漢江上游金水河懸浮物及水體碳氮穩定同位素組成特征

王 婧,袁 潔,譚 香,李思悅,張全發,*

1 中國科學院武漢植物園水生植物與流域生態重點實驗室， 武漢 430074 2 中國科學院大學， 北京 100049

漢江上游金水河懸浮物及水體碳氮穩定同位素組成特征

王 婧1,2,袁 潔1,2,譚 香1,李思悅1,張全發1,2,*

1 中國科學院武漢植物園水生植物與流域生態重點實驗室， 武漢 430074 2 中國科學院大學， 北京 100049

金水河；懸浮顆粒物；碳氮穩定同位素；人為活動

氮是河流初級生產力的限制營養元素[1]，其濃度的高低影響流富營養化過程[2- 3]。水體氮素主要以顆粒態與溶解態兩種形式存在，確定其來源及時空變化特征，對小流域最佳管理模式的建立有重要意義。由于水體中氮素遷移與轉化過程復雜，傳統方法主要是結合土地利用及水化學特征確定氮素來源，但得到的結果具有一定的局限性。利用天然存在的碳、氮穩定同位素特征，則可以通過特有的穩定同位素范圍值進行辨識，從而快速、精確地判斷水體碳、氮來源[3- 8]。目前國外學者使用碳氮穩定同位素值分析得出美國Delaware河口的懸浮顆粒物來源為水生生物殘體與陸地土壤組成的混合端源[8]；蘇格蘭Tay河流氮素來源為陸生有機質、水生生物及海口營養鹽[9]；加拿大圣勞倫斯河河流氮元素主要來源為降雨[7]。我國在利用穩定同位素研究河流物質來源方面起步較晚，目前的相關工作主要集中在長江、黃河有機碳的來源與季節變化[10- 11]、以及東江、珠江流域內水體懸浮顆粒物的C、N穩定同位素組成特征[12- 13]。

南水北調工程是一項水資源優化配置的大型基礎水利工程[14]，水源地水質的好壞直接關系到工程效益的發揮。目前，水源地面臨一系列的重大生態環境問題包括水土流失、植被毀損、局部水質惡化及降水格局的變化[15- 16]。金水河位于南水北調中線工程水源地的源頭，河流水體中營養元素特征及有效識別污染物來源對水源地水質保障尤為重要。前期的研究工作多集中在河流水質的時空格局上[17- 18]，近年來又研究了金水河流域氮濕沉降規律[19]以及利用穩定同位素辨識金水河顆粒物有機碳來源及各來源貢獻程度[20]。本研究運用穩定同位素地球化學理論及方法，系統研究水體及河流懸浮物中碳氮穩定同位素值特征，并初步探討河流碳氮同位素的主要來源及其季節性變化。

1 研究區域

金水河位于陜西省秦嶺南坡的佛坪縣和洋縣，地處107°40′—108°10′E，33°16′—33°45′N[17]，河流總長度87 km，流域面積約730 km2[18,20]。金水河是漢江的一級支流，發源于佛坪縣的岳壩鄉光頭山南坡，經過洋縣境內的秧田鄉、金水鎮，經栗子壩鄉流最終經黃金峽峽口匯入漢江。研究區域平均海拔高度1407 m[21]，全流域無重工業分布,流域上游位于佛坪國家自然保護區內，為動植物提供了良好的棲息地，中游到下游農業用地比例逐漸增加。全流域內氣候屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的山地暖溫帶氣候，并受地形和森林植被的影響，具有顯著的山地森林小氣候特征。全流域內森林生態系統保存完整，流域內植物覆蓋度較高，植被多樣性較為豐富，該區域植被隨著海拔增高呈現3個主要植被帶，即：針葉林，針葉林闊葉林混交林和闊葉林帶，森林群落主要構成為巴山冷杉(Abiesfargesii)、秦嶺冷杉(Abieschensiensis)、華山松(Pinusarmandii)、油松(Pinustabulaeformis)等，該地區還零星分布著特殊種太白紅杉(Larixchinesis)；闊葉林樹種主要為栓皮櫟林(Quercusvariabilis)、銳齒槲櫟林(Quercusaliena)、板栗(Castaneapleiosperma)等；林下灌木群落主要構成為秦嶺箭竹(Fargesiaqinlingensis)、巴山木竹(Bashaniafargesii)、羊胡子草(Eriophorumvaginatum)、柴續斷(Phlomisszechuanensis)、蟹甲草(Cacaliapilgeriana)、茴芹(Pimpinellaanisum)等[22- 25]。流域內土壤分為共分水稻土、黃棕壤、棕壤、暗棕壤和潮土五類，以黃棕嚷和棕壤居多，各占47%以上；暗棕壤占1.8%, 水稻土占0.8%,潮土所占比例較少[21]。

圖1 金水河流域采樣點及植被分布[22]Fig.1 The sampling location and the land cover in the Jinshui river[22]

2 數據來源及采樣方法

2.1 樣品采集

根據流域內人為活動強度的空間差異，在金水河自上而下選擇了10個樣點，分別為：楊家坪(T1)、大古坪(T2)、黑龍潭(T3)、岳壩(T4)、女兒壩(T5)、栗子壩(T6)、呂關河(T7)、劉家壩(T8)、兩壩之間(T9)、和金水鎮(T10)(圖1)[22]，其中采樣點T1—T3位于佛坪國家級自然保護區內， 森林覆蓋率高,人為干擾較小，為輕度干擾區；采樣點T4—T7為中度干擾區；采樣點T8—T10人口較為集中，有城鎮分布和較高比例農田，為重度干擾區。2012—2013年期間，分別在秋季(2012年11月)、冬季(2013年2月)、春季(2013年4月)、夏季(2013年7月)共進行4次取樣[20- 21]。流域內徑流的水源補給主要來自大氣降水[16,23]，根據降雨特點，河流分為豐水期(7—10月)、枯水期(12—3月)和平水期(4月、5月和11月)，因此結合流域內徑流變化及農作物生長規律，確定采樣時間為平水期2次，豐水期1次，枯水期1次。水樣采集處距離水面0.2—0.5m，沿水流方向每隔5m取500mL共5個樣品混合為一個樣品裝入高密度聚乙烯壺中，壺口不留空氣。

2.2 實驗方法

δR(‰)=[R樣品/R標準-1]×1000

式中,R樣品為C、N元素的重輕同位素豐度之比(13C樣品/12C樣品、15N樣品/14N樣品)。R標準分別為國際通用標準物重輕同位素豐度比。碳穩定同位素以PDB國際標準為參照；氮穩定同位素以空氣中氮氣為參照標準。測量精度為0.01‰。數據分析與制圖使用Sigmaplot 12.0。

3 結果與討論

3.1 河水濁度、顆粒懸浮物及葉綠素濃度變化

濁度在夏季達到最高值(14.65±1.94) NTU,而在春季達到最低值(0.39±0.54) NTU(圖2)。秋季和冬季的濁度分別為：(2.68±2.27) NTU、(1.33±1.45) NTU。夏季濁度的極大值主要是由于季風性氣候與引起的季節性降水所致。

圖2 金水河流域各季節水體濁度變化趨勢Fig.2 The tendency of turbidity in four season

圖3顯示金水河懸浮顆粒物濃度季節變化格局為：春季(9.883±3.45)mg/L>夏季(6.811±12.46)mg/L>冬季(5.048±1.06)mg/L>秋季(1.465±3.14)mg/L，與濁度變化規律有所差異，主要原因是濁度不僅包含水中不同大小、比重、形狀的懸狀物，更包括膠體物質和微生物雜質，夏季水體中濁度與懸浮顆粒物的濃度差異主要為水體中直徑小于0.45 μm的膠狀物質較多，所以濁度偏大，而懸浮顆粒物值較小。再者該區域在夏季降水量達到全年最高值，也就是處于金水河流域的豐水期時，由于夏季地表植被覆蓋率高，對土壤的阻滯能力較高，減少了土壤對懸浮顆粒物的貢獻，增加了進入水體的膠狀物質。濁度在夏季呈現最大值，而懸浮顆粒物濃度在春季呈現最大值。說明在輕度干擾區和中度干擾區內土壤侵蝕程度較輕，水生生物才是影響水體懸浮顆粒物濃度的主要因素。

在相對穩定的光照和溫度下，葉綠素濃度的變化主要受水體中營養鹽的制約,在夏季溫度與營養鹽達到最適范圍內，葉綠素含量較高。文中引入葉綠素濃度與濁度的比值K(表1)來反映水生植物對河流懸浮顆粒物貢獻程度，K值越大，說明浮游植物占總懸浮顆粒物比例越大[27]。金水河葉綠素濃度在夏季及秋季較高，而冬季的濃度則最低。K值在春季與秋季較大，說明在此春季與秋季藻類植物對水體懸浮顆粒物相對貢獻較大，而在夏季與冬季貢獻較少。夏季浮游植物對懸浮顆粒物相對貢獻較小主要是由于夏季季風性洪水引起的水土流失所致，而冬季浮游植物對懸浮顆粒物相對貢獻較小則主要是由于冬季溫度較低，光合作用較弱所致。同時，從流域上游至下游，K值明顯減小(表1)，表明流域內人為活動對懸浮泥沙的貢獻自上而下逐漸增大。此外，葉綠素濃度可以間接反映河流中水生生物對懸浮顆粒物來源的貢獻程度。有研究表明，水生生態系統中生物及其殘體的碳穩定同位素值范圍處于-20.52‰—-26.51‰[4-7,28-29]，而在本文中葉綠素為主要貢獻來源的采樣點 (如T2，T7)懸浮顆粒物中各季節碳穩定同位素范圍值為：-21.18‰—-27.14‰，而以水體中泥沙為主要貢獻物的樣點 (如T8，T9)懸浮顆粒物中各季節碳穩定同位素為：-27.34‰—-28.83‰，可以看出，以水生生物為主要貢獻物的懸浮顆粒物對應較低的穩定同位素值，利用穩定同位素方法可以有效指示流域懸浮顆粒物來源貢獻。

3.2 水體銨鹽、硝酸鹽濃度季節變化

圖3 金水河水體懸浮顆粒物濃度范圍、水體中，及葉綠素濃度變化范圍 Fig.

表1 各季節葉綠素濃度與濁度比值Table 1 The ratio of Chlorophyll and turbidity in disturbance

3.3 水體中懸浮顆粒物穩定同位素特征值

水體中懸浮顆粒物是各種端元貢獻的有機物質和其轉化軌跡綜合作用的結果，不同端元的有機物質的同位素值范圍不同，可以由此判斷河流水體懸浮物質來源[8,30-33]。使用δ15NPOM、δ13CPOM和葉綠素濃度之間的相互關系來判定水體懸浮物質的來源。春季δ15NPOM、δ13CPOM平均值依次為(2.64±4.04)‰ (,-24.78±2.02)‰ ；夏季δ15NPOM、δ13CPOM依次為(-8.03±0.43)‰，(-26.98±0.23)‰；秋季δ15NPOM、δ13CPOM依次為(-6.59±1.54)‰，(-26.97±0.23)‰ ；冬季δ15NPOM、δ13CPOM依次為 (14.57±10.54)‰，(-24.85±5.05)‰ 。由圖4所示，由葉綠素濃度與水體懸浮物碳氮穩定同位素值的關系都指示金水河懸浮顆粒物的主要來源分為兩個端元(圖4)[34- 37]，其中冬季與春季來源于土壤有機質，而夏季與秋季來源于水生生物殘體與土壤的混合端元。此外，懸浮顆粒物穩定氮同位素值與秋季水體中葉綠素濃度相關性較高(秋季R=0.651，P<0.01)，與夏季和冬季水體中葉綠素濃度呈負相關關系(夏季R=-0.337，P<0.05；冬季R=-0.423,P<0.05)，而在春季相關性不大(春季R=0.036)，說明水生植物在夏季作為內源性氮源對水體顆粒懸浮物的貢獻較大；土壤有機質的貢獻在各個季節都有較大比例的貢獻，水生藻類在冬季對懸浮顆粒物貢獻最小。同時顆粒懸浮物δ15NPOM與δ13CPOM比值離散程度較大，在夏季相關性較強(R=0.779,P<0.01)，其他季節相關性較弱(圖5)。金水河顆粒懸浮物中C、N在夏季的主要來源為外源性，而在其他季節則是外源與內源性端元混合構成，即陸源土壤有機質與水生生物殘體。

圖4 水體中懸浮顆粒物穩定同位素值δ13CPOM與葉綠素濃度、δ15NPOM與葉綠素濃度、水體相關關系Fig.

圖5 懸浮顆粒物穩定同位素值相關關系Fig.5 The ratio between δ13CPOM and δ15NPOM

3.4 水體中硝酸鹽與銨鹽穩定同位素值來源分析

圖6 水體穩定氮同位素特征值，范圍值內交叉符號代表本試驗中各季節數據范圍[32-34]Fig.6 The range of isotopic value of nitrate the cross present the data in this study in four season[32-34]本實驗土壤為未發表數據，即每次采集水樣的同時取河流兩側土壤樣品20g分析得到；采集土壤時去除表面浮土，采集0—10g裝入封口袋冷藏直至實驗室分析

4 結論

(1)金水河水體懸浮顆粒物有機質的來源具有空間性與季節性差異。空間性差異體現在從上游至下游，金水河懸浮顆粒物濃度隨著人為干擾的頻繁而呈遞增趨勢；同時隨著河流徑流量的季節性變化而變化，季節性差異表現為懸浮顆粒物濃度值變化呈現春季>夏季>冬季>秋季的趨勢。根據穩定同位素值分析，流域內懸浮顆粒物碳穩定同位素值范圍為：-8.03‰ —14.57‰，平均值為2.59‰；氮穩定同位素值為：-7.50‰—7.34‰，平均值為：4.33‰。可以判斷金水河流域懸浮顆粒物主要來源為外源性土壤有機質與內源性水生植物殘體的混合。

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Stable isotope composition of particulate organic matters and dissolved nitrate in the Jinshui River, Upper Han River Basin

WANG Jing1,2,YUAN Jie1,2,TAN Xiang1,LI Siyue1,ZHANG Quanfa1,2,*

1KeyLaboratoryofAquaticBotanyandWatershedEcology,WuhanBotanicalGarden,theChineseAcademyofSciences,Wuhan430074,China2TheUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Jinshui River; POM; stable isotope of carbon and nitrate; human activities

國家自然科學基金委員會(31130010, 31200354); 國家十二五科技支撐計劃資助(2012BAC06C03)

2014- 04- 08;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201404080670

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qzhang@wbgcas.cn

王婧,袁潔,譚香,李思悅,張全發.漢江上游金水河懸浮物及水體碳氮穩定同位素組成特征.生態學報,2015,35(22):7338- 7346.

Wang J, Yuan J, Tan X,Li S Y,Zhang Q F.Stable isotope composition of particulate organic matters and dissolved nitrate in the Jinshui River, Upper Han River Basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(22):7338- 7346.