黄河干流有机碳的时空分布特征*

刘冬梅,张龙军

(中国海洋大学环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

黄河干流有机碳的时空分布特征*

刘冬梅,张龙军**

(中国海洋大学环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

通过2003—2009年多个航次对黄河干流DOC(溶解有机碳)和POC(颗粒有机碳))及相关参数的调查研究,结果表明:TSS(颗粒悬浮物)为91.42～8188 mg/L,POC为0.65～24.20 mg/L,POC%(POC/TSS×100%)为0.44%～2.21%,DOC为1.57～4.77 mg/L,有机碳沿程分布具有明显的空间特征。花园口水文年调查中有机碳含量与流量的季节变化密切相关,POC主要受冲刷影响,而DOC在不同季节分别体现出冲刷、稀释或浓缩效应。修建水库和调水调沙这2个显著的人为干扰活动对黄河有机碳的性质及输运产生了截然不同的影响:库区自生源对有机碳的贡献明显大于干流,DOC/POC为6.64～12.00,DOC是有机碳的主要形式,同时水库截流,颗粒物沉降降低了颗粒有机碳的输运量,而调水调沙却加强了有机碳的输运,该时期DOC/POC为0.01～0.47,POC是有机碳输运的主导形态。

有机碳;时空分布;人类干扰;黄河

河流有机碳输运是全球碳循环的一个重要环节,是陆源有机碳向海洋输运的主要途径,控制河流自身、河口及近海的元素循环,同时还记录着流域内自然过程和人为活动对河流产生的影响[1-2]。目前,受到自然环境和人类活动的影响,直接进入河流的外源有机碳明显增加,易降解有机碳的量增多,导致河流释放大量的CO2,进而影响全球的碳循环[3-5]。为更好地认识河流有机碳,进而理解全球碳循环,近年来许多学者对世界河流有机碳进行了大量的研究,如密西西比河[6-7]、刚果河[8]、亚马逊河[9-10]、长江[11]等。

黄河是世界上浑浊度最高的河流之一,流域侵蚀及风化严重,有机碳的时空分布和输运形态具有特殊性。同时由于受到气候变化和人为活动的影响,在过去的50多年里黄河径流量和输沙量已大大降低[12];而自2002年起为调控入海淡水量和冲刷黄河下游河道泥沙,每年于夏季进行的调水调沙又使得进入河口的水量和泥沙量大幅增加。这些过程必然会对黄河干流有机碳的性质及输运特征产生深远的影响。然而已有的报道主要从陆海相互作用的角度出发,研究多集中在黄河口[13-17]。Zhang等[13]调查了黄河口5月份枯水期及9月丰水期有机碳的变化;Cauw et等[14]认为冬季黄河口POC主要来自陆源,夏季水体自生源的贡献大大增加;张龙军等[15]2007年对黄河口丰水和枯水期有机碳的研究表明:POC以陆源输入为主,浮游植物对有机碳的贡献仅在TSS<200 mg/L时才得以体现。对于黄河干流,张龙军等[16]研究了黄河不同粒径悬浮物承载的POC,指出粒径<16μm的颗粒物承载了80%以上的颗粒有机碳,悬浮物粒径是控制黄河水体POC输运特性的主要因素。本文通过2003—2009多个航次对黄河干流有机碳及相关参数的调查,分析了有机碳的沿程分布、季节变化及输运特征,探讨了修建水库和调水调沙这两个人为活动对黄河有机碳的性质及输运产生的影响。

1 实验部分

1.1 站位布设

黄河不通航,调查采用定点设站的办法,于2003年10月、2006年11月、2007年7月、2009年7月沿程采集水样,其中2006年11月数据已发表[16]。如图1所示:上游选择兰州(白石桥)、银川、包头,中游选择潼关、三门峡、小浪底和花园口,下游选择利津,并根据河宽和水流情况,在每个站的横断面主流水体选择2～3个采样点。2007年增设了上游贵德站,2009年增设上游拉加和达日、下游河道及部分支流站位。黄河花园口1个完整水文年的连续观测时间为2005年11月～2006年11月。为调查调水调沙对黄河有机碳输运的影响,于2008年6月～7月在黄河下游利津站进行每日连续观测,并根据水量和含沙量加密观测。

图1 黄河干流调查站位图Fig.1 Locationmap of sampling stations in the Huanghe River

1.2 样品采集、处理及分析

水样用5 L Niskin采水器采集,每站取表层水,随即回实验室处理样品。

TSS:用预先于45℃低温烘至恒重(24 h)并称量的0.45μm醋酸纤维膜过滤水样,滤膜在烘箱中45℃低温烘至恒重,以百万分之一电子天平称重。空白膜置于水样品膜下方过滤,同步进行空白实验,每10个样品做一个空白。

DOC,POC:以0.70μm GF/F W hatman玻璃纤维膜(450℃高温灼烧去除有机物)利用压力过滤,滤液加入8～10μL饱和HgCl2溶液后于4℃冷藏保存,滤膜冷冻保存。滤膜样品以浓盐酸熏蒸24 h去除无机碳待测。滤液与预处理后的滤膜,用日本岛津公司TOC-VCPN分析仪及SSM -5000A(固体试样燃烧装置),分别于680℃,900℃高温燃烧催化氧化-非分散红外吸收(ND IR)法测定。仪器量程为0.1～30 mgC,灵敏度1～20μgC,多次测量偏差<±1%。

Chl a:以0.70μm GF/FW hatman玻璃纤维膜过滤水样,于滤膜上滴加饱和M gCO3溶液固定,冷冻保存。样品加入10 m L(9+1)丙酮溶液并置于4℃冰箱中萃取14～24 h,然后离心10 min(3 000 r/min),提取上清液,以Sigma公司Chl a(SIGMA C-5753)为标准品制作工作曲线,用日本日立F-4500荧光分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 黄河干流有机碳的时空变化

黄河干流4个航次调查表明:不同水文条件下,TSS,POC,POC%,DOC各自分别表现出较一致的空间分布特征。TSS和POC在中游最高,在源头区及下游偏低;POC%在源头区最高,在中下游相近;DOC高值出现在源头区及中游潼关,在中下游总体表现为先升高后降低的趋势。库区TSS和POC明显低于干流各站,而POC%明显高于干流,DOC相对干流也偏高,库区中颗粒物沉降,使得水体性质不同于干流。

如图2所示,黄河干流(库区除外)TSS变化幅度较大,为91.42～8188 mg/L,但不同航次沿程变化趋势较一致,即在源头区最低,从兰州至潼关上升到最高,进入下游后又逐渐降低。POC为0.65～24.20 mg/L,与TSS沿程变化具有较好的一致性。POC%最高值在源头区(2.21%和1.82%),在河口淡水端(1.14%)次之,在兰州及以下河段最低,为0.44%～0.85%,低于世界河流的平均水平1%～5%[18]。DOC为1.57～4.77 mg/L,与温带河流的平均值3 mg/L相近[18]。DOC从兰州沿程升高并在潼关达到最高值,进入下游又开始降低。2009年DOC高值还出现在源头区,在兰州至潼关段沿程有降低趋势。DOC/POC在黄河中下游河段整体上小于1,表明POC是该区间有机碳的主要形式,而2009年源头区调查表明DOC/POC>1,即该河段有机碳的主要形态为DOC。

图2 黄河干流调查TSS,POC%和DOC的时空变化Fig.2 Spatial and temporal variabilities of TSS,POC%and DOC along themain stream and reservoirs of the Huanghe River

黄河TSS,POC,POC%、DOC在不同水文条件下各自表现出较一致的空间分布特征,说明有机碳的分布主要受到流域土壤及岩石性质的影响。源头是黄河的主要来水区间,TSS较低,而土壤有机质含量及有机碳密度都明显高于中下游[19-21],表层土壤有机碳的淋溶作用可能导致该区间POC%及DOC偏高,DOC成为有机碳的主要形式。中游流经宁蒙灌溉区和黄土高原,灌溉引水尤其是黄土高原水土流失导致TSS在中游骤增[22],经过小浪底水库的截流,颗粒物输送降低,在下游泥沙沉降区,TSS明显低于中游。TSS作为POC的载体,控制着POC的分布,两者变化趋势具有很好的一致性,(POC=0.0056×TSS+0.4758,R2=0.896 4,n=27,p<0.0001)。黄河中下游河段POC%偏低,接近流域黄土有机质的含量0.20%～0.60%[23],表明POC可能主要来自黄土母质。DOC在兰州至潼关段沿程升高,可能是因为中游泥沙的大量输入加强了颗粒物释放溶解态有机碳[24],另外沿程工农业废水及生活污水的输入也可能是DOC升高的原因之一[25-28]。然而由于黄土流失则导致中下游POC剧增,DOC/POC<1,有机碳输运以颗粒态为主。

地表径流对有机碳有冲刷作用,同时高水量也带来了稀释作用。2003年10月黄河流域发生了多年不遇的长时期秋汛,处于洪水期,而2006年11月为平水期。2个秋季航次的数据对比发现:洪水期冲刷导致TSS、POC明显高于平水期,但POC%在这2个时期变化较小,分别为0.33%～0.77%和0.44%～0.62%,体现了颗粒物来源的一致性[23]。而由于较强的稀释作用DOC增幅较小。在夏季,2007年各站位流量高于2009年,但在中下游明显低于2003年(见图3)。TSS和POC在2007年和2009年相差不大,但受到稀释作用影响2007年POC%和DOC偏低,与2006年秋季平水期接近。对以上4个不同水文时期的有机碳分析表明:TSS和POC在强烈的地表冲刷影响下发生较大变化,POC%变化较小,而DOC始终受到稀释作用的影响。若分别以正常水量情况的2006年11月和2009年7月调查结果代表秋季和夏季平水期的情况,发现TSS和POC在2个季节变化不明显,但夏季POC%和DOC略高于秋季。

图3 黄河干流调查期间各站位月平均流量Fig.3 Monthly average discharge in themain stream of the Huanghe River

2.2 黄河花园口有机碳的季节变化

为认识黄河有机碳的季节变化规律,于花园口进行一个完整水文年的每周连续观测,结果表明:花园口有机碳总体上表现出明显的季节特征,有机碳的季节变化与流量密切相关。

进入冬季,花园口流量逐渐降低,平均为456 m3/s,TSS,POC和DOC总体上都表现出降低的趋势,冬末春初随流量升高TSS,POC和DOC由出现了明显的增加,尤其是POC(见图4),DOC也在冬末达到全年次高值3.72 mg/L。春季流量维持在高水平,TSS,POC和DOC都有所下降,DOC降低幅度最大。春末夏初,随花园口流量再次上升,DOC略有升高,而TSS和POC则出现了微弱的降低趋势。6月中旬调水调沙时期,花园口站流量和TSS含量急剧上升,POC和DOC都达到了全年最高值。调水调沙时期结束后,从夏季至秋季,TSS和POC整体上都随流量降低而降低,而POC%和DOC却表现出微弱的增加趋势。

图4 2005年11月～2006年11月花园口流量、TSS,POC和DOC的变化Fig.4 Distributions of discharge,TSS,POC and DOC for the Huayuankou gauge station from Nov.,2005 to Nov.,2006

2005年1 2月～2006年1月冬季调查时期黄河中游大面积冰封,导致下游花园口流量降低,大颗粒悬浮物沉降,另外花园口气温降至0.3℃[29],地表冲刷减弱,外源有机物输入减少,导致TSS、POC和DOC都呈现下降趋势,而POC%在该时期有所上升,这可能是由于沉降使得TSS的绝大部分是小粒径颗粒物,其承载的有机碳比重较大[30]。冬末地表气温回升至7.1℃[29],地表径流增大,冲刷带来有机物导致DOC和POC升高,同时还有大量的营养盐输入,使得水体氨氮浓度达到冬季的近2倍[31],该时期观测到花园口Chl a为2.06～7.09μg/L,平均4.78μg/L,明显高于其他季节平均值1.96μg/L。花园口整个冬季都观测到了较高的Chl a(1.35～7.09μg/L,平均4.90μg/L),说明花园口水体中可能存在适宜低温生存的冷水藻,在冬季仍然具有较强的光合作用,这可能也是有机碳升高的一个原因。春季气温已回升至平均16.8℃,径流冲刷作用使得大量颗粒物及地表有机物在短时间内涌入河流,TSS和POC随流量上升明显升高,另外流量增大引起的河床泥沙再悬浮也TSS和POC升高的是原因之一,而此时流量增大,稀释作用导致DOC浓度降低。调水调沙20 d内,调查的6组数据表明,受到小浪底水库放水排沙的影响,TSS和POC平均约为非调水调沙时期的5.67和1.65倍,而受到高水量的稀释作用,DOC增幅较小。除该时期外,夏季至秋季,流量降低,冲刷作用减弱,TSS和POC浓度降低,而高流量带来的稀释作用解除,DOC呈现略有升高的趋势。

2.3 人类活动对黄河干流有机碳的影响

目前黄河在很大程度上受到人类活动的影响,如修建大型水库及调水调沙。水库蓄水会导致黄河长时期处在低流量期[32],减少泥沙的输运量[12],而调水调沙时期水库大量放水排沙,又使得进入河口的流量和泥沙含量都大幅增加,在不到一个月的时间里将超过全年1/3的泥沙输送入海[33]。这2种人为干预活动对黄河水量和输沙量的影响全然不同,对黄河有机碳的性质及输运也产生了明显不同的影响。

黄河干流沿程修建6座主要水库,蓄水量占到黄河全部水库总蓄积量的71%以上[32]。本文选取了其中3座水库,即上游刘家峡、中游万家寨和小浪底水库,分析研究修建水库对黄河有机碳输运性质的影响。如图2所示,库区悬浮颗粒物为黄河中最低,TSS介于3.40～21.10 mg/L,POC也仅达到0.27～1.38 mg/L,而POC%明显高于干流各站位,为5.80%～24.87%,DOC为1.65～9.14 mg/L,DOC/POC为6.64～12.00,说明DOC是库区有机碳的主要形式。库区Chl a为0.68～5.93μg/L,POC/Chl a平均为310.25,远低于干流(4806),表明库区浮游植物光合作用明显强于干流,水体浮游植物对有机碳的贡献大大增加。黄河水库中POC/Chl a与浑浊河流Tana中的M asinga水库相近[34],但明显高于其他河流中的水库[35-36],表明在浑浊河流中,虽然库区光合作用相对干流较强,但明显弱于低浑浊度河流中的库区。水库是人类活动干扰河流的1个方面,截流在库区形成1个独特的水环境体系,区别于干流水体,沉降作用使得超过70%的POC滞留在库区[35-36],有研究表明水库和湖泊虽然仅占到世界陆地表面积的3%,但是每年其沉积物富集的有机碳量超过了全球海洋沉积物的累积量[37];另一方面库区中初级生产累积的溶解有机碳却会随下泄水成为下游河流DOC的1个重要来源[35-36]。可见库区通过截流沉降及下泄放水对河流有机碳的性质及输运产生了重大影响。

调水调沙是人类影响黄河的另一典型例子,花园口观测已表明调水调沙时期有机碳的输运特性明显不同于非调水调沙时期。为探明该人为活动对有机碳输运特征的影响,于2008年调水调沙时期在黄河下游利津站进行连续观测。调水调沙开始之前利津站流量、TSS,POC,POC%和DOC平均分别为319 m3/s,0.38 g/L,4.06 mg/L,1.10和2.73 mg/L。6月19日小浪底水库下泄清水冲刷河道,22至24日利津站流量迅速升高,高流量持续到7月5日。该时期TSS和POC显著增加,而DOC总体略有降低。6月30日至7月3日小浪底水库塑造“异重流”出库,大量排沙,导致7月5日至10日利津站TSS和POC急剧上升,于7月6日分别达到最高值27.11×103和188.27 mg/L,DOC也有所增加,但幅度小于POC(见图5)。根据水量和沙量可将利津站调水调沙时期可分为高水量的前期和高含沙量的后期。前期6月24日～7月4日主要是来水期,流量显著增加,冲刷使得河床泥沙再悬浮,TSS和POC浓度上升,但高流量下水体稀释作用导致DOC略有降低。后期7月5日～10日属排沙期,TSS和POC浓度骤增,DOC浓度也有所升高,且与TSS和POC变化很一致,说明该时期DOC的升高可能来自颗粒物释放的溶解有机碳[16]。调水调沙时期受小浪底水库放水排沙影响,TSS和POC变化较大,趋势具有较好的一致性,而DOC变化较平缓。调水调沙时期TSS和POC分别为1.47～27.11和10.64～188.28 m g/L,平均分别为8.51×103和53.18 mg/L,远高于调水调沙之前,POC%为0.36%～0.95%,平均0.58%,明显低于调水调沙开始之前,而DOC为2.51～2.94 mg/L,平均为2.69 mg/L,变化较小,DOC/POC为0.01～0.47,平均为0.15,表明该时期POC在有机碳输运中占到绝对优势。调水调沙时期流量增大到调水调沙开始之前的8倍,POC增大到13倍之多,可见该时期POC的输运量将会增大到100倍以上。

图5 2008年黄河利津站调水调沙时期流量、TSS,POC和DOC的变化Fig.5 Patterns of discharge,TSS,POC and DOC during the S&Wperiod in Lijin gauge station in 2008

3 结论

(1)黄河干流TSS为91.42～8188 mg/L,POC为0.65～24.20 mg/L,POC%为0.44～2.21%,DOC为1.57～4.77 mg/L,不同水文条件下有机碳沿程分布表现出明显的空间特征。TSS和POC在中游最高,在源头区及下游偏低;POC%在源头区最高,在中下游相近;DOC高值出现在源头区及中游潼关,在中下游总体表现为先升高后降低的趋势。

(2)黄河花园口站流量对有机碳浓度的季节性变化产生重要影响。POC全年与流量变化趋势较一致,主要受到冲刷的影响,而DOC在不同季节随流量变化不同分别体现出了冲刷、稀释或浓缩效应。

(3)黄河库区POC仅为0.27～1.38 m g/L,而POC%为5.80%～24.87%,DOC为1.65～9.14 mg/L,浮游植物的有机碳贡献明显加强,DOC/POC为6.64～12.00,DOC是有机碳的主要存在形式,同时水库中颗粒物沉降还会降低向下游输运的有机碳量;而调水调沙时期,POC达到10.64～188.28 mg/L,POC%为0.36%～0.95%,DOC为2.51～2.94 mg/L,DOC/POC为0.01～0.47,POC是有机碳的主导形态,该时期POC的输运量可达到调水调沙开始之前的100倍以上。

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Temporal and Spatial Distributions of Organic Carbon in the Huanghe(Yellow)River

L IU Dong-M ei,ZHANG Long-Jun
(Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology,M inistry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

We exam ined o rganic carbon(particulate and dissolved)throughout the main stream of the Huanghe River from 2003 to 2009.The river is characterized by TSS(total suspended substances),POC and DOC concentrations of 91.42～8188,0.65～24.20 and 1.57～4.77 mg/L,and POC%(POC content in TSS)of 0.44%～2.21%,respectively.The seasonal distributions of organic carbon are strongly connected with discharge:POC ismainly influenced by erosion with runoff and DOC is affected by flush effect or dilution in different seasons.Compared with the main stream of the river,phytop lankton contributed much more to o rganic carbon in the reservoirsw here DOC/POC varied from 6.64 to 12.00,indicating that o rganic carbon is dominated by DOC.Substantial POC load is retained in the reservoirs due to precipitation.However,considerable amount of organic carbon would be exported during the S&W period when POC is the main form in organic carbon with DOC/POC value between 0.01～0.47.

organic carbon;temporal and spatial distributions;human activities;the Huanghe River

O621.1

A

1672-5174(2010)12-105-06

国家自然科学基金主任基金项目(40940019);山东省自然科学基金项目(z 2007B08)资助

2010-03-28;

2010-05-06

刘冬梅(1984-),女,硕士生。E-mail:dongmeiliu12@gmail.com

**通讯作者:Tel:0532-66782967;E-mail:longjunz@ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻