王雯倩,蔡玉山,肖 湘,段亮亮,*

1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040 2 東北林業(yè)大學(xué)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點實驗室,哈爾濱 150040

溶解性有機碳(DOC)是水體中最大的有機碳庫,是全球碳循環(huán)中最重要、最敏感的指標(biāo)[1],也是水生生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分[2],在全球水體循環(huán)中起重要的作用。多年凍土是指存在時間為兩年及以上、溫度低于0℃的巖石或土壤[3],多分布于高緯度和高海拔地區(qū),對區(qū)域水分、土壤和植被之間的生物地球化學(xué)循環(huán)有重要影響。Sato等[4]在西伯利亞的研究指出凍土活動層厚度越大,土壤持水能力越強,進而可以提高植被生產(chǎn)力。Young等[5]在加拿大的研究發(fā)現(xiàn),氣候變暖條件下凍融可增加水分入滲,抬升地下水位,促進植被生長。同時,多年凍土是全球重要的有機碳庫,其有機碳儲量達(dá)1330—1580 Pg[6],儲量遠(yuǎn)高于大氣圈碳庫,約為大氣碳總量的2倍[7]。高緯度多年凍土賦存條件脆弱,對氣候變化響應(yīng)敏感,氣候變暖正在導(dǎo)致凍土退化,活動層厚度逐年增加,分布連續(xù)性發(fā)生改變,凍土面積減少[8]。隨著多年凍土活動層的季節(jié)性消融,每年都有大量的有機碳從凍土中釋放出來,并隨水流向河流遷移[9],為河流提供豐富的有機碳源,使其DOC濃度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)的河流[10],不僅影響河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,還對全球碳循環(huán)有著重要的作用。

DOC在流域的輸移過程是全球碳循環(huán)的重要組成部分,主要受到氣候變化、降水、溫濕度等因素影響。例如,青藏高原高山山區(qū)的研究表明,隨著溫度的升高,凍土中的有機碳會釋放出來[11—12],并以DOC的形式隨地下水遷移到地表河網(wǎng)中[13],這導(dǎo)致高緯度和高海拔山區(qū)溪流中的DOC濃度增加。同時,降水是影響徑流DOC濃度及輸出的重要因素,降水的“沖刷效應(yīng)”會增加徑流DOC的濃度及DOC的輸出[14]。鄭清等[15]在千島湖研究發(fā)現(xiàn),伴隨強降雨的開始,DOC濃度呈現(xiàn)上升趨勢;Grace等[16]在對馬爾湖水體DOC的研究發(fā)現(xiàn),降雨對湖泊水體DOC濃度的影響顯著,雨季水體DOC濃度較高;孫會國等[17]對西江、陶澍等[18]對伊春河的研究同樣得出了相同的研究結(jié)果。

在多年凍土區(qū),多年凍土區(qū)活動層在凍融期頻繁的凍融循環(huán),會對流域內(nèi)水流路徑的深度及滯留時間造成顯著影響[19],進而影響溪流中DOC濃度。我國對于多年凍土區(qū)水體DOC的研究多集中于青藏高原地區(qū)[20]。例如,Song等[21]在青海青藏高原的研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)影響土壤側(cè)向碳輸出,進而影響河流碳輸出;Gao等[22]在對青藏高原黑河流域的研究發(fā)現(xiàn),DOC濃度具有明顯季節(jié)性特征,春末、夏季DOC值較高。Mu等[23]在青藏高原北部的研究發(fā)現(xiàn),隨著解凍深度的增加,流域DOC濃度表現(xiàn)出下降趨勢。然而,我國東北大、小興安嶺丘陵山地分布著約為38萬平方公里的多年凍土,該地區(qū)與西部高山高原區(qū)在氣候上差異很大,尤其是年均氣溫和降水量,這些差異勢必給東北高緯區(qū)和西部高山高原區(qū)凍土特征帶來差異[24]。國際上對多年凍土區(qū)水體DOC的研究比較全面,例如,Payandi-Rolland[25]等對歐洲東北部多年凍土泥炭地的研究發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)中,泥炭地表水中DOC濃度略有增加,只出現(xiàn)了較小的變化,穩(wěn)定性高。Frey等[10]對西伯利亞河流的研究發(fā)現(xiàn),由于多年凍土退化引起的活動層增厚使水文連通性增強,從而使DOC輸出通量沿著緯度樣帶增加。然而,在研究河流DOC 濃度與輸出時,研究者的取樣多為隨機取樣且間隔時間較長,樣品偶然性較大,增加了以往研究結(jié)果的不確定性[26—27]。

大興安嶺多年凍土區(qū)是我國境內(nèi)唯一寒溫帶明亮針葉林區(qū)[28],也是歐亞大陸高緯凍土區(qū)的南緣。凍土賦存條件脆弱,熱穩(wěn)定性較差,對氣候變化響應(yīng)敏感。近幾十年的研究表明,該地區(qū)的多年凍土經(jīng)歷了顯著的退化過程[29]。同時,也有研究表明多年凍土活性層季節(jié)性凍融循環(huán)顯著影響著徑流路徑和DOC化學(xué)特征[30]。土壤中的DOC由于凍融過程以及壤中流作用,向溪流中遷移,改變水體中的有機碳含量。所以,在多年凍土持續(xù)退化的背景下,季節(jié)性凍融過程中河流DOC輸出通量的變化特征及其影響因素成為該地區(qū)亟待解決的科學(xué)問題。本研究以大興安嶺多年凍土區(qū)的老爺嶺小流域為研究對象,利用高頻率(逐日)采樣,同時結(jié)合下墊面和多年凍土活動層凍融特征,研究春季凍融期徑流DOC的濃度和輸出通量及其與徑流量、降雨及多年凍土活動層凍融變化的關(guān)系,研究結(jié)果對理解高緯度多年凍土區(qū)在全球氣候變暖影響下碳循環(huán)變化特征及其機制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究流域選擇在黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站所在的漠河林場范圍內(nèi)的老爺嶺小流域(圖1)(53°23′53″—53°27′30″ N, 122°14′27″—122°21′2″ E),流域面積21.86 km2,海拔高度在302—696 m之間,平均海拔533 m。其上游高差小,地勢平坦的河谷濕地區(qū)域比例較大;下游的坡地面積較大,河岸谷地濕地比例小。地帶性植被類型為寒溫帶明亮針葉林,以興安落葉松(Larixgmelinii)為優(yōu)勢建群種,其他喬木有樟子松(Pinussylvestrisvar. mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(PopulusdavidianaDode)等。多年平均氣溫為-3.6℃,最高溫28.1℃,最低溫-46.7℃,年均氣溫年較差為48.2℃。多年平均降水量為484 mm,降雨主要集中在6—9月份,全年無霜期約90 d。其地帶性土壤為棕色針葉林土,坡面土壤厚度為10—30 cm,溝谷多為沼澤泥炭地,土壤厚度為15—150 cm,并有多年凍土存在。根據(jù)漠河生態(tài)站對多年凍土活動層的監(jiān)測,活動層平均厚度在1.0—1.5 m。

圖1 老爺嶺流域概況圖Fig.1 Overview of the Laoyeling River Basin Research Area

1.2 研究方法

1.2.1地表徑流量觀測

在老爺嶺小流域下游卡口處設(shè)置測流堰,寬度為4.0 m。在此處布設(shè)水位計(Onset HOBO U24-1 型),記錄時間間隔設(shè)為0.5 h。觀測期自2021年4月9日—2021年6月30日,通過繪制水位—流量關(guān)系曲線,得到觀測期內(nèi)連續(xù)徑流量數(shù)據(jù)。根據(jù)0.5 h連續(xù)流量數(shù)據(jù)計算得到逐日徑流量,并根據(jù)流域的面積,將流量(m3/s)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為該流域的徑流深(mm)數(shù)據(jù)。

1.2.2水樣收集

冬季由于氣溫降低,河水凍結(jié),每年四月開始解凍。因此,流域下游取樣期為2021年4月9日至6月30日,同期上游由于道路積雪,無法進入,所以上游取樣期為4月22日至6月30日。上游采樣點地處偏遠(yuǎn),每天取樣難以實現(xiàn),所以將取樣頻率設(shè)置為下游每天取樣,上游三天一取,河水的采集為定點采集。若有降雨事件發(fā)生,則將下游取樣頻率增加為每隔6 h取一次水樣。

取樣前,用河水將取樣瓶沖洗三次,然后取滿水樣,蓋好瓶蓋,帶回生態(tài)站保存好。每次取兩組水樣(每組三瓶計三次重復(fù)),一組用于測定DOC含量,另一組用于其他指標(biāo)的測定,如pH、電導(dǎo)率等?，F(xiàn)場采集的樣品立即帶回生態(tài)站放入冰箱冷凍。在準(zhǔn)備測試之前所有的樣品都處于冷藏狀態(tài)。在樣品測試前,在室溫條件下讓其自然融化,然后立即測試相關(guān)指標(biāo)。

DOC濃度使用Multi N/C 2100S總有機碳分析儀測定,取三瓶水樣測量的平均值作為河水樣品DOC濃度。

1.2.3土樣收集

土壤樣品的采集時間為一個月一次,采集地點分別在老爺嶺流域的上游及中下游。上游在河流的河岸、陰坡和陽坡設(shè)定3個取樣點;中下游在河流的河岸、河谷、陰坡、陽坡處設(shè)定4個取樣點。每個取樣點都按照枯落物(苔蘚層)、腐殖質(zhì)(草氈層)、土壤層分層取樣,每層都裝入對應(yīng)的自封袋中,密封保存,帶回生態(tài)站?？萋湮锖透迟|(zhì)層的樣品稱取10 g,放入裝有50 ml純水的細(xì)口瓶中,之后放到振蕩機上,振蕩5 h,靜置0.5 h。上清液過0.45 μm濾膜后,放入抽濾機中進行抽濾。將抽濾后的樣品密封,放入冰箱冷藏保存,待測。土壤樣品過2 mm篩,過篩后的樣品,稱取10 g,烘箱烘干進行土壤含水率的測定;再稱取6 g土壤置于離心管中,加30 mL去離子水(純水),常溫下振蕩浸提30 min,用高速離心機以8000 r/min離心10 min,上清液過0.45 μm濾膜,過濾后的樣品密封冷藏保存,待測。在樣品測試前,在室溫條件下讓其自然融化,然后立即測試樣品的相關(guān)指標(biāo)。

1.2.4氣象數(shù)據(jù)觀測

大氣溫濕度、土壤溫度和降水量來自漠河生態(tài)站內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氣象場。同時,為了消除降水空間異質(zhì)性,在流域上游高海拔處設(shè)置林外自計式降雨桶獲得降雨數(shù)據(jù)。

在流域出口附近土壤安裝土壤溫度記錄儀(Onset HOBO S-TMB),記錄時間間隔為1 h,分別監(jiān)測0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度處的土壤溫度。

1.3 數(shù)據(jù)計算和處理

研究數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。采用差異性顯著檢驗(α=0.05)分析流域上下游以及不同時期(凍融循環(huán)期和融化期)徑流DOC濃度、通量等差異,Pearson相關(guān)分析方法分析徑流DOC濃度、輸出通量與各影響因素的相關(guān)性,圖形采用Origin軟件繪制。

流域DOC輸出通量通過徑流量和河水DOC濃度進行計算,流域日DOC輸出通量計算公式如下:

FDOC=(C×Q)/A

式中,FDOC為輸出通量(kg/km2);C為DOC濃度(mg/L);Q為徑流量(m3/s);A為流域面積(km2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流DOC濃度特征

在2021年4月9日到6月30日研究期間,老爺嶺流域徑流DOC濃度呈下降的趨勢(圖2)。流域上游的徑流DOC濃度變化趨勢與下游基本一致,在研究期間呈逐漸下降趨勢,變化范圍為3.26—33.88 mg/L,4月DOC平均含量為24.45 mg/L,5月為18.08 mg/L,6月為13.86 mg/L(表1),研究期間的平均濃度為18.80 mg/L。濃度最大值為5月4日,33.88 mg/L,最小值為6月27日,3.26 mg/L。

表1 流域溶解性有機碳(DOC)濃度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

圖2 流域上下游溶解性有機碳(DOC)濃度 Fig.2 Upstream and downstream dissolved organic carbon (DOC) concentrations in the basin

流域下游的DOC濃度的變化范圍為3.88—33.75 mg/L,4月DOC平均含量為23.98 mg/L,5月為16.94 mg/L,6月為11.66 mg/L(表1),研究期間的平均濃度為17.53 mg/L,最大值出現(xiàn)在4月15日,為33.75 mg/L,最小值為6月27日,3.88 mg/L。

通過對流域上下游的差異性顯著檢驗,發(fā)現(xiàn)兩個采樣點之間無顯著性差異(P>0.05)。但研究期間上游的月平均DOC濃度略高于下游,這可能是由于上游濕地面積占比大,濕地碳儲量高,隨徑流向水體遷移,導(dǎo)致上游溪流中DOC濃度比下游高。

2.2 流域DOC輸出通量特征

研究期間,流域DOC濃度、輸出通量和徑流量的變化如圖3所示,流域DOC輸出通量與DOC濃度和徑流量的變化趨勢一致。老爺嶺流域的平均DOC濃度為17.53 mg/L,DOC濃度范圍為3.88—33.57 mg/L,DOC的日平均通量為38.74 kg/km2。在研究期間,DOC輸出通量表現(xiàn)出明顯的月度變化(表2),月平均輸出通量先升高,在5月份達(dá)到最大值,然后略有下降趨勢。老爺嶺流域河水DOC輸出通量集中在5月,占整個凍融期的56.14%。此外研究期間5月份降水增多,這增加了河流徑流和DOC濃度,進而進一步增加了DOC輸出通量。

表2 老爺嶺流域凍融期徑流量與溶解性有機碳(DOC)輸出通量

圖3 溶解性有機碳(DOC)濃度、輸出通量與徑流量Fig.3 Dissolved organic carbon (DOC) concentration, output flux and runoff

老爺嶺流域的DOC輸出通量與DOC濃度和徑流量之間的相關(guān)性如圖所示(圖4),DOC輸出通量與濃度呈線性正相關(guān),相關(guān)性不顯著(R2=0.0368,P>0.05),輸出通量與徑流量呈極顯著正相關(guān)性(R2=0.6779,P<0.001)。說明徑流量是流域DOC輸出通量的主導(dǎo)因素。

2.3 溫度和降雨與徑流DOC通量的關(guān)系

降水和氣溫變化如圖5所示。結(jié)果表明,從2021年4月9日至6月30日采樣期間,最大降水量52.5 mm,期間無降水天數(shù)43 d。氣溫波動較大,最高氣溫23.59℃,最低氣溫-6.39℃,平均大氣溫度9.97 ℃。

圖5 降水量和氣溫變化Fig.5 Rainfall and temperature changes

老爺嶺流域的日平均氣溫與徑流DOC濃度和輸出通量之間的相關(guān)性如圖所示(圖6),DOC濃度與平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.5048,P<0.001),輸出通量與氣溫?zé)o顯著相關(guān)性(R2=0.0489,P>0.05)。

圖6 溶解性有機碳(DOC)濃度、輸出通量與氣溫的關(guān)系Fig.6 Relationship between dissolved organic carbon (DOC) concentration, output flux and temperature

研究期間降水樣品中的DOC濃度變化范圍為1.06—9.42 mg/L,圖7為降雨量與雨水中DOC濃度的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者呈指數(shù)負(fù)相關(guān)(R2=0.5458,P<0.05),高降雨量能夠?qū)е碌虳OC濃度,說明降雨造成稀釋效應(yīng),降雨量越大對應(yīng)的稀釋效應(yīng)越強,DOC濃度越低。

圖7 降雨量與雨水中溶解性有機碳(DOC)濃度的關(guān)系 Fig.7 Relationship between rainfall and dissolved organic carbon (DOC) concentration in rain

為了研究降雨強度對徑流DOC濃度及輸出通量的影響,選擇有降雨事件發(fā)生的時間進行分析,通過觀察發(fā)現(xiàn),在降雨發(fā)生時,徑流DOC濃度有著明顯的變化,表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(圖8)。DOC濃度峰值出現(xiàn)在5月24日,濃度為22.17 mg/L,與此同時流域徑流量與DOC輸出通量也達(dá)到了峰值,這種現(xiàn)象發(fā)生在最大降雨量(5月23日)之后的一天。此外通過計算發(fā)現(xiàn)DOC輸出通量與降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.379,P<0.01)。

圖8 降雨量、徑流量、溶解性有機碳(DOC)濃度及輸出通量Fig.8 Rainfall, runoff, dissolved organic carbon (DOC) concentration and output flux

2.4 土壤與徑流DOC濃度特征

為了研究土壤DOC與徑流DOC之間的聯(lián)系,取小流域河谷0—10 cm、10—20 cm土壤DOC與徑流DOC進行研究(20 cm以下土壤多為沙礫)。研究期間小流域0—10 cm、10—20 cm土壤DOC濃度變化如圖9所示,可以看出4月份DOC濃度最高,0—10 cm、10—20 cm土壤平均DOC濃度為133.99 mg/L。這可能是因為冬季氣溫寒冷,土壤處于凍結(jié)狀態(tài),微生物細(xì)胞的分解和植物細(xì)根的死亡釋放的DOC得以冷凍保存。春季氣溫上升,表層開始融化,土壤DOC隨徑流遷移到附近水體中,導(dǎo)致此時徑流中較高DOC含量。到5月隨著降水增多,微生物活動開始增加,使得土壤DOC濃度有所下降,為77.57 mg/L。6月份土壤DOC含量增加,濃度為83.78 mg/L,但由于土壤融化深度的加深,DOC流動路徑、滯留時間變長,容易被礦化,以及微生物和植物對DOC的利用,進而導(dǎo)致徑流DOC濃度下降。

圖9 淺層土壤與水體溶解性有機碳(DOC)的關(guān)系 Fig.9 Relationship between shallow soil and water dissolved organic carbon (DOC)

2.5 活動層融化(土壤溫濕度)與DOC輸出通量的相關(guān)性

研究期間老爺嶺不同土層(0、5、10、20、30、40)的土壤溫度和不同土層(10、20、30)土壤濕度的動態(tài)變化如圖10所示。以40 cm土層日平均溫度達(dá)到0℃為閾值,將取樣期間劃分為2個時期,分別為凍融循環(huán)期(4月9日—4月28日)和融化期(4月29日—6月30日)。為了揭示凍融(土壤溫度)對徑流DOC濃度和輸出通量的影響,將不同時期的平均土壤溫度與DOC濃度和輸出通量做線性回歸分析(圖11)發(fā)現(xiàn),在凍融循環(huán)期土溫與DOC輸出通量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系,而與DOC濃度沒有顯著關(guān)系。在融化期土壤溫度與徑流DOC濃度和輸出通量均存在極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖10 不同深度土壤溫濕度Fig.10 Soil temperature and humidity at different depths

圖11 不同時期溶解性有機碳(DOC)濃度、輸出通量與土壤溫度的相關(guān)性Fig.11 Correlation of dissolved organic carbon (DOC) concentration, output flux and soil temperature in different periods

為了消除降雨對DOC濃度和輸出通量的影響,選取了兩段無降雨事件發(fā)生時期(凍融循環(huán)期4月19—25日和融化期6月23—29日),進一步揭示不同時期土壤溫度對徑流DOC輸出的影響(圖12)?？梢钥闯鰞蓚€時期徑流中的DOC濃度都表現(xiàn)為下降趨勢,且凍融循環(huán)期DOC濃度顯著高于融化期,而融化期DOC輸出通量高于凍融循環(huán)期。此外在凍融循環(huán)期,徑流DOC濃度變化較大,徑流量持續(xù)上升,輸出通量主要受到濃度和徑流量的共同影響;而融化期DOC濃度基本保持在穩(wěn)定水平,輸出通量與徑流量均呈下降趨勢,此時DOC輸出通量主要受到徑流量變化的影響。通過計算發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)期平均日徑流DOC濃度(24.02 mg/L)為融化期(14.64 mg/L)的1.6倍,而融化期平均日DOC輸出通量(48.02 kg/km2)約為凍融循環(huán)期(9.52 kg/km2)的5倍。

圖12 不同時期溶解性有機碳(DOC)濃度、輸出通量與徑流量Fig.12 Dissolved organic carbon (DOC) concentration, output flux and runoff in different periods

3 討論

3.1 老爺嶺小流域徑流DOC輸出特征

結(jié)果表明,老爺嶺流域春季凍融期溪流中DOC濃度變化差異較大,整體上表現(xiàn)為下降的趨勢,4月份徑流DOC濃度明顯高于5、6月份。這與Zhu等研究指出祁連山流域徑流DOC濃度在春季較高的結(jié)果保持一致[31]。徑流DOC月輸出通量在研究期間(4、5、6月)分別為242.5、1805.2、1167.8 kg/km2(表2)。DOC輸出通量在5月份最多,占整個凍融期間輸出通量的56.14%。春季凍融期徑流中DOC輸出通量5月>6月>4月。研究結(jié)果與劉詩奇等[32]在西伯利亞北極河流研究得到的河流大規(guī)模有機碳輸出始于春末夏初,并于5—6月期間達(dá)到峰值的結(jié)果保持一致。造成這種現(xiàn)象的原因可能是河流有機碳輸出濃度和徑流量的大小共同決定著輸出通量[32]。4月,河流并未完全融化,導(dǎo)致此時徑流量小。通過計算發(fā)現(xiàn)4月的河流徑流量為僅占整個研究期間老爺嶺流域徑流量的4.65%,所以導(dǎo)致4月份徑流DOC濃度高,但輸出通量少。之后,流域內(nèi)降雨事件增多,降雨量增高,使得流域徑流量升高。同時降雨對河流附近地表產(chǎn)生沖刷效應(yīng),將土壤表層的可溶性有機碳攜入河道,增加了DOC的輸入量,導(dǎo)致溪流中DOC濃度升高。從而使得5、6月份DOC輸出通量顯著增高。此外,5月流域DOC輸出通量大于6月,可能是因為5、6月份流域徑流量相差不大,但5月DOC平均濃度(16.94 mg/L)比6月(11.66 mg/L)高約5 mg/L(表1);此外6月溫度升高會促進微生物的活性[33],還可能改變植物的物種組成和生產(chǎn)量[34],使得植物對大氣中的碳利用量增高,從而使得DOC輸出通量降低。

3.2 凍融作用對流域DOC輸出的影響

通過對老爺嶺流域不同時期土壤溫度與流域DOC濃度、輸出通量的研究,結(jié)果表明:凍融循環(huán)期徑流DOC濃度高于融化期,融化期平均日DOC輸出通量(48.02 kg/km2)顯著高于凍融循環(huán)期(9.52 kg/km2)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是凍融循環(huán)期,森林中具有較厚的積雪覆蓋,且該時期由于寒冷的氣溫,使得土壤處于凍結(jié)狀態(tài)。同時限制微生物的活性,提高植被細(xì)根死亡[35],植被吸收量很小,土壤內(nèi)可供淋溶的DOC較多。但是該時期流域內(nèi)降水較少,溪流徑流量小,導(dǎo)致DOC輸出通量少。而到了融化期,土壤溫度的不斷增長,使得土壤活動層加厚,與鄰近地表水之間的連通性增強;同時,該時期積雪開始融化。融雪期是北方地區(qū)可溶性有機碳通過融雪徑流從陸地生態(tài)系統(tǒng)向河流輸出的關(guān)鍵時期[36]。此時活動層較薄,流域儲水能力差。大部分冰層和融雪水都轉(zhuǎn)化成了徑流,導(dǎo)致流域徑流量大且增長快。這就導(dǎo)致流域DOC輸出通量增加,且顯著高于凍融循環(huán)期。此外,Holmes等[37]也證實春季融雪引起的徑流增加會導(dǎo)致河流有機碳輸出增多。流域徑流量的變化是影響徑流DOC輸出通量變化的主要因素。這與茍小林等[38]在森林小流域?qū)OC的研究以及王爍等[39]在高寒山區(qū)典型小流域徑流DOC輸出的研究結(jié)果高度一致。

3.3 徑流DOC隨徑流的變化特征

結(jié)果發(fā)現(xiàn),徑流DOC濃度和輸出通量對徑流變化比較敏感,徑流量是影響DOC輸出通量的主要因素。這與Zhong[40]等在金沙江的研究發(fā)現(xiàn)C通量與徑流之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果相似。凍融循環(huán)期,流域內(nèi)河流未完全融化且降水較少,使得該時期徑流量小,DOC輸出通量小;融化期流域內(nèi)融雪水和降雨增多,充分補給徑流,導(dǎo)致溪流徑流量迅速增長,從而使得融化期DOC輸出通量顯著高于凍融循環(huán)期。此外徑流DOC濃度與徑流的變化基本同步,高徑流量對應(yīng)高徑流DOC濃度。這與Chen[41]等在岷江流域河流得到DOC濃度與徑流量正相關(guān)的結(jié)論一致。降雨通過對徑流量的改變,來影響徑流DOC濃度的變化。降雨期間徑流DOC濃度整體呈現(xiàn)先急速上升后緩慢下降的趨勢。徑流DOC濃度峰值出現(xiàn)在降雨初期的最大降雨強度之后,原因可能是當(dāng)降雨發(fā)生時,整個流域的土壤表層有機質(zhì)處于富集狀態(tài),伴隨著降雨的不斷發(fā)生,土壤表層的土壤有機物不斷沖刷[42]以及土壤中的壤中流攜帶有機物流入溪流[43],最終在降雨強度最大時沖刷效應(yīng)最強,進而導(dǎo)致徑流中DOC濃度達(dá)到峰值。之后,降雨不斷持續(xù),雨水的不斷增加與匯集,導(dǎo)致溪流中的DOC濃度逐漸被稀釋,從而導(dǎo)致在溪流中DOC濃度達(dá)到頂峰后不斷緩慢持續(xù)下降。一方面流域降雨加強了地表沖刷,導(dǎo)致地表徑流和大量土壤DOC輸送到溪流中,從而增加了溪流中的DOC濃度,另一方面,降雨增加使徑流量增加,導(dǎo)致DOC輸出通量增加。此研究結(jié)果與大多數(shù)文獻所報道的徑流DOC濃度降雨時期高于其他時期的研究結(jié)果一致[17—18,44]。

4 結(jié)論

通過對大興安嶺北部多年凍土區(qū)老爺嶺小流域春季凍融期(4月至6月)徑流DOC濃度、徑流量以及氣溫、降雨和土壤溫濕度等環(huán)境因子的連續(xù)觀測,發(fā)現(xiàn)研究時段內(nèi),老爺嶺流域徑流DOC濃度變化范圍為3.88—33.75 mg/L;徑流DOC濃度和輸出通量在凍融循環(huán)期和融化期具有顯著差異,主要受到徑流和溫度的影響。凍融循環(huán)期DOC濃度顯著高于融化期,然而,融化期平均日DOC輸出通量(48.02 kg/km2)是凍融循環(huán)期(9.52 kg/km2)的5倍。徑流量越大,徑流DOC輸出通量越高。揭示了大興安嶺多年凍土區(qū)老爺嶺流域春季凍融期徑流DOC的輸移特征及影響因素。