粤东五华河悬浮颗粒有机质的组成及输出通量*

张胜华，高全洲，陶 贞，解晨骥，林培松，张 超，何文芳

(1.中山大学地理科学与规划学院∥广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东广州 510275;2.广东省水文局湛江水文分局，广东湛江 524037;3.广东省水文局河子口水文站，广东五华 514471)

河流水系向河口和近海输送各种来自陆地风化和侵蚀的产物，构成全球生物地球化学循环的一个关键环节［1－3］。河流输出的物质带有流域生态系统所特有的生物地球化学标记及流域人类活动的信息［4］，对河口和海岸水域的生态和沉积过程产生深远影响［5－6］。随着人类活动强度的增加，河流水系对有机质的输送过程逐渐成为流域生态学、河口和近海环境地球化学及环境水文学等学科的研究热点［7－9］。许多学者在全球不同生物气候带对大河中有机质的性质、来源及输出通量作了较为详尽的研究［10－19］，发现河流有机质的含量和输出通量既决定于流域内生态系统的自然特征和土地利用模式、强度［20］，也受包括生产者和消费者在内的河流水体微生物群落生长和代谢过程的制约［21］。山区小流域往往因坡面陡峭而导致较大的土壤侵蚀速率，成为河流下游悬移质的主要来源区［22］。迄今，对山区小流域河流颗粒有机质 (POM)的生物地球化学循环研究较少［23－25］。本文选择受亚热带季风气候影响的典型山区小流域—粤东五华河流域为研究对象，进行一个完整水文年的月周期性采样，分析五华河径流中悬浮颗粒有机质的性质及其来源，并估算该流域颗粒有机碳和有机氮的输出通量。

图1 五华河流域水系分布Fig.1 The river systems distribution in the Wuhua River basin

五华河是粤东韩江上游梅江的一级支流，全长105 km，集雨面积1 848 km2。河子口水文站控制流域面积1 031 km2［26］(图1)。河子口水文站以上流域以花岗岩和泥质页岩为主，风化层深厚而松散。地貌多为山地丘陵。土壤主要包括黄壤、红壤、赤红壤、紫色土、水稻土、潮泥沙土和菜园土等。流域内年平均气温21.2℃，平均降雨量约为1 518 mm，年平均径流总量为14.47亿m3(河子口水文站，1960－2009)，汛期 (4－9月)径流量占年径流总量的78%左右。20世纪80年代初期，由于自然因素和长期滥伐导致五华河流域成为我国乃至全球季风区水土流失最严重的地区之一，且以强度水土流失形式沟蚀和崩岗为主［27］。崩岗即是在沟谷水流和重力作用下，山坡土体的崩坍和侵蚀过程;在我国南方地区，特别是风化壳深厚的花岗岩和泥质页岩构成的低山丘陵区分布较为普遍［28］。

1 材料与方法

选择五华河河子口水文站为控制断面，于2008年12月至2009年12月间每月一次在河流中泓线水面以下0.5 m处采集水样。将所采集水样(约60 L)在实验室经0.45 μm孔径的醋酸纤维微孔滤膜进行抽滤，将滤膜上的颗粒物收集在蒸发皿中并剔除肉眼可见的植物残屑，烘干 (65℃)后用感量为0.1 mg的分析天平称量，求出河流总悬浮颗粒物 (TSS)含量。用玛瑙研钵均一化后备用。

用棕色玻璃瓶另外装取水样 (1.0 L)以测定叶绿素a含量。采样当天用预先灼烧 (450℃，12 h)的Whatman GF/F玻璃纤维微孔 (0.7 μm)滤膜过滤，收集滤膜上颗粒物，用90%丙酮浸泡(经压碎处理)提取藻类体内的叶绿素。用分光光度计读取提取液在665 nm和750 nm处的吸光度，据此计算水体叶绿素a的含量［29］。

2010年1月，选取五华河流域内代表性的植物群落 (常绿阔叶林、竹林、竹林－芦苇、收割后的水稻田和菜园地)样地采集土壤样品。每个样地呈“V”形布点采集3个表土样品混合成一个标准样。用10%的稀盐酸溶液除去河流悬浮颗粒物和土壤样品中的碳酸盐。用Vario EL型号的元素分析仪 (德国Elementar公司生产)测量河流悬浮颗粒物和土壤的有机碳含量 (POC，%)和总氮含量 (TN，%)。测量重复3次，分析精度≤0.3%。

河子口水文站的流量数据由梅州水文分局提供。

土壤中的氮素主要以有机态的形式存在，一般占土壤全氮量的95%以上，无机氮只占全氮量的1% ～5%［30］。因此，五华河河流悬浮颗粒物中有机氮 (PON)的含量按照 (1)式计算:

式中，PON是河流悬浮颗粒物有机氮含量，mg/L;TN是河流悬浮颗粒物总氮含量，mg/L。

应用Pearson相关分析探讨河流颗粒有机质变化的影响因子;所有统计分析均由SPSS17.0软件完成。

根据 (2)式计算每月POC和PON的输出量(Mi，单位:t):

式中，λ是无量纲系数;Ci是每月POC和PON的含量 (mg/L，假设POC和PON含量在月尺度内不变);Qi为河子口水文站的逐日流量 (m3/s)。

2 结果与讨论

2.1 河流总悬浮颗粒物中有机质含量的变化

采样年内五华河TSS含量变化于3.66 ～178.41 mg/L之间，平均为25.22±44.58 mg/L，仅为多年 (1981－2000)平均含沙量 (660 mg/L)［26］的3.82%。采样年五华河悬移质输出总量(1.6万t)为多年 (1981－2000年)平均悬移质输出量 (59万t)［26］的2.71%，揭示了流域内近20年来植被恢复所产生的水土保持效益，及修建水库塘坝对流域侵蚀物质产生的显著拦蓄作用［31－32］。

一般而言，河流悬浮颗粒物的有机质是流域土壤 (外源)有机质和河流水体自生 (内源)有机质的混合［2］。五华河径流中 POC的含量变化于0.17～2.88 mg/L之间，平均为0.77±0.65 mg/L;PON的含量变化于0.02～0.4 mg/L之间，平均为0.12±0.09 mg/L。河流TSS、POC、PON含量的季节变化与流量显著正相关 (表1，图2)。如2009年6月12日采集的样品，河流TSS含量和流量 (分别为178.41 mg/L和39.3 m3/s)分别为所有样品和采样年日流量的最大值;而2009年1月12日采集的水样中TSS含量只有12.9 mg/L，相应的流量为12.3 m3/s。2009年6月12日POC含量为2.88 mg/L;而2009年1月12日POC含量仅为0.17 mg/L。汛期 (4－9月)颗粒有机质含量平均为 (1.03±0.85)mg/L，高于非汛期 (10－3月)的相应值 (0.57±0.26)mg/L。这些参数高度协同的变化规律反映了五华河水体中悬移质与颗粒有机质的来源较为一致，即河流悬浮颗粒物和POM主要来自流域土壤的侵蚀过程。

表1 五华河TSS、POC、PON与流量 (Q)的关系Table 1 The relationship between the contents of TSS，POC，PON and discharge(Q)of the Wuhua River

图2 五华河TSS、POC、PON含量与流量的季节变化Fig.2 The seasonal variation of TSS，POC，PON contents and discharge of the Wuhua River

五华河悬浮颗粒物中POC和PON的含量分别变化于1.3% ～13.82%和0.19% ～2.49%，低于流域内水库较多、植被盖度较高、水土流失轻微的增江 (东江一级支流)河流POC(2.84% ～26.61%)和PON(0.43% ～5.03%)的含量［25］;接近于西江河流的相应值［17］;高于长江流域河流 POC的含量 (0.5% ～ 2.5%)［16］。而且POC和PON的含量均与TSS呈负相关关系 (图3)，一致于世界上其它流域河流颗粒有机质与TSS的关系［2，24］。这是由于汛期不仅坡面径流冲蚀表层土壤颗粒有机质，同时松厚的风化壳物质也遭到沟谷水流的侵蚀，使得径流侵蚀输出物中矿物成分增加，河流颗粒有机质被矿物所稀释。如2009年6月份径流量、TSS含量最大，但是悬浮颗粒物中POC和PON含量 (%)却最小。

图3 五华河TSS与POC和PON含量的相关关系Fig.3 The relationship between TSS content and contents of POC and PON in the Wuhua River

2.2 水体生物地球化学过程对河流颗粒有机质的改造

颗粒有机质的C/N比被广泛用于识别有机质的来源。陆源有机质的C/N比变化于12～400之间，淡水浮游植物的C/N比变化于6 ～8之间［16］。

五华河流域土壤有机质C/N比变化于9.99～18.36之间 (图4)，平均为12.66±2.74。偏向陆源有机质C/N比的低值区，这与湿热地区土壤有机质的强烈矿化过程有关。群落类型也影响土壤有机质的C/N比。五华河流域常绿阔叶林土壤有机质C/N比最大 (18.36);竹林土壤有机质的C/N比为10.24;竹林－芦苇群落土壤有机质C/N比为12.54;收割后的水稻田和菜园地C/N比较接近(分别为11.86和12.72)。另外，比较不同群落土壤样品的POC、PON含量 (图4)，发现水稻田土壤有机质含量最高，这可能与水稻田土壤长期处于还原环境有关。

图4 五华河流域不同群落土壤有机质含量及其C/N比Fig.4 Contents and C/N ratio of organic matter in soils from different type vegetations within the Wuhua River basin

五华河河流颗粒有机质的C/N比变化于5.64～9.54之间，平均为7.58±1.01，显著小于流域土壤有机质的C/N比 (P=0.000)，而接近淡水浮游植物的C/N比。

五华河水体叶绿素含量变化于0.68～6.81 μg/L之间，平均为2.83±2.15 μg/L。表明五华河水体浮游植物的生产力水平较低。采样年内只在2009年1、2、4、5、11、12月采集的水样中检测出叶绿素，其中最大值出现在11月份，最小值出现在1月份，其他月份未检出叶绿素含量 (图5)。这些现象与五华河流域的水文情势和水体藻类的生态习性有关。1月份河流水温较低;汛期6－9月份，降雨径流侵蚀作用较强，致使河流TSS较多。增加的TSS和汛期较大的河水流速抑制了水体光合作用致使浮游植物有机质大量减少。

图5 五华河河流颗粒有机质的C/N比、水体叶绿素a含量的时间变化Fig.5 The temporal variation of the chlorophyll-a content and C/N ratio in the TSS of the Wuhua River

五华河河流颗粒有机质的C/N比与流量正相关 (r=0.77，P=0.045)，揭示河流颗粒有机质来源于降雨径流侵蚀的陆源有机质的输入，即随着汛期径流侵蚀动力的增大，更多的陆地有机质进入河流;同时汛期增大的河流流速和增加的河流泥沙含量均抑制河流水体中的光合作用，进而减少浮游植物对河流POC的贡献。这两个方面均导致河流颗粒有机质的C/N比增大。

另外，7－10月份河流颗粒有机质的C/N比较小，这可能是由于这期间正值水稻生长阶段追施氮肥，残留的NH+4进入河流被TSS细颗粒吸附所致。

但是，如果把五华河河流颗粒有机质看作浮游植物生物量与土壤有机质的两端元简单混合，就会得出浮游植物生物量在河流颗粒有机质中占绝对优势的结论，因为五华河河流颗粒有机质的C/N比与浮游植物的更接近。这与五华河河流TSS较低的有机质含量和水体中较低的叶绿素含量相矛盾。显然，仅浮游植物贡献并不能完全解释五华河POM较低的C/N比。

河流水体中分解者的作用可以进一步帮助解释河流POM所经历的生物地球化学变化。河流颗粒有机质在迁移过程中不断地遭受着主要包括细菌和真菌等微生物群落的分解作用［33］，最先遭到分解的是水解性氨基酸、碳水化合物和脂类等活性较大的物质［34］。这类活性大的化学物质具有“高碳低氮”的元素组成特征。因此，随着分解过程的持续，五华河河流颗粒有机质的C/N比逐渐降低。五华河水体中较高的CO2分压，也佐证了这种微生物对有机质的分解过程 (未刊数据)。事实上，在全球许多大河流中尤其是下游河段均发现了这种水体与大气之间的CO2交换现象［15］。

2.3 河流颗粒有机质的输出通量

根据公式 (2)分别计算出采样年五华河POC和PON的月输出量和年输出量。

五华河流域POC和PON月输出量变化较大，其变差系数分别达到1.328和1.225。最小值均出现在2009年1月份，最大值出现在2009年6月份;汛期 (4－9月)POC和PON输出量占采样全年输出总量的74.23%和76.17%。

五华河流域不同水文季节河流颗粒有机质输出通量的变化，揭示流域内碳、氮元素在不同地貌单元间的迁移转化主要受控于降雨径流驱动的流域侵蚀变化、河流流量变化或人为因素 (水库调度)导致的悬浮物沉淀或河床沉积物再悬浮等多因素共同作用。在年尺度上，五华河流域POC和PON的输出量分别是430 kg/(km2.a)和70 kg/(km2.a)。比较发现，五华河POC输出通量小于同一生物气候带内其他河流的POC输出通量 (增江为830 kg/(km2.a)［25］、西江为 8 300 kg/(km2.a)［17］、北江为6 530 kg/(km2.a)［18］);亦小于全球河流 POC输出通量的平均值 (1 650 kg/(km2.a)［2］)。

3 结论

采样年内五华河TSS含量和TSS输出总量分别仅为多年 (1981－2000年)平均值的3.82%和2.71%。揭示20多年来五华河流域水土流失治理效果显著。

五华河径流中POC和PON的含量较低而且均与TSS呈负相关关系，反映随着地表径流侵蚀作用的加强，陆地输出物中矿物成分增加，河流颗粒有机质响应TSS中矿物组分增多的稀释效应。

五华河河流TSS、POC、PON含量以及河流颗粒有机质C/N比与流量显著正相关，揭示河流颗粒有机质主要来源于流域土壤侵蚀;汛期POC和PON输出量分别占采样全年输出总量的74.23%和76.17%。揭示流域内碳、氮元素在不同地貌单元间的迁移转化主要受控于降雨径流驱动的流域侵蚀变化、河流流量变化或人为因素 (水库调度)导致的悬浮物沉淀或河床沉积物再悬浮等多因素共同作用。五华河河流颗粒有机质较小的C/N比是由于河流颗粒有机质在迁移过程中不断地遭受着主要包括细菌和真菌等微生物群落分解作用的结果。

相比较，五华河河流POC输出通量小于我国季风区其他河流、甚至全球较大流域的河流POC输出通量。

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