張金流， 鮑 祥， 蔡敬民， 吳 克， 俞志敏， 金 杰

(合肥學院 生物與環(huán)境工程系, 合肥 230601)

塘西河水體顆粒和溶解有機碳季節(jié)變化及其來源分析

張金流， 鮑 祥， 蔡敬民， 吳 克， 俞志敏， 金 杰

(合肥學院 生物與環(huán)境工程系, 合肥 230601)

基于2014年7月至2015年6月對塘西河水體中顆粒有機碳(POC)和溶解有機碳(DOC)為期一年的調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了塘西河水體中POC、DOC濃度時空分布特征，結(jié)合DOC、POC、總有機碳(TOC)及POC、C/N比值相關(guān)性分析和顆粒有機物C/N比值分布范圍，探討了水體中有機碳的來源。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，DOC濃度年平均值逐漸上升，POC濃度年平均值在各采樣點之間變化不大；在時間分布上，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來源要比DOC復雜；塘西河水體中POC、DOC主要來源于內(nèi)源，即水藻生長代謝產(chǎn)物,但陸源輸入對水體中POC濃度有一定的影響。

顆粒有機碳；溶解有機碳；季節(jié)變化；來源；C/N比；塘西河

河流水體中的有機碳主要以溶解有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC)兩種形式存在[1-4]，是大多數(shù)水生生態(tài)系統(tǒng)有機質(zhì)的最大組成部分,對其開展研究有助于了解水體中有機質(zhì)的來源，且溶解有機物能夠控制水體中微量金屬和有毒物質(zhì)的運輸、毒性及其最終命運[5]；另一方面，從全球碳循環(huán)角度講，河流有機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碳的來源。一般認為，河流有機碳主要有兩種來源，即外源和內(nèi)源[8-13]，外源有機碳主要來源于陸生植物碎屑的降解和土壤有機物質(zhì)腐殖化，而內(nèi)源有機碳主要來源于水生植物生長產(chǎn)生的有機物分解。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，則有機物中C/N比值較低；前者有機物組成中C/N比值往往大于20，而后者則在4～10之間，平均值為7。鑒于不同來源有機物C/N比值這一差異特性，可以利用其對河流水體中顆粒有機物的來源進行示蹤[9-19]。對于河流生態(tài)系統(tǒng)，一般認為顆粒有機物C/N>20，則可認為水體中的有機物以陸生有機物來源為主，而C/N<8，則可認為水體中的有機物以內(nèi)源水生生物分泌來源為主[14]。

塘西河是巢湖重要支流之一，有關(guān)其水體中POC、DOC含量、時空變化規(guī)律及其來源目前還未曾有報道。因此，本文對其下游河段水體中POC、DOC進行為期一個水文年的采樣，分析其濃度時、空動態(tài)變化規(guī)律，同時結(jié)合顆粒有機物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，對各采樣點POC、DOC的來源進行初步分析，以明確該河流水體中POC、DOC是陸生來源(外源)為主還是內(nèi)生來源(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 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點設(shè)置

塘西河為巢湖西半湖北側(cè)一條長約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處到巢湖入湖口，全長約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個采樣點，采樣點間距約1 km，具體河道及采樣點位置如圖1。

1.2 樣品采集及前處理

每隔半月于各采樣點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有機塑料桶中，采樣周期為一個水文年。樣品采集后立即運回實驗室用預先灼燒(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llshin公司產(chǎn)的R-13B1型真空冷凍干燥機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以去除顆粒無機碳，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冷凍干燥備用。采樣所用有機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 采樣點示意圖

1.3 測定方法

1.3.1 DOC濃度分析 用微量進樣器(上海高鴿)取500 μL水樣玻璃纖維濾紙過濾液，用德國耶拿公司生產(chǎn)的multi N/C 2100總有機碳、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 結(jié)果與討論

2.1 溶解有機碳濃度時空變化

通過監(jiān)測，塘西河下游各采樣點水體中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#采樣點所占比例最高，達66%，略高于世界研究結(jié)果平均值(55%)[21-22],絕對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(圖2)。從空間分布上看，由1#到5#采樣點，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，這一水動力條件有利于水藻生長[26]，水生藻類密度加大，導致水體中DOC濃度逐漸上升。在時間分布上，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)場觀察，這同樣與水藻生長有關(guān)，由于該河段富營養(yǎng)化較嚴重，夏季河道水面生長有大量浮游藻類，致使內(nèi)源性DOC濃度升高。同時由圖2我們可以看出，在4#、5#采樣點，在9—10月之間，DOC濃度有下降趨勢，之后的10—11月又逐漸升高，這可能與這一時間段表層水流動性增加有關(guān)；據(jù)氣象資料顯示(http://cdc.nmic.cn/home.do)，2014年9月份平均風速較7—8月份大，導致表層水流動性增強，不利于浮游藻類的生長，致使DOC濃度下降；這從圖1也可看出，4#、5#采樣點位于較寬闊的水面，浮游藻類生長受風速影響相對明顯，雖然2#、3#采樣點水體中DOC也有類似的變化，但變化幅度不明顯，這與該采樣點處水面較窄(圖1)，風力影響作用相對較小相一致。

圖2 溶解有機碳濃度時空變化

另外，從圖2和表1可知，各采樣點DOC濃度季節(jié)內(nèi)也存在一定的變化，且無明顯的變化規(guī)律性；DOC濃度各采樣點季節(jié)內(nèi)差異(用變異系數(shù)表示，變導系數(shù)=標準偏差/平均值)[23]大小依次是春、夏、冬、秋季，秋季各采樣點DOC濃度季節(jié)內(nèi)差異最小，說明秋季其DOC來源最為穩(wěn)定；從空間分布上看，3#采樣點DOC濃度差異在各季節(jié)較小，可能與該采樣點位于河道轉(zhuǎn)彎處，水流較慢，水環(huán)境相對穩(wěn)定，利于浮游藻類生長，內(nèi)源DOC供給相對穩(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，最小發(fā)生在冬季的5#采樣點。

表1 春、夏、秋、冬DOC、POC平均濃度及變異系數(shù)

圖3 顆粒有機碳濃度時空變化

Fig 3 Spatial and temporal changes of particulate organic carbon concentration

2.2 顆粒有機碳濃度時空變化

由圖3可知，塘西河下游各采樣點水體中顆粒有機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#采樣點年平均值最高；除1#采樣點外，其他各采樣點POC濃度年平均值差別不大；在時間分布上，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#采樣點具有同DOC非常相似的變化趨勢，說明POC、DOC兩者間可能具有共同的主要來源。另由表1可知，各采樣點夏季POC濃度平均值最高，其季節(jié)內(nèi)變異系數(shù)也最大，這一點與DOC相似；POC濃度各采樣點季節(jié)內(nèi)差異大小依次是夏、秋、春、冬季，說明夏、秋季水體中POC濃度影響因素相對復雜；另外，與DOC相比，各個采樣點季節(jié)內(nèi)POC濃度的差異均比DOC大，說明塘西河水體中POC的來源要比DOC復雜(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水體中DOC、POC及TOC 3者可能具有某一共同的主導來源；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除了這一主要來源，可能還受到其他來源的影響。

2.3 顆粒有機碳來源

為明確這一共同的主導來源(外源、內(nèi)源)，我們對水體中POC濃度與C/N比值、降雨量之間的變化趨勢進行了分析，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，水體POC與其C/N比值呈現(xiàn)相似的變化趨勢，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，同樣說明塘西河水體中POC濃度受某一主導來源影響，這點我們從表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個監(jiān)測點顆粒有機物C/N比值平均值來看(表4)，C/N比值平均值均小于8，說明塘西河水體中POC主要來源于內(nèi)源，即主要來源于水生植物的生長代謝產(chǎn)物。但從圖4也可看出，在整個采樣周期內(nèi)，部分時間點水體中顆粒有機物C/N>8(例如1#采樣點圖中實線下箭頭指示的時間點，這些時間點主要發(fā)生在降雨后)，說明這些時間點水體中POC來源也受到陸源有機物輸入的影響。另外從圖4中也可看出，部分時間點(圖中虛線下箭頭指示的時間點)水體中POC濃度下降，但顆粒有機物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]。

但從各個采樣點來看(圖5)，水體中顆粒有機物出現(xiàn)C/N>8的時間點并不完全一致，說明陸源等外源有機物輸入對各個采樣點的影響在時間段以及影響程度均存在一定的差異。

圖5 2#～5#采樣點POC濃度與C/N之間的關(guān)系

采樣點1#2#3#4#5#POCPOCPOCPOCPOCC/N0.383*0.477**0.421*0.406*0.350*

*P<0.05；**P<0.01

表4 各采樣點顆粒有機物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)性變化來看，我們同樣可以推斷塘西河水體中的DOC也主要來源于內(nèi)源，即水生植物的生長代謝產(chǎn)物。

3 結(jié)論

1)塘西河下游各采樣點水體中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主要來源于內(nèi)源，即水生植物的生長代謝產(chǎn)物，但陸源有機物輸入對水體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

安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2014A214)；高校優(yōu)秀中青年骨干人才國內(nèi)外訪學研修重點項目(gxfxZD2016212)；合肥學院人才基金項目(13RC04)

張金流，博士，講師，主要從事環(huán)境地球化學研究，E-mail: zhanggolden@163.com

X143

A

2095-1736(2017)02-0058-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.058