南通長(zhǎng)江干流顆粒有機(jī)碳組成的季節(jié)性變化特征

南通長(zhǎng)江干流顆粒有機(jī)碳組成的季節(jié)性變化特征

0峽水庫(kù)建設(shè)影響河流生態(tài)環(huán)境的季節(jié)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)江是中國(guó)的一條主要河流，年平均流量為90001103，懸浮沙量為4.3,108噸。這些巨量入海物質(zhì)對(duì)東部邊緣海沉積體系的形成與海洋生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要影響。三峽水庫(kù)建成蓄水對(duì)長(zhǎng)江中、下游干流以及河口生態(tài)環(huán)境的影響受到科學(xué)界的熱切關(guān)注。近年來(lái),一些學(xué)者通過(guò)沉積物的粒度、有機(jī)碳、氮含量和同位素等指標(biāo)研究了長(zhǎng)江的水沙通量、水動(dòng)力條件、有機(jī)物質(zhì)來(lái)源和有機(jī)碳同位素組成等季節(jié)性變化特征。本文選擇長(zhǎng)江南通段于2008年4月至2009年4月一年內(nèi)每周定期采集懸浮物樣品,通過(guò)粒度參數(shù)、有機(jī)碳、氮含量以及碳同位素組成的分析,并結(jié)合徑流量和含沙量的變化,探討三峽水庫(kù)建設(shè)后長(zhǎng)江下游近河口地區(qū)顆粒有機(jī)碳組成的季節(jié)性變化規(guī)律。1有機(jī)碳poc、雙溶劑及有機(jī)物在2008年4月至2009年4月的一年時(shí)間里,筆者在長(zhǎng)江南通龍爪巖西側(cè)近主航道位置(31?57′24″N,120?51′54″E),利用快艇每周采集一次表層30cm下的水樣,共獲得51個(gè)樣品。每次采水樣約50L,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用孔徑為45μm的醋酸纖維濾膜在全玻濾器上過(guò)濾所采水樣,濾膜冰箱冷凍保存。過(guò)濾下來(lái)的懸浮顆粒物質(zhì),于60℃下低溫烘干,用10%的H2O2去除有機(jī)質(zhì),再用1mol/L鹽酸去除自生碳酸鹽,清洗多余的殘酸,最后超聲分散處理樣品后,在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用激光粒度分析儀(美國(guó)CoulterLS-230型)測(cè)試樣品的粒徑。用濃度為1mol/L的高純鹽酸處理樣品以去除碳酸鹽礦物,再用去離子水反復(fù)清洗樣品,直至沒(méi)有殘留鹽酸。將樣品低溫烘干、研磨,供顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒氮(PN)及有機(jī)碳同位素(δ13Corg)分析。運(yùn)用EA1110型有機(jī)元素分析儀(意大利Carlo-Erba公司)測(cè)試POC、PN含量,以Crystine和Sulphanilamide作為標(biāo)樣,并進(jìn)行平行樣監(jiān)控,分析精度為0.5%。用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(DeltaplusXP,Finnigan)測(cè)試δ13Corg,以尿素為標(biāo)樣,分析精度為0.3%。有機(jī)元素與同位素測(cè)試均在海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。由于本文主要討論懸浮顆粒物有機(jī)碳的特點(diǎn),因此沒(méi)有針對(duì)碳酸鹽含量進(jìn)行具體分析。同時(shí)由于儀器的限制,也沒(méi)有測(cè)定δ15N。2結(jié)果與討論2.1風(fēng)壓及洪季變化長(zhǎng)江南通段表層懸浮物的粒度、有機(jī)碳、氮含量及碳同位素組成見(jiàn)圖1和表1。懸浮物主要為粘土質(zhì)粉砂,其中粉砂含量為50.5%~70.3%,砂含量一般小于10.3%,粘土含量在28.6%與48.9%之間;平均粒徑(Mz)在一年中波動(dòng)較大,介于6.9Φ與7.8Φ之間,但季節(jié)性波動(dòng)規(guī)律不明顯,平均值為7.4Φ。與前人研究揭示的長(zhǎng)江下游懸移載荷主要由細(xì)顆粒粉砂(平均56.8%)和粘土(平均43.1%)組成,粒度集中在6Φ~8Φ,來(lái)源復(fù)雜,分選差的結(jié)論相符。POC和PN含量在洪季(5月至10月)與枯季(11月至翌年4月)的變化明顯。POC含量變化范圍為0.74%~1.53%,平均值為1.08%;PN含量變化則介于0.16%與0.40%之間,平均為0.23%。兩者都呈現(xiàn)洪季含量緩慢下降,枯季逐漸上升的變化趨勢(shì)。在8月底至9月初POC與PN含量達(dá)最低,而到3月底達(dá)最高。POC/PN比值在一年中變化不大,除個(gè)別極值外,基本都在平均值4.8附近波動(dòng);總體來(lái)看,在枯季特別是2008年12至2009年3月期間POC/PN比值稍高于洪季。一年中,δ13Corg值介于–24.1‰與–25.6‰之間,其中洪季在–24.1‰與–25.4‰之間變化,平均為–24.5‰;而枯季變化范圍為–24.5‰~–25.6‰,平均為–24.9‰。其變化規(guī)律與POC和PN正好相反,總體上洪季高于枯季。長(zhǎng)江下游干流顆粒態(tài)有機(jī)碳、氮含量及同位素組成的變化特征與吳瑩等研究認(rèn)識(shí)基本一致。2.2粒度對(duì)有機(jī)碳的降解和釋放特征影響因子分析河流懸浮物粒徑組成受水動(dòng)力、流量及含沙量等因素控制,沉積物粒度分布還受制于泥沙輸入方式、水動(dòng)力對(duì)泥沙顆粒再分配的能力以及沉積動(dòng)力環(huán)境。前人研究揭示,雖然主要受物源、生物作用、底層沉積物再懸浮及細(xì)顆粒絮凝作用的影響,長(zhǎng)江口表層懸浮物在粒度上表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性差異,呈現(xiàn)夏季粗冬季細(xì)的特點(diǎn),但是橫沙島以上及口外海域,洪枯季表層沉積物的粒度變化很小,沉積物類型基本不變。潘燕俊等研究發(fā)現(xiàn)2000~2001年期間長(zhǎng)江下游懸移載荷粒度在不同季節(jié)差別較小,粒度差異受物源、河道形態(tài)、縱比降及水量的影響。本次研究采集的下游近河口懸浮物樣品的平均粒徑在一年中變化規(guī)律也不明顯。筆者推測(cè)既可能反映長(zhǎng)江下游干流自然粒徑組成特點(diǎn),也可能與三峽水庫(kù)建成蓄水有關(guān)。由于大壩的攔截,來(lái)自上游的粗顆粒懸浮物質(zhì)在三峽水庫(kù)中沉積下來(lái),從而明顯改變了進(jìn)入下游干流的粒度組成。三峽水庫(kù)一期蓄水后(2003~2005年),長(zhǎng)江干流主要水文控制站(寸灘、宜昌、漢口和大通站)的年均懸沙中值粒徑明顯小于多年平均值以及蓄水前2002年的實(shí)測(cè)值,而從三峽大壩下瀉的江水嚴(yán)重沖刷宜昌站至沙市站之間的長(zhǎng)江河道,沖刷起來(lái)的粗顆粒泥沙隨著變小的河道坡降和河水流速,又逐漸沉降在沙市和漢口之間的河道,使得進(jìn)入下游干流的懸浮泥沙粒徑總體變細(xì),從而導(dǎo)致洪季與枯季的季節(jié)性差異不明顯。河流中顆粒態(tài)有機(jī)元素與同位素組成受多種因素控制,包括有機(jī)質(zhì)來(lái)源、溶解無(wú)機(jī)碳的組成、水動(dòng)力條件、懸浮顆粒物粒度及人類活動(dòng)影響等。本采樣點(diǎn)位于主航道北側(cè),離岸有幾十米距離,水流湍急,因此當(dāng)?shù)攸c(diǎn)源污染造成的有機(jī)質(zhì)組成變化可基本忽略。由圖2可以看出,雖然在枯季,δ13Corg總體上隨粒度變細(xì)而變小;但無(wú)論枯季還是洪季,平均粒徑Mz與POC、δ13Corg之間的相關(guān)性并不顯著。而劉敏等認(rèn)為長(zhǎng)江口潮灘沉積物粒徑大小可能是造成δ13Corg季節(jié)性異常變化的主要因素。這反映長(zhǎng)江下游干流懸浮物與河口潮灘沉積物不同,其δ13Corg組成受不同因素控制。另外,本文的數(shù)據(jù)僅代表長(zhǎng)江下游干流表層懸浮顆粒物的粒度特征,并不能體現(xiàn)長(zhǎng)江干流剖面的粒度特點(diǎn),因此,粒度對(duì)有機(jī)碳氮以及碳同位素的控制作用還待以后做更深入的研究。懸浮物中POC與PN含量呈現(xiàn)枯季高于洪季的變化規(guī)律,可能同洪季長(zhǎng)江含沙量高,顆粒態(tài)有機(jī)碳氮含量受稀釋影響而降低,而枯季干流含沙量低,有機(jī)碳、氮的含量相對(duì)升高有關(guān)。有機(jī)質(zhì)的C/N比值和δ13Corg值多用于指示有機(jī)質(zhì)來(lái)源。一般認(rèn)為低等水生藻類植物的C/N比值為4~10,維管狀陸生植物多大于20,一些高等植物甚至在50以上,但土壤與現(xiàn)代表層沉積物中的C/N比值受成土、風(fēng)化及埋藏過(guò)程中的降解作用影響。淡水浮游植物的δ13C值一般為–30‰~–40‰,陸源C3植物的δ13C為–21‰~–30‰,C4植物在–10‰與–14‰之間。成土和成巖環(huán)境中有機(jī)碳、氮與無(wú)機(jī)氮的降解或釋放可顯著影響C/N比值。與氮同位素和C/N比值比較而言,有機(jī)碳同位素組成更不易受生物活動(dòng)的影響,更適合指示不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)。南通段長(zhǎng)江干流懸浮物中POC/PN比值較穩(wěn)定,洪季與枯季差別不大,但δ13Corg值在枯季明顯輕于洪季,變化范圍也較大(圖3)。本次研究揭示的C/N比值基本在3與6之間,與吳瑩等在相近地點(diǎn)的研究結(jié)果比較,洪季C/N比值接近,而其枯季C/N比值在11左右,明顯高于本次分析。Wuetal.2007年發(fā)表的文章中顯示,長(zhǎng)江干流C/N比值為6.5~23.9,平均值為14.6±4.6,同樣是明顯高于本文數(shù)據(jù)。筆者推測(cè)一方面可能是枯季三峽水庫(kù)蓄水造成來(lái)自上游干流懸浮陸源顆粒有機(jī)質(zhì)(C/N比值較高)被滯留,或有機(jī)質(zhì)降解速率不同造成了季節(jié)差異的消失;另一方面因?yàn)槿龒{大壩蓄水后,隨著含砂量的減少,下游水生有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)明顯增加,還可能因?yàn)轭w粒物中無(wú)機(jī)氮(因存于粘土礦物晶格中,鹽酸無(wú)法去除)的含量過(guò)高等等,這些因素都可以造成C/N比的明顯減小。但其具體原因還待今后分析生物標(biāo)志物等來(lái)揭示。Wuetal.的研究表明,長(zhǎng)江干流顆粒有機(jī)物的δ13C值為–26.6‰~–24.9‰,與C3植物的δ13C值(–28.9‰~–26.0‰)以及河岸表層土壤的δ13C值(–28.9‰~–24.3‰)相近,說(shuō)明長(zhǎng)江主河道的顆粒有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于流域盆地的土壤中,而淡水中自生浮游植物貢獻(xiàn)量很小或是被支流匯入的大量陸源有機(jī)物稀釋。本文的δ13Corg值為–25.6‰~–24.1‰,這些數(shù)據(jù)基本落于長(zhǎng)江流域C3植物和土壤有機(jī)碳同位素值范圍內(nèi)。但本文的數(shù)據(jù)跟Wuetal.的數(shù)據(jù)相比,δ13Corg值的變化范圍明顯減小,這可能是因?yàn)槿龒{水庫(kù)在截流蓄水之前,長(zhǎng)江中上游流域顆粒有機(jī)質(zhì)可以被快速地直接搬運(yùn)到下游及河口地區(qū),有機(jī)質(zhì)組成反映的季節(jié)性及來(lái)源變化特征更明顯。但在2003年三峽水庫(kù)一期工程完成之后,大壩滯留江水的同時(shí)也攔截顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì),促進(jìn)上游輸運(yùn)的顆粒有機(jī)質(zhì)被截留分選或沉降分解,使保留下來(lái)進(jìn)入下游的顆粒物的來(lái)源更均一化,進(jìn)而造成有機(jī)碳同位素分餾的減小,δ13Corg值相對(duì)集中。本文數(shù)據(jù)表明,長(zhǎng)江下游干流POC的主要來(lái)源是流域內(nèi)土壤的侵蝕,相比較大壩建成之前水生生物的貢獻(xiàn)有明顯增加。河流輸運(yùn)的總碳由顆粒態(tài)和溶解態(tài)的無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳組成,其源匯過(guò)程受復(fù)雜的生物地球化學(xué)作用控制。因此,河流中顆粒懸浮物的碳同位素組成受多種因素影響。長(zhǎng)江下游干流δ13Corg值在洪季高,枯季低,體現(xiàn)了明顯的季節(jié)性(圖3)。懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)δ13Corg值反映的是異生源陸源碎屑物質(zhì)有機(jī)質(zhì)(主要為C3植物以及以C3植物為主的土壤)和自生源顆粒物質(zhì)有機(jī)質(zhì)(如浮游植物、藻類、水生維管束植物以及河流中無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類的殘骸和糞便)的相對(duì)比例。在洪季,長(zhǎng)江流域降雨量和徑流量明顯大于枯季,流域的風(fēng)化剝蝕作用增強(qiáng),帶入大量的陸源物質(zhì);另一方面,枯季沉積在河漫灘的POM在洪季來(lái)臨時(shí)再搬運(yùn)被大雨或徑流帶出,因此陸源輸入伴隨徑流量的增大而增多,使河水高度渾濁;再加上流域支流對(duì)干流中浮游植物的稀釋作用,使得異生陸源物質(zhì)相對(duì)于河流中自生顆粒物質(zhì)含量大大增多。淡水浮游植物的δ13C值一般為–30‰~–40‰,高于陸源C3植物的δ13C值(–21‰~–30‰)和C4植物(–10‰~–14‰),因此造成δ13Corg值在洪季相對(duì)增大。4月到6月間δ13Corg值變化明顯而快速,可能反映隨雨季的來(lái)臨,流域土壤侵蝕的突然加大,一直到9月,δ13Corg值都處于高值。此后,δ13Corg值緩慢偏輕,可能是隨降雨減少,土壤侵蝕減弱,水生生物的相對(duì)貢獻(xiàn)略微增加的結(jié)果。水文季節(jié)性變化以及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)(水溫和滯留時(shí)間)可直接影響浮游植物的生長(zhǎng)和生物量的積累,從而造成浮游植物的季節(jié)性變化。進(jìn)入枯季后,雖然水動(dòng)力條件變?nèi)跻约皽囟冉档?使水生植物的種類和總數(shù)下降,但是大大減弱的土壤侵蝕也使陸源輸入量驟減,因此水生植物的貢獻(xiàn)相對(duì)增加,δ13Corg值相對(duì)減小。因此,總體來(lái)看,長(zhǎng)江下游干流懸浮顆粒有機(jī)碳同位素組成主要受不同有機(jī)質(zhì)來(lái)源和水環(huán)境中生物作用共同控制。2.3顆粒有機(jī)碳的通量河流作為全球海洋碳庫(kù)的一個(gè)重要來(lái)源,其入海碳通量變化對(duì)全球海洋碳循環(huán)具有重要意義。筆者根據(jù)實(shí)測(cè)的含沙量來(lái)計(jì)算長(zhǎng)江下游干流顆粒有機(jī)碳通量以及陸源有機(jī)質(zhì)對(duì)入海顆?？傆袡C(jī)碳的貢獻(xiàn)。其中,含沙量為實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù),徑流量選擇下游大通水文站作為參考。從圖4a可以看出,在2008~2009年的一年采樣期間,長(zhǎng)江南通段含沙量與徑流量變化趨勢(shì)基本一致,洪季高于枯季,平均含沙量為0.063kg/m3,徑流量為8414×108m3/a,輸沙量為0.628億t。含沙量和徑流量洪季分別約占全年的66%和62%,枯季分別約為34%和38%。雖然本次研究得到的長(zhǎng)江下游徑流量、含沙量及輸沙量總的變化趨勢(shì)與萬(wàn)新寧等的數(shù)據(jù)基本一致,但他們發(fā)現(xiàn)從11月開(kāi)始長(zhǎng)江徑流量、含沙量和輸沙量就明顯減小;而從圖4a可以看出,在11月的時(shí)候徑流量和含沙量又有一次明顯的增長(zhǎng),初步推測(cè)這可能與三峽水庫(kù)放水有關(guān)。根據(jù)長(zhǎng)江下游干流的徑流量和含沙量,筆者近似地算出顆粒態(tài)有機(jī)碳通量(Fpoc)?？紤]到采樣頻率是一周一次,在這里假設(shè)顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量、徑流量以及含沙量一周內(nèi)變化不大。利用公式算出顆粒態(tài)有機(jī)碳通量(Fpoc)。式中:Xi為每周平均的POC含量(%);Yi為平均每周的輸沙量。所得結(jié)果見(jiàn)圖4b。顯然,Fpoc主要受干流含沙量控制。計(jì)算得到一年中顆粒有機(jī)碳通量為0.60×106t,洪季Fpoc占一年總通量的74%,而枯季僅占26%。前人研究揭示,2003年與2004長(zhǎng)江有機(jī)碳通量分別為2.69×106t、1.63×106t。雖然我們的采樣時(shí)間跨越2008到2009年,但在整個(gè)一年采樣期間內(nèi),長(zhǎng)江顆粒態(tài)有機(jī)碳通量明顯少于以前。研究顯示,三峽蓄水后上游來(lái)沙量明顯減少,同時(shí)使懸浮物濃度明顯降低,顯然影響到河流入海顆粒有機(jī)碳的通量。另外,本文采集的是跨年度的表層懸浮物樣品,考慮到下游干流含沙量在水體中的垂向變化,本文計(jì)算的顆?？傆袡C(jī)碳通量可能要比實(shí)際通量稍低,針對(duì)這點(diǎn)本文通過(guò)POC含量為1.08%±0.19%計(jì)算出在POC的變化范圍內(nèi)其通量應(yīng)該在0.53×106t~0.76×106t?？梢钥闯?這個(gè)范圍還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于之前的數(shù)據(jù),基本不影響本文反映的顆粒有機(jī)碳的季節(jié)性變化規(guī)律。南通段長(zhǎng)江顆粒有機(jī)碳通量的高值出現(xiàn)在8~10月,與含沙量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。顯然,顆粒有機(jī)碳的總通量主要受長(zhǎng)江含沙量的變化控制。考慮到表層數(shù)據(jù)的局限性,下一步工作可以通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江斷面的觀測(cè)來(lái)補(bǔ)充通量的研究。假設(shè)長(zhǎng)江下游干流顆粒有機(jī)質(zhì)全部來(lái)自陸源高等和水生生物貢獻(xiàn),則δ13Corg可以通過(guò)下式求得:式中:X(‰)、Xm(‰)、Xt(‰)分別代表研究樣品、水生生物端元和陸源有機(jī)質(zhì)端元的δ13Corg組成;Ft(%)和Fm(%)分別代表陸源有機(jī)質(zhì)與水生生物的貢獻(xiàn)比例。顯然,Fm=1–Ft,則Ft=(X-Xm)/(Xt-Xm)。在這里,我們?nèi)￡懺从袡C(jī)質(zhì)端元為–24.1‰,水生生物端元為–29.1‰。Wuetal.在研究長(zhǎng)江沿岸的植物和土壤有機(jī)質(zhì)組成時(shí)認(rèn)為,在長(zhǎng)江這樣大的一個(gè)系統(tǒng)中,由于大量的懸浮物和光的有限性,浮游植物的貢獻(xiàn)可以被忽略,因此本文陸源有機(jī)質(zhì)端元選取δ13Corg最高值(–24.1‰);而Chenetal.對(duì)北江的研究發(fā)現(xiàn),水庫(kù)中浮游植物的δ13C值為–29.1‰。Kendalletal.認(rèn)為河流中浮游植物的δ13C值為–42‰~–24‰,平均為–30‰,因此本文選取水生生物端元為–29.1‰。需要注意的是,這兩個(gè)端元是為了研究陸源物質(zhì)和水生生物對(duì)POC的相對(duì)貢獻(xiàn)而做的假設(shè)。經(jīng)計(jì)算,長(zhǎng)江南通段懸浮顆?？傆袡C(jī)質(zhì)中陸源的貢獻(xiàn)在洪季最大(99%),枯季最小(70%),說(shuō)明長(zhǎng)江下游干流POC的來(lái)源主要是陸源貢獻(xiàn),而在枯季水生生物貢獻(xiàn)相對(duì)增大。洪季陸源有機(jī)質(zhì)相對(duì)于總貢獻(xiàn)量(洪季陸源貢獻(xiàn)總量/洪枯兩季陸源貢獻(xiàn)總量)為52%,而枯季(枯季陸源貢獻(xiàn)總量/洪枯兩季陸源貢獻(xiàn)總量)為48%,反映陸源有機(jī)質(zhì)對(duì)POC的貢獻(xiàn)沒(méi)有很大的季節(jié)性變化,也從另一個(gè)側(cè)面證明了長(zhǎng)江南通段POC的輸入來(lái)源比較穩(wěn)定,主要是陸源顆粒有機(jī)物質(zhì)(圖4c)。這與Liuetal.所得的陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)在7月高(50.3%~97.1%),2月低(45.7%~61.4%)的結(jié)果相符。同時(shí)也說(shuō)明長(zhǎng)江入海顆粒有機(jī)質(zhì)來(lái)源及貢獻(xiàn)比例在三峽水庫(kù)蓄水前后相似,均是洪季高于枯季,但有機(jī)質(zhì)通量變化顯著。在一年采樣時(shí)間內(nèi)(2008年4月至2009年4月),陸源顆粒有機(jī)碳通量約為0.55×106t,具有明顯的季節(jié)變化(圖4d),枯季通量約占一年總通量的25%,洪季約占75%。陸源顆粒有機(jī)碳占總POC通量(0.60×106t