入湖河流悬浮颗粒物有机碳、氮的来源

入湖河流悬浮颗粒物有机碳、氮的来源

有机碳和氮素的变化是揭示水生态系统有机碳和氮资源来源的重要手段之一。碳素素可有效地指示水生态系统的初级生产力变化以及有机碳在生态系统中的来源和变化规律。氮素不仅可以指标化有机质的来源，还可以反映氮和氮循环过程中相关生物化学循环的变化。随着固碳和氮素氮的提出，对水生态系统碳、氮来源和水生态环境发展的研究日益成熟。xu等人利用稳定碳和氮素氮的函数，研究了富仙湖和云湖的有机碳和氮素的分布特征，并显示了不同贫困湖泊高度的不同。李慧伟等人利用稳定碳和氮素氮的技术分析了北京水生生物的水元素来源。刘秀娟等人通过对长江口流域水体的氮素进行分析，研究了水体氮的转化和转化等生物地球化学过程。王静等人通过研究红枫湖和巴比湖的稳定氮素季节性变化和水体剖面的变化，表明湖泊中的氮来源是改变的，以及湖泊内的氮在生物根据上述高度的变化。洱海是云南省第二大高原淡水湖泊,对流域生产、生活用水和经济发展具有重要的支撑作用.近20年来,由于人类活动对流域和湖泊干扰的加剧,洱海水环境发生了较大变化,目前处于典型的富营养化初级阶段,上覆水氮、磷浓度波动较大,尤其是氮浓度增加较为显著.洱海拥有大小入湖河流117条,平均入湖水量达8.25×109m3ue4d4a,每年携带大量的营养盐和有机质进入湖泊,而颗粒态有机碳、氮是河流向洱海输入营养盐的重要载体.因此,深入研究洱海主要入湖河流颗粒态碳、氮的输入特征和来源,是了解洱海水体营养盐负荷和源头控制营养盐输入量的关键步骤.该研究通过分析洱海主要入湖河流水体悬浮颗粒物中有机碳、氮同位素的时空特征,研究了影响δ13C、δ15N同位素变化的主要地球化学特征,揭示了不同季节主要河流颗粒物中有机碳、氮的来源,以期为有效控制洱海入湖河流污染负荷提供基础.1材料和方法1.1河流主要入湖河流洱海水资源较为丰富,降水、森林滞留水和融雪水是其水资源的主要来源.该研究针对弥苴河、永安江、罗时江、波罗江、新沟、西闸河以及苍山十八溪等主要入湖河流开展工作.各条河流的径流量见表1.1.2水体颗粒物样品的收集与测定样品采集工作于2009年6月(夏季)、9月(秋季)、11月(冬季)和2010年3月(春季)分4次进行,各季节分别收集了25、22、20和20个(枯水期部分溪流干涸)共87个河流水体悬浮颗粒物样品,采样点位于各主要河流的入湖河口.使用预先处理过的GFue4d4F玻璃纤维滤膜(0.7μm,450℃灼烧4~6h,恒质量)收集水体表层悬浮颗粒物,滤膜于-20℃下避光保存,水体原样和滤液装入聚乙烯瓶中冷藏,带回实验室尽快测定.1.3c15n的表征滤膜带回实验室后进行真空冷冻干燥,称质量后滴加1molue4d4L的盐酸浸湿滤膜,放入盛有浓盐酸的干燥器中反应24h,除去碳酸盐,反复用蒸馏水冲洗样品直至pH为中性后再将其冷冻干燥,用于测定δ13C、δ15N.δ13C、δ15N在中国林业科学研究院稳定同位素比率质谱实验室测定.采用熔封石英高温燃烧法,将产生的CO2和N2通过气体质谱仪(MAT-2252)进行测定.在δ13C、δ15N分析过程中,12Cue4d413C与14Nue4d415N分别对应国际标准PDB与大气中的N2,以IAEA-C3(国际纤维素标样,δ13C为-24.91‰)和标准KNO3(δ15N为1.92‰)为参考标准,分析误差<0.10‰.式中,X代表13C或15N;R为所测得的同位素比值,碳同位素是12Cue4d413C,氮同位素是14Nue4d415N.水体ρ(TN)、ρ(DTN)参考国家标准方法进行测定.ρ(PN)=ρ(TN)-ρ(DTN),其中,DTN为溶解性总氮,PN为颗粒态氮.1.4相关分析和民刑政调度采用数理统计学方法处理数据,运用SPSS16.0、Origin8.0和Excel2007进行因子的相关分析和制图.洱海2009年6月—2010年3月入湖河流水量月变化数据来自于洱海管理局监测数据.2结果与讨论2.1区域降水的季节变化洱海主要入湖河流水体悬浮颗粒物中ρ(TN)、ρ(PN)的季节性变化如图1所示.由图1可见,ρ(TN)和ρ(PN)的季节性变化趋势一致,2009年6—11月降低,2009年11月—2010年3月有所升高,这与流域主要河流水量的季节性变化趋势(见图2)相同,说明降水量变化引起的流域土壤流失是控制流域入湖河流水体悬浮颗粒物中ρ(TN)和ρ(PN)的主要因素,在丰水期(6月)ρ(TN)离散程度最为明显,反映了洱海不同入湖河流周围植被的覆盖度差别较大.2.2水源性有机质由图3可知,δ13C四季的变化范围为-30.6‰~-10.7‰,平均值表现为6月<9月<3月<11月,离散程度表现为6月<9月<11月<3月.由图3可见,2009年6月δ13C离散程度较低,说明夏季有机质来源较为单一,根据δ13C所处范围分析,C3植物是颗粒态有机质的主要贡献者,这与洱海地区夏季降水量较大且陆源有机质被大量冲刷进入河流有关.2009年9月δ13C离散程度仍然较低,但总体分布范围较6月偏大,大部分数值属于水源性有机质范围,反映了水源性有机质对水体中有机质的贡献比例增大.这是由于在夏、秋季温度较高,水生生物生长比较旺盛,水生生物在利用水中溶解的无机碳进行光合作用时引起了同位素分馏,导致δ13C下降;而河流中的水生植物的残体大量进入水体,引起水体水源性有机质增加.2009年11月δ13C整体数值进一步提高,反映出流域植被的变化情况,因为只有C4植物产生的有机质含量增加,才能使河流水体悬浮颗粒物δ13C增大.究其原因,是由于该季节正是洱海流域玉米收获时期,大量玉米秸秆等被扔进河流,而玉米正是C4植物,从而导致部分河流水体C4植物来源有机质的贡献增加.从δ13C的分布范围来看,冬季水体中的有机质属于陆源C3、C4植物和水源性有机质的混合来源.2010年3月δ13C数值范围相对11月有明显下降,这与C4植物贡献逐渐下降,并且随着降水量的增加,陆源C3植物被带入水体导致δ13C下降有关.2.3不同河流类型植物生物量和水生来源指标变化自然水体中有机质主要有2种来源:(1)自生有机质,包括水生植物、藻类、细菌及其他内源生物;(2)外源有机质,包括土壤有机质、陆生植物等.不同的物质具有各自特定的碳、氮同位素信号:δ13C能够较好地反映在光合作用过程中碳的同化作用及碳源同位素的组成;而δ15N能反映沉积物有机质的来源是基于陆生和水生系统固氮的途径差异.一般认为,C3植物δ13C的范围为-20‰~-30‰,而C4植物δ13C为-19‰~-9‰,景天科植物δ13C为-30‰~-10‰,内源有机质δ13C为-22‰~-19‰,混合有机质(即陆源和水生来源混合体)δ13C处于-22‰~-16‰之间.对于以自生有机质为主的湖泊,浮游植物比沉水植物的碳同位低.洱海主要入湖河流水体悬浮颗粒物的δ13C在不同河流中呈较为明显的季节性变化特征.如图4所示,2009年6月洱海流域为丰水期,入湖河流水体悬浮颗粒物中有机质陆源输入比例最高.各河流水体悬浮颗粒物的δ13C较为接近,平均值为-24.2‰,处于C3植物和景天科植物范围内,结合流域种植作物的季节性特点,该时段河流水体悬浮颗粒物有机质主要来自于C3植物的贡献.2009年9月不同入湖河流水体悬浮颗粒物的δ13C发生较大改变,数值差异化明显,弥苴河、永安江、新沟、罗时江、波罗江左支及苍山十八溪(除梅溪和隐仙溪外)水体悬浮颗粒物有机质均主要来自于C3植物;而西闸河、波罗江右支、梅溪和隐仙溪水体悬浮颗粒物有机质属于陆源和水生来源混合体.这反映了秋季不同河流中植物生物量的差异.2009年11月仅有波罗江左支水体悬浮颗粒物δ13C位于C3植物范围内;永安江、新沟、罗时江、波罗江右支和苍山十八溪δ13C位于混合有机质来源范围内;弥苴河和西闸河δ13C位于C4植物范围内,这与弥苴河和西闸河流域玉米种植有关.2009年3月永安江、弥苴河、新沟、罗时江和部分苍山十八溪水体(约60%溪流)悬浮颗粒物δ13C处于C3植物范围,西闸河水体悬浮颗粒物δ13C处于C4植物范围,这几条河流均位于洱海北部地区,受到上游农业面源污染较为严重.因此,可判断悬浮颗粒物有机质主要来源于上游农业生产过程产生的有机质,δ13C的差异也体现了洱海北部地区不同农业种植结构的差异.位于洱海南部地区的波罗江左支和右支水体悬浮颗粒物有机质则为陆源和水生混合来源.2.4入湖河流水体悬浮颗粒物中氮的季节性来源河流水体悬浮颗粒物中的氮主要来源于土壤流失、农业化肥、生活污水、动物排泄和植物死亡等.由于不同来源的含氮物质具有不同的氮同位素信号,因此,可以通过对河流水体中悬浮颗粒物稳定氮同位素组成的变化来示踪氮的来源.研究认为,土壤流失氮的δ15N为3‰~8‰,人工合成肥料的δ15N为-4‰~4‰,人类排泄物的δ15N为10‰~20‰,大气沉降NO3--N的δ15N为0.2‰~0.8‰,陆源有机质的δ15N平均值约为2.7‰,水源性有机质的δ15N较高,其平均值约为6.5‰.由图3、5可见,2009年6月主要入湖河流水体悬浮颗粒物δ15N的离散程度在四季变化中处于中间水平,δ15N基本在土壤流失氮的范围内.因此,判断6月河流水体悬浮颗粒物中氮的来源以土壤流失为主,这可能是由于该季节正处于洱海流域的丰水期,上游地区土壤流失较为严重所致.其中,西闸河、罗时江和波罗江右支水体悬浮颗粒物δ15N处于化肥范围,永安江、弥苴河、新沟、波罗左支和苍山十八溪(除梅溪外)水体悬浮颗粒物δ15N位于土壤流失氮范围,梅溪δ15N为10.6‰,表明其悬浮颗粒物氮的来源为生活污水.2009年9月水体悬浮颗粒物δ15N的平均值相对于6月偏小,结合δ15N范围指示分析,这可能是由于该时段当地大量使用化肥(化肥δ15N处于-4‰~4‰)导致部分河流水体悬浮颗粒物氮的来源方式有所改变所致,同时也与该时段河流中水生植物开始出现死亡,水生植物产生的氮占据一部分比例有关.因此,判断9月洱海主要入湖河流输入的氮以土壤流失、化肥和水生植物死亡为主.其中,永安江、新沟、罗时江、波罗江右支水体悬浮颗粒物中的氮主要来自土壤流失;弥苴河和西闸河水体悬浮颗粒物δ15N处于陆源有机物和化肥范围内,判断其中的氮主要来源于化肥和陆源有机物;苍山十八溪水体悬浮颗粒物δ15N与6月相差不大,判断其颗粒物氮的来源仍以土壤流失氮为主;波罗江左支水体悬浮颗粒物δ15N较6月有所增大,达8.7‰,这与9月波罗江受到凤仪镇生活污染加剧有关.2009年11月各入湖河流水体悬浮颗粒物δ15N的平均值进一步下降,可能是由于河流水体中有更多的氮来源于化肥和水生植物的衰亡,并且随着降水量的减少,来自流域土壤流失的氮比例有所下降所致.而δ15N在四季偏负程度最大,可以判断河流水体悬浮颗粒物中由化肥带来的氮贡献比例快速上升.其中,永安江、锦溪、向阳溪和茫涌溪水体悬浮颗粒物氮主要来源于化肥.弥苴河、新沟、西闸河、罗时江、波罗江右支和波罗江左支及部分苍山十八溪水体悬浮颗粒物氮的来源属于土壤流失氮和水源性有机物混合型.2010年3月各入湖河流水体悬浮颗粒物δ15N出现增大的趋势,大部分δ15N位于土壤流失氮和水源性有机物范围内,化肥来源的氮开始减少.这是因为随着春季的来临,流域降水量的增加导致流域土壤流失现象开始加剧所致,同时又因为当地在该季节农田施用化肥量减少所致.因此,春季洱海主要入湖河流水体氮主要来源于土壤流失和水生植物.各河流水体悬浮颗粒物δ15N相差较小,表明其中的氮基本属于土壤流失氮和水源性有机物混合来源.综上,洱海主要入湖河流水体悬浮颗粒物氮的来源与流域降水量、植被覆盖率、生活污水、化肥施用和河流水生植物密切相关.丰水期土壤流失氮的贡献较高;北部地区由于受到农业面源污染的影响,导致河流氮来源中化肥所占比例较高;而居民点较多的南部河流和部分溪流氮的来源受生活污水影响较大;此外,河流水生植物的季节性变化和生物量也是河流自生氮来源的重要因素.3入湖河流水体悬浮颗粒物有机质来源的季节和年际变化a)洱海入湖河流水体悬浮颗粒物δ13C的离散程度为夏季<秋季<冬季<春季,变化范围分别为-25.1‰~-16.9‰、-30.0‰~-10.7‰、-20.9‰~-11.0‰和-28.6‰~-14.4‰;δ15N的离散程度为冬季>夏季>春季>秋季,变化范围分别为-0.5‰~8.8‰、5.4‰~10.6‰、3.4‰~7.9‰和6.2‰~8.7‰.b)洱海主要入湖河流水体悬浮颗粒物有机质春季以陆源C3植物和水源性有机质来源为主,并且C3植物来源的有机质贡献逐渐增大;夏季受降水量的影响,有机质来源以陆源C3植物输入为主要方式;秋季由于降水量的降低和水生植物的死亡,水体悬浮颗粒物有机质属于陆源C3植物和水源性有机质混合来源,并且水源性有机质所