新疆博斯腾湖水体颗粒和溶解有机碳的季节变化及其来源初探*

王秀君，房传苓，于志同，王家平，彭冬梅，康静静

(1:中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐830011)

(2:美国马里兰大学地球科学交叉学科中心，马里兰州20740)

(3:中国科学院大学，北京100049)

湖泊作为内陆水体的重要组成部分，与陆地生态系统发生强烈的物质和能量交换，具有较高的生产力［1-2］.同时，湖泊是流域内物质的主要汇集场所，其生态系统中的生物化学过程活跃，是区域碳循环不可忽视的一部分［3］.湖水中浮游植物通过光合作用吸收CO2，将其同化为有机物质.这一过程不仅为湖泊生态系统提供物质基础，同时也降低了湖水表面的CO2浓度，体现了湖泊的碳汇功能.另一方面，浮游生物在吸收利用光合产物的同时，将同化的碳以有机形态储存于湖泊水体中，这些生物化学过程反映了湖泊的储碳功能.由此可见，有机碳在湖泊碳循环中起到十分重要的作用.

水体中的有机碳主要以溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)的形式存在［4-5］.其中DOC占较大比例，是水体中的主要有机碳库［6］，其组成十分复杂，包括各类可溶性腐殖酸、富里酸以及碳水化合物.POC虽然仅占总有机碳的10%左右，却起着人们所熟知的“生物泵”的作用［7］，其组成可分为生命部分与非生命部分，其中生命部分包括微型浮游生物、大型藻类以及细菌、噬菌体;非生命部分包括浮游生物的残体及其非溶解性代谢产物和来自水体以外的颗粒有机碳.

国内外学者在不同地区对湖泊水体DOC的含量、空间分布及季节变化等方面进行了研究，取得了一定的进展.研究发现，湖泊水体中DOC的浓度具有一定的时空变化规律［8-12］.一般来说，湖泊中DOC在冬季垂直方向上分布较均匀;在较深的湖泊中，夏季表层水体中DOC含量比下层水体高，DOC在深层水体中含量基本保持不变.国内外有关湖泊水体中POC的研究相对较少，已有的研究显示，POC浓度变化具有明显的季节性［9，11，13］.如红枫湖水体中POC在夏季的含量明显高于秋季［14］.湖泊水体中有机碳的时空变化在很大程度上受其来源的影响［9，12］.

博斯腾湖是中国最大的内陆淡水湖，为干旱区湖泊的典型代表.目前已有的关于博斯腾湖的研究仅限于湖水质量评价、浮游植物和浮游动物生物量等方面［15-20］，有关博斯腾湖水体中有机碳方面的研究很少［21］.本研究拟通过春、夏、秋3个季节的观测，对博斯腾湖水体POC和DOC的季节变化进行分析，并结合POC与颗粒有机氮(PON)的比值及与叶绿素a(Chl.a)等的关系，对主要湖区有机碳的来源进行初步探索，以期为研究干旱区湖泊碳循环提供科学依据.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

博斯腾湖位于新疆焉耆盆地最洼处，分为大、小两个湖区.大湖区是湖体的主要部分，东西长达55 km，南北平均宽20 km，平均水深为7.5 m，最深为16 m.在水位达1048 m时，水面面积为1210 km2，容积为90×108m3.湖区深居欧亚大陆中心，光照充足，热量丰沛，空气干燥，雨量稀少，为强烈内陆荒漠气候.湖区多年平均降水量为68 mm，年蒸发量为1800～2000 mm.

博斯腾湖的水源包括开都河、黄水沟、清水河等，其中只有开都河为常年性河流(图1).开都河发源于天山，由冰雪融水补给，是天山南坡水量最丰富的河流之一.开都河在宝苏浪木处分为东、西两支，东支注入博斯腾湖大湖，西支注入博斯腾湖小湖.博斯腾湖出流汇入孔雀河.1983年博斯腾湖西泵站投入运行以来，孔雀河口被封堵，大湖水通过西泵站扬水输入孔雀河，小湖水通过达吴提闸流入孔雀河［22］.

1.2 样品采集

本研究将博斯腾湖大湖区分为4个湖区:黄水沟区、河口区、湖心区和东部湖区，共选取13个点位(图1).分别于2012年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)对湖水的表层(水面下0.5 m)、底层(距湖底0.5 m)各取样2 L.同时收集开都河表层水样.所有水样均由Nisikin采水器收集，然后用预先灼烧(450℃，灼烧4 h)过的GF/F(0.7μm)玻璃纤维滤膜抽滤;所得滤液转移至棕色玻璃瓶中低温(4℃)保存，滤膜用锡箔封好在－20℃冷冻保存.所有采样瓶、水样瓶、滤器等容器均预先用1∶5的盐酸浸泡3～4 d，再用去离子水冲洗干净.

1.3 样品分析

1.3.1 POC和PON浓度的测定 在较大的干燥器底部放置一个装有浓盐酸的烧杯，然后将冷冻的滤膜放在干燥器的上部熏蒸12～24 h以去除颗粒无机碳.将经浓盐酸熏过的滤膜，以乙酰苯胺为标准物，以EA6000为催化剂，氨气为载气，温度控制在975℃，于PE240CHN元素分析仪上同时测定POC和PON浓度［20］.

图1 博斯腾湖采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Bosten

1.3.2 DOC浓度的测定 取滤液用高温(680℃)催化氧化法(HTCO)，使用岛津总有机碳分析仪TOC-V及固体试样燃烧装置(SSM-5000A)测定DOC浓度［23］.

1.3.3 Chl.a浓度的测定 将一张冷冻保存的滤膜迅速解冻后剪碎，放入匀浆器中，加入6～8 ml 90%的丙酮，在500～1000转/min转速下研磨成糊状后，倒入离心管中，再用少许90%的丙酮冲洗匀浆器2～3次，将液体倒入上述离心管中，使总体积接近于离心管的90%，盖上管塞，摇匀后置于黑暗低温处静置12 h.然后离心提取上清液，用分光光度计测定并计算Chl.a浓度［24］.

2 结果与分析

2.1 博斯腾湖水体POC和DOC浓度的季节变化

开都河水体POC浓度在春、夏、秋季分别为0.51、0.67和0.14 mg/L.博斯腾湖水体中POC浓度的季节变化与开都河水体不同，且各湖区之间也存在一定差异.就空间分布来看，各湖区POC浓度在春、秋两季空间差异较小，但在夏季差异比较大.河口区POC浓度的季节变化与其它湖区不同，其夏季浓度明显偏高;东部湖区表层水体POC浓度在春、秋两季均偏低(分别为0.58、1.38 mg/L)，季节变化相对较小;湖心区表层水体和底层水体POC浓度的季节变化基本一致，分别为0.64～1.64 mg/L和0.65～1.63 mg/L;与其它湖区不同，黄水沟区底层水体POC浓度的最低值出现在夏季(图2).

就全湖平均而言，表层水体与底层水体POC浓度的季节变化相近.表层水体春、夏、秋季的POC平均浓度分别为0.62、0.73 和1.56 mg/L(表1).底层水体 POC 浓度在春季(0.65 mg/L)和秋季(1.60 mg/L)略高于表层水体，但在夏季(0.69 mg/L)却低于表层水体.虽然秋季POC浓度最高，但夏季POC浓度的空间变异最大(变异系数达 0.27 ～0.31).

开都河和博斯腾湖水体的DOC浓度显示了与POC浓度不同的季节变化规律和空间分布特征(图3).开都河水体DOC浓度在春、夏、秋季分别为2.1、1.6、0.9 mg/L，仅为博斯腾湖水体DOC浓度的9%～20%.4个湖区水体DOC浓度在秋季空间差异很小，但在春、夏两季有不同程度的差异:主要特点是河口区DOC浓度比其它湖区明显偏低.DOC浓度的季节变化规律为:从春季到夏季DOC浓度降低1.1 mg/L，从夏季到秋季增加1.0 mg/L.河口区DOC浓度的季节变化最强，其规律与其它湖区明显不同:夏季最低，秋季最高，秋季比夏季高2.4 mg/L.其它湖区DOC浓度在春季最高，从夏季到秋季的增幅小于0.6 mg/L.

图2 开都河及各湖区表层(a)和底层(b)水体POC浓度的季节变化Fig.2 Seasonal variation of POC concentration in the surface(a)and bottom(b)water of Kaidu River

全湖表层和底层水中DOC平均浓度在各季节都非常接近，差值只有0.1 mg/L(表1).表层水中DOC平均浓度在春、夏和秋季分别为10.30、9.30和10.20 mg/L.DOC浓度的空间差异在春、夏两季比较明显(变异系数均为0.13)，但在秋季很小(变异系数仅为0.03).

表1 博斯腾湖春、夏、秋季POC、DOC浓度均值及变异系数Tab.1 Means and coefficients of variation for POC and DOC concentrations in spring，summer and autumn of Lake Bosten

图3 开都河及各湖区表层水体(a)和底层(b)水体DOC浓度的季节变化Fig.3 Seasonal variation of DOC concentration in the surface(a)and bottom(b)water of Kaidu River

开都河水体中 Chl.a浓度(0.46 ～0.56 μg/L)明显低于博斯腾湖(2.8 ～7.4 μg/L)(图4).就季节变化而言，河口区和东部湖区水体中Chl.a浓度变化有很强的季节性，其夏季浓度远高于春、秋季.黄水沟区和湖心区水体中Chl.a浓度没有明显的季节变化.就空间分布来看，河口区的Chl.a浓度在春、秋季最低，在夏季最高(7.4 μg/L);夏季东部湖区 Chl.a 浓度(5.7 ～6.8 μg/L)明显高于黄水沟区(3.0 ～3.3 μg/L)和湖心区(约 4.4 μg/L)，这一结果与赛·巴雅尔图等［20］的研究基本一致.

图4 博斯腾湖各湖区表层(a)和底层水体(b)Chl.a浓度的季节变化Fig.4 Seasonal variation of chlorophyll-a concentration in the surface(a)and bottom(b)water of Lake Bosten

2.2 POC和DOC的来源分析

湖泊水体中的有机碳来源分为内源和外源.其中内源是水体中光合作用的直接和间接产物，因此与浮游植物有紧密联系.浮游植物生物量常用Chl.a来反映，因而，有机碳与Chl.a的相关性及POC/Chl.a比常被用来判断内源的贡献.另外，颗粒有机物中的碳氮比(C/N)也可用来判断POC的来源.浮游植物的C/N一般为5～8，而陆源有机物的C/N比大多超过10［25］.浮游植物的POC/Chl.a介于33～100之间，如果水体中 POC/Chl.a 大于 100，则表明有较多的陆源输入［26］.

春季博斯腾湖表层和底层水体的POC浓度与Chl.a浓度不存在显著相关性，POC/Chl.a变化范围为111～399(表层和底层的均值分别为190和177)，C/N变化范围为9～12(均值都为10)(表2)，这表明春季博斯腾湖水体的POC主要来自外源.

夏季博斯腾湖水体POC浓度和Chl.a浓度存在一定的相关性(表2).虽然夏季表层水体POC浓度与Chl.a浓度的相关性较弱(r=0.516，0.05＜P ＜0.1)，但底层的相关性达到极显著水平(r=0.781，P ＜0.01)，这表明夏季博斯腾湖水体POC内源贡献比较明显.但是，通过C/N和POC/Chl.a的分析发现，博斯腾湖夏季水体C/N变化范围为8～11(均值为9～10)，POC/Chl.a变化范围为78～321(均值为145～154)，这说明夏季水体的POC也有外源的贡献.

同春季类似，秋季表层水体POC浓度和Chl.a浓度的相关性很小(r=0.211);底层水POC浓度和Chl.a浓度具有相关性，但没有达到显著水平(r=0.478，0.05＜P＜0.1)(表2).进一步分析发现，秋季水体中C/N和POC/Chl.a的比值高于春、夏季，其变化范围分别为5～13和228～765，表明秋季水体的POC主要来自外源.

统计分析显示，博斯腾湖春、夏、秋季表层和底层水体的DOC浓度与Chl.a浓度均不存在显著正相关关系(表2)，表明博斯腾湖水体DOC的变化与浮游植物无直接联系，可能受内源的影响较小，而以外部因素的影响为主.

3 讨论和结论

3.1 博斯腾湖水体中有机碳含量与国内其它湖泊的比较

博斯腾湖水体 POC 浓度范围(0.6 ～1.6 mg/L)略高于贵州红枫湖的表层水(0.5 ～1.2 mg/L)［14］，但明显低于武汉东湖(1.1 ～9.0 mg/L)［9］及台湾地区湖泊(0.1 ～8.4 mg/L)［27］.博斯腾湖水体 DOC 浓度范围(9.3 ～10.3 mg/L)远高于阿哈湖、红枫湖和百花湖(小于 3.7 mg/L)［28-29］，但明显低于武汉东湖(7 ～22 mg/L)［9］和内蒙地区的岱海(5 ～38 mg/L)［30］.

表2 博斯腾湖表层和底层水体颗粒有机碳C/N、POC/Chl.a及POC、DOC与Chl.a的相关性Tab.2 Ranges(means)of C/N and POC/Chl.a ratios and correlations between POC，DOC and Chl.a in the surface and bottom water of Lake Bosten

这些湖泊水体中有机碳浓度的差异可能与湖泊的富营养化程度有关.一般来说，湖水中富营养化程度越高，其内部生物化学过程越强，有机碳浓度越高.东湖和岱海受人类活动影响较大，富营养化程度较高，因而POC、DOC浓度偏高;而红枫湖和百花湖受人类活动影响小，不仅外源贡献小，同时因为富营养化程度低，其内部生物化学过程弱，因而导致POC、DOC浓度偏低.

3.2 博斯腾湖水体浮游生物的季节变化

已有研究显示，博斯腾湖水体中浮游植物和动物的生物量有很强的季节性:浮游植物生物量最高值出现在夏季［18］，而浮游动物生物量最高值出现在8、9月［19］.赖英［18］的研究表明，浮游植物秋季生物量与夏季相近，而春季的生物量只有夏季的5%～40%.本研究发现，博斯腾湖Chl.a含量仅在河口区和东部湖区有与浮游植物相似的季节变化;黄水沟区夏季Chl.a浓度明显低于其它季节.赛·巴雅尔图等的研究显示Chl.a浓度的变化与营养盐含量没有直接关系［20］.这些研究表明，博斯腾湖水体中Chl.a浓度与浮游植物的生物量可能不存在线性关系.

3.3 博斯腾湖水体POC浓度的季节变化

本研究发现，博斯腾湖水体POC浓度的季节变化非常明显:秋季POC的平均浓度分别是夏季和春季的2.2倍和2.5倍.本文的研究结果与国内一些研究不一致.比如，武汉东湖水体POC浓度的最大值出现在冬季［9］，贵州红枫湖的 POC 浓度在夏季较高［14］.

这些湖泊水体中POC浓度季节变化的不同可能与其来源有关.比如，红枫湖的有机物大部分来自光合作用［14］，所以POC浓度的高值出现在浮游植物丰富的夏季.而本文的分析表明，博斯腾湖水体的POC在2012年春季和秋季可能主要来自外源，与水体内部的生物化学过程无直接关系.尤其是在2012年秋季，博斯腾湖整个湖面(包括远离河口的东部湖区)出现了高浓度的POC(约1.5 mg/L)，并且POC/Chl.a高达228～765，说明有大量来源于非浮游生物物质的贡献.然而，房传苓等在2011年秋季的观测显示，博斯腾湖湖周水体中POC浓度在0.3～1.0 mg/L范围内［21］，明显低于2012年秋季.这些结果的不一致性可能反映了年季之间的差异，因而，博斯腾湖水体POC浓度的季节变化及其主控因素有待进一步深入研究.

3.4 博斯腾湖水体DOC浓度的季节变化

博斯腾湖水体DOC浓度的季节变化与POC明显不同.总体上看，DOC浓度在夏季低于春、秋两季，这与红枫湖DOC浓度的季节变化不同.有研究表明，红枫湖水体DOC浓度的最大值出现在春末夏初或夏季，与叶绿素a含量的季节变化具有同步性［28-31］.而博斯腾湖水体中DOC与叶绿素a浓度不存在相关性，说明内源的直接贡献可能很小.博斯腾湖DOC浓度从春季到夏季有不同程度的下降，说明水体中的DOC在此期间由于温度的增加，分解超过累积.开都河径流从春季到夏季显著增加［32］，河水中的DOC浓度仅为0.9～2.1 mg/L(图3).本研究显示，河口区DOC浓度在夏季最低，这说明开都河河水的输入对这一湖区有一定的稀释作用.博斯腾湖水体DOC浓度在秋季高于夏季，反映了累积多于分解，其累积过程可能与POC的大量增加有关，部分外源有机碳属于溶解性的.与POC不同，DOC浓度的年季变化相对较小(表1)［21］.

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