楊 平，唐 晨，陸苗慧，張林海，Yang Hong，仝 川，呂 敏,5

(1:福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007)(2:濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350007)(3:福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心，福州 350007)(4:Department of Geography and Environmental Science, University of Reading, Reading, RG6 6AB, UK)(5:邵陽學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，邵陽 422000)

碳作為一種基本生源要素，是整個(gè)生物圈物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主體，參與了地表生態(tài)系統(tǒng)大部分的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[1-2]，與全球氣候變化密切相關(guān)[3-4].因此，碳循環(huán)研究一直是全球氣候變化研究所關(guān)注的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)[5-7].陸域水生生態(tài)系統(tǒng)作為地表生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，匯聚并埋藏著大量的碳[8-9]，是全球碳循環(huán)中的重要源與匯，對(duì)于全球氣候變化具有重要意義.

根據(jù)組成形態(tài)，參與水體環(huán)境生物地球化學(xué)過程的碳可劃分為溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)、溶解無機(jī)碳(dissolved inorganic carbon, DIC)、顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon, POC)和顆粒無機(jī)碳(particulate inorganic carbon, PIC)4種形式[4].DOC和DIC是陸域水生生態(tài)系統(tǒng)中碳的2種主要存在形式[10-12]，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定具有重要的影響.就水體DOC而言，其組成十分復(fù)雜，主要包括各類可溶性腐殖酸、富里酸以及碳水化合物[11,13].通常，水體DOC主要源自于流域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的侵蝕、污水排放、浮游植物光合作用產(chǎn)物的釋放及內(nèi)源性碎屑物質(zhì)的分解等[2,14-17].DOC為水體微生物生長(zhǎng)、代謝等生命活動(dòng)提供基質(zhì)，是水體環(huán)境異養(yǎng)微生物循環(huán)的基礎(chǔ)[18-19]；更為重要的是，DOC會(huì)影響水體環(huán)境光場(chǎng)和酸堿度，高濃度或過量的DOC不僅會(huì)造成水體透光性降低，阻礙水體特別是深層水體對(duì)太陽輻射的吸收，某些情況下還會(huì)造成水體酸化[20-21]，進(jìn)而影響到水生生態(tài)系統(tǒng)的功能[21-22].此外，DOC作為異養(yǎng)微生物的主要營(yíng)養(yǎng)源，不但與氮、磷、硅等養(yǎng)分之間存在耦合關(guān)系，還會(huì)通過與DIC之間的轉(zhuǎn)化影響著環(huán)境污染物質(zhì)的遷移和降解[2].對(duì)于水體DIC來說，主要來自陸地基巖的化學(xué)風(fēng)化、土壤層中植物根系呼吸及有機(jī)質(zhì)分解和大氣CO2的溶解[16,23]，其主要包括無機(jī)碳酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸及二氧化碳?xì)怏w等組分，可通過一系列熱力學(xué)平衡構(gòu)成的CO2體系，在緩沖水體酸堿度、指示發(fā)生在水體環(huán)境中的光合作用和呼吸作用方面扮演著重要角色[1,24-25].由此可見，DOC和DIC在陸域水生系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)中起到十分重要的作用，是影響水環(huán)境變化和水生態(tài)過程的重要環(huán)境因子.

水庫、湖泊等水生系統(tǒng)作為流域內(nèi)物質(zhì)的主要匯集場(chǎng)所，其系統(tǒng)中的DOC和DIC生物地球化學(xué)過程活躍，是區(qū)域碳循環(huán)不可忽視的一部分[26-28].在全球變暖背景下，不同地區(qū)湖、庫系統(tǒng)DOC和DIC生物地球化學(xué)過程已引起研究人員的廣泛關(guān)注.當(dāng)前，湖庫系統(tǒng)DOC和DIC濃度時(shí)空變化規(guī)律及其機(jī)制研究是國(guó)內(nèi)外水體環(huán)境碳循環(huán)過程研究的重要內(nèi)容，并取得諸多進(jìn)展[13,21,27-35].但已有研究主要聚焦于內(nèi)陸湖泊系統(tǒng)，對(duì)于水庫，特別是受人類活動(dòng)影響較強(qiáng)烈且水體含有一定鹽度的沿海地區(qū)的水庫研究十分薄弱.為了更好地了解濱海地區(qū)水庫系統(tǒng)DOC和DIC的時(shí)空分布特征，本文對(duì)位于福建省福州市長(zhǎng)樂區(qū)濱海新城南部的文武砂水庫水體DOC和DIC進(jìn)行了研究，以期為今后深入開展沿海水庫水體碳生物地球化學(xué)循環(huán)的主要過程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

文武砂水庫(25°49′36″～25°54′0″N, 119°35′12″～119°38′11″E)位于福建省福州市長(zhǎng)樂區(qū)濱海新城南部，是一座利用天然河道和人工圍墾而形成的具有排洪除澇、防潮、灌溉和生活用水等綜合功用的小型水庫.該水庫所在區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ш湍蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候的過渡區(qū)，暖熱濕潤(rùn)，年平均氣溫和降水量分別為19.3℃.流域內(nèi)降雨量充沛，多年平均降水量為1390 mm，但年內(nèi)分配不均，春夏季多雨，4-9月降雨量約占全年的70%～77%.文武砂水庫由舊文武砂水庫(本文稱為北庫區(qū))和被人類圍墾的外文武河(本文稱為南庫區(qū))組成.文武砂水庫于1956年3月動(dòng)工興建，1958年7月建成，總長(zhǎng)度1.6 km，該水庫水域南北長(zhǎng)而東西窄.北庫區(qū)上接長(zhǎng)樂市南洋水網(wǎng)，集雨區(qū)總面積259 km2，庫區(qū)面積為1.9 km2，庫容為1.40×108m3.2002年，為減少臺(tái)風(fēng)的影響，長(zhǎng)樂市政府開始建設(shè)外文武圍墾工程，2004年秋季外文武海堤建成.外文武圍墾工程圍墾面積達(dá)12.66 km2，海堤由南、北兩段組成，全長(zhǎng)4.04 km，故此，在十八孔閘至外文武海堤間形成了南庫區(qū)，其水域面積為3.3 km2，匯流面積為277 km2，庫容為1.69×108m3，泄七鎮(zhèn)及一鄉(xiāng)的洪水，是福建省重點(diǎn)水利項(xiàng)目.

1.2 樣品采集與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

根據(jù)文武砂水庫水體的形態(tài)特征及其周邊工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)際情況，在該水庫的南庫區(qū)和北庫區(qū)分別布設(shè)11條和10條水樣采樣斷面.根據(jù)水面寬度，每條采樣斷面上選取3～10個(gè)樣品采集點(diǎn)，共103個(gè)水樣采集點(diǎn)(圖1)，其水面空間點(diǎn)位布設(shè)的密度為每平方千米的水域面積約20個(gè)采樣點(diǎn)位.野外水樣采集工作分別在2018年11月、2019年3月和2019年6月進(jìn)行，共采集3次.每次采樣過程均通過小型內(nèi)燃機(jī)船來完成.每個(gè)采樣站點(diǎn)，利用有機(jī)玻璃采水器采集水庫表層20 cm深處的水樣2份.一份水樣裝入預(yù)先清洗干凈的250 mL棕色聚乙烯塑料瓶中，用于水體葉綠素a(Chl.a)濃度測(cè)定分析.另外一份水樣倒置于預(yù)先清洗干凈的150 mL白色聚乙烯水樣瓶中，用于水體溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性無機(jī)碳(DIC)濃度測(cè)定分析.待水樣瓶裝滿后，立刻向瓶中加入2 mL的飽和HgCl2溶液固定，抑制水樣中的微生物活性[1,36-37].所有水樣均置于保溫箱中低溫遮光保存，于6 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.

圖1 文武砂水庫采樣點(diǎn)位置

與水樣采集同步，利用便攜式儀器測(cè)定原位水溫、pH、鹽度、電導(dǎo)率(EC)和溶解氧(DO)等表層水體理化指標(biāo).水溫和pH值采用IQ150便攜式pH/氧化還原電位/溫度計(jì)(IQ Scientific Instruments, 美國(guó))測(cè)定，鹽度、電導(dǎo)率和溶解氧分別采用便攜式電導(dǎo)儀(2265FS EC, Spectrum Technologies, 美國(guó))、鹽度計(jì)(Eutech Instruments-Salt6, 美國(guó))和多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(HORIBA, Japan).

1.3 樣品測(cè)試分析

返回實(shí)驗(yàn)室后，立即用預(yù)先450℃灼燒過的0.45 μm玻璃纖維濾膜過濾，過濾后的水樣用于測(cè)定水體DOC和DIC濃度[1,37].濾液采用TOC-VCPH總有機(jī)碳分析儀(Shimadzu, Japan)測(cè)定分析DOC和DIC濃度.檢測(cè)限為4 μg/L，精密度1.0%以內(nèi).用于水體Chl.a濃度分析的樣品先采用未灼燒過的0.45 μm玻璃纖維濾膜過濾；然后，將濾膜剪碎后放入離心管中，用10 mL純度90%的丙酮溶液低溫萃取24 h；離心10 min后，取上清液用紫外-可見分光光度計(jì)(島津UV-2450, Japan)測(cè)定分析其吸光值.Chl.a濃度計(jì)算公式參考已有文獻(xiàn)[38-39]報(bào)道，最終結(jié)果以μg/L表示.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Arcgis 10.2軟件(ESRI Inc., Redlands, CA, 美國(guó))和OriginPro 7.5 軟件(OriginLab Corporation, Northampton, MA, 美國(guó))進(jìn)行作圖分析，SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS Inc., 美國(guó))進(jìn)行差異性和相關(guān)性分析.為探討庫區(qū)周邊廢水輸入對(duì)水庫DOC和DIC濃度空間分布的影響，本研究根據(jù)廢水輸入來源，把水庫劃分為工業(yè)廢水輸入?yún)^(qū)、市政生活污水輸入?yún)^(qū)、養(yǎng)殖塘廢水輸入?yún)^(qū)、河流輸入?yún)^(qū)和非廢水輸入?yún)^(qū).同時(shí)，根據(jù)水體透明度和DOC、DIC濃度的變化，把水庫劃分為<1 m、1～3 m和>3 m水深區(qū)域，以此來探討水庫不同水深區(qū)域DOC和DIC濃度空間分布特征.水體DOC和DIC濃度的時(shí)空變異性系數(shù)(coefficient of variation,CV)基于其碳濃度標(biāo)準(zhǔn)差/均值獲得.對(duì)于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，當(dāng)其通過方差齊性檢驗(yàn)(P>0.05)時(shí)，則采用LSD法(least significant difference test)檢驗(yàn)同一采樣時(shí)刻不同廢水輸入?yún)^(qū)(或不同水深區(qū)域)間水庫DOC和DIC濃度差異性；若其不能通過方差齊性檢驗(yàn)(P<0.05)時(shí)，則采用Tamhane’s T2進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).同一采樣時(shí)刻南、北庫區(qū)間的水體DOC和DIC濃度的差異顯著性檢驗(yàn)采用SPSS 17.0中的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.水體DOC、DIC濃度與環(huán)境變量間的相關(guān)關(guān)系采用SPSS 17.0中的Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.以P<0.05作為顯著相關(guān)，P<0.01作為極顯著相關(guān).文中的一般線性回歸具體模型選擇是根據(jù)回歸方程擬合時(shí)的擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2值高低來確定.文中誤差線均為標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果

2.1 水庫表層水體主要理化性質(zhì)變化特征

圖2為采樣期間文武砂水庫表層水體主要理化性質(zhì)的變化情況.水溫和pH在秋季、春季和夏季的均值分別為(18.35±0.14)℃和10.69±0.03、(22.89±0.37)℃和8.62±0.16、(28.20±0.33)℃和6.83±0.18，均呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征(圖2a和圖2b)；水體DO濃度在秋季、春季和夏季的均值分別為(5.60±0.37)、(12.29±0.84)和(4.99±0.25)mg/L，呈現(xiàn)出春季>秋季>夏季的特征(圖2c)；水體EC和鹽度在秋季、春季和夏季的均值分別為(4.44±0.47)mS/cm和2.05‰±0.23‰、(1.26±0.06)mS/cm和8.62‰±0.16‰、(0.72±0.04)mS/cm和0.45‰±0.03‰，亦均呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征(圖2d，e).差異性分析結(jié)果顯示，采樣期間水體溫度在南、北庫區(qū)間的差異性不顯著(P>0.05)，除春季外，其它2個(gè)季節(jié)采樣期間的水體pH值在南、北庫區(qū)間的差異性亦均不顯著(P>0.05)；但水體DO、EC和鹽度均呈現(xiàn)出南庫區(qū)顯著高于北庫區(qū)的特征(P<0.05).

圖2 文武砂水庫不同取樣斷面表層水體溫度、pH、DO、EC和鹽度變化特征

2.2 水庫表層水體DOC和DIC濃度變化特征

2.2.1 季節(jié)變化特征 研究期間，文武砂水庫表層水體DOC和DIC濃度變化范圍分別為0.10～21.13和0.38～34.94 mg/L.隨著采樣季節(jié)變化，水庫表層水體DOC濃度在秋季、春季和夏季的均值分別為(2.35±0.17)、(4.17±0.17)和(5.74±0.41)mg/L，呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征；而水體DIC濃度在秋季、春季和夏季的均值分別為(17.25±0.38)、(15.85±0.37)和(14.39±0.42)mg/L，呈現(xiàn)出秋季>春季>夏季的特征(圖3).

圖3 文武砂水庫水體表層DOC和DIC濃度的季節(jié)變化

2.2.2 空間變化特征 圖4為文武砂水庫表層水體DOC濃度在南、北兩個(gè)庫區(qū)間的變化情況.北庫區(qū)表層水體DOC濃度在秋季、春季和夏季采樣期間的變化范圍分別介于2.19～6.93、1.53～11.90和3.84～21.13 mg/L，均值分別為(3.47±0.08)、(4.41±0.15)和(8.33±0.43)mg/L.南庫區(qū)表層水體DOC濃度在秋季、春季和夏季的變化范圍分別介于0.10～7.54、2.09～8.39和1.06～13.00 mg/L，均值分別為(1.00±0.21)、(3.89±0.21)和(2.14±0.31)mg/L.差異性分析結(jié)果顯示，除春季外，其它兩個(gè)季節(jié)采樣期間的水體DOC濃度均呈現(xiàn)出北庫區(qū)顯著高于南庫區(qū)的特征(P<0.001, 表1).整體上，呈現(xiàn)出北庫區(qū)水體DOC濃度顯著高于南庫區(qū)的特征(P<0.001, 表1).

表1 文武砂水庫DOC和DIC濃度在不同庫區(qū)間的差異性分析(獨(dú)立樣本t檢驗(yàn))

圖4 文武砂水庫DOC濃度在不同庫區(qū)的比較

圖5為文武砂水庫表層水體DIC濃度在南、北兩個(gè)庫區(qū)間的變化情況.在秋季、春季和夏季采樣期間，北庫區(qū)表層水體DIC濃度變化范圍分別介于13.14～30.20、12.50～34.94和0.38～19.96 mg/L，均值分別為(18.46±2.53)、(15.16±2.30)和(11.81±2.86)mg/L南庫區(qū)表層水體DIC濃度在秋季、春季和夏季的變化范圍分別介于10.34～24.11、10.89～21.47和11.11～30.84 mg/L之間，均值分別為(15.23±0.53)、(14.22±0.45)和(17.08±0.59)mg/L.差異性分析結(jié)果顯示，在秋季和春季采樣期間文武砂水庫DIC濃度呈現(xiàn)出北庫區(qū)顯著高于南庫區(qū)的特征(P<0.001, 表1).

圖5 文武砂水庫DIC濃度在不同庫區(qū)的比較

圖6為文武砂水庫DOC和DIC濃度在不同水深區(qū)域變化的空間分布特征.研究期間，水庫DOC濃度在水深<1 m、1～3 m和>3 m區(qū)域變化范圍分別介于(2.45±0.39)～(6.09±0.73)、(2.31±0.27)～(5.86±0.72)和(2.24±0.31)～(5.14±0.61)mg/L之間(圖6a)，均值分別為(4.40±1.06)、(3.97±1.03)和(3.77±0.84)mg/L.就具體季節(jié)而言，DOC濃度在秋季采樣期間在不同水深區(qū)域間的差異性不顯著(P>0.05, 圖6a)，但其濃度在春季和夏季期間呈現(xiàn)出水深<1 m區(qū)域顯著高于水深1～3 m和>3 m區(qū)域(P<0.05, 圖6a).DIC濃度在上述3個(gè)水深區(qū)域變化范圍分別介于(15.82±0.82)～(18.60±0.59)、(13.00±0.50)～(16.71±0.68)和(13.80±0.59)～(15.95±0.65)mg/L(圖6b)，均值分別為(17.07±0.82)、(14.98±1.08)和(14.98±0.63)mg/L.就具體季節(jié)而言，水體DIC濃度在秋季、春季和夏季均呈現(xiàn)出水深<1m區(qū)域顯著高于水深1～3 m和>3 m區(qū)域(P<0.05, 圖6b)，但水深1～3 m和>3 m區(qū)域間的水體DIC濃度差異性不顯著(P>0.05, 圖6b).整體上，文武砂水庫呈現(xiàn)出靠庫區(qū)岸邊淺水區(qū)域的DOC和DIC濃度高于其他水深區(qū)域的特征(圖6).

圖6 文武砂水庫DOC(a)和DIC(b)濃度在不同水深區(qū)域的比較(不同小寫字母代表同一季節(jié)不同水深區(qū)域之間具有顯著差異性(P<0.05))

2.3 外源廢水輸入對(duì)水庫DOC和DIC濃度變化的影響

圖7為文武砂水庫不同廢水輸入?yún)^(qū)DOC和DIC濃度變化特征.研究期間，水庫表層水體DOC濃度在工業(yè)廢水、市政廢水、養(yǎng)殖塘廢水和河流徑流輸入?yún)^(qū)的濃度均值變化范圍分別介于(3.96±0.56)～(13.63±1.04)、(3.64±0.25)～(12.14±2.13)、(2.50±0.43)～(5.12±0.63)和(4.71±0.54)～(10.70±1.29)mg/L之間(圖7a)，其均值分別為非廢水輸入?yún)^(qū)(3.19 mg/L)的2.4、2.2、1.3和2.4倍.DIC濃度在以上4個(gè)廢水輸入?yún)^(qū)的均值分別介于(15.46±1.34)～(20.42±0.62)、(14.65±2.45)～(19.73±0.45)、(18.46±1.17)～(19.60±0.41)和(20.90±1.37)～(22.46±2.00)mg/L之間(圖7b)；其均值分別為非廢水輸入?yún)^(qū)(13.35 mg/L)的1.4、1.3、1.4和1.7倍.以上結(jié)果顯示，廢水輸入是文武砂水庫水體碳素重要來源，影響著DOC和DIC在水庫中的空間分布特征.

圖7 文武砂水庫DOC和DIC濃度在不同廢水輸入?yún)^(qū)的比較(不同小寫字母代表同一季節(jié)不同外源輸入?yún)^(qū)間具有顯著差異性(P <0.05))

2.4 水庫表層水體DOC和DIC濃度的時(shí)空變異系數(shù)

整個(gè)采樣期間，水庫表層水體DOC和DIC的季節(jié)變異系數(shù)(CV)分別為42%和10%.空間變化上，就庫區(qū)間而言，北庫區(qū)表層水體DOC和DIC濃度在秋季、春季、夏季采樣期間的空間CV值分別為146%和24%、37%和22%、81%和24%；南庫區(qū)表層水體DOC和DIC濃度在秋季、春季、夏季的空間CV值分別為16%和13%、25%和13%、39%和24%.在不同水深區(qū)域間，表層水體DOC濃度在秋季、春季和夏季采樣期間的空間CV值均為13%，DIC濃度在秋季、春季和夏季空間CV值分別為10%、7%和9%.在不同廢水輸入?yún)^(qū)間，表層水體DOC濃度在秋季、春季和夏季采樣期間的空間CV值分別為34%、31%和45%，DIC濃度在秋季、春季、夏季的空間CV值分別為13%、19%和25%.

2.5 水庫DOC和DIC濃度與水體理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示(表2)，研究期間水庫DOC、DIC濃度空間變化與水體DO、EC和鹽度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與水溫的相關(guān)性不顯著(P>0.05)；此外，在春季DOC、DIC濃度空間變化與水體pH亦均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01).在季節(jié)變化上，水庫DOC變化與水溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，但與pH、DO、EC和鹽度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；水庫DIC變化分別與水溫和DO呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01).

表2 文武砂水庫DOC、DIC濃度與水體理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 文武砂水庫水體DOC和DIC濃度季節(jié)變化特征

與全球低緯度亞熱帶流域DOC平均濃度(6.00 mg/L)相比[40]，本研究庫區(qū)水體DOC濃度(均值為(4.09±0.18)mg/L)處于較低水平，并且呈現(xiàn)出顯著低于DIC濃度(均值為(15.83±0.24)mg/L)的特征(圖3).這一結(jié)果表明，DIC為文武砂水庫水體中溶存碳的主要存在形式.類似結(jié)果亦存在于對(duì)湖泊、河流和淺水池塘等水生生態(tài)系統(tǒng)的研究中[2,12,37,41-42].

與其他研究報(bào)道類似[13,27]，文武砂水庫水體DOC、DIC濃度具有一定的季節(jié)變化特征，分別呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季、秋季>春季>夏季的特征.已有研究表明，水體浮游藻類及水生植物可通過光合作用吸收利用水中的DIC[4,43-44]，且較低的浮游藻類含量導(dǎo)致水體光合作用強(qiáng)度減弱，進(jìn)而會(huì)減少對(duì)水體DIC的吸收利用量[4,43,45].還有研究指出，浮游藻類的死細(xì)胞會(huì)釋放高分子量DOC，而活細(xì)胞釋放低分子量DOC[46].Chl.a是水生生物新陳代謝過程方向和強(qiáng)度的重要性指標(biāo)，可反映水體藻類等水生生物光合作用的強(qiáng)度[34,47].本研究中，水庫表層水體Chl.a濃度在秋季、春季和夏季采樣期間的變化范圍分別介于10.92～40.13、6.83～60.06 和8.19～76.44 μg/L之間，均值分別為(23.23±1.86)、(34.19±3.36)和(41.50±4.29)μg/L.Chl.a濃度變化與水體DOC濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(圖8a)，但與DIC濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(圖8b).此外，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)在該水庫南庫區(qū)有大量互花米草和水燭沿庫區(qū)淺水區(qū)域(特別是庫區(qū)西岸)分布，其季節(jié)生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征.以上結(jié)果表明，文武砂水庫表層水DIC濃度隨采樣季節(jié)推移呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，很大程度與水體浮游藻類及南庫區(qū)水生植物光合作用逐漸增強(qiáng)對(duì)DIC吸收利用量的增加有關(guān)；而水體DOC濃度隨采樣季節(jié)推移呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)可能與浮游藻類的死細(xì)胞釋放出大量的DOC有關(guān).

圖8 文武砂水庫葉綠素a濃度與DOC(a)、DIC(b)濃度的關(guān)系

采樣期間，本研究發(fā)現(xiàn)水體DOC濃度季節(jié)變化特征還與水溫呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05,R2=0.28)，表明溫度也是影響文武砂水庫表層水體DOC濃度在春、夏季高于秋季的一個(gè)重要環(huán)境因子.一些研究認(rèn)為，較高的水溫有利于微生物活動(dòng)，可促進(jìn)水庫中大量死亡浮游藻類的分解和生產(chǎn)，其排泄物和分泌物形成了水中大部分的DOC[2,48].然而，高水溫下微生物的活動(dòng)增強(qiáng)也能促進(jìn)DOC的降解.因此，溫度影響本研究水庫表層水體DOC濃度季節(jié)變化的作用機(jī)制，是今后需值得深入的研究.對(duì)于水體DIC而言，其季節(jié)變化特征與水溫呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 表2).這一結(jié)果與郭興森等[1]對(duì)黃河口表層水中DIC時(shí)空分布特征的研究結(jié)果類似.已有研究表明，水溫變化可通過影響水體浮游藻類的生長(zhǎng)和水-氣界面CO2通量來影響DIC濃度變化[1,49].一方面，較高水溫環(huán)境下，水體浮游藻類生長(zhǎng)較旺盛，其較強(qiáng)烈的光合作用會(huì)促使較多的無機(jī)碳向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，進(jìn)而會(huì)造成水體DIC濃度降低[1,49].另一方面，較高水溫會(huì)促使水體CO2向大氣擴(kuò)散，造成水體CO2的溶解度降低，進(jìn)而導(dǎo)致DIC濃度降低[1].這些結(jié)果表明，文武砂水庫春、夏季節(jié)較高的水溫環(huán)境下水體強(qiáng)烈的光合作用和水-氣界面CO2交換通量亦是導(dǎo)致其水體DIC濃度低于秋季的重要因素.

3.2 文武砂水庫水體DOC和DIC濃度空間變化特征

人類活動(dòng)對(duì)湖、庫系統(tǒng)內(nèi)部有機(jī)碳的空間分布特征有著十分顯著的影響[13].本研究中，相比南庫區(qū)，北庫區(qū)為人類排污活動(dòng)較密集的區(qū)域，受到工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水、周邊養(yǎng)殖塘廢水等諸多污染源的影響(圖1)，水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(trophic level index,TLI)值介于37.10～50.40之間，其富營(yíng)養(yǎng)化程度較高.受此影響，北庫區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部生物地球化學(xué)循環(huán)可能較南庫區(qū)活躍，其水體可能具有更強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)DOC能力，進(jìn)而導(dǎo)致DOC濃度偏高.與此同時(shí)，本研究在3個(gè)季度采樣期間測(cè)得入庫的工業(yè)廢水、養(yǎng)殖塘廢水、市政生活污水及河流水體中DOC濃度變化范圍分別介于7.91～20.45、7.28～17.60、9.41～16.05和5.37～12.66 mg/L，其均要高于相應(yīng)廢水輸入?yún)^(qū)水體中的DOC濃度(圖7a).這一結(jié)果表明，進(jìn)入庫區(qū)的諸多廢水所含有的大量DOC，對(duì)北庫區(qū)水體較高的DOC濃度亦具有重要貢獻(xiàn).此外，有研究表明，地表徑流可將流域內(nèi)產(chǎn)生的大量營(yíng)養(yǎng)鹽和DOC攜帶至湖庫，對(duì)其水體DOC濃度增加具有顯著影響[10,27].本研究中，文武砂水庫北庫區(qū)上接長(zhǎng)樂市南洋水網(wǎng)，有大量的河水注入該庫區(qū)，可將流域內(nèi)大量DOC攜帶入庫；而南庫區(qū)相對(duì)較封閉，入庫區(qū)的河流較少，故而進(jìn)入庫區(qū)的外源DOC相對(duì)較少.另外，相比北庫區(qū)，南庫區(qū)受河流淡水影響較小，其相對(duì)較高的鹽度可引起水體部分陽離子快速置換，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化，加速有機(jī)碳的損失[50-51]，進(jìn)而會(huì)造成水體DOC濃度降低.因此，文武砂水庫南、北庫區(qū)間水體DOC濃度的差異性除受到庫區(qū)周邊人類排污活動(dòng)的影響，也受到河流輸入的影響.

文武砂水庫水體DIC濃度在兩個(gè)庫區(qū)也存在差異，且在不同季節(jié)呈現(xiàn)出不一樣的空間變化特征.在秋季和春季采樣期間，水體DIC濃度呈現(xiàn)出北庫區(qū)顯著高于南庫區(qū)的特征(表1).這種差異性除主要受到北庫區(qū)較密集的人類廢水排放活動(dòng)和大量入庫河流將流域內(nèi)巖溶作用所形成的高濃度DIC攜帶入庫影響外，可能還受到2個(gè)庫區(qū)間水體鹽度存在較大變化的調(diào)控.本研究調(diào)查結(jié)果顯示，南庫區(qū)水體鹽度呈現(xiàn)出顯著高于北庫區(qū)的特征，且與DIC濃度的空間變化呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 表2).類似的相關(guān)關(guān)系亦被其他研究所報(bào)道[52-54].諸多研究表明，高鹽度水體環(huán)境下的離子脅迫和毒害作用會(huì)降低水體浮游藻類及微生物的呼吸作用[55]，并導(dǎo)致水體中的過飽和碳酸鹽發(fā)生沉降[54]，進(jìn)而引起DIC濃度的降低.就本研究而言，鹽度影響文武砂水庫水體DIC濃度空間變化的作用機(jī)制并不清楚，今后值得進(jìn)一步開展研究.然而，在夏季采樣期間，雖然水體鹽度亦呈現(xiàn)出南庫區(qū)高于北庫區(qū)，但水體DIC濃度呈現(xiàn)出北庫區(qū)顯著低于南庫區(qū)的特征(表1).究其原因，可能主要是由于受降水作用及其造成的水庫北庫區(qū)泄水的綜合影響掩蓋了鹽度的作用.已有研究表明，大量雨水輸入會(huì)對(duì)湖、庫水體DIC濃度產(chǎn)生明顯的稀釋效應(yīng)[56-57].本研究在夏季采樣期間，所在區(qū)域發(fā)生過強(qiáng)降水事件.受其影響，不僅會(huì)對(duì)整個(gè)水庫DIC濃度產(chǎn)生稀釋作用，而且也會(huì)造成水庫北庫區(qū)水位大幅度上升.在此情況下，北庫區(qū)會(huì)向南庫區(qū)進(jìn)行泄水.一方面，南庫區(qū)水體受到泄水作用的強(qiáng)烈擾動(dòng)，可將庫區(qū)底層儲(chǔ)層的DIC攜帶至表層[43]，進(jìn)而引起表層DIC濃度增加.另一方面，泄水可致使南庫區(qū)水體懸浮顆粒物增加，導(dǎo)致水體濁度增加和透明度降低，引起水體光合作用減弱，進(jìn)而可大大減少浮游植物對(duì)水體DIC濃度的吸收利用量[4,29].再者，泄水作用既可增加北庫區(qū)向南庫區(qū)的碳輸入量，也可通過其強(qiáng)烈擾動(dòng)促使庫區(qū)水-氣界面CO2通量向大氣庫擴(kuò)散[58]，引起水體CO2的溶解度降低，進(jìn)而改變水體DIC濃度.

有研究表明，在湖泊、水庫的形成發(fā)展過程中，源自于周邊的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入這些水生系統(tǒng)后，由周邊向中心往往會(huì)呈現(xiàn)出水平分異的特征[2,34].在本研究中，亦發(fā)現(xiàn)文武砂水庫DOC和DIC濃度在不同水深區(qū)域具有顯著的水平變化特征，呈現(xiàn)出由水庫周邊淺水區(qū)域向庫區(qū)中心深水區(qū)域遞減的趨勢(shì)(圖6).相比庫區(qū)中心的深水區(qū)域，水庫周邊淺水區(qū)具有較高的DOC和DIC濃度，主要跟該區(qū)域直接接收了庫區(qū)周邊大量外源廢水和河流徑流輸入有關(guān).這些外源廢水和徑流通常含有較高濃度的DOC、DIC及其他有機(jī)污染物[59-62].當(dāng)廢水入庫時(shí)，大部分DOC和DIC可首先停蓄在庫區(qū)周邊的淺水區(qū)域，可產(chǎn)生一個(gè)“累積效應(yīng)”，進(jìn)而促使這一區(qū)域具較高的DOC和DIC濃度.此外，有研究表明，相比離湖、庫岸邊較遠(yuǎn)的深水區(qū)域，靠岸較近的淺水區(qū)域由于較高的溶解氧水平，其微生物活性較高，有機(jī)物質(zhì)分解較快[61]，進(jìn)而有利于大量微生物代謝產(chǎn)物(如DOC和DIC)的形成.然而，DOC作為水體有機(jī)質(zhì)的重要組分，在微生物的分解作用下，也可能會(huì)被大量消耗掉.所以，不同水深區(qū)域微生物作用下的有機(jī)物質(zhì)分解活動(dòng)作用對(duì)文武砂庫區(qū)DOC濃度水平變化特征的影響情況并不明確，仍需要開展進(jìn)一步研究加以明晰.此外，廢水入庫時(shí)還會(huì)通過改變庫區(qū)內(nèi)部的水動(dòng)力條件來影響沉積物再懸浮作用，進(jìn)而影響到沉積物間隙水中DOC和DIC向水體的釋放量.相比深水區(qū)域，毗鄰廢水輸入的淺水區(qū)域，廢水輸入會(huì)導(dǎo)致其水動(dòng)力作用更為強(qiáng)烈，水體擾動(dòng)劇烈且頻繁，沉積物再懸浮作用明顯，促使沉積物間隙水中大量的DOC和DIC會(huì)被釋放至水體中[63-65]，進(jìn)而導(dǎo)致其水體碳濃度較高.當(dāng)然，廢水輸入亦可能會(huì)引起淺水區(qū)域與深水區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在水平方向上具有一定的梯度變化，進(jìn)而造成其浮游藻類或生物存在差異性，最終亦會(huì)導(dǎo)致碳濃度的空間分布表現(xiàn)出差異性.本課題組的研究表明減少?gòu)U水輸入，對(duì)于提高水質(zhì)[66-67]，控制水庫碳循環(huán)都有重要的意義[68].

3.3 水體DOC和DIC多空間點(diǎn)位測(cè)定的科學(xué)意義

目前對(duì)湖、庫系統(tǒng)水體碳生物地球化學(xué)循環(huán)研究中，盡管已有研究考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的空間異質(zhì)性特征，但仍然是基于少數(shù)幾個(gè)空間點(diǎn)位的野外樣品采集策略，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大不確定性.例如，Linkhorst等[69]對(duì)巴西東南部Chapéu d’Uvas水庫水體的含碳?xì)怏w(CH4)溶存濃度及其界面通量研究發(fā)現(xiàn)，相比高空間分辨率采樣點(diǎn)位測(cè)定的結(jié)果，不同情景下的低空間分辨率采樣點(diǎn)會(huì)顯著低估和高估水庫向大氣庫釋放的含碳?xì)怏w總量，其低估率和高估率分別可達(dá)到79%和174%.Paranaíba等[70]研究也獲得類似的研究結(jié)論.為體現(xiàn)多空間點(diǎn)位監(jiān)測(cè)工作在研究沿海水庫碳動(dòng)態(tài)方面的重要性，參考Linkhorst等[69]研究報(bào)道，本研究基于103個(gè)空間點(diǎn)位的觀測(cè)數(shù)據(jù)，抽出一些常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位作為“低空間分辨率”的情景，來模擬不同采樣情景下水庫水體DOC和DIC濃度變化情況(表3).結(jié)果顯示，若采樣點(diǎn)僅布設(shè)在水庫的南庫區(qū)(情景Ⅰ)、非廢水輸入?yún)^(qū)(情景Ⅱ)、庫區(qū)深水區(qū)域(情景Ⅲ)或采樣斷面T21(情景Ⅳ)，其水庫水體DOC濃度要比基于所有采樣點(diǎn)測(cè)得的濃度均值分別低約38%、22%、5%和69%，DIC濃度均值分別低約3%、5%、5%和36%.若采樣點(diǎn)僅布設(shè)在水庫的北庫區(qū)、廢水輸入?yún)^(qū)、庫區(qū)淺水區(qū)域或采樣斷面T7，其水庫水體DOC濃度要比基于所有采樣點(diǎn)估測(cè)得的值分別高出約33%、62%、8%和187%，DIC濃度分別高出約2%、21%、8%和78%.以上研究結(jié)果表明，少數(shù)幾個(gè)空間點(diǎn)位的采樣方法會(huì)導(dǎo)致低估或高估水庫水體DOC和DIC濃度，可能是導(dǎo)致大尺度水庫碳庫估算結(jié)果不確定性的重要原因之一，而采取多空間點(diǎn)位或高空間分辨率觀測(cè)是降低其不確定性的重要途徑.此外，多空間點(diǎn)位或高空間分辨率觀測(cè)會(huì)更加清晰識(shí)別外源輸入對(duì)庫區(qū)水體DOC和DIC濃度有何影響，進(jìn)而為研究水庫水體其它碳生物地球化學(xué)過程(如含碳?xì)怏w排放的熱點(diǎn)區(qū)域)提供重要參考價(jià)值.

表3 不同采樣情景下文武砂水庫表層水體DOC和DIC平均濃度變化

4 結(jié)論

1)采樣期內(nèi)，文武砂水庫水體DOC和DIC濃度具有顯著的季節(jié)變化特征，其最大值分別呈現(xiàn)在夏季和秋季調(diào)查期間；不同季節(jié)水體浮游植物數(shù)量(Chl.a濃度表征)及其代謝活動(dòng)的強(qiáng)烈程度是影響水庫DOC和DIC濃度季節(jié)變化的重要因素.

2)文武砂水庫水體DOC和DIC濃度亦具有顯著的空間變化特征.在庫區(qū)之間，整體上呈現(xiàn)出北庫區(qū)水體DOC和DIC濃度高于南庫區(qū)的特征；在不同水深區(qū)域，水體DOC和DIC濃度由庫區(qū)周邊的淺水區(qū)向庫區(qū)中心的深水區(qū)域呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì).外源污染輸入強(qiáng)度是引起水庫DOC和DIC濃度空間變化的重要因素.

3)文武砂水庫DOC和DIC濃度變化主要受到工業(yè)廢水、市政廢水、養(yǎng)殖塘廢水和河流徑流輸入的影響，其中庫區(qū)周邊的工業(yè)廢水和河流徑流輸入對(duì)水庫水體DOC和DIC濃度影響較大.高密度空間采樣調(diào)查分析在揭示人類活動(dòng)對(duì)湖、庫系統(tǒng)水體碳空間分布特征的影響方面起重要作用.

致謝: 感謝福建師范大學(xué)亞地理科學(xué)學(xué)院趙光輝、李玲和張逸飛等同學(xué)在野外樣品采集中給予的幫助.