2019, Vol. 40
2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 宜昌 443002;
3. 湖北工业大学土木建筑与环境学院, 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室, 武汉 430068
, HU Zi-long1 , YANG Zheng-jian1
, DAN Yong1 , ZHAO Ping1 , HAO Wen-chao1 , NIE Xiao-fen1 , NIE Rui1 , XU Liu-de1 , LIU De-fu1,3
2. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Area Region, Yichang 443002, China;
3. Hubei Key Laboratory of Ecological Restoration of River-lakes and Algal Utilization, College of Civil Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China
河流具备的陆-海二元纽带属性, 决定其本身也是陆地系统重要组成部分.传统的河流连续体[1]、洪水脉动[2]和河流生态系统四维结构[3]等生态理念, 如何与时俱进, 去解决社会、经济、人文和环境等多元矛盾的冲突.人类不得不面临这一选择困境.迫于对绿色能源的需求, 世界各国仍在大量修建大坝等水工建筑物[4].而水库“源-汇”效应在时-空尺度上都广泛影响世界河流的自然过程[5~8].目前“河流水库化”成为陆地水文系统的重要特点[9].碳在河流元素属性中不容忽视, 是底泥和水体重要组成部分.水库内部几乎所有生物、物理和化学变化都与其息息相关[10, 11].反映河流碳的生源要素指标中, 总有机碳(TOC)极其重要, 它能够反映水体中有机物污染程度[12].并且水体中有机碳是生物圈最大的活性有机碳库, 在生物、地质和化学过程发挥着主要作用[13].并且, 在检测方面, TOC测定方法比COD和BOD的测定更方便快捷和准确, 能全面反映水体含碳有机物污染状况, 因此对TOC的研究也越来越引起人们的重视[14, 15].
国内外对于水体中TOC的研究主要集中在海、河与浅水湖泊, 对于人造水库则鲜有报道[16].但人类活动修筑的大型水库或拦河坝, 已经影响到河流碳的生物地球化学过程[13, 17].其对生态环境的胁迫, 使得科研人员对于水库的TOC相关研究迫在眉睫.而目前针对与河流TOC相关研究表明其来源主要包括外源和内源[18].水库的建设, 使得河流这种自然模式受到影响.水库在时间层次上的更替需要很长的区间, 一般大型水库都是百年工程, 从而使得这种影响在时间尺度上极其深远[19].通过文献[20~26], 本文定义新水库库龄 < 10 a, 老水库库龄>10 a.正因为新老水库在时-空尺度的差异, 再加上水库本身不同的属性, 这些都使得梯级水库对河流的碳循环的影响程度和相关机制研究明显不足[20].
而本研究基于此出发点, 探究新老水库内在的相关碳循环机制.而在目前可利用的研究工具中, δ13C被广泛用作河流有机物质来源的示踪工具[21, 22], 并且常用C同位素的比值与标准同位素比值的千分偏差(δ13C)来表示稳定同位素13C, 如对密西西比河河口有机质的δ13C研究表明, 滨海沼泽和C3维管束植物是下游河水有机碳的主要来源[23].然而, 由于微生物降解对13C产生分馏作用, 影响有机质来源的指示作用[24].基于13C会产生分馏作用的不利影响, 因此本文综合运用δ15N、δ13C和TOC等, 去探究水库碳的相关机制.考虑到西南地区修建有大量的水库大坝.这些水库大部分属于特殊、狭长型河道梯级深水水库.水库的沉积物中碳滞留状况和来源属性, 以及对区域乃至全球碳循环的意义有多大等问题目前尚不清楚.由于有机碳与水体富营养化密切相关, 到目前为止, 苗尾(MV)、功果桥(GGQ)和大朝山(DCS)水库极少有这方面的报道, 且很少有学者和研究人员将梯级水库下的新老水库做综合研究, 因此本文综合前人的研究方法和理论[25, 26], 利用同位素技术及常规环境因子指标, 结合IsoSource软件, 分析其新老水库TOC的来源及分布, 以及相应的机制, 这不仅有助于研究澜沧江流域碳循环和有机质的贮藏量, 而且还有助于分析流域环境变化趋势, 以期为改善该流域生态环境提供参考依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域与样点设置澜沧江是湄公河上游在中国境内河段的名称, 是中国西南地区的大河之一.图 1所示, MV、GGQ和DCS水库均是澜沧江上的梯级水电站, MV水电站位于云南省大理白族自治州云龙县, 坝址距昆明544 km.地处横断山脉澜沧江纵谷地区, 是澜沧江干流水电基地中下游河段(古水至苗尾河段)一库七级开发方案中的最下游一个梯级电站, 该水电站于2016年左右蓄水, 并与该年建成投产, 距今只有短短2 a. GGQ位于云南省云龙县境内, 是澜沧江干流中下游“两库八级”梯级水电开发的最上游一级水电站, 该电站位于横断山纵谷区, 河谷深切, 于2011年左右蓄水, 距今7 a. DCS位于中国云南省云县与景东县交界的澜沧江中游, 那果河支流入口下游1.5 km处.在2001年左右蓄水, 于2003年建成投产, 距今17 a.通过本文定义, 可以初步认为DCS为老库, MV和GGQ为新库, 且MV库龄最小.
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图 1 澜沧江采样点 Fig. 1 Sampling layout of the Lancang River |
本研究于2017年11月, 分别对MV、GGQ和DCS进行采样.
1.2 样品采集与测试 1.2.1 样品采集与处理本研究采用重力式柱状采泥器在样点中采集沉积物样品以及上覆水, 采泥器原理为依靠自身重力垂直采集沉积物样品, MV、GGQ与DCS沉积物按照2 cm一分层进行现场分样, 其他上游点位, 因沉积较少, 因此将所取沉积物混合后, 取表层, 并将沉积物用干净聚乙烯自封袋密封保存, 排尽袋中的空气, 上覆水立即装入300 mL聚乙烯采样瓶, 4密封保存后带回实验室[25].
根据澜沧江水文地质状况和流域分布情况, 选取了具有代表性的表层水采样地点, 使样品尽可能地覆盖整个流域.
1.2.2 同位素数据处理使用预先处理过的WhatmanGF/FGF-F玻璃纤维滤膜(0.47 μm, 预先在马弗炉500℃下燃烧4 h以除去无机物, 直至滤膜恒质量)收集水体表层悬浮颗粒物, 具体参考相关人员方法[26].
沉积物则将已经分层的样品, 首先称取土样0.5~1.5 g装入离心管中, 用0.1 mol·L-1稀HCl反复洗涤去掉土样中的无机碳, 再用去离子水反复洗涤, 直到离心管中的溶液呈中性, 置于50℃下烘干的土样放入玛瑙研钵碾磨, 过筛200目, 利用精度为百万分之一电子天平称取少量碾磨过的土样, 连滤膜一起用锡箔纸包好并放入冰箱于-20℃下冷冻避光保存.包于锡杯中, 最后将包好的样品逐个放入仪器里进行测试.
1.2.3 环境因子数据处理水温(T)和溶解氧(DO)这两个指标均用HydrolabDS5多参仪(美国)现场测定, 沉积物氧化还原电位(ORP)由中国科学院南京土壤研究所研发QX-6530便捷式氧化还原电位仪测定. TP用钼锑抗比色法, TN用凯氏定氮法测定.
1.2.4 沉积物与水体TOC分析水体中TOC采用型号为德国耶拿MutiN/C3100的TOC分析仪, 实验时取10 mL样品, 加入0.5 mL 2 mol·L-1盐酸后上机检测, 主要测定原理是非分散性红外线技术(NDIR).底泥中的TOC采用型号为意大利EA300元素分析仪, 其利用的专利为flash燃烧技术, 实验时取10 g经真空冷冻干燥过的底泥样品上机检测.
1.3 数据分析基于IsoSource软件的物源解析方法, 其基本原理是根据稳定同位素质量守恒, 以质量守恒混合模型为基础, 开发用于计算源头值>(n+1)(n为多种同位素值)潜在贡献比例.该模型在一定增量范围内, 通过测试的同位素值信息, 使用标准线性混合模型来模拟每一种可能污染比例, 其总值为100%, 从而确定混合物各部分的比例[26].
用该软件依据同位素各端元值.算出贡献率结果与沉积物含量依次数乘后, 即得沉积物中TOC的具体含量值.
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(1) |
式中, Q为该层次的TOC含量(g·kg-1), P为来源百分比(%), F为该层TOC含量(g·kg-1).
2 结果与分析 2.1 澜沧江新老水库水体-沉积物TOC分布规律为证明新老水库TOC存在差异性, 阐明其具体表征.通过研究发现, 图 2可看出新老水库水体TOC质量浓度在垂向上呈现出先减小后增大的趋势(DCS除外); DCS和MV水体中TOC质量浓度最大值均出现在表层水体中, 而GGQ水体中TOC质量浓度最大值出现在上覆水体中.相对于MV和GGQ水库, DCS水体表层TOC质量浓度最大, 其值为4.94 mg·L-1.上覆水中, MV水库TOC含量最小, 其值为1.08 mg·L-1.总体上, 各层水体TOC质量浓度表现为：DCS水库水体TOC质量浓度＞GGQ水库水体TOC质量浓度＞MV水库水体TOC质量浓度.从箱线图可以看出, MV与DCS的TOC无明显摆动幅度, 而GGQ变化明显, 分布区间广.沉积物中TOC变化趋势如图 2所示, 在0~4 cm处MV水库TOC含量≫GGQ水库TOC含量＞DCS水库TOC含量, 其最大值81.63g·kg-1, 在4~6 cm处, MV水库沉积物TOC含量急剧递减, 而GGQ和DCS沉积物TOC含量增加, 在6~10 cm处, GGQ水库沉积物TOC含量＞DCS水库TOC含量＞MV水库TOC含量, 且三水库TOC含量均呈现递减的趋势.在0~6 cm处, MV和DCS水库TOC含量呈现出先减后增, 而GGQ水库TOC含量呈现递增趋势; 在6~16 cm处, MV和GGQ水库TOC含量变化趋势相同, 变化趋势为先减后增, 而DCS在6~8 cm处TOC含量表现为递增, 8~12 cm处含量表现为递减.其中MV和GGQ水库沉积物TOC含量在4~6 cm处均达到最大值, 其含量分别为16.55g·kg-1与28.43g·kg-1.整体上, GGQ水库沉积物TOC含量较MV和DCS都大.且从箱线图可看出, MV沉积物变化剧烈, 而DCS, GGQ相对无明显变化.
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图 2 TOC分布及其箱线图 Fig. 2 Total organic carbon distribution and the associated box plot |
为说明澜沧江新老水库TOC量的属性与其来源有关, 本研究试图通过溯源分析去解决这个问题.因此通过表 1分析, 可看出MV、GGQ和DCS沉积物同位素的分布趋势, MV、GGQ和DCS的N同位素分别处于5.28‰~6.24‰、4.61‰~7.60‰和2.70‰~4.52‰.而其C同位素MV处于-16.34‰~-24.60‰区间; GGQ处于-16.96‰~-26.48‰区间; DCS处于-23.65‰~-27.94‰区间.
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表 1 沉积物同位素值1) Table 1 Isotopic values of sediments |
如图 3为澜沧江流域C和N同位素分布值, 其端元简化后, 将其划分为这5个端元, 可知周边土壤C的同位素区间在-21‰~-27‰, N的同位素在0‰~8‰; 污水C的同位素区间在-21‰~-52‰, N的同位素在1‰~5‰; 悬浮有机质C的同位素区间在-21‰~-32‰, N的同位素在3‰~19‰; 枯枝落叶C的同位素区间在-19‰~-37‰, N的同位素在0‰~7‰; 上游来流C的同位素区间在-3‰~-27‰, N的同位素在2‰~9‰.表 1可知MV沉积物C和N同位素范围分别在-16.35‰~-24.60‰和5.28‰~6.24‰; GGQ沉积物C, N同位素范围分别在-16.96‰~-26.48‰和4.61‰~7.60‰; DCS沉积物C和N同位素范围分别在-23.65‰~-27.94‰和2.70‰~4.52‰. GGQ、DCS和MV的沉积物都落在多端元交汇处, 且DCS的悬浮有机质也落入多端元交汇处, MV和GGQ的悬浮有机质只落入其本体区间内.
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图 3 同位素端元 Fig. 3 Isotope end element diagram |
如图 4为各来源对新老水库相应TOC贡献量, MV水库各层沉积物TOC的相关贡献量, 数据证明在各有机质来源中, 沉积物受上游来流的影响较大, 特别是0~2 cm和2~4 cm处沉积物TOC含量分别达39.59g·kg-1和26.26g·kg-1, 岸边泥土、耕地有机质和悬浮有机质对沉积物TOC贡献量占总体的50%;排污污水对TOC贡献量较少, 各层均小于8%的贡献量.不考虑小范围波动, 总体垂向上各来源随沉积物深度的加深, 上游来流对TOC的贡献量逐渐减小.对GGQ水库各层沉积物TOC的贡献量, 从表层至沉积物16 cm处, 上游来流对TOC的贡献量随沉积物深度的增加, 从4.62g·kg-1增加到11.11 g·kg-1, 且均为总体所占TOC的20%.从表层至沉积物12 cm处, 上游来流和排污污水对DCS沉积物各层TOC的贡献量总体上要小于其上游的MV和GGQ水库, 但上游来流对TOC的贡献量随沉积物深度的增加而增加, 而排污污水对TOC的贡献量随深度增加呈现出先减小后增加的趋势.
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图 4 TOC来源示意 Fig. 4 Schematic diagram of total organic carbon sources |
环境因子是水库内在属性的外在表现, 通过环境因子分析, 可以找出新老水库的同-异性.因此, 通过图 5可知, 水体温度, MV＜GGQ＜DCS, 在该时段内所测水体温度, DCS无水温分层, 而GGQ和MV存在弱水温分层, GGQ水体温度在9.42~10.61℃区间上变化, MV水体温度在8.39~9.80℃区间上变化, DCS稳定在16.74℃.其水体溶解氧含量可知MV＞GGQ＞DCS, 其刚好和水体温度相反.且MV是先增加后降低, 其在9.70~10.07 mg·L-1的区间上变化, 而GGQ于0~15 m处逐渐增加到9.63 mg·L-1, 后在15~35 m处于稳定, 且基本保持在9.65 mg·L-1; DCS只逐渐从8.09减小至7.48 mg·L-1.关于ORP：MV在37~-53 mV的范围内变化, GGQ在-17~-176 mV的范围内变化, 且在5 cm处有小范围波动DCS在-44.3~-257.3 mV的范围内变化, 其变化速率MV＞GGQ＞DCS.沉积物间隙水中TN，DCS较MV与GGQ波动幅度明显，DCS区间在4.04 ~9.43 mg·L-1, 而MV和DCS区间分别在1.77~2.75 mg·L-1和2.55 ~5.21 mg·L-1.沉积物间隙水中TP也与TN属性同步，DCS也较MV与GGQ波动幅度明显，DCS区间在0.03 ~0.12 mg·L-1.对于浊度来说, MV的浊度随着深度的增加, 不断增加, 从2.09NTU到8.8NTU; GGQ的浊度随着深度的增加, 不断减少, 然后在35 m出现增大趋势, 其变化区间在11~5.91NTU; DCS的浊度无明显变化, 在54 m左右有小范围波动, 其在1~2NTU内变化.
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图 5 环境因子指标 Fig. 5 Environmental factor indicators |
关于水库碳循环如图 6所示, 受上游来流输入、大气碳库以及水库周围碳源影响.而水库内部有机碳和无机碳系统的相互作用, 在不同生物作用、化学作用与物理作用下, 使得梯级水库TOC来源在时空尺度出现巨大差异性.碳来源的多途径性包括: ①在水库蓄水后淹没的原区域的碳[27~30]; ②从上游输入到水库中的有机物[31]; ③水库系统中生长和死亡各种生物; ④消落带的植被[32]; ⑤流域内受侵蚀土壤所带来的碳[33].
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图 6 水库碳循环示意 Fig. 6 Schematic of the reservoir carbon cycle |
以往研究发现, 水体中TOC在藻类水华暴发期以及水华过后容易积累, 浮游植物是产生TOC的主要来源[32].浮游植物在生长期间会排泄出有机物质, 据研究, 这部分可占到光合作用产物的30%~40%, 而且光合作用产物中的很大一部分转化为TOC释放到水体中的过程是非常快的, 几乎与光合作用同时进行[34, 35].这意味着浮游植物初级生产力高, 产生的TOC也高. TOC含量在GGQ、MV和DCS表、中和底层水体差异明显, 其可能原因很多. DCS与其他2座水库的主要差异与浮游植物有关.而不同的水体温度和溶解氧等, 将影响水库浮游植物的垂直分布[36, 37].适当的水体温度能促进浮游植物的新陈代谢和生长, 温度对水体的影响, 表现在间接地影响表层水体浮游植物的悬浮, 以及浮游植物垂直分布和演替[38].水体温度, MV＜GGQ＜DCS; 而水体溶解氧MV＞GGQ＞DCS, 水体热力学状态的差异和溶解氧的差异从而间接影响了水体中TOC的分布趋势.相对于MV和GGQ, 不考虑沉积物的影响, 影响DCS水体TOC可能还是主要由于周围枯枝落叶等有机质来源丰富, 随雨水或者地表径流流入河中.被水中浮游植物和微生物利用分解, 从而影响了水体中的TOC分布. MV的水体理化因子与功果桥的无明显差异, 其主要影响因素可能是沉积物的保存状态差异, 和外部环境的影响.沉积物经过分解矿化等过程后, GGQ和MV底部都呈现出增大的趋势, 而外部环境有机质输入影响使得其在表层和中层, 有着截然不同的浊度分布. MV底层浊度较高, 说明沉积物再悬浮或矿化等分解作用的趋势强, 而受周围环境的影响小, 但受上游来流影响大, 水体的TOC来源基本是分解水库内部TOC和水库截留的上游来流有机质.而GGQ的浊度表层高, 说明水库周围的有机质输入, 其逐渐沉降, 从而使得水体TOC呈现逐渐减少的趋势, 最终使得水体中GGQ的TOC大于MV, 变化趋势也有所差别.水体浊度是一种光学效应, 它反映了光线在透过水层时受到的阻碍.从浊度的分布来看, DCS的浊度偏小, 且无明显变化, 说明在水体中悬浮有机质较少的条件下, 光照充足, 进而水体中的悬浮有机质大多被分解成可溶态的碳, 所以尽管水体的浊度低, 但是TOC仍然很高.这些都说明MV、GGQ和DCS在水体TOC分布上存在本质区别.
沉积物中TOC含量取决于沉积物中有机质的输入量和沉积环境对有机质的保存能力[39], 从TOC等指标的相关性分析中, 看出GGQ、DCS和MV有着明显的区别.有机质的输入量来源与水生植物、流域侵蚀带来的陆源植物碎屑和人类污染排放物[40], 而MV相对于DCS、GGQ其表层有很高的TOC, 是由于水库蓄水后淹没大量储存在植被和土壤中的碳及外源泥沙有机质尚未矿化造成的.而造成GGQ、DCS和MV在沉积物TOC存在明显差异与其两者不同的理化环境和成库状态有关, 致使其沉积物处于不同的有机物赋存状态, 水库淹没陆地生态系统后, 改变被淹没土壤的化学性质, 导致其与之前形成截然不同的TOC分布和来源, 即沉积环境对有机质的保存能力不同.一方面, 可能是在不同层次的氧化还原环境氛围中, 使得TOC出现差异; 另一方面, 也可能是生源要素的含量差异, 使得TOC的来源与分布有着显著的差异.在不同层次的氧化还原环境氛围中, 其TOC的来源与分布应该都有显著的差异.从Eh中可以看出MV表层处于弱还原, 其余处于还原状态环境, 而GGQ和DCS整体处于还原环境.可以发现其三者基本都处于还原环境, 因此主要考虑生源要素的影响.而TN和TP变化剧烈, 且含量上的差异, 整体上TN趋势上是MV＜GGQ＜DCS, 而TP是GGQ＜MV＜DCS.这种差异影响了相关底栖动物和微生物等的生物活性, 导致不同程度的有机质滞留与分解, 从而使这些物质沉积在沉积物中量的差异性.沉积环境对有机质的保存能力, 即生源要素量的差异, 造成GGQ、DCS和MV沉积物垂向分布有如此差异的主要原因.
3.2 澜沧江不同水库沉积物来源差异分析如图 7所示, 水库的梯级建设, 使得新老水库存在一定的拦截模式. DCS、GGQ和MV分别距今17、7和2 a. MV建库时间短, 但由于梯级水库拦截作用, 使得GGQ和DCS上游来流补充的TOC减少. MV库龄短, 因此只有表层0~4 cm TOC沉积的含量高, 在此区段内MV水库TOC含量GGQ水库TOC含量＞DCS水库TOC含量, 其最大值为81.63 g·kg-1, 底部在7 cm之后沉积的TOC含量就相对于GGQ和DCS来说较小, 且各种来源都很小.这符合相关人员研究的成果[20], 其研究表明水库存在拦截效应.而GGQ上游来流在总量上占比小, 且随深度增加逐渐升高.可以推测MV建成后, 其拦截作用, 使得表层补给速率小于分解速率, 从而表层TOC通过矿化等作用被分解, 释放到水体当中, 而中下层滞留于水库底部. GGQ建库时间相对比DCS短, 在上游来流的TOC分解还不完全的前提下, 周围植被土壤, 岸边泥, 枯枝落叶等物质的综合影响, 使得GGQ的TOC来源不同于MV.结合水库对河流碳循环的有机碳输入过程影响的相关研究, 对Verde的河流-水库系统研究表明, 水库拦截了72%的颗粒有机碳, 水库出口处TOC含量明显高于入口处, 而水库输出的TOC中, 约1/3来自于水库[41].并且在中国西洪家渡水库以及猫跳河流域水库研究也表明, 河流经水库作用后水体无机碳体系也发生了显著变化[42].这些学者和研究人员的研究均表明了水库通过影响河流的物理因子、化学反应、生物过程、从而造成了河流碳循环的异常.
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图 7 梯级水库拦截模式 Fig. 7 Cascade reservoir interception mode |
本研究表明, 不同库龄水库TOC来源差异化现象明显.建库时间最长的DCS, 一方面上游来流对其有机碳的补充量不到10%, 占总量少.另一方面周边补充量大于80%, 说明DCS已经使上游来流TOC基本分解, 而其累积TOC是后期补充的周围碳. DCS的TOC含量很高的现象, 可以证明老水库在上游来流很小的前提下, 除水库初期沉积的TOC和浮游生物产生的有机物外, 这些周边补充的有机质分解(比如污水, 植被腐蚀质以及冲蚀岸边的土壤等)也会成为TOC含量升高的来源.研究表明, 在库龄60 a的水库中仍然可以找到完好无损的树枝、树干、树根和下层土壤中的腐殖质[43].同样, Lokka水库蓄水30 a后, 库底仍然进行着强烈的厌氧分解, 而浅水区对土壤的侵蚀也会为水库提供有机碳[44~46].这也就解释了为何DCS比GGQ和MV建库时间都长, 而沉积物中仍然有如此高含量的TOC[47].一方面, 空间尺度上, 随着梯级水库的不断建设, 使得上游来流的碳逐渐被拦截; 另一方面, 时间尺度上, 随着时间的推移, 其水库早期蓄积的有机质被分解消耗, 而后期补充的是周围的碳源, 且梯级水库建设对于DCS、GGQ和MV的影响程度上DCS＞GGQ＞MV.因此如何定义临界值, 在发挥河流的自然调节能力的同时, 又使其避免生态失衡, 这有待进一步研究.
4 结论(1) 影响澜沧江梯级水库新老水库水体TOC的主要原因是由于水体热力学状态和溶解氧的差异.
(2) 沉积物中主要考虑生源要素的影响, 即沉积环境对有机质的保存能力是造成DCS、MV和GGQ沉积物垂向分布有差异的主要原因.
(3) 在新库阶段, 澜沧江水库TOC主要与上游来流补充有关; 在老库阶段, 其TOC主要与周围补充有关.
(4) MV在时空尺度上处于第一级段, 以累积上游来流TOC为主; GGQ处于第二级段, 主要消耗分解上游来流TOC; DCS处于第三级段, 主要积累水库周边TOC来源.
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