的DOC生長(zhǎng)代謝, 產(chǎn)生RDOC, 因此該兩點(diǎn)RDOC的相對(duì)濃度均較高。C點(diǎn)位于水庫(kù)壩前,水位較淺且受水庫(kù)放水?dāng)_動(dòng), 初級(jí)生產(chǎn)力明顯下降,但可以觀察到細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力與總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力相比較高, 因此 RDOC濃度和所占比例也較高。

3.2 碳源對(duì)惰性有機(jī)碳的影響

有機(jī)碳是異養(yǎng)細(xì)菌代謝的重要能量來源, 異養(yǎng)細(xì)菌需要消耗有機(jī)碳以維持代謝生長(zhǎng), 不同碳源使淡水環(huán)境的細(xì)菌群落、活性、及對(duì)碳的吸收利用發(fā)生變化(趙吉睿, 2013; 葉琳琳等, 2014)。水體有機(jī)碳主要來源于陸源輸入和內(nèi)生有機(jī)碳, 其時(shí)空變化主要受控于流域內(nèi)的化學(xué)侵蝕、大氣沉降和水體初級(jí)生產(chǎn)力(原雅瓊, 2016)。Ofrat et al.(2015)、賀成等(2019)對(duì)海洋中異養(yǎng)細(xì)菌的研究認(rèn)為異養(yǎng)細(xì)菌更傾向于利用浮游植物產(chǎn)生的內(nèi)源有機(jī)碳, 也有研究表明部分流域外源碳是浮游細(xì)菌生長(zhǎng)代謝的主要碳源(Gao et al., 2007)。

研究區(qū) RDOC濃度和所占比例與 POC、DOC濃度變化趨勢(shì)均有明顯的響應(yīng)關(guān)系(圖2b)。研究區(qū)RDOC濃度與POC濃度變化趨勢(shì)相反, 與DOC濃度變化趨勢(shì)基本一致, RDOC所占比例與二者均呈相反趨勢(shì), 多元線性回歸分析(式3)也表明這一點(diǎn)。

POC一般來源于陸源輸入和水生生物活動(dòng)(李春川等, 2020)。研究區(qū)δ13CPOC值呈豐水期偏正、平水期偏負(fù)的季節(jié)特征, 與烏梁素海的變化特征相近(耿悅, 2021)。豐水期流域內(nèi)機(jī)械侵蝕較強(qiáng), POC多來源于降水補(bǔ)給帶來的流域內(nèi)植被和土壤有機(jī)碳,其δ13CPOC值介于-24.45‰ ～ -24.31‰之間, 與西江流域土壤有機(jī)質(zhì)的δ13CPOC值(-27.46‰ ～ -26.88‰)相比明顯偏正(Chen et al., 2005), 可能是陸源C4植被來源的有機(jī)碳進(jìn)入河流系統(tǒng)所致(魏秀國(guó)等,2008)。平水期樣品δ13CPOC值介于-29.04‰ ～-25.94‰之間, 相對(duì)偏負(fù), 尤其B、C兩點(diǎn),δ13CPOC值介于-29.04‰ ～ -27.46‰之間, 明顯低于西江流域的值, 可能主要受水生生物活動(dòng)的影響。如上文所述, B點(diǎn)總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力和POC濃度均最高, 也說明平水期B點(diǎn)顆粒有機(jī)碳主要為內(nèi)源碳。這一結(jié)果與Pierson-wickmann et al.(2011)和葉琳琳等(2014)對(duì)Rophemel水庫(kù)、太湖有機(jī)碳來源的研究結(jié)果一致。

研究區(qū) DOC濃度豐水期最高, 除陸源輸入外,豐水期A點(diǎn)浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力較高, DOC可能受到外源碳和內(nèi)源碳的共同影響。平水期 DOC濃度在 B點(diǎn)最低, 加之水庫(kù)環(huán)境使有機(jī)質(zhì)更易沉降, 表現(xiàn)出DOC濃度最低、POC最高的特征。

由此可見, 內(nèi)源有機(jī)碳是研究區(qū)異養(yǎng)細(xì)菌代謝的主要有機(jī)質(zhì)來源。豐水期外源輸入較多, 細(xì)菌豐度低、初級(jí)生產(chǎn)力較小, 因此RDOC所占比例偏小。平水期內(nèi)源有機(jī)碳占比大, 細(xì)菌豐度和初級(jí)生產(chǎn)力增加, RDOC占比增大。

3.3 水體理化性質(zhì)對(duì)惰性有機(jī)碳的影響

研究表明, 水溫、水體透明度、無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子會(huì)影響水生生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能(Fernandes et al., 2014; Mao and Li, 2018; 李蕊等,2018)。另外Ni and Li(2019)的研究表明DOC的生物降解性也會(huì)受水溫影響。

盡管 RDOC與水體物理因子無明顯統(tǒng)計(jì)關(guān)系,但溫度是影響水生生物, 尤其是細(xì)菌代謝生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子, 部分研究表明水體細(xì)菌豐度會(huì)隨溫度升高而增加(Ofrat et al., 2015; 張喆等, 2017)。研究區(qū)水溫與RDOC濃度無明顯相關(guān)性, 但與葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān)(R2=0.78,p＜0.01), 表明水溫升高促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng), 其生物量顯著增加, 生產(chǎn)旺盛,初級(jí)生產(chǎn)力較高, 為異養(yǎng)細(xì)菌提供充足有機(jī)質(zhì)。

除此之外, 豐水期水體濁度明顯高于平水期(圖2a), 與RDOC濃度的季節(jié)變化趨勢(shì)相反。受降水補(bǔ)給影響, 豐水期陸源輸入物質(zhì)增多、水體濁度升高對(duì)光照條件產(chǎn)生影響, 不利于光合生物生長(zhǎng)代謝。豐水期葉綠素a濃度和pufM基因豐度較低也表明這一點(diǎn)。平水期水體濁度較低, 更利于浮游植物和光合細(xì)菌光合生產(chǎn), 使RDOC增加。

除水溫、濁度等物理性質(zhì)外, 水體溶解離子也對(duì)水生生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。DON營(yíng)養(yǎng)鹽輸入有利于促進(jìn)浮游植物代謝。營(yíng)養(yǎng)鹽除供給浮游植物光合作用、為異養(yǎng)細(xì)菌提供有機(jī)質(zhì)底物外, 也會(huì)刺激細(xì)菌的呼吸作用(Yuan et al., 2010)。此外, NO3-N也是細(xì)菌重要的氮源。劉會(huì)亮等(2019)對(duì)光合細(xì)菌的研究表明部分無機(jī)鹽能明顯促進(jìn)光合細(xì)菌生長(zhǎng)。Fernandes et al.(2014)的研究也提出水體微生物的營(yíng)養(yǎng)需求可以在相對(duì)低水平的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽條件下得到滿足。研究區(qū)主要溶解離子表現(xiàn)出豐水期低、枯水期高的季節(jié)變化特征, 這是豐水期降水補(bǔ)給帶來的稀釋作用造成的。平水期空間變化表現(xiàn)出A點(diǎn)溶解離子濃度最大、B點(diǎn)最小, A點(diǎn)位于市區(qū)內(nèi), 受人類活動(dòng)影響較大,濃度明顯大于B、C兩點(diǎn)也表明這一點(diǎn)。

研究結(jié)果表明, 除平水期B點(diǎn)受水體流速影響外, 其余采樣點(diǎn)基本表現(xiàn)出溶解離子濃度越高、RDOC濃度越高的變化特征, 可能是營(yíng)養(yǎng)鹽供給充足的情況下, 更利于水生生物代謝, 產(chǎn)生RDOC。

此外, 本文RDOC培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在恒溫暗環(huán)境下進(jìn)行。與原生自然環(huán)境相比, 培養(yǎng)環(huán)境生物效應(yīng)以呼吸作用和分解作用為主。實(shí)驗(yàn)中異養(yǎng)細(xì)菌不會(huì)面臨捕食壓力, 同時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境與原生環(huán)境的水動(dòng)力條件有顯著差異, 穩(wěn)定的環(huán)境使異養(yǎng)細(xì)菌豐度維持在一個(gè)較高值(肖喜林, 2020), 從而消耗更多的DOC。因此, 今后需要進(jìn)一步開展原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來厘定其結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

研究區(qū)RDOC濃度介于1.46～2.66 mg·L-1之間,平均1.85 mg·L-1, 占DOC的48.16%～92.61%, 平均占65.83%, 其濃度變化受流域內(nèi)生物效應(yīng)、碳源和部分水體理化性質(zhì)影響。浮游植物是流域內(nèi)BDOC的主要貢獻(xiàn)者, 異養(yǎng)細(xì)菌是流域內(nèi)RDOC的主要貢獻(xiàn)者。

從季節(jié)變化而言, 流域內(nèi)RDOC濃度和RDOC相對(duì)濃度均表現(xiàn)出豐水期較低、平水期較高的特征。平水期水溫升高、水體濁度降低, 浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力增加, 產(chǎn)生較多內(nèi)源有機(jī)質(zhì), 為異養(yǎng)細(xì)菌提供充足的有機(jī)質(zhì)底物, 加之細(xì)菌豐度和初級(jí)生產(chǎn)力增加, 以至RDOC的濃度和相對(duì)比例都明顯增加。

RDOC濃度的空間變化特征與環(huán)境因子之間呈現(xiàn)不同的響應(yīng)機(jī)制, 尤其在水庫(kù)壩后的采樣點(diǎn)。這主要是水動(dòng)力條件變化造成的。位于水庫(kù)壩后的采樣點(diǎn)流速平緩, 有利水生生物生長(zhǎng)代謝, 葉綠素 a濃度、細(xì)菌豐度、總浮游生物初級(jí)生產(chǎn)力和細(xì)菌初級(jí)生產(chǎn)力均明顯增加。但較緩的流速使有機(jī)質(zhì)和生物聚合物產(chǎn)生沉降, 導(dǎo)致留存在水體中的 DOC比例減少, RDOC和DOC均表現(xiàn)出與初級(jí)生產(chǎn)力相反的趨勢(shì)。

Acknowledgements:

This study was supported by Guangxi Natural Science Foundation Program (No.2015GXNSFGA139010), and Chengdu Technological University (No. 2021ZR023).