河流水體有機碳研究綜述

摘 要：該文綜述了河流水體有機碳的研究狀況，相關研究表明，不同類型的河流其有機碳含量及來源均存在顯著差異；水溫、土壤有機質的侵蝕及人類活動的干擾等均會對河流水體有機碳的輸出通量產生重要影響。

關鍵詞：河流；有機碳；研究綜述

中圖分類號 X52；P593 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）09-0028-03

Abstract：Research progress on the riverine organic carbon was summarized in this paper，there are significant differences in organic carbon content and source of different rivers.Water temperature，the erosion of soil organic matter and human disturbance activities have a significant impact on the output flux of organic carbon in rivers.

Key words：Rivers；Organic carbon；Review

1 引言

河流輸運的碳主要有4種賦存形式，即顆粒性有機碳（POC：particulate organic carbon）、溶解性有機碳（DOC：dissolved organic carbon）、顆粒性無機碳（PIC：particulate inorganic carbon）和溶解性無機碳（DIC：dissolved inorganic carbon）。DOC和POC是河流有機碳的2種基本賦存形式，河流POC約占河流總有機碳通量的50%[1]，是有機質在河流中運輸的主要載體；河流水體DOC則促進了水體中微生物的繁殖[2]。研究河流水體有機碳的通量及其來源等，對于確定自然因素和人類活動對生態系統的干擾程度具有重要意義[3]。

2 河流水體有機碳含量

全球河流DOC平均含量為5～6mg/L[4]，河流POC平均含量為1～5mg/L[5]。不同流域類型的河流其有機碳含量存在顯著的時空差異（表1），如印度河DOC含量是全球河流平均含量的2倍之多，而黃河屬于侵蝕性河流，其POC含量遠高于其他類型的河流。

河流水體DOC的含量與水溫、浮游植物的光合作用以及細菌降解等密切相關，其含量直接反映了人類活動對流域地表水體的影響和污染程度等[7-8]。吳紅寶等[9]對脫甲河水體DOC的研究表明脫甲河DOC濃度范圍為0.46～9.54mg/L，并呈現出夏季>春季>冬季>秋季的變化趨勢。王俊博[10]等對九龍江干流（西溪和北溪）水體中DOC含量進行了分析，結果表明，西溪春季和夏季DOC含量范圍分別為1.66～11.79mg/L和1.72～5.91mg/L，表現為春季高于夏季含量的時空變化，而北溪春季和夏季DOC含量范圍分別為1.26～4.56mg/L和1.46～8.49mg/L，呈現出春季低于夏季的變化趨勢。黃奇波等[11]研究表明桂江流域內巖溶出露面積大，表層土壤有機碳含量高造成水體中DOC相對偏高，河流水體DOC含量為0.68～2.16mg/L。魏秀國[12]等研究表明西江馬口斷面水體DOC含量介于0.98～4.17mg/L，且季節性變化幅度小。

不同類型的河流其水體POC含量也不相同，并呈現出不同的時空變化規律。張金流等[13]研究表明塘西河下游水體中POC濃度變化范圍為0.33～1.51mg/L，呈現夏季>春季>秋季>冬季的變化趨勢。王婧等[14]研究表明金水河水體POC含量呈春季>夏季>冬季>秋季的季節性變化格局，并隨著人為干擾強度的加強而呈遞增的趨勢，最高含量可達到9.883±3.45mg/L。張勝華等[15]對五華河進行了一個完整水文年的月周期性采樣分析，結果表明五華河徑流中POC平均含量為0.77mg/L，且汛期含量高于枯水期。茅昌平等[16]對長江干流夏季和冬季水體懸浮物進行采樣分析，結果表明夏季干流水體中POC含量在0.4%～1.3%，冬季含量在0.7%～2.2%，降水帶來的大量粗顆粒礦物對懸浮物有機碳的稀釋是造成夏季水體POC含量較低的主要原因。

3 河流水體有機碳來源

河流水體有機碳的來源主要包括內源和外源2個部分，土壤有機質的侵蝕、陸生植物殘體以及人類生產、生活活動排放的有機物等是外源有機碳的主要來源；而內源有機碳主要源于河流中植物葉綠體經光合作用所產生的顆粒物、POC降解、細菌及其分泌物等[17]。研究中常采用河流水體有機質的碳氮比值（C/N）及其穩定碳同位素組成辨析河流有機碳的來源。當C/N<12時，表明水生植物是有機質的主要來源，而當C/N>12時，則指示陸源有機碳是有機質的主要來源。此外，有研究表明河流內源有機質δ13C為-22‰～-19‰，混合來源有機質δ13C為

-22‰～-16‰[18]。侯青葉等[19]對烏裕爾河豐、枯水期POC含量及其δ13C進行了系統研究，結果表明水體POC主要來源于未受玉米殘體及根系輸入影響的深層土壤，并利用同位素端元混合模型計算出豐水期各支流對不同干流采樣點水體POC的貢獻率。譚慧娟等[20]通過分析金水河流域河岸帶土壤、植物以及河流中藻類POC的C/N比值和穩定碳同位素組成（δ13C），對河流水體POC來源及不同來源的貢獻比例進行研究，表明金水河流域水體POC主要來源于土壤有機質、C3植物和藻類，水體POC的來源及其貢獻率具有明顯的季節變化。葉琳琳等[4]以太湖流域西北部的2條入湖河流（殷村港和陳東港）為研究對象，表明2條入湖河流中溶解性碳水化合物主要來源于外源輸入和浮游植物光合作用的釋放。

4 河流水體有機碳通量及控制因素

4.1 河流水體有機碳通量的計算 河流有機碳通量主要來自對流域土壤有機質的侵蝕[3]，記錄著人類活動對流域地表自然狀態的改變[21]。一般可采用河流徑流量與有機碳質量濃度之積來估算有機碳的輸出通量，如孔凡婷等[3]采用公式（1）、（2）估算出大沽河流域一個完整水文年水體DOC的輸出通量。張連凱等[4]根據兩季河流徑流量在全年中所占比例（即F=F'/P，P為采樣季流量占全年的百分比）估算出珠江流域河流有機碳的年輸出通量。

式中，F'為采樣季的碳通量，Ci為物質的質量濃度，Qi為河流徑流量，1/n為采樣頻次。

4.2 河流水體有機碳通量的控制因素 水溫、葉綠素a濃度、細菌的降解作用、光化學氧化作用以及顆粒態有機物的共沉淀均會引起DOC濃度的變化[22-23]。張連凱等[4]指出流域化學侵蝕對水體中DOC含量有重要影響，降水量、氣溫及水文過程的變化也都會引起DOC含量的變化。Ludwig等[5]認為河流的DOC通量與徑流深度和土壤有機碳含量呈正比，而與流域的地形呈反比；陶澍等[24]根據實測流量和水體DOC含量計算出伊春河水體DOC的月輸出通量，進而估算出1993年伊春河全年輸出通量為7113t，并指出夏季出現大量降水，DOC含量與流量變化趨勢一致，因此夏季輸出通量對全年的貢獻比例最大，高達90%；魏秀國[25]指出河流在流經城鎮、工業區等過程中會有大量含溶解有機物的人類生活污水和工業廢水匯入，使水體中的DOC濃度大幅度升高，進而影響到河流水體中DOC的通量。張連凱等[4]對珠江流域河流碳的輸出通量及變化特征進行了研究，表明水體DOC的質量濃度隨雨季的到來而升高，根據河流有機碳的徑流量和質量濃度計算出珠江流域POC和DOC的入海通量分別為2.50×1012、1.13×1012g·a-1。孔凡亭等[3]對大沽河流域DOC的輸出通量進行了估算，結果表明大沽河一個完整水文年度DOC的輸出通量約為1.6×105gC/km2/yr，這與大沽河流域暖溫帶沿海濕潤季風區的自然條件和人為因素（流域人口密度大、工農業的快速發展等）密切相關。

國內外也有學者對河流水體POC通量的影響因素進行了研究，如Balakrishna等[26]對印度戈達瓦里河有機碳的輸出通量和遷移過程研究發現戈達瓦里河POC的輸出通量為756×109g·yr-1，在遷移過程中22%的POC由于有機物的氧化、壩后有機物截留和河道淤積而損失，同時表明土壤侵蝕和森林砍伐的加劇是造成戈達瓦里河有機碳產出的重要原因；茅昌平等[16]估算出長江一年的顆粒有機碳通量為1.46Mt/a；譚慧娟等[20]指出土地利用方式的改變及人為干擾程度都能對河流水體POC的含量產生較大影響。

5 結語

河流有機碳的成分及來源較為復雜，是當今研究的熱點和難點[27]。認識了解河流水體有機碳的組成、含量、來源及貢獻比例、控制因素等，有助于加深對河流水體有機碳循環生物地球化學過程的理解，為進一步開展河流水體有機碳循環研究工作奠定堅實基礎。

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（責編：張宏民）