，，，， ,

(1.長江科學(xué)院a.空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所；b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.野外觀測中心，武漢 430010；2.青海省水文水資源勘測局，西寧 810001)

1 研究背景

近幾十年來，全球碳循環(huán)與氣候變化已經(jīng)引起各國科學(xué)家的關(guān)注和研究，其中內(nèi)陸河流湖泊由于具有河網(wǎng)水系的傳輸性特征，對(duì)于水域碳物質(zhì)輸送遷移轉(zhuǎn)化具有天然優(yōu)勢，在陸地與海洋碳循環(huán)系統(tǒng)之間起到聯(lián)系紐帶的作用，在全球碳循環(huán)系統(tǒng)中具有重要的地位[1-2]。目前氣候變化研究領(lǐng)域科學(xué)家采用原位觀測[3-4]、實(shí)驗(yàn)室分析[3-4]、碳同位素示蹤[5]、遙感反演[6-7]等多種技術(shù)手段，在長江流域[3,8-10]、黃河流域[4,11]、珠江流域[12]、密西西比河流域[5-6]、典型巖溶水庫[13]與湖泊[7]等區(qū)域開展大量觀測與研究，從全流域角度研究分析了碳物質(zhì)以水為載體進(jìn)行內(nèi)陸水域傳輸?shù)幕疽?guī)律與時(shí)空變化特征。濕地、湖泊、河流、水庫、地下水等具有不同水動(dòng)力特征的內(nèi)陸水體碳傳輸機(jī)制顯示出顯著差異性，在巖溶性水體與非巖溶性水體之間無機(jī)碳與有機(jī)碳的比例表現(xiàn)為明顯的區(qū)別[13]。國內(nèi)外學(xué)者利用地面觀測站網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、航空遙感等多種研究手段，在青藏高原湖泊河流水沙特性[14-15]、水質(zhì)變化[16]、河流與湖泊浮游動(dòng)植物[17]、湖泊面積變化[18-19]、降水與水資源[20-22]、黑炭物質(zhì)變化[23]、冰雪覆蓋變化[24]、陸地碳循環(huán)[25]等領(lǐng)域開展了大量的研究，但對(duì)于高原河流與湖泊水體碳物質(zhì)輸送遷移轉(zhuǎn)化還未得到充分研究。我國青藏高原高海拔區(qū)域碳循環(huán)過程對(duì)于氣候變化非常敏感[26-27]，對(duì)于全球氣候變化及江源水資源變化均具有重要影響。

因此，非常有必要對(duì)青藏高原典型河流與湖泊的水體無機(jī)碳、有機(jī)碳等不同形態(tài)碳含量的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲取典型高原湖泊與河流水體碳時(shí)空變化特征，并與低海拔區(qū)域河流與湖泊相比較，對(duì)于研究我國青藏高原等高寒區(qū)域氣候變化和保障水資源安全具有重要意義。

2 研究區(qū)概況與觀測方案

2.1 研究區(qū)概況

青藏高原是我國最大、世界海拔最高的高原，被稱為“世界屋脊”，與地球南極北極并列稱為世界“第三極”，南起喜馬拉雅山脈南緣，北至昆侖山、阿爾金山和祁連山北緣，西部為帕米爾高原和喀喇昆侖山脈，東及東北部與秦嶺山脈西段和黃土高原相接，介于26°00′N—39°47′N，73°19′E—104°47′E之間。青藏高原也是世界上湖泊數(shù)量最多、湖泊總面積最大的區(qū)域，其水文循環(huán)、能量循環(huán)、碳循環(huán)、水資源與生態(tài)系統(tǒng)變化等自然過程極其復(fù)雜。三江源區(qū)位于青藏高原腹地，平均海拔4 200 m，總面積達(dá)30.25萬km2，是長江、黃河、瀾滄江等眾多著名大江大河發(fā)源地，素有“中華水塔”之稱。三江源區(qū)為典型高原大陸性氣候，大部分地區(qū)處于永凍層區(qū)，年平均氣溫大多在-4 ℃以下，全年0 ℃以下氣溫長達(dá)7～8個(gè)月，大多數(shù)月平均氣溫≤10 ℃，年平均降雨量為250～350 mm，年日照射數(shù)為2 467.7～2 789.1 h[28]。

2.2 觀測方案

本文作者在2014—2016年連續(xù)3 a開展了4次觀測實(shí)驗(yàn)，采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析，采樣時(shí)間分別為2014年7月、2015年7月、2016年6月和2016年8月，每個(gè)采樣時(shí)期斷面空間分布如圖1所示，分別位于長江源、黃河源、瀾滄江源以及青藏高原其他區(qū)域，水樣包括河流、湖泊、冰川等類型。其中，2014年7月共11個(gè)采集斷面，2015年7月共計(jì)10個(gè)采集斷面，2016年6月共計(jì)9個(gè)采集斷面，2016年8月共計(jì)19個(gè)采集斷面。水樣采集后裝入聚乙烯瓶，經(jīng)過密閉處理帶回實(shí)驗(yàn)室分析，使用平均孔徑0.7 μm玻璃纖維濾膜進(jìn)行水樣過濾，然后采用德國元素公司vario TOC分析儀燃燒氧化-非分散紅外吸收法(依據(jù)來源于中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ501—2009))對(duì)過濾后水樣進(jìn)行分析，獲取水樣總碳、有機(jī)碳、無機(jī)碳不同形態(tài)水體碳含量數(shù)據(jù)。

圖1青藏高原典型河流湖泊水樣采集斷面位置分布
Fig.1SpatialdistributionofwatersamplesitesforcarbonanalysisfromtypicalriversandlakesovertheTibetanPlateau

3 結(jié)果與討論

3.1 三江源流域水文水環(huán)境分析

收集觀測資料分析三江源典型氣象與水文站降水量、流量及水質(zhì)指標(biāo)變化情況如圖2、圖3和表1所示。從圖2中可以看出，1956—2000年期間，三江源中長江源代表站點(diǎn)直門達(dá)降水量最高，黃河源代表站點(diǎn)唐乃亥降水量最低，具有顯著季節(jié)變化特征。從圖3中可以看出，長江源直門達(dá)水文站流量最大，位于上游的雁石坪等其他水文站流量較低，并且具有明顯的豐水年和枯水年之劃分，均是在7，8，9月份流量達(dá)到年內(nèi)最高。表1為長江源典型觀測斷面水質(zhì)水環(huán)境變化情況[28]，從表1中可以看出，在沱沱河、直門達(dá)與雁石坪3個(gè)觀測斷面中長江水體pH值均在8.0左右波動(dòng)變化，說明水體總體上呈現(xiàn)偏堿的狀態(tài)。另外，水體溶解氧含量在直門達(dá)斷面最高，大部分年份在8.0 mg/L以上，而位于最上游的沱沱河斷面最低，可能與高海拔地區(qū)大氣含氧量較低有關(guān)系。氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、總磷等其他指標(biāo)相對(duì)于低海拔地區(qū)水體均處于較低水平。

圖2 三江源區(qū)代表性觀測站降水量多年變化過程Fig. 2 Yearly variation of precipitation at typicalstations over Three-River Source area

圖3 三江源區(qū)代表性水文站流量變化過程Fig. 3 Yearly variation of streamflow at typicalhydrological stations over the Three-River Source area

注：①NA代表數(shù)據(jù)缺失；②數(shù)據(jù)來源于青海省水環(huán)境監(jiān)測中心

3.2 典型高原河湖水體碳含量時(shí)空變化分析

2014年7月青藏高原典型河流與湖泊水體碳溶解碳含量變化如圖4所示。

圖42014年7月三江源典型河湖水體碳溶解碳含量變化
Fig.4ChangeofdissolvedcarboninsurfacewaterfromtypicalriversandlakesovertheThreeRiverSourceAreainJuly,2014

從圖4中可以看出，青藏高原典型河流湖泊水體溶解總碳以無機(jī)碳為主，溶解總碳在10.0～60.0 mg/L范圍內(nèi)變化，在雜多斷面最高，達(dá)到59.6 mg/L，在扎曲斷面最低，僅為9.0 mg/L，水體溶解碳最低值與最高值均位于瀾滄江源斷面，表明瀾滄江源水體碳含量變化幅度較大。對(duì)于長江當(dāng)曲源，水體溶解總碳在10.0～50.0 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，溶解無機(jī)碳在6.5～34.0 mg/L范圍內(nèi)變化，而溶解有機(jī)碳含量則在2.9～16.0 mg/L范圍內(nèi)變化，其中水體溶解總碳平均為24.5 mg/L，溶解無機(jī)碳平均為15.5 mg/L，溶解有機(jī)碳平均為9.0 mg/L。在瀾滄江源，水體碳含量總體上是以無機(jī)碳為主，有機(jī)碳僅占較小的比例，其中水體溶解總體平均為33.2 mg/L，溶解無機(jī)碳平均為29.4 mg/L，溶解有機(jī)碳平均為3.8 mg/L。

2015年7月典型高原湖泊與河流采集水樣水體碳空間變化情況見圖5(a)。從圖5(a)中可以看出，長江當(dāng)曲河流水體總碳、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳平均含量分別為40.6，37.8，2.9 mg/L，水體總碳和總無機(jī)碳最高含量水平均出現(xiàn)在沙曲大橋斷面，分別達(dá)到47.6，43.8 mg/L，而總有機(jī)碳在多朝能最高，達(dá)到6.6 mg/L。當(dāng)曲源河流水體總碳和總無機(jī)碳含量從上游至下游呈現(xiàn)逐漸下降的空間分布格局，而有機(jī)碳含量水平同樣表現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢。說明位于當(dāng)曲最上游的多朝能斷面表現(xiàn)出與其他斷面差異顯著的特征，表明多朝能斷面生物活動(dòng)較為頻繁。在瀾滄江源區(qū)，河流水體總碳含量、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳含量平均值分別為41.4，39.6，1.8 mg/L，其最高值均呈現(xiàn)于莫云斷面，分別達(dá)到50.0，47.1，2.9 mg/L，從最上游的莫云斷面到下游囊謙斷面，水體總碳、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳含量呈現(xiàn)為顯著逐漸降低的空間變化特征。

圖5三江源地區(qū)河流與湖泊水體碳含量變化
Fig.5ChangeofcarboninsurfacewaterfromtypicalriversandlakesoverThree-RiverSourceArea

圖6 2016年8月青藏高原與三江源地區(qū)河流與湖泊水體碳含量變化 Fig. 6 Change of carbon in surface water from typical rivers and lakes over the Tibetan Plateau and Three-River Source Area in August, 2016

圖5(b)為2016年6月青藏高原湖泊與河流水體碳含量時(shí)空變化分布圖。從圖5(b)中可以看出，鹽湖和庫賽湖總碳和總無機(jī)碳含量顯著偏高，分別高達(dá)170.71，188.22 mg/L，而總無機(jī)碳含量分別達(dá)167.31，186.36 mg/L。位于庫賽湖與海丁諾爾之間的河流水體斷面，總碳、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳含量分別為22.45，21.78，0.67 mg/L，處于較低水平。長江正源冰川斷面總碳和總無機(jī)碳含量分別為31.67，30.41 mg/L。分析表明長江正源沱沱河水體總碳和總無機(jī)碳平均含量分別為36.56，35.41 mg/L，楚瑪爾河水體總碳和總無機(jī)碳平均含量分別為32.90，30.39 mg/L，庫賽湖等湖泊水體總碳和總無機(jī)碳平均含量分別為127.13，125.15 mg/L。庫賽湖等湖泊水體碳含量水平最高，楚瑪爾河水體碳含量水平最低。有機(jī)碳最高含量出現(xiàn)在那曲，達(dá)到4.26 mg/L，鹽湖和庫賽湖有機(jī)碳含量分別為3.4，1.86 mg/L。

2016年8月青藏高原典型河湖水體碳含量空間變化如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)穹措斷面總碳含量高達(dá)2 570.2 mg/L，庫賽湖水體碳在160.0 mg/L以上，說明青藏高原典型湖泊尤其是封閉性湖泊總無機(jī)碳含量比低海拔水體顯著偏高，而有機(jī)碳含量則接近于0，說明封閉性湖泊生命活動(dòng)比較微弱。水體總碳含量在奴各河水文站斷面最低，僅為3.46 mg/L，且有機(jī)碳占據(jù)較大比例，高達(dá)3.02 mg/L。水體有機(jī)碳在札布耶茶卡斷面、雅江源河斷面和雅魯藏布江河流斷面較高，分別高達(dá)6.12，3.52，7.47 mg/L。

3.3 江源區(qū)典型河湖水體碳含量空間變化及比較分析

青藏高原與三江源區(qū)典型湖泊與河流水體碳含量比較分析如表2和表3所示(n為樣本數(shù)量)。從表2和表3中可以看出，長江、黃河和瀾滄江源河流與湖泊水體總碳平均含量分別為34.91，32.88，17.70 mg/L，其中長江源水體總碳含量最高，庫賽湖和鹽湖較高總碳含量導(dǎo)致長江源總體上呈現(xiàn)較高狀態(tài)。長江南源當(dāng)曲源、正源沱沱河源和北源楚瑪爾河源水體總碳含量分別為32.90，36.56，32.90 mg/L；南源當(dāng)曲源、正源沱沱河源以及北源楚瑪爾河源水體總無機(jī)碳含量則分別為26.76，35.41，30.39 mg/L，以正源沱沱河源最高；總有機(jī)碳在當(dāng)曲源最高，達(dá)到6.14 mg/L，直門達(dá)水文站斷面水體有機(jī)碳含量僅為1.0 mg/L。

表2 長江源及其分源斷面河流水體碳平均含量Table 2 Mean carbon concentration in surface water fromrivers over the Changjiang Source Area

表3 青藏高原江源河流與典型湖泊水體碳平均含量Table 3 Mean carbon concentration in surface water fromtypical rivers and lakes over the Tibetan Plateau

對(duì)比分析表明青藏高原湖泊水體碳含量相對(duì)于河流水體高得多，湖泊水體總碳、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳平均含量分別為403.82，398.35，1.24 mg/L，而河流水體總碳、總無機(jī)碳和總有機(jī)碳平均含量分別為17.03，14.56，2.46 mg/L。比較分析表明，黃河水體溶解碳平均含量為3.67 mg/L[4]，水布埡水庫水體總碳、總無機(jī)碳、溶解有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳為26.665,24.089,2.141,0.438 mg/L[29]。廣西典型巖溶區(qū)地下水補(bǔ)給型水庫表層無機(jī)碳含量從122.88 mg/L升高到154.79 mg/L[13]。上海長江口區(qū)域?qū)λw溶解有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳平均含量分別為1.59，0.91 mg/L[30]。研究結(jié)果表明青藏高原河流水體碳含量總體上比低海拔區(qū)域河流水體碳水平高，尤其是屬于咸水湖泊的庫賽湖和鹽湖水體無機(jī)碳較低海拔區(qū)域淡水湖泊高得多，巖溶性地下水補(bǔ)給型水庫接近。

4 結(jié)論與展望

本文在2014—2016年連續(xù)開展了青藏高原典型河湖水體碳野外觀測實(shí)驗(yàn)，獲取了水體總碳、總無機(jī)碳、總有機(jī)碳等不同形態(tài)碳觀測數(shù)據(jù)，從長江源、黃河源以及瀾滄江源等不同源區(qū)分析了水體碳空間分異特征，發(fā)現(xiàn)3個(gè)江源區(qū)之間以及與典型高原封閉性湖泊水體碳具有顯著的差異性，無機(jī)碳和有機(jī)碳含量占據(jù)比例差異也較大，相對(duì)于低海拔湖泊河流水體碳時(shí)空變化表現(xiàn)為顯著的獨(dú)特特征。另外，由于青藏高原和三江源區(qū)氣候條件等生存環(huán)境惡劣，水體樣品采集與野外科學(xué)考察極為困難，未來還需要采集數(shù)量更多空間范圍更廣泛的水樣進(jìn)行分析，獲取更加豐富的水環(huán)境、水資源與空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高我國青藏高原及江源區(qū)水域碳循環(huán)研究水平。

致謝：非常感謝長江科學(xué)院郭偉杰博士、趙偉華博士、殷大聰博士和周銀軍博士在科學(xué)考察和水樣采集方面的大量工作，特別感謝審稿專家的寶貴意見及編輯同志的辛勤勞動(dòng)，使本文更加嚴(yán)謹(jǐn)與完善。