南通长江干流颗粒有机碳组成的季节性变化特征

南通长江干流颗粒有机碳组成的季节性变化特征

0峡水库建设影响河流生态环境的季节动态长江是中国的一条主要河流，年平均流量为90001103，悬浮沙量为4.3,108吨。这些巨量入海物质对东部边缘海沉积体系的形成与海洋生物地球化学循环具有重要影响。三峡水库建成蓄水对长江中、下游干流以及河口生态环境的影响受到科学界的热切关注。近年来,一些学者通过沉积物的粒度、有机碳、氮含量和同位素等指标研究了长江的水沙通量、水动力条件、有机物质来源和有机碳同位素组成等季节性变化特征。本文选择长江南通段于2008年4月至2009年4月一年内每周定期采集悬浮物样品,通过粒度参数、有机碳、氮含量以及碳同位素组成的分析,并结合径流量和含沙量的变化,探讨三峡水库建设后长江下游近河口地区颗粒有机碳组成的季节性变化规律。1有机碳poc、双溶剂及有机物在2008年4月至2009年4月的一年时间里,笔者在长江南通龙爪岩西侧近主航道位置(31˚57′24″N,120˚51′54″E),利用快艇每周采集一次表层30cm下的水样,共获得51个样品。每次采水样约50L,在实验室内用孔径为45µm的醋酸纤维滤膜在全玻滤器上过滤所采水样,滤膜冰箱冷冻保存。过滤下来的悬浮颗粒物质,于60℃下低温烘干,用10%的H2O2去除有机质,再用1mol/L盐酸去除自生碳酸盐,清洗多余的残酸,最后超声分散处理样品后,在同济大学海洋地质国家重点实验室用激光粒度分析仪(美国CoulterLS-230型)测试样品的粒径。用浓度为1mol/L的高纯盐酸处理样品以去除碳酸盐矿物,再用去离子水反复清洗样品,直至没有残留盐酸。将样品低温烘干、研磨,供颗粒有机碳(POC)、颗粒氮(PN)及有机碳同位素(δ13Corg)分析。运用EA1110型有机元素分析仪(意大利Carlo-Erba公司)测试POC、PN含量,以Crystine和Sulphanilamide作为标样,并进行平行样监控,分析精度为0.5%。用稳定同位素质谱仪(DeltaplusXP,Finnigan)测试δ13Corg,以尿素为标样,分析精度为0.3%。有机元素与同位素测试均在海洋地质国家重点实验室完成。由于本文主要讨论悬浮颗粒物有机碳的特点,因此没有针对碳酸盐含量进行具体分析。同时由于仪器的限制,也没有测定δ15N。2结果与讨论2.1风压及洪季变化长江南通段表层悬浮物的粒度、有机碳、氮含量及碳同位素组成见图1和表1。悬浮物主要为粘土质粉砂,其中粉砂含量为50.5%~70.3%,砂含量一般小于10.3%,粘土含量在28.6%与48.9%之间;平均粒径(Mz)在一年中波动较大,介于6.9Φ与7.8Φ之间,但季节性波动规律不明显,平均值为7.4Φ。与前人研究揭示的长江下游悬移载荷主要由细颗粒粉砂(平均56.8%)和粘土(平均43.1%)组成,粒度集中在6Φ~8Φ,来源复杂,分选差的结论相符。POC和PN含量在洪季(5月至10月)与枯季(11月至翌年4月)的变化明显。POC含量变化范围为0.74%~1.53%,平均值为1.08%;PN含量变化则介于0.16%与0.40%之间,平均为0.23%。两者都呈现洪季含量缓慢下降,枯季逐渐上升的变化趋势。在8月底至9月初POC与PN含量达最低,而到3月底达最高。POC/PN比值在一年中变化不大,除个别极值外,基本都在平均值4.8附近波动;总体来看,在枯季特别是2008年12至2009年3月期间POC/PN比值稍高于洪季。一年中,δ13Corg值介于–24.1‰与–25.6‰之间,其中洪季在–24.1‰与–25.4‰之间变化,平均为–24.5‰;而枯季变化范围为–24.5‰~–25.6‰,平均为–24.9‰。其变化规律与POC和PN正好相反,总体上洪季高于枯季。长江下游干流颗粒态有机碳、氮含量及同位素组成的变化特征与吴莹等研究认识基本一致。2.2粒度对有机碳的降解和释放特征影响因子分析河流悬浮物粒径组成受水动力、流量及含沙量等因素控制,沉积物粒度分布还受制于泥沙输入方式、水动力对泥沙颗粒再分配的能力以及沉积动力环境。前人研究揭示,虽然主要受物源、生物作用、底层沉积物再悬浮及细颗粒絮凝作用的影响,长江口表层悬浮物在粒度上表现出较强的季节性差异,呈现夏季粗冬季细的特点,但是横沙岛以上及口外海域,洪枯季表层沉积物的粒度变化很小,沉积物类型基本不变。潘燕俊等研究发现2000~2001年期间长江下游悬移载荷粒度在不同季节差别较小,粒度差异受物源、河道形态、纵比降及水量的影响。本次研究采集的下游近河口悬浮物样品的平均粒径在一年中变化规律也不明显。笔者推测既可能反映长江下游干流自然粒径组成特点,也可能与三峡水库建成蓄水有关。由于大坝的拦截,来自上游的粗颗粒悬浮物质在三峡水库中沉积下来,从而明显改变了进入下游干流的粒度组成。三峡水库一期蓄水后(2003~2005年),长江干流主要水文控制站(寸滩、宜昌、汉口和大通站)的年均悬沙中值粒径明显小于多年平均值以及蓄水前2002年的实测值,而从三峡大坝下泻的江水严重冲刷宜昌站至沙市站之间的长江河道,冲刷起来的粗颗粒泥沙随着变小的河道坡降和河水流速,又逐渐沉降在沙市和汉口之间的河道,使得进入下游干流的悬浮泥沙粒径总体变细,从而导致洪季与枯季的季节性差异不明显。河流中颗粒态有机元素与同位素组成受多种因素控制,包括有机质来源、溶解无机碳的组成、水动力条件、悬浮颗粒物粒度及人类活动影响等。本采样点位于主航道北侧,离岸有几十米距离,水流湍急,因此当地点源污染造成的有机质组成变化可基本忽略。由图2可以看出,虽然在枯季,δ13Corg总体上随粒度变细而变小;但无论枯季还是洪季,平均粒径Mz与POC、δ13Corg之间的相关性并不显著。而刘敏等认为长江口潮滩沉积物粒径大小可能是造成δ13Corg季节性异常变化的主要因素。这反映长江下游干流悬浮物与河口潮滩沉积物不同,其δ13Corg组成受不同因素控制。另外,本文的数据仅代表长江下游干流表层悬浮颗粒物的粒度特征,并不能体现长江干流剖面的粒度特点,因此,粒度对有机碳氮以及碳同位素的控制作用还待以后做更深入的研究。悬浮物中POC与PN含量呈现枯季高于洪季的变化规律,可能同洪季长江含沙量高,颗粒态有机碳氮含量受稀释影响而降低,而枯季干流含沙量低,有机碳、氮的含量相对升高有关。有机质的C/N比值和δ13Corg值多用于指示有机质来源。一般认为低等水生藻类植物的C/N比值为4~10,维管状陆生植物多大于20,一些高等植物甚至在50以上,但土壤与现代表层沉积物中的C/N比值受成土、风化及埋藏过程中的降解作用影响。淡水浮游植物的δ13C值一般为–30‰~–40‰,陆源C3植物的δ13C为–21‰~–30‰,C4植物在–10‰与–14‰之间。成土和成岩环境中有机碳、氮与无机氮的降解或释放可显著影响C/N比值。与氮同位素和C/N比值比较而言,有机碳同位素组成更不易受生物活动的影响,更适合指示不同来源的有机质。南通段长江干流悬浮物中POC/PN比值较稳定,洪季与枯季差别不大,但δ13Corg值在枯季明显轻于洪季,变化范围也较大(图3)。本次研究揭示的C/N比值基本在3与6之间,与吴莹等在相近地点的研究结果比较,洪季C/N比值接近,而其枯季C/N比值在11左右,明显高于本次分析。Wuetal.2007年发表的文章中显示,长江干流C/N比值为6.5~23.9,平均值为14.6±4.6,同样是明显高于本文数据。笔者推测一方面可能是枯季三峡水库蓄水造成来自上游干流悬浮陆源颗粒有机质(C/N比值较高)被滞留,或有机质降解速率不同造成了季节差异的消失;另一方面因为三峡大坝蓄水后,随着含砂量的减少,下游水生有机质的贡献明显增加,还可能因为颗粒物中无机氮(因存于粘土矿物晶格中,盐酸无法去除)的含量过高等等,这些因素都可以造成C/N比的明显减小。但其具体原因还待今后分析生物标志物等来揭示。Wuetal.的研究表明,长江干流颗粒有机物的δ13C值为–26.6‰~–24.9‰,与C3植物的δ13C值(–28.9‰~–26.0‰)以及河岸表层土壤的δ13C值(–28.9‰~–24.3‰)相近,说明长江主河道的颗粒有机质主要来源于流域盆地的土壤中,而淡水中自生浮游植物贡献量很小或是被支流汇入的大量陆源有机物稀释。本文的δ13Corg值为–25.6‰~–24.1‰,这些数据基本落于长江流域C3植物和土壤有机碳同位素值范围内。但本文的数据跟Wuetal.的数据相比,δ13Corg值的变化范围明显减小,这可能是因为三峡水库在截流蓄水之前,长江中上游流域颗粒有机质可以被快速地直接搬运到下游及河口地区,有机质组成反映的季节性及来源变化特征更明显。但在2003年三峡水库一期工程完成之后,大坝滞留江水的同时也拦截颗粒态有机质,促进上游输运的颗粒有机质被截留分选或沉降分解,使保留下来进入下游的颗粒物的来源更均一化,进而造成有机碳同位素分馏的减小,δ13Corg值相对集中。本文数据表明,长江下游干流POC的主要来源是流域内土壤的侵蚀,相比较大坝建成之前水生生物的贡献有明显增加。河流输运的总碳由颗粒态和溶解态的无机碳与有机碳组成,其源汇过程受复杂的生物地球化学作用控制。因此,河流中颗粒悬浮物的碳同位素组成受多种因素影响。长江下游干流δ13Corg值在洪季高,枯季低,体现了明显的季节性(图3)。悬浮颗粒有机质δ13Corg值反映的是异生源陆源碎屑物质有机质(主要为C3植物以及以C3植物为主的土壤)和自生源颗粒物质有机质(如浮游植物、藻类、水生维管束植物以及河流中无脊椎动物和鱼类的残骸和粪便)的相对比例。在洪季,长江流域降雨量和径流量明显大于枯季,流域的风化剥蚀作用增强,带入大量的陆源物质;另一方面,枯季沉积在河漫滩的POM在洪季来临时再搬运被大雨或径流带出,因此陆源输入伴随径流量的增大而增多,使河水高度浑浊;再加上流域支流对干流中浮游植物的稀释作用,使得异生陆源物质相对于河流中自生颗粒物质含量大大增多。淡水浮游植物的δ13C值一般为–30‰~–40‰,高于陆源C3植物的δ13C值(–21‰~–30‰)和C4植物(–10‰~–14‰),因此造成δ13Corg值在洪季相对增大。4月到6月间δ13Corg值变化明显而快速,可能反映随雨季的来临,流域土壤侵蚀的突然加大,一直到9月,δ13Corg值都处于高值。此后,δ13Corg值缓慢偏轻,可能是随降雨减少,土壤侵蚀减弱,水生生物的相对贡献略微增加的结果。水文季节性变化以及水动力学参数(水温和滞留时间)可直接影响浮游植物的生长和生物量的积累,从而造成浮游植物的季节性变化。进入枯季后,虽然水动力条件变弱以及温度降低,使水生植物的种类和总数下降,但是大大减弱的土壤侵蚀也使陆源输入量骤减,因此水生植物的贡献相对增加,δ13Corg值相对减小。因此,总体来看,长江下游干流悬浮颗粒有机碳同位素组成主要受不同有机质来源和水环境中生物作用共同控制。2.3颗粒有机碳的通量河流作为全球海洋碳库的一个重要来源,其入海碳通量变化对全球海洋碳循环具有重要意义。笔者根据实测的含沙量来计算长江下游干流颗粒有机碳通量以及陆源有机质对入海颗粒总有机碳的贡献。其中,含沙量为实验测得数据,径流量选择下游大通水文站作为参考。从图4a可以看出,在2008~2009年的一年采样期间,长江南通段含沙量与径流量变化趋势基本一致,洪季高于枯季,平均含沙量为0.063kg/m3,径流量为8414×108m3/a,输沙量为0.628亿t。含沙量和径流量洪季分别约占全年的66%和62%,枯季分别约为34%和38%。虽然本次研究得到的长江下游径流量、含沙量及输沙量总的变化趋势与万新宁等的数据基本一致,但他们发现从11月开始长江径流量、含沙量和输沙量就明显减小;而从图4a可以看出,在11月的时候径流量和含沙量又有一次明显的增长,初步推测这可能与三峡水库放水有关。根据长江下游干流的径流量和含沙量,笔者近似地算出颗粒态有机碳通量(Fpoc)。考虑到采样频率是一周一次,在这里假设颗粒态有机碳的含量、径流量以及含沙量一周内变化不大。利用公式算出颗粒态有机碳通量(Fpoc)。式中:Xi为每周平均的POC含量(%);Yi为平均每周的输沙量。所得结果见图4b。显然,Fpoc主要受干流含沙量控制。计算得到一年中颗粒有机碳通量为0.60×106t,洪季Fpoc占一年总通量的74%,而枯季仅占26%。前人研究揭示,2003年与2004长江有机碳通量分别为2.69×106t、1.63×106t。虽然我们的采样时间跨越2008到2009年,但在整个一年采样期间内,长江颗粒态有机碳通量明显少于以前。研究显示,三峡蓄水后上游来沙量明显减少,同时使悬浮物浓度明显降低,显然影响到河流入海颗粒有机碳的通量。另外,本文采集的是跨年度的表层悬浮物样品,考虑到下游干流含沙量在水体中的垂向变化,本文计算的颗粒总有机碳通量可能要比实际通量稍低,针对这点本文通过POC含量为1.08%±0.19%计算出在POC的变化范围内其通量应该在0.53×106t~0.76×106t。可以看出,这个范围还是远远低于之前的数据,基本不影响本文反映的颗粒有机碳的季节性变化规律。南通段长江颗粒有机碳通量的高值出现在8~10月,与含沙量有很好的对应关系。显然,颗粒有机碳的总通量主要受长江含沙量的变化控制。考虑到表层数据的局限性,下一步工作可以通过对长江断面的观测来补充通量的研究。假设长江下游干流颗粒有机质全部来自陆源高等和水生生物贡献,则δ13Corg可以通过下式求得:式中:X(‰)、Xm(‰)、Xt(‰)分别代表研究样品、水生生物端元和陆源有机质端元的δ13Corg组成;Ft(%)和Fm(%)分别代表陆源有机质与水生生物的贡献比例。显然,Fm=1–Ft,则Ft=(X-Xm)/(Xt-Xm)。在这里,我们取陆源有机质端元为–24.1‰,水生生物端元为–29.1‰。Wuetal.在研究长江沿岸的植物和土壤有机质组成时认为,在长江这样大的一个系统中,由于大量的悬浮物和光的有限性,浮游植物的贡献可以被忽略,因此本文陆源有机质端元选取δ13Corg最高值(–24.1‰);而Chenetal.对北江的研究发现,水库中浮游植物的δ13C值为–29.1‰。Kendalletal.认为河流中浮游植物的δ13C值为–42‰~–24‰,平均为–30‰,因此本文选取水生生物端元为–29.1‰。需要注意的是,这两个端元是为了研究陆源物质和水生生物对POC的相对贡献而做的假设。经计算,长江南通段悬浮颗粒总有机质中陆源的贡献在洪季最大(99%),枯季最小(70%),说明长江下游干流POC的来源主要是陆源贡献,而在枯季水生生物贡献相对增大。洪季陆源有机质相对于总贡献量(洪季陆源贡献总量/洪枯两季陆源贡献总量)为52%,而枯季(枯季陆源贡献总量/洪枯两季陆源贡献总量)为48%,反映陆源有机质对POC的贡献没有很大的季节性变化,也从另一个侧面证明了长江南通段POC的输入来源比较稳定,主要是陆源颗粒有机物质(图4c)。这与Liuetal.所得的陆源有机质贡献在7月高(50.3%~97.1%),2月低(45.7%~61.4%)的结果相符。同时也说明长江入海颗粒有机质来源及贡献比例在三峡水库蓄水前后相似,均是洪季高于枯季,但有机质通量变化显著。在一年采样时间内(2008年4月至2009年4月),陆源颗粒有机碳通量约为0.55×106t,具有明显的季节变化(图4d),枯季通量约占一年总通量的25%,洪季约占75%。陆源颗粒有机碳占总POC通量(0.60×106t