环境科学  2015, Vol. 36 Issue (8): 2817-2826   PDF    
调水调沙对黄河下游颗粒有机碳输运的影响
张婷婷1,2, 姚鹏1,3,4 , 王金鹏1,2, 潘慧慧1,2, 高立蒙1,2, 赵彬1,2, 李栋1,2    
1. 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 青岛 266100;
2. 中国海洋大学化学化工学院, 青岛 266100;
3. 海洋科学与技术青岛协同创新中心, 青岛 266100;
4. 中国海洋大学海洋有机地球化学研究所, 青岛 266100
摘要:流域内各种自然过程及人为活动对河流有机碳的输运都会产生影响,而正确认识河流有机碳的输运过程是全球碳循环研究的重要方面. 于2012年调水调沙期间(6月19日至7月20日)在黄河利津采集了表层悬浮颗粒物,进行了粒度组成、颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)及其稳定同位素丰度(δ13C)等参数的分析,用来研究调水调沙期间POC的来源、组成和丰度的变化规律与影响因素. 结果表明,2012年黄河调水调沙可以根据径流量和输沙量的变化分为排水和排沙两个阶段,这两个阶段黄河水沙及POC和δ13C的变化,体现了调水调沙对颗粒物及其赋存有机碳来源的影响. 排水阶段径流量高达4270 m3·s-1,下游河道被冲刷,使底层泥沙再悬浮,因此这一阶段颗粒物粒径较粗(平均中值粒径13.9 μm),有机碳含量较低(平均0.38%),δ13C偏正且稳定(-24.2‰ ± 0.3‰),可能与底层泥沙中POC年龄较老、降解程度高有关; 排沙阶段含沙量大(可达17.8 kg·m-3),颗粒物较细(平均中值粒径5.9 μm),有机碳含量较高(平均0.50%),δ13C偏负且波动较大(-24.8‰ ± 0.6‰),这与颗粒物主要来自上游水库和下游暴雨冲刷河岸,POC相对新鲜有关. 2012年调水调沙期间POC日通量与输沙量的变化一致,总输送量约为1.13×105 t,占全年POC输送量的12%. 与往年相比,2012年黄河调水调沙时期径流量增大,但输沙量和POC通量有所减小. 由此可见,调水调沙对黄河颗粒有机碳的输运有重要影响,而颗粒有机碳在调水调沙期间不同阶段也有明显不同的来源、组成和输运模式.
关键词黄河     调水调沙     颗粒有机碳     稳定碳同位素     输运    
Effect of Water and Sediment Regulation on the Transport of Particulate Organic Carbon in the Lower Yellow River
ZHANG Ting-ting1,2, YAO Peng1,3,4 , WANG Jin-peng1,2, PAN Hui-hui1,2, GAO Li-meng1,2, ZHAO Bin1,2, LI Dong1,2    
1. Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China,Qingdao 266100, China;
2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
3. Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China;
4. Institute of Marine Organic Geochemistry, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
Abstract: Both natural processes and human activities in river basins have important impacts on the transport of riverine organic carbon (OC). Better understanding of the riverine OC transport processes is critical for the studies of global carbon cycling. Suspended particulate matters collected from the Lijin Station in the lower Yellow River during the water and sediment regulation (WSR) period in 2012 (19 June-20 July) were analyzed for grain size, particulate OC (POC) and stable carbon isotopic ratios (δ13C) to investigate the sources, composition, abundance of POC and the effect of WSR on the transport of POC. The results showed that the WSR in 2012 could be divided into two stages according to the variation of water and sediment discharges: the water-release stage (WRS) and the sediment-release stage (SRS). Variations of the water discharge, sediments, POC and δ13C in these two stages reflected the impacts of WSR on the sources of particulate matters and associated OC. The water discharge in the WRS stage was the highest (4270 m3·s-1), and the sediments scoured from the riverbed in the lower reaches were the major source of suspended particulate matters in this stage, therefore the particles were characterized by relatively coarse grain size (13.9 μm in average of median grain size), low POC (avg. 0.38%) and relatively enriched and constant δ13C (-24.2‰±0.3‰), probably because POC in the sediments scoured from the riverbed had old radiocarbon ages and high degradation. The suspended particulate matters in the SRS stage were mainly derived from the upstream reservoirs and flushed riverbanks due to local rainstorm, and the POC age was relatively young, thus this stage was characterized by high concentration of suspended particulate matters (up to 17.8 kg·m-3), fine particles (5.9 μm in average of median grain size), high POC (avg. 0.50%), and depleted and varied δ13C values (-24.8‰±0.6‰). Variation of daily POC flux had similar pattern with sediment discharge, and the total POC flux during the water and sediment regulation period was 1.13×105 tons, accounting for 12% of the total POC flux in 2012. Compared with previous years, the total water discharge during the WSR period in 2012 has increased, while the total sediment flux and POC flux have reduced. In general, WSR played an important role on the transport of POC in the Yellow River. And furthermore, there was significant difference in the sources, composition and transport of POC in different stages of WSR.
Key words: Yellow River     water and sediment regulation     particulate organic carbon     stable carbon isotope     transport    

河流是陆源物质向海洋输运的主要途径,记录着流域内自然过程和人为活动的影响,并控制着河流自身、河口及近海的元素循环[1, 2]. 据估计,全球河流每年向海洋输送约2×1010 t颗粒物,其携带的有机碳(~2×108t)占到河流输出总有机碳的一半左右[3]. 河流中颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)的来源及在输运过程中的迁移转化直接影响其入海之后的归宿[4, 5, 6]. 研究表明,河流中POC主要来源于土壤、植物碎屑以及浮游生物、细菌等,人类活动所排放的有机碳(如生活污水、工业废水等)也是河流有机碳的来源之一[1, 7, 8]. 工业革命以来,流域内人类活动(如农业灌溉、大坝建设、森林砍伐等)的加剧改变了河流自身的输运规律,进而对河口和边缘海包括碳在内的生源要素的生物地球化学循环和生态系统的发展产生了深远影响[8, 9, 10]. 因此,对河流POC的来源、输运和归宿的认识不但是全球碳循环研究的重要内容,也有助于加深对河口和边缘海生态环境演变的了解.

黄河是中国第二大河,全长5 464 km,在国际上素以含沙量高而著称[11]. 然而,由于受到气候变化和人为活动的影响,在过去的50多年里黄河径流量和输沙量已大大降低,处于黄河下游的利津年径流量从4.74×1010 m3(1962~1969年)下降到1.41×1010 m3(1990~1999年),年输沙量则从1.37×109 t(1952~1959年)下降到1.34×108 t(1990~1999年),甚至一度出现断流[12, 13, 14, 15]. 为了解决黄河水沙输运不平衡导致的库区和河道泥沙淤积,自2002年开始,每年的汛期初期(6月底~7月中旬)进行调水调沙,通过中游大型水库排水排沙,来清理水库淤积和冲刷河道,这期间进入河口的水量和泥沙量因此大幅增加. 无论是从时间的分布上,还是从有机碳的来源和性质上,这些过程势必会对黄河有机碳的输运产生影响,调水调沙也因此成为研究人为活动对黄河物质输运影响的绝佳人工实验. 研究表明,调水调沙期间具有较高的含沙量和POC通量,POC对有机碳的贡献占绝对优势[16, 17, 18];调水调沙在高水量阶段由于河道中颗粒物较粗,POC质量分数(%)偏低,在高沙量阶段由于异重流的影响,含沙量与POC的质量浓度(mg ·L-1)会迅速增大[19]. 然而,已有的研究中调水调沙期间采样密度较小,且多侧重于POC的质量浓度变化,而对整个调水调沙期间黄河下游POC组成、丰度、来源和通量的变化特点及调水调沙调度过程对其的影响了解还很少.

本研究对黄河下游利津2012年调水调沙期间的悬浮颗粒物进行了高密度采样(每天两次),分析这些颗粒物样品的粒度组成、POC含量、稳定碳同位素丰度等参数,讨论调水调沙期间黄河下游POC的来源、丰度和组成的变化过程,以期为研究人为活动对黄河POC输运以及对河口和邻近海域碳的生物地球化学循环过程和生态系统的影响提供基础. 1 材料与方法 1.1 样品采集

图 1所示,采样点位于黄河下游的利津水文站(37.52°N,118.31°E),距黄河入海口104 km. 由于利津以下无支流输入,且不受潮汐的影响(在黄河非汛期,潮汐仅能影响到距入海口20 km处)[20],通常利用此处所采集样品来计算黄河向渤海的物质入海通量.

图 1 黄河流域及利津采样点示意 Fig. 1 Yellow River basin and sampling site of Lijin

2012年黄河第14次调水调沙自6月19日09:00开始,7月9日08:00结束,历时20 d. 调水调沙主要分为排水和排沙两个阶段进行. 在排水阶段(6月19日09:00至7月3日08:00),黄河中上游三门峡(位于小浪底水库上游130 km处)、万家寨(位于三门峡水库上游860 km处)等水库蓄水,小浪底水库下泄清水,最大下泄流量达4 270 m3 ·s-1. 在排沙阶段(7月3日08:00至7月9日08:00),利用三门峡水库下泄过程中大的流量冲刷小浪底库区淤积的泥沙,使之形成异重流,向小浪底坝前推进,同时利用万家寨水库下泄过程,冲刷三门峡水库淤积泥沙,并与前期小浪底库区形成的异重流衔接,在连续的后续动力作用下,小浪底库区异重流于7月4日08:00排沙出库,出库泥沙达7.28×107 t,7月4日15:30最大出库含沙量约0.40 t ·m-3.

因为小浪底水库所排水沙需5 d左右才能影响到下游,故调水调沙期间在利津的采样自6月19日开始,至7月20日流量恢复之后结束. 整个采样时间分为前期(6月19日至6月23日)、排水阶段(6月24日至7月7日08:00)、排沙阶段(7月7日16:00至7月17日)以及后期(7月18日至7月20日)这4个阶段. 在此期间,每天早晨08:00和下午16:00左右在利津水文站采集表层水样约300 mL,用预先称重的0.45 μm孔径的醋酸纤维滤膜(直径47 mm)过滤,滤膜于-20℃冷冻保存,带回实验室用于悬浮颗粒物浓度(suspended particulate matters,SPM)和有机碳分析. 另取表层水样500 mL左右,常温保存用于颗粒物的粒度组成分析. 调水调沙期间利津水文站采样当日径流量由水利部水文局水利信息中心提供(http://xxfb.hydroinfo.gov.cn). 1.2 悬浮颗粒物浓度和粒度组成分析

悬浮颗粒物浓度分析采用重量法,将冷冻的滤膜冷冻干燥后称量,与滤膜的质量差减后得到. 颗粒物粒度组成使用激光粒度仪(Mastersizer 2000,英国马尔文)进行分析[20],共分为3个粒级,按颗粒粒径从小到大依次为:黏土(<4 μm)、粉砂(4~63 μm)和砂(>63 μm). 粒度分析多次测定的相对标准偏差<3%(n=6). 1.3 元素和稳定碳同位素分析

元素分析参照文献[22]的方法,该方法采用盐酸酸雾熏蒸去除样品中的无机碳,然后使用元素分析仪进行测定,适用于无机碳含量小的样品,并特别适用于样品量少的样品分析. 将称重计算悬浮颗粒物浓度之后的颗粒物样品研磨,取约40 mg放入4×6 mm的银囊中,然后加入适量Milli-Q水以润湿样品,将装有银囊的96孔板放入加有浓盐酸的干燥器,熏蒸12 h以去除无机碳,熏蒸结束后将样品置于烘箱内于55℃下烘干至恒重,然后使用元素分析仪-稳定同位素比值质谱联用仪(vario MICRO cube EA+Isoprime IRMS)测定POC和颗粒氮(particulate nitrogen,PN)含量及稳定碳同位素丰度. POC和PN所占质量分数以POC(%)和PN(%)表示,多次测量的标准偏差为±0.02%(POC)和±0.01%(PN)(n=10). 之后由公式 ρ(POC)=ρ(SPM)×POC%计算出POC的质量浓度.

同位素丰度的计算方法为:

式中,R样品和R标准分别是样品和标准(vienna peedee belemnite,VPDB)的13 C/12 C比值. δ13 C分析精度优于±0.1 ‰(n=10). 2 结果与分析 2.1 2012年调水调沙期间黄河下游径流量和悬浮颗粒物浓度的变化

调水调沙期间黄河利津径流量和悬浮颗粒物浓度均有剧烈的变化. 如图 2所示,径流量的变化为双峰型,从调水调沙开始前的约700 m3 ·s-1持续增长,7月3日达到最大值3 470 m3 ·s-1,然后迅速降低至7月7日的1 620 m3 ·s-1之后再次升高至2 950 m3 ·s-1(7月10日),并逐渐降低至约1 000 m3 ·s-1(7月18日),之后保持平稳. 调水调沙期间悬浮颗粒物浓度的变化也为双峰型,在6月24日左右也开始缓慢升高,并在6月26日达到第一个峰值(3.4 kg ·m-3),后略有下降,但保持波动,至6月30日降低至1.5 kg ·m-3,并保持稳定至7月9日,然后迅速升高,并在7月11日达到第二个峰值(17.8 kg ·m-3),之后又迅速降低,并逐渐趋于平稳. 到7月20日左右,黄河利津水文站径流量和悬浮颗粒物浓度受调水调沙的影响基本结束,转入正常状态.

图 2 2012年调水调沙期间黄河利津流量和悬浮颗粒物浓度的变化 Fig. 2 Variation of water discharge and SPM at the Lijin station during the water and sediment regulation period in 2012
2.2 2012年调水调沙期间黄河下游颗粒物粒度组成的变化

图 3所示,调水调沙期间黄河利津悬浮颗粒物主要以粉砂为主(63.5%~80.5%,平均为75.3%),其次为黏土(14.5%~36.3%,平均为21.9%),砂的贡献最小,平均只有2.8%(0.2%~6.8%). 粉砂在调水调沙前期(74.9%~80.5%,平均为78.7%)和排水阶段(72.9%~80.5%,平均为77.1%)所占比例波动较小,进入排沙阶段后,即在7月10日突降至63.5%(63.5%~76.9%,平均为70.8%),其后随时间推移逐渐增大. 黏土所占比例在排水阶段波动也较小(15.0%~25.8%,平均为19.7%),但是在7月10日突增至36.3%,其后随时间推移逐渐减小. 砂所占比例在排水阶段波动明显(0.8%~4.4%,平均为3.2%),峰值出现在6月26日(6.8%),在7月10日突降至0.2%,其后随时间推移所占比例逐渐增大. 粒度组成的这些变化造成中值粒径(median grain size,MGS)在调水调沙期间具有明显的变化特点. 中值粒径在整个调水调沙期间在5.9~17.0 μm之间变化,平均值为11.9 μm. 在调水调沙前期,中值粒径平均为11.7 μm,在排水阶段增加为13.9 μm,进入排沙阶段后,即7月10日突降至5.9 μm,随后开始逐渐增大,整个排沙阶段平均为9.2 μm;调水调沙后期中值粒径增大至14.9 μm.

图 3 2012年调水调沙期间黄河利津颗粒物粒度组成的变化 Fig. 3 Variation of particle size composition of SPM at the Lijin station during the water and sediment regulation period in 2012
2.3 2012年调水调沙期间黄河下游POC和稳定碳同位素的变化

图 4(a)所示,调水调沙期间利津悬浮颗粒物中POC的质量分数在0.29%~0.63%之间(平均为0.46%),具有明显的变化趋势. 在调水调沙前期,POC的质量分数平均为0.57%;自6月23日POC的质量分数开始降低,并在排水阶段保持一个较低的水平(平均为0.38%);7月9日突增至0.52%,并在整个排沙阶段保持一个较高的水平(平均为0.50%);在调水调沙后期,即7月17日后POC的质量分数有所降低但波动较大,平均为0.48%[图 4(a)和图 5(a)]. 调水调沙期间POC的质量浓度范围为0.9~102.2 mg ·L-1,平均为14.9 mg ·L-1,与悬浮颗粒物浓度具有相似的变化趋势,即呈现双峰型. 在6月24日左右开始缓慢升高,6月25日达到第一个峰值(10.6 mg ·L-1),后略有下降,至7月8日降低至5.8 mg ·L-1,然后迅速升高达到第二个峰值(102.2 mg ·L-1),之后又迅速降低,并逐渐趋于平稳[图 4(a)和 图 5(b)].

图 4 2012年调水调沙期间黄河利津POC质量分数和质量浓度、C/N比和δ13 C的变化 Fig. 4 Variation of POC content,POC concentration,C/N and δ13 C during the water and sediment regulation period at the Lijin station in 2012

(a)POC质量分数和POC质量浓度;(b)C/N比和δ13 C


图 5 2012年调水调沙时期各阶段POC质量分数和质量浓度、C/N比和δ13 C的变化 Fig. 5 Variation of POC content,POC concentration,C/N and δ13 C in different water and sediment regulation stages at the Lijin station in 2012

调水调沙期间悬浮颗粒物中PN的质量分数在0.05%~0.11%之间(平均值0.07%),与POC的质量分数一样也具有明显的变化趋势. 在调水调沙前期,PN的质量分数平均为0.09%;自6月23日PN的质量分数开始降低,并在排水阶段保持一个较低的水平(平均为0.06%);在整个排沙阶段保持一个略高的水平(平均为0.08%);在调水调沙后期,即7月17日后PN的质量分数波动较大,平均为0.08%.

图 4(b)所示,调水调沙期间悬浮颗粒物的C/N比在4.8~7.4,平均为6.1,在各个阶段并不稳定. 在调水调沙前期,C/N比平均为6.2;排水阶段先升高后逐渐降低(平均为5.9),6月25日有一个最高值7.4;在整个排沙阶段保持一个较高的水平(平均为6.4);在调水调沙后期逐渐下降,平均为5.7[图 4(b)和图 5(c)].

黄河调水调沙期间悬浮颗粒物的δ13 C在-23.8‰~-26.4‰之间,平均为-24.6‰. 在调水调沙前期,悬浮颗粒物的δ13 C平均为-24.7‰;在6月24日左右开始缓慢升高,7月1日达到峰值(-23.8‰),后开始下降,平均为-24.2‰ ± 0.3‰;在整个排沙阶段波动幅度较大(-24.8‰ ± 0.6‰);在调水调沙后期更加偏负,平均为-26.0‰[图 4(b)和图 5(d)]. 3 讨论 3.1 黄河下游调水调沙期间水沙输运特征

调水调沙期间黄河水沙的变化明显不同步,体现了颗粒物来源的不同. 水沙关系常用来识别悬浮颗粒物来源,顺时针变化和水峰滞后表示悬浮颗粒物源于河道冲刷引起的沉积物再悬浮,而逆时针变化和沙峰滞后则表示异重流的存在,悬浮颗粒物主要来源于上游水库或外源输入(如流域内暴雨引起的沿岸输入)[19, 23, 24, 25, 26]. 2012年黄河调水调沙排水阶段流量与含沙量呈现顺时针变化且存在水峰滞后现象[图 2图 6(a)],此阶段悬浮颗粒物应主要来自于小浪底水库下游河道,因为下泄流量较大,受冲刷而悬浮[26, 27, 28],这部分颗粒物砂的比例较高,因此中值粒径高于非调水调沙时期(图 3). 排沙阶段流量与含沙量呈现逆时针变化且存在沙峰滞后现象[图 2图 6(b)],此阶段悬浮颗粒物应主要来自于小浪底水库下泄的以细颗粒为主的异重流[27, 29]以及在这一时期中下游暴雨冲刷沿岸的一部分外源输入(7月7日至7月9日下游普降暴雨),这一时期泥沙的中值粒径明显小于排水阶段,且黏土的比例达到最大,砂的比例最小,而随着时间的推移,异重流的影响逐渐减弱,中值粒径和粒度组成趋向正常值(图 3).

图 6 2012年调水调沙期间排水和排沙两个阶段利津流量和悬浮颗粒物浓度的关系 Fig. 6 Relationship of discharge and SPM at Lijin station during the two stages of water and sediment regulation in 2012
3.2 黄河下游调水调沙期间颗粒有机碳的输运特征

黄河利津悬浮颗粒物中POC质量分数从总体上来看,其范围要低于世界其他河流,如长江(1.1%)[7]、密西西比河(1.6%)[30]和亚马逊河(1.2%)[31],更接近于我国黄土高原土壤有机碳含量的平均值(0.4%)[32]. 造成这种现象的原因可能是:当土壤被侵蚀时,植物碎屑会最先从地表被冲走,而随着水土流失的加剧,会有更多的土壤进入到河流中;研究表明黄土高原土壤提供黄河约90%的悬浮颗粒物,黄土中矿物成分主要是硅酸岩碎屑矿物、黏土矿物以及碳酸岩矿物,矿物比重较大,造成POC的质量分数被矿物稀释而降低[32, 33];同时,高含沙量降低了透光度,限制水生生物的生长,淡水浮游生物对POC的质量分数的贡献较弱[19]. 不过,黄河利津POC的质量分数与悬浮颗粒物浓度总体也体现了世界多数河流的经典模式,即POC的质量分数随着悬浮颗粒物浓度的增加呈现降低趋势[图 7(a)],而POC的质量浓度随着悬浮颗粒物浓度的增大而增大[图 7(b)][19, 34, 35, 36].

(a)POC质量分数与悬浮颗粒物浓度的关系;(b)POC质量浓度与悬浮颗粒物浓度的关系图 7 黄河利津颗粒物中POC质量分数和质量浓度与悬浮颗粒物浓度的关系 Fig. 7 Relationships between POC content and SPM,and POC concentration and SPM of the Yellow River

随着中值粒径增大,POC的质量分数逐渐降低[图 8(a)],一方面是由于较细颗粒物比表面积较大,容易吸附更多的有机物;另一方面随着颗粒物中值粒径增大,石英和长石等矿物的含量也随之增大,对有机碳有稀释作用[38, 39]. 排水阶段悬浮颗粒物主要来源于小浪底下游河道,河道中的粗化层随水流的增大进入到悬浮层中,这部分泥沙中值粒径较大,所含矿物质较多,有机碳相对较小. 排沙阶段的异重流总体来说由较细的颗粒物占据主导地位,中值粒径较小,其表面容易吸附有机物而导致有机碳较高[图 8(a)].

(a)中值粒径与POC质量分数的关系;(b)PN和POC质量分数的关系图 8 2012年调水调沙期间中值粒径和PN质量分数与POC质量分数的关系 Fig. 8 Relationship between POC content and MGS,and POC content and PN content during the water and sediment regulation period at the Lijin station in 2012

黄河调水调沙期间POC的质量分数在不同阶段表现也不相同. 在排水阶段,由于含有机物较少的较粗悬浮颗粒物贡献较大,随着流量变化POC的质量分数在较低值空间内呈逆时针变化[图 9(a)]. 在排沙阶段,由于异重流主要来自库区和中游河道冲刷,POC的质量分数较高,因为有研究表明浮游生物含量较高的水库POC的质量分数要明显高于黄河干流[19]. 另外,雨水冲刷也会将大量有机物带入河流中,这也可能导致排沙阶段POC的质量分数较高. 随着流量变化,排沙阶段POC的质量分数在较高值空间内也呈现逆时针变化. 在调水调沙前期和后期,POC的质量分数与流量并没有明显趋势[图 9(a)]. 这同时也说明了4个阶段POC在来源上的不同.

(a)POC质量分数与流量的关系;(b)POC质量浓度与流量的关系图 9 2012年调水调沙期间利津POC质量分数和质量浓度与流量的关系 Fig. 9 Relationships between discharge with POC content and POC concentration at Lijin station during the water and sediment regulation period in 2012

黄河悬浮颗粒物中POC的质量浓度由于与悬浮颗粒物浓度呈现良好的正相关[图 7(a)],在排水刚开始时,流量和悬浮颗粒物浓度都有显著的升高,POC的质量浓度也由于悬浮颗粒物浓度的升高而升高,与流量的关系呈现顺时针变化[图 9(b)];在排沙阶段,异重流的产生是POC的质量浓度迅速升高的主要原因,与流量的关系呈现逆时针变化[图 9(b)].

黄河利津调水调沙期间悬浮颗粒物的C/N比范围(4.8~7.4)与前人研究的黄河利津表层悬浮颗粒物全年平均C/N比(范围为4.6~7.2,平均值为5.9)较为一致[37],但要明显低于有着显著的土壤有机碳输入的长江(平均值为13.5)[7]、亚马逊河(平均为11.6)[35]和大部分美国河流颗粒物的平均C/N比(11.2)[40]. 研究表明,颗粒物中较低的C/N比代表了水体中存在一些含氮的化合物(如亚硝酸盐、硝酸盐)以及细颗粒物质(如黏土矿物)对水体中NH+4的吸附[21, 41]、土壤来源[42]或浮游生物的有机物的贡献[43, 44]. 由于POC与PN的质量分数具有显著的正相关(R2=0.78),显示有机碳和有机氮的来源基本相同,但当POC的质量分数为零时,PN的质量分数轴有正截距[~0.01%,图 8(b)],表明PN中可能有部分无机氮[45, 46, 47]. 因此,黄河利津颗粒物中较低的C/N比可能是由于其颗粒物中相对较低的POC的质量分数引起的,也可能是与农业施肥或生活污水的排放而导致的氮含量增加有关.

稳定碳同位素丰度与其他地球化学参数相结合可以用来有效地识别河流体系中POC的来源[32, 35, 48]. 黄河利津调水调沙期间悬浮颗粒物中δ13 C在排水阶段较为稳定,并且偏正. 有研究表明,河道沉积物上的有机碳年龄较高,多是“老碳”,降解程度可能较大,可能造成其δ13 C偏正[49]. δ13 C在此阶段变化并不明显,这可能与黄河携带的颗粒有机碳主要来自黄河流域的预陈化土壤和沉积岩等较老碳的贡献有关[10, 48],当这二者的量占绝对优势时,其他来源贡献容易被掩盖. δ13 C在排沙阶段波动较大,并且逐渐偏负,体现了在来源上的不同. 排沙阶段的POC主要来自上游水库,相对较新鲜,浮游生物含量较高可能是δ13 C偏负的原因,因为淡水浮游生物的δ13 C具有明显偏负的特点[38]. 此外,在2012年调水调沙排沙阶段,中下游普降暴雨,降水冲刷两岸也可能导致植物碎屑等有机物进入河流中,也可能导致δ13 C偏负. 宁有丰等[50]通过测定和分析一个水文年内黄河潼关段河流悬浮物和底泥中有机物的碳同位素组成,发现河流悬浮物的δ13 C值在-27.4‰~-23.5‰之间,波动较大,底泥的δ13 C值在-24.5‰~-23.4‰,波动较小,这与本研究中排水阶段具有偏正且较为平稳的δ13 C值而排沙阶段δ13 C偏负且波动较大相一致. 3.3 调水调沙对黄河下游水沙和颗粒有机碳输送通量的影响

根据调水调沙期间采样当天径流量(Q)、悬浮颗粒物浓度和POC的质量分数,计算了各自的日通量:

式中,FPOC代表POC日通量,kg ·d-1FSPM代表日输沙量,kg ·d-1FQ代表日径流量,m3 ·d-1;POC(%)、SPM、Q分别为当天两个采样时间点结果的平均值.

图 10所示,POC日通量与日输沙量的变化趋势一致,可见黄河调水调沙时期POC输运主要受控于黄河输沙量,即悬浮颗粒物浓度的变化. 进一步的计算表明,2012年整个调水调沙期间黄河利津径流量约为5.44×109 m3,约占全年径流量的19%;输沙量约为2.24×107 t,占全年输沙量的12%[51]. POC输送量约为1.13×105 t,占全年POC输送量的12%(未发表数据). 调水调沙排水阶段总径流量(3.37×109 m3)占调水调沙时期的59%,要明显高于排沙时期(2.07×109 m3);调水调沙排水阶段总输沙量(6.46×106 t)占调水调沙时期的29%,则明显低于排沙时期(1.58×107 t);排水阶段POC输送总量(2.51×105 t)约占调水调沙时期的22%,明显低于排沙时期(8.77×105 t). 与往年相比,2012年调水调沙期间径流量有所提高(2005~2010年调水调沙时期平均径流量约为3.75×109 m3),输沙量与往年相比有明显降低(2002~2011年调水调沙时期平均输沙量约4.90×107 t,黄河水利委员会). 2012年调水调沙时期有机碳输送通量与2011年调水调沙时期有机碳输送量(约1.64×105 t)[52]和2008年(约2.20×105 t)[17]相比有所下降,可能与2012年调水调沙期间输沙量下降有关.

图 10 2012年调水调沙期间黄河利津日径流量、日输沙量和POC日通量变化 Fig. 10 Variation of daily discharge,SPM and POC flux during the water and sediment regulation period at the Lijin station in 2012
4 结论

(1)2012年调水调沙期间不同阶段黄河水沙的变化,体现了颗粒物来源的不同. 调水调沙排水阶段的泥沙主要来源于黄河下游河道沉积物的再悬浮,排沙阶段的泥沙则主要来自三门峡和小浪底水库截留的泥沙,以及暴雨冲刷两岸的泥沙.

(2)调水调沙期间颗粒物粒度组成、有机碳及其稳定同位素的变化同样体现了颗粒物及其赋存有机碳来源的不同. 调水调沙不同阶段有机碳在来源及组成上有着显著的差异. 在排水阶段表层悬浮颗粒物具有较高的中值粒径、偏低的有机碳含量和C/N比及偏正且稳定的δ13 C,这与颗粒物来自于河道再悬浮泥沙、POC年龄较老、降解程度高有关;排沙阶段中值粒径降低、POC质量分数升高和δ13 C偏负,这与颗粒物主要来自上游水库,POC相对新鲜有关.

(3)POC日通量与日输沙量的变化趋势一致,表明黄河调水调沙期间POC输运主要受控于黄河输沙量的变化. 与往年相比,2012年黄河WSR时期径流量增大,输沙量和POC通量有所减小,说明不但每一次调水调沙期间POC的输送有剧烈的变化,每年的调水调沙期间的POC输送也都是不同的.

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