乌江流域下游梯级水库沉积物中木质素的特征及有机碳来源辨析

黄佳琦，林 昕，汪福顺，马 静

(上海大学环境与化学工程学院，上海 200444)

内陆水作为全球碳循环中的重要一环，在解决碳失汇问题上受到了广泛的关注[1]. 从陆地向内陆水输送的碳通量难以测量. 通过模型，估算出内陆水输送到海洋的碳通量约为1 Pg/a[2-3]，内陆水储藏的碳约为0.6 Pg/a[4]，内陆水在输送过程中通过温室气体排放到大气中的碳约为3.9 Pg/a. 通过以上内陆水中碳的3 种主要归宿，估算得出陆地向内陆水输送的碳通量大约为5.1 Pg/a[5-6]. 由于受到估算数据准确性的限制，以及如人工筑坝、大量营养盐输入等人为活动的影响，碳循环机制研究的难度和复杂性进一步加剧.

与天然河流相比，水库具有集水区面积相对较小，但碳埋藏速率相对较高的特点[7]. 有研究表明，水库每单位面积的平均有机碳(organic carbon，OC)埋藏速率是自然湖泊的6 倍[8].一方面，由于水库反季节蓄水的特征破坏了天然河流的连续性和洪水脉动特性，筑坝拦截增加了水体的滞留时间，使得陆源有机碳更容易被拦截并沉降，最终埋藏于水库沉积物中; 另一方面，整体营养结构的改变致使水库初级生产力增加，产生更多的内源有机碳并埋藏于沉积物中. 全球范围水库所固定的有机碳通量预计将从1970 年的(13.2±3.6) Tg/a 增至2020 年的(26.4±7.2) Tg/a[9]. 因此，内源碳可以看作是真正的有效碳汇[10]. 如何准确区分水库沉积物中有机碳的来源在评价水库碳汇水平时显得尤为重要.

木质素作为仅能在陆地维管植物中发现的一种大分子有机物，具有含量大、降解难等特点，是指示陆源有机质的一种有效生物标志物. 木质素氧化降解后衍生的酚类物质被大量应用于河口及陆架区域中陆源有机碳辨识的研究[11-12]. 结合木质素生物标志物和传统整体指标法可以减小C4 植物辨析所引起的误差. 乌江流域位于中国西南喀斯特地貌地区，是长江上游南岸最大的支流，已经进行了极具特色的梯级筑坝体系开发，是研究梯级水库的理想对象. 本工作采集了乌江下游两座大型深水水库中的柱状沉积物，综合沉积物中有机碳、有机碳稳定同位素(δ13C)，以及消解后的木质素生物标志物指标(Σ8 和Λ8)，探究了梯级筑坝拦截影响下水库陆源有机碳的分布特征和降解模式，并利用三端元模型进行了有机碳来源辨析，讨论了梯级筑坝对沉积物中有机碳埋藏的影响.

1 实 验

1.1 研究区域

思林水库(Siling Reservoir，SLR)和彭水水库(Pengshui Reservoir，PSR)位于乌江流域下游(见图1)，均为峡谷型水库，且运行时间相同、海拔相近、水库形貌相似，均属于月调节型水库. 两座水库地理位置相隔较远，且PSR 上游有一座新建的沙沱水库. 沙沱水库控制流域面积为54 508 km2，占整个乌江流域的62%，库区容积为9.1×109m3，是下游PSR 的11.2 倍[13]. 选择PSR 还可以探究上游梯级筑坝对下游水库中沉积物有机碳的影响[14].

图1 乌江梯级水库采样点地图Fig.1 Sampling sites of the cascade reservoirs in the Wujiang River

1.2 沉积物样品的采集与分析

使 用 柱 状 沉 积 物 采 样 器 分 别 在SLR(27°44′59′′N，108°6′43′′E)和PSR(29°8′14′′N，108°16′36′′E)采集了两根柱状沉积物样品，其中SLR 沉积柱长度为38 cm，位于SLR 中段，PSR 沉积柱长度为32 cm，位于坝前. 将沉积物以1 cm 为一层分开，共得到70 份样品. 用经无菌化处理过的铝箔包裹样品并用塑封袋密封，将其置于实验室-29°C 冰箱中进行保存，等待进一步处理.

表1 思林水库和彭水水库的基本参数Table 1 Basic parameters of SLR and PSR

用浓盐酸去除样品中的无机碳，再用元素分析仪(FLASH2000HT，Thermo Fisher Scientific，MA，USA)测定样品中的总有机碳(total OC，TOC)和总氮(total nitrogen，TN). 使用稳定碳同位素分析仪(EA-IRMS，FLASH2000HT，Thermo Fisher Scientific，MA，USA)测定样品的碳稳定同位素(δ13C).

沉积物中木质素含量分析的前处理过程如下: 将分层后的沉积物冷冻干燥称重后，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入氧化铜粉末和Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O，在手套箱中加入15 mL NaOH 溶液，在150°C，20 atm (1 atm=101 325 Pa)状态下消解90 min(WX6000 微波消解仪，上海屹尧仪器科技发展有限公司); 反应结束后加入反式肉桂酸和乙基香兰素两种回收内标物，取上清液转移至离心管中，以转速3 000 r/min 离心10 min，使用超纯水清洗消解罐和离心产物，再次离心，重复3 次，合并上清液; 酸化上清液至pH=1; 采用PEP-SPE 小柱(Cleanert-PEP，150 mg/6 mL，天津博纳艾杰尔科技有限公司)净化，依次用5 mL 乙酸乙酯、甲醇和超纯水活化SPE 小柱，载入样品，真空抽干; 加入5 mL 乙酸乙酯洗脱目标物，洗脱液氮吹至近干，加入1 mL 的乙腈溶液定容，等待进气相色谱质谱联用仪(gas chromatography/mass spectrometer，GC/MS)分析. 采用柱前衍生法，取50 μL 乙腈复溶样品和150 μL 99%BSTFA+1%TMCS 衍生剂混合于内衬管中，70°C 条件下反应10 min，反应完成后立即上机检测. 分析仪器为日本岛津质谱联用仪(GC/MS，QP2020)，利用DB-1 石英毛细血管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)进行分离，载气He 恒流1.5 mL/min，采用无分流进样，进样量为1 μL. 升温程序为初始温度100°C，以8°C/min 的速度升至170°C，保持5 min，再以10°C/min 的速度升至300°C，保持4 min. 离子源温度设为230°C，进样口温度为300°C，扫描模式为单离子检测扫描(single ion monitoring，SIM). 木质素各单体采用内标法通过标准曲线进行定量分析，内标物反式肉桂酸和乙基香兰素的回收率为70%～110%.

木质素被分解为4 个大类，即对羟基(P)系列、香草基(V)系列、丁香基(S)系列和肉桂基(C)系列; 11 种单体，即对羟基苯甲醛、对羟基苯乙酮、对羟基苯甲酸、香草醛、香草酮、香草酸、丁香醛、丁香酸、乙酰丁香酮、对香豆酸和阿魏酸. 木质素的基本参数和意义如表2 所示.

表2 木质素参数及其意义Table 2 Lignin parameters and their significance

1.3 端元模型与蒙特卡洛模拟

采用以δ13C 和100 mg 有机碳中木质素氧化分解产物中S，C 和V 系列的总量Λ8 为标记的三端元混合模型. 三端元模型通过建立沉积物中OC 的3 个来源端元，使用不同端元的Λ8 和稳定碳同位素(δ13C)定量区分了SLR 和PSR 沉积物中的OC 来源. 该模型由以下方程式组成:

式中:f是每种OC 来源的相对比例; soil 是指土壤端元; phyt 是指淡水浮游植物端元;plant 是C3 维管植物端元. 使用的假设如下: Λ8soil= (0.76±0.38) mg/100 mg OC，Λ8plant= (15±5) mg/100 mg OC[15]，并且一般认为淡水浮游植物不包含Λ8; δ13Csoil=-24.37‰±1‰(本课题组数据)，δ13Cphyt=-29.1‰±2‰[16]，δ13Cplant=-27‰±2‰[17]. 通过Matlab 编程软件，利用蒙特卡洛模拟估算出沉积物中OC 各个端元的相对贡献值.

2 结果与讨论

2.1 梯级水库蓄水对沉积物中木质素参数的影响

图2 描述了两个水库柱状沉积物中木质素含量Σ8 和Λ8 与沉积柱深度的关系. 由图2(a)可知，SLR 沉积柱的Σ8 值呈现出由深层到浅层逐渐增大的变化趋势，且变化幅度较大，在0.83～2.97 mg/10 g dw 之间，平均值为1.51 mg/10 g dw. 浅层沉积物(0～20 cm)中Σ8 值的变化程度较大可能有两个原因: 一是浅层沉积物没有受到压实作用，对陆源有机物输入(如降雨)的变化影响较为敏感; 二是乌江流域正在进行完整的流域开发，多个水库的建设和蓄水可能对陆源有机碳的输入量影响较大. 有研究表明，气候变化导致的降雨量变化对水库沉积物中木质素含量的影响很大[18]. 因此，推测SLR 的Σ8 值变化主要受降雨量的影响. 由图2(b)可知: PSR 沉积柱的Σ8 和Λ8 值呈现出由深层向浅层逐渐减小的变化趋势，Σ8 值为0.55～1.44 mg/10 g dw，平均值为0.96 mg/10 g dw; Λ8 值的变化趋势与Σ8 值完全一致.这可能是由于PSR 上游新建的沙沱水库，使得水利滞留时间长，表现出了明显的拦截效应，对悬浮颗粒物的输送造成了较大的影响，致使PSR 沉积物中木质素输入减少. 此外，PSR 沉积柱位于坝前，而已有研究指出，靠近大坝深水区的底部沉积物反映的是悬浮泥沙的积累[19]，新鲜植物碎屑较少，木质素含量较为稳定.

图2 木质素含量参数Σ8 和Λ8 与SLR，PSR 沉积柱深度之间的关系Fig.2 Relationships between the lignin content parameters Σ8，Λ8 and the depth of SLR，PSR sediment cores

乌江流域在重庆市汇入长江三峡水库，所以将乌江流域水库与三峡水库对比有重要意义. 比较SLR，PSR 与三峡水库沉积物中木质素含量参数发现: 三峡水库Σ8 平均值为1.26 mg/10 g dw，处于SLR 和PSR 的中间水平[20]; Λ8 平均值为1.35 mg/100 mg OC，高于SLR(0.77 mg/100 mg OC)和PSR(0.81 mg/100 mg OC). 这可能是由于三峡水库沉积物的总有机碳含量低于乌江流域水库，反映出乌江流域梯级水库与三峡水库之间的空间异质性[21].

木质素母源植被信息参数S/V 被用来区分被子植物和裸子植物. SLR 沉积柱S/V 平均值为1.04(见图3(a))，PSR 沉积柱S/V 平均值为0.74(见图3(b)). 这一结果表明，两个水库沉积柱中的木质素主要来源于被子植物. SLR 沉积柱中S/V 值在接近表层时出现了一定程度的增加，表明SLR 周边的植物群落可能出现了一些改变，被子植物的占比有所增加. C/V 值被用来区分样品来源于维管植物的草本组织或是木本组织. SLR 沉积柱C/V 平均值为0.28(见图3(a))，PSR 沉积柱C/V 平均值为0.16(见图3(b)). 这一结果表明，两个水库沉积柱中的木质素主要来源于草本组织，而PSR 沉积柱中的木本组织也有一定贡献量. 这可能是由于PSR 周边裸子植物占比较大，而裸子植物主要是高大的乔木，其木本组织的含量较大. 乌江流域水库周边植物种群与三峡水库接近(S/V=0.93，C/V=0.29)[20]. 木质素母源植被信息参数反映出水库蓄水可能对水库周边原始植物群落的形态与优势种造成了一定影响.

P/(V+S)值指示的是样品中木质素的去甲基/去甲氧基程度. SLR 沉积柱P/(V+S)趋势非常平稳，平均值为0.25(见图3(c)). PSR 沉积柱P/(V+S)整体趋势由深层向浅层略有增加(见图3(d))，与加拿大卡邦加水库的情况[22]相似. 这一结果说明，SLR 和PSR 沉积物中木质素的去甲基/去甲氧基水平都处在一个非常低的水平. 在SLR 和PSR 沉积柱中，Pn∶P 都表现出了与P/(V+S)完全相反的波动趋势，并且Pn∶P 的值较小，说明沉积物中陆源有机碳贡献较小(见图3(c)和(d)).

V 和S 系列中酸类单体与醛类单体的含量比(Ad/Al)v和(Ad/Al)s是评价样品中木质素侧链氧化降解水平的指标. SLR 沉积柱(Ad/Al)s平均值为0.37，(Ad/Al)v平均值为0.33，小于0.39(见图3(e)). PSR 沉积柱(Ad/Al)s平均值为0.32，(Ad/Al)v平均值为0.32，均小于0.39(见图3(f)). 这一结果表明，SLR 和PSR 沉积柱中木质素的侧链氧化降解程度较低，小于三峡水库((Ad/Al)v=0.43，(Ad/Al)s=0.36)[20]. SLR 和PSR 沉积物中木质素的侧链氧化程度和去甲基/去甲氧基化水平都处于较低的水平，说明SLR 和PSR 沉积物中木质素的降解可能是由棕腐菌和白腐菌混合作用的模式[23].

图3 SLR，PSR 沉积柱中木质素母源植被信息及降解参数与沉积柱深度的关系Fig.3 Relationships between the information of lignin source vegetation，degradation parameters and the depth of the SLR，PSR sediment cores

2.2 利用三端元模型对梯级水库蓄水前后内外源有机碳占比的分析

SLR 沉积柱三端元模型分析数据显示: 土壤在沉积物总有机碳中的贡献变化较大且无明显规律，为17.11%～80.79%，平均值为51.75%; 藻类在沉积物总有机碳中的贡献为15.85%～78.84%，平均值为45.70%; 植物组织在沉积物总有机碳中的贡献为0.37%～6.22%，平均值为2.55%(见图4(a)). PSR 沉积柱三端元模型分析数据显示: 土壤在沉积物总有机碳中的占比平均值为49.14%; 藻类在沉积物总有机碳中的占比为32.70%～61.30%，平均值为47.00%; 植物组织在沉积物总有机碳中的贡献为0.97%～6.51%，平均值为3.86%(见图4(b)). 两个水库沉积物中内源有机碳的贡献接近，高于加拿大卡邦加水库内源有机碳的贡献(5%～30%)[22]，低于乌江上游的红枫湖水库(55%～74%).

图4 SLR，PSR 柱状沉积物有机碳源分析结果与沉积柱深度之间的关系Fig.4 Relationships between the analysis results of the source OC and the depth of SLR，PSR sediment cores

端元模型结果显示，两座水库沉积柱中外源有机碳(土壤有机碳与陆生植物有机碳之和)的贡献总体上略大于内源有机碳，其中土壤有机碳贡献最大. PSR 外源有机碳的贡献优势不明显，这可能是由于PSR 的上游新建了一座年调节的大型水库(沙沱水库)，其拦截筑坝效应使PSR 进水中的陆源有机碳颗粒物大量减少，还可能与水库内源有机碳的积蓄有关. 与乌江梯级水库上游其他水库相比，SLR 和PSR 沉积柱中总有机碳含量远低于上游水库(3%～4%)，表现出了显著的空间异质性.

3 结束语

SLR 和PSR 的木质素参数显示，乌江下游沉积物中木质素主要来源于被子植物的草本组织. 水库蓄水后，周边植物群落可能发生改变. SLR 蓄水以后被子植物占比有所增加，而PSR 周边裸子植物贡献较高，表现出了空间异质性. SLR 和PSR 沉积物中木质素的侧链氧化和去甲基/去甲氧基氧化降解水平较低，反映了白腐菌和棕腐菌共同作用的降解机制. 梯级筑坝的拦截效应减少了悬浮颗粒物的输送，特别是水利滞留时间较长的年调节水库，会使下游水库沉积物中木质素含量降低. 下游水库受到拦截筑坝作用，来自上游的外源有机碳减少，使内源有机碳占比偏高(45.70%～47.00%)，外源有机碳占比降低. 此外，降雨量也是影响水库沉积物中外源有机碳的重要影响因素. 样品中总有机碳含量受筑坝拦截作用明显，与上游水库相比也有明显的空间异质性.