澎溪河流域水中碳素分布特征的研究

谭 林，国 洋，孙妍晗，方 源，朱书景

(1.湖北大学资源环境学院，武汉 430062；2.荆门市生态环境局，湖北 荆门 448000)

引 言

碳作为地球生命的最基本元素，是生物圈物质和能量传递的关键，是生态学研究的重要指标之一。而河流作为连接碳循环在自然界陆地-水体碳循环的关键纽带[1]，每年通过河流的单向流动从陆地生态系统向最终的水体生态系统—海洋运输的有机碳约0.53Pg/a[2]，因此研究河流系统中的碳含量及其分布，为揭示全球碳循环具有重要作用。从已有研究得知河流中的有机碳主要来自土壤有机质的侵蚀、陆地植物残屑及人类生产生活的有机废弃物，河流中的无机碳主要来自陆地基岩的化学风化、土壤层中植物根系呼吸及有机质分解，以及大气CO2的溶解[3-4]。

而在三峡库区的相关研究中多关注于库区水体富营养化、三峡库区水质变化及污染源分析和库区消落带生物多样性及土壤性质变化等问题[5～9]，对库区河流碳的赋存形态及其影响研究报道较少，未形成系统性的理论认识。文章拟通过研究长江中上游澎溪河流域的碳含量、分布特征，着重分析讨论各形态碳的时空分布，水中各形态碳的来源及影响因素，旨在为全面认识澎溪河流域碳素的特征和其他环境科学问题提供基础性的依据。

1 研究区域设置与方法选定

1.1 研究区域设置

澎溪河又名小江是三峡库区中段、北岸最大的次级支流，位于四川盆地东部，源自重庆市开州区白泉乡，于重庆市云阳县双江街道汇入长江，流域整体面积约5 200km2，河道总长近182km[10]，年均降雨达1 200mm，河口距三峡大坝约247km，河道平均坡降为1.25‰，地势总体呈现北高南低。由于地壳的挤压运动和水流的侵蚀切割，使得流域内沟壑纵横、层峦叠峭，形成复杂的地形地貌。

在三峡库区蓄水后澎溪河流域作为回水影响区受库区水位上升等因素，使得流域水华等生态环境现象日益凸显，2007年甚至发生浮萍爆发性增长问题[11～13]，因此为了解澎溪河流域整体碳素分布特征与流域水华现象的关联性，自上而下在澎溪河流域的河口交汇处及主要集镇设置采样点，分别位于东河口、渠口、养鹿、高阳、黄石、双江、双江口共计7个点位，样品点位分布情况见图1。

1.2 方法选定

于2019年3月和6月在每个断面采集河流中心和距河岸1.5～2m处水下0.5m的水层水样3个样品，加签封装后装入黑色塑料袋，作为该断面的样品，而后运回实验室，待测。采样点断面定位使用GPS定位，并结合地形图校正。

图1 澎溪河采样断面分布Fig.1 Sampling section of Pengxi River

总有机碳(TOC)、总无机碳(TIC)含量测定采用TOC分析仪(SHIMADZU，TOC-VCPH)[14]差减测定法测定。

2 结果与分析

2.1 澎溪河流域碳素的含量分布

表1 澎溪河TC、TIC、TOC的含量

从表1可以看出，澎溪河流域TIC春季含量范围为0.548～4.694mg/L，平均值为2.373mg/L；夏季含量范围为0.682～5.001mg/L，平均值为2.625mg/L。两者表层水中TIC平均含量相似。流域春季TC的含量范围为12.095～22.031mg/L，平均值为16.920mg/L；TOC的含量范围为10.078～20.899mg/L，平均值为14.675mg/L。而流域夏季TC的含量范围为30.899～44.687mg/L，平均值为36.656mg/L；TOC的含量范围为29.705～39.686mg/L，平均值为34.459mg/L。夏季样品的TC和TOC的平均含量分别为春季的2.17和2.35倍，明显高于春季样品的含量值。

李哲[15]等通过对小江蓝藻季节变化研究，发现春末夏初为蓝藻生长的繁盛期。彭建华[16]等以小江枝角类浮游生物生长情况为研究内容，从侧面明确夏季为藻类生长繁盛期。这与本研究碳含量分布规律基本一致。同时在Lake and river ecosystems一书中，Wetzel R G[17]便提出判断富营养化指标之一TOC的标准值为12.00mg/L。而澎溪河流域两季表层水中TOC平均含量分别达到了14.675mg/L、34.459mg/L，反映出该流域部分指标已达到水体富营养化水平。

2.2 澎溪河流域碳素的空间分布

澎溪河流域TIC、TOC含量的空间分布呈现夏季高于春季，夏季TIC、TOC均值分别多出10.67%、134.81%。上游为TIC、TOC的低值区，中、下游为高值区，其中TIC和TOC的空间分布格局不尽相同(图2)，就TIC来说不同样点间的时空分布存在差异，总体上表现出中端低两头高，春季低于夏季的分布，其含量最低值出现在养鹿(YL)，可能是由于养鹿段河流平缓且存在较大“U”型河湾使部分不溶性无机碳沉降至河底或在此被光合作用所利用使得TIC含量降低[18]，反映出流域TIC的分布受到水动力、地形条件、光合作用等多方影响。而TC和TOC的空间分布格局相似(图2)，均呈现出西北低东南高，波动上升的分布特点。

图2 溪河不同形态碳的时空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of carbon in different forms in PengXi River

2.3 人居活动扰动的影响

通过对所有样点的集镇人口和产业发展信息查询[19](表2)，发现澎溪河流域集镇越靠近长江主干，城镇开发程度越高，资源开采程度越高，工业产值占比越多。而流域TOC分布同人类活动影响相似，沿岸依次分布的五个集镇生活污水、工业废水等外源通过排水管网进入澎溪河，恰与TC和TOC的空间分布格局吻合。而东河口(DHK)样点靠近开州城区，但各形态碳含量都处于较低水平，可能是因为采样断面位置位于河口汇聚处，上游来水对碳含量有所稀释。黄石(HS)—双江(SJ)段TOC春夏季含量很高达到15.088～20.899mg/L和36.737～40.186mg/L远超其他采样断面，可能是人类生产生活排放入河碳源直接影响到河流有机碳的含量，而张永领[20]和黄奇波[3]的研究也得出同样结论。黄石(HS)由于河流流速平滑且受人类活动影响较大，外排碳源的进入可能使该段TOC含量升高。

表2 采样点集镇人口和产业发展情况Tab.2 Population and industrial development of market towns in Sampling sites

3 结 论

3.1 澎溪河流域采样点沿河纵向分布中，TOC含量为10.078～40.186mg/L，均值24.567mg/L，最大值出现在夏季黄石(HS)，最小值出现在春季东河口(DHK)。TOC含量呈现波动递增的趋势；TIC含量为0.548～5.001mg/L，均值2.499mg/L，最大值出现在夏季双江口(SJK)，最小值出现在春季的养鹿镇(YL)。TIC含量呈现先降后升的趋势。

3.2 澎溪河流域各采样断面检测数据显示在夏季TIC、TOC含量最高，春季最低，与该流域发生水华现象时间变化规律基本相似。所以在研究河流水体富营养化同时也应考虑碳含量的影响。

3.3 碳素分布与流域沿岸社会生产活动紧密相关，随着随着人类生产、生活活动的加剧，大量有机废弃物向河流的排放对流域碳素分布产生直接影响，可能会直接改变河流有机碳的性质和通量，甚至是河流碳的生物地球化学过程。因此在研究河流富营养化问题时有针对性探讨碳素对环境可能造成的影响，对我国生态建设及社会经济发展具有重要意义。