汉江上游金水河悬浮物及水体碳氮稳定同位素组成特征

王 婧,袁 洁,谭 香,李思悦,张全发,*

1 中国科学院武汉植物园水生植物与流域生态重点实验室， 武汉 430074 2 中国科学院大学， 北京 100049

汉江上游金水河悬浮物及水体碳氮稳定同位素组成特征

王 婧1,2,袁 洁1,2,谭 香1,李思悦1,张全发1,2,*

1 中国科学院武汉植物园水生植物与流域生态重点实验室， 武汉 430074 2 中国科学院大学， 北京 100049

金水河；悬浮颗粒物；碳氮稳定同位素；人为活动

氮是河流初级生产力的限制营养元素[1]，其浓度的高低影响流富营养化过程[2- 3]。水体氮素主要以颗粒态与溶解态两种形式存在，确定其来源及时空变化特征，对小流域最佳管理模式的建立有重要意义。由于水体中氮素迁移与转化过程复杂，传统方法主要是结合土地利用及水化学特征确定氮素来源，但得到的结果具有一定的局限性。利用天然存在的碳、氮稳定同位素特征，则可以通过特有的稳定同位素范围值进行辨识，从而快速、精确地判断水体碳、氮来源[3- 8]。目前国外学者使用碳氮稳定同位素值分析得出美国Delaware河口的悬浮颗粒物来源为水生生物残体与陆地土壤组成的混合端源[8]；苏格兰Tay河流氮素来源为陆生有机质、水生生物及海口营养盐[9]；加拿大圣劳伦斯河河流氮元素主要来源为降雨[7]。我国在利用稳定同位素研究河流物质来源方面起步较晚，目前的相关工作主要集中在长江、黄河有机碳的来源与季节变化[10- 11]、以及东江、珠江流域内水体悬浮颗粒物的C、N稳定同位素组成特征[12- 13]。

南水北调工程是一项水资源优化配置的大型基础水利工程[14]，水源地水质的好坏直接关系到工程效益的发挥。目前，水源地面临一系列的重大生态环境问题包括水土流失、植被毁损、局部水质恶化及降水格局的变化[15- 16]。金水河位于南水北调中线工程水源地的源头，河流水体中营养元素特征及有效识别污染物来源对水源地水质保障尤为重要。前期的研究工作多集中在河流水质的时空格局上[17- 18]，近年来又研究了金水河流域氮湿沉降规律[19]以及利用稳定同位素辨识金水河颗粒物有机碳来源及各来源贡献程度[20]。本研究运用稳定同位素地球化学理论及方法，系统研究水体及河流悬浮物中碳氮稳定同位素值特征，并初步探讨河流碳氮同位素的主要来源及其季节性变化。

1 研究区域

金水河位于陕西省秦岭南坡的佛坪县和洋县，地处107°40′—108°10′E，33°16′—33°45′N[17]，河流总长度87 km，流域面积约730 km2[18,20]。金水河是汉江的一级支流，发源于佛坪县的岳坝乡光头山南坡，经过洋县境内的秧田乡、金水镇，经栗子坝乡流最终经黄金峡峡口汇入汉江。研究区域平均海拔高度1407 m[21]，全流域无重工业分布,流域上游位于佛坪国家自然保护区内，为动植物提供了良好的栖息地，中游到下游农业用地比例逐渐增加。全流域内气候属北亚热带向暖温带过渡的山地暖温带气候，并受地形和森林植被的影响，具有显著的山地森林小气候特征。全流域内森林生态系统保存完整，流域内植物覆盖度较高，植被多样性较为丰富，该区域植被随着海拔增高呈现3个主要植被带，即：针叶林，针叶林阔叶林混交林和阔叶林带，森林群落主要构成为巴山冷杉(Abiesfargesii)、秦岭冷杉(Abieschensiensis)、华山松(Pinusarmandii)、油松(Pinustabulaeformis)等，该地区还零星分布着特殊种太白红杉(Larixchinesis)；阔叶林树种主要为栓皮栎林(Quercusvariabilis)、锐齿槲栎林(Quercusaliena)、板栗(Castaneapleiosperma)等；林下灌木群落主要构成为秦岭箭竹(Fargesiaqinlingensis)、巴山木竹(Bashaniafargesii)、羊胡子草(Eriophorumvaginatum)、柴续断(Phlomisszechuanensis)、蟹甲草(Cacaliapilgeriana)、茴芹(Pimpinellaanisum)等[22- 25]。流域内土壤分为共分水稻土、黄棕壤、棕壤、暗棕壤和潮土五类，以黄棕嚷和棕壤居多，各占47%以上；暗棕壤占1.8%, 水稻土占0.8%,潮土所占比例较少[21]。

图1 金水河流域采样点及植被分布[22]Fig.1 The sampling location and the land cover in the Jinshui river[22]

2 数据来源及采样方法

2.1 样品采集

根据流域内人为活动强度的空间差异，在金水河自上而下选择了10个样点，分别为：杨家坪(T1)、大古坪(T2)、黑龙潭(T3)、岳坝(T4)、女儿坝(T5)、栗子坝(T6)、吕关河(T7)、刘家坝(T8)、两坝之间(T9)、和金水镇(T10)(图1)[22]，其中采样点T1—T3位于佛坪国家级自然保护区内， 森林覆盖率高,人为干扰较小，为轻度干扰区；采样点T4—T7为中度干扰区；采样点T8—T10人口较为集中，有城镇分布和较高比例农田，为重度干扰区。2012—2013年期间，分别在秋季(2012年11月)、冬季(2013年2月)、春季(2013年4月)、夏季(2013年7月)共进行4次取样[20- 21]。流域内径流的水源补给主要来自大气降水[16,23]，根据降雨特点，河流分为丰水期(7—10月)、枯水期(12—3月)和平水期(4月、5月和11月)，因此结合流域内径流变化及农作物生长规律，确定采样时间为平水期2次，丰水期1次，枯水期1次。水样采集处距离水面0.2—0.5m，沿水流方向每隔5m取500mL共5个样品混合为一个样品装入高密度聚乙烯壶中，壶口不留空气。

2.2 实验方法

δR(‰)=[R样品/R标准-1]×1000

式中,R样品为C、N元素的重轻同位素丰度之比(13C样品/12C样品、15N样品/14N样品)。R标准分别为国际通用标准物重轻同位素丰度比。碳稳定同位素以PDB国际标准为参照；氮稳定同位素以空气中氮气为参照标准。测量精度为0.01‰。数据分析与制图使用Sigmaplot 12.0。

3 结果与讨论

3.1 河水浊度、颗粒悬浮物及叶绿素浓度变化

浊度在夏季达到最高值(14.65±1.94) NTU,而在春季达到最低值(0.39±0.54) NTU(图2)。秋季和冬季的浊度分别为：(2.68±2.27) NTU、(1.33±1.45) NTU。夏季浊度的极大值主要是由于季风性气候与引起的季节性降水所致。

图2 金水河流域各季节水体浊度变化趋势Fig.2 The tendency of turbidity in four season

图3显示金水河悬浮颗粒物浓度季节变化格局为：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，与浊度变化规律有所差异，主要原因是浊度不仅包含水中不同大小、比重、形状的悬状物，更包括胶体物质和微生物杂质，夏季水体中浊度与悬浮颗粒物的浓度差异主要为水体中直径小于0.45 μm的胶状物质较多，所以浊度偏大，而悬浮颗粒物值较小。再者该区域在夏季降水量达到全年最高值，也就是处于金水河流域的丰水期时，由于夏季地表植被覆盖率高，对土壤的阻滞能力较高，减少了土壤对悬浮颗粒物的贡献，增加了进入水体的胶状物质。浊度在夏季呈现最大值，而悬浮颗粒物浓度在春季呈现最大值。说明在轻度干扰区和中度干扰区内土壤侵蚀程度较轻，水生生物才是影响水体悬浮颗粒物浓度的主要因素。

在相对稳定的光照和温度下，叶绿素浓度的变化主要受水体中营养盐的制约,在夏季温度与营养盐达到最适范围内，叶绿素含量较高。文中引入叶绿素浓度与浊度的比值K(表1)来反映水生植物对河流悬浮颗粒物贡献程度，K值越大，说明浮游植物占总悬浮颗粒物比例越大[27]。金水河叶绿素浓度在夏季及秋季较高，而冬季的浓度则最低。K值在春季与秋季较大，说明在此春季与秋季藻类植物对水体悬浮颗粒物相对贡献较大，而在夏季与冬季贡献较少。夏季浮游植物对悬浮颗粒物相对贡献较小主要是由于夏季季风性洪水引起的水土流失所致，而冬季浮游植物对悬浮颗粒物相对贡献较小则主要是由于冬季温度较低，光合作用较弱所致。同时，从流域上游至下游，K值明显减小(表1)，表明流域内人为活动对悬浮泥沙的贡献自上而下逐渐增大。此外，叶绿素浓度可以间接反映河流中水生生物对悬浮颗粒物来源的贡献程度。有研究表明，水生生态系统中生物及其残体的碳稳定同位素值范围处于-20.52‰—-26.51‰[4-7,28-29]，而在本文中叶绿素为主要贡献来源的采样点 (如T2，T7)悬浮颗粒物中各季节碳稳定同位素范围值为：-21.18‰—-27.14‰，而以水体中泥沙为主要贡献物的样点 (如T8，T9)悬浮颗粒物中各季节碳稳定同位素为：-27.34‰—-28.83‰，可以看出，以水生生物为主要贡献物的悬浮颗粒物对应较低的稳定同位素值，利用稳定同位素方法可以有效指示流域悬浮颗粒物来源贡献。

3.2 水体铵盐、硝酸盐浓度季节变化

图3 金水河水体悬浮颗粒物浓度范围、水体中，及叶绿素浓度变化范围 Fig.

表1 各季节叶绿素浓度与浊度比值Table 1 The ratio of Chlorophyll and turbidity in disturbance

3.3 水体中悬浮颗粒物稳定同位素特征值

水体中悬浮颗粒物是各种端元贡献的有机物质和其转化轨迹综合作用的结果，不同端元的有机物质的同位素值范围不同，可以由此判断河流水体悬浮物质来源[8,30-33]。使用δ15NPOM、δ13CPOM和叶绿素浓度之间的相互关系来判定水体悬浮物质的来源。春季δ15NPOM、δ13CPOM平均值依次为(2.64±4.04)‰ (,-24.78±2.02)‰ ；夏季δ15NPOM、δ13CPOM依次为(-8.03±0.43)‰，(-26.98±0.23)‰；秋季δ15NPOM、δ13CPOM依次为(-6.59±1.54)‰，(-26.97±0.23)‰ ；冬季δ15NPOM、δ13CPOM依次为 (14.57±10.54)‰，(-24.85±5.05)‰ 。由图4所示，由叶绿素浓度与水体悬浮物碳氮稳定同位素值的关系都指示金水河悬浮颗粒物的主要来源分为两个端元(图4)[34- 37]，其中冬季与春季来源于土壤有机质，而夏季与秋季来源于水生生物残体与土壤的混合端元。此外，悬浮颗粒物稳定氮同位素值与秋季水体中叶绿素浓度相关性较高(秋季R=0.651，P<0.01)，与夏季和冬季水体中叶绿素浓度呈负相关关系(夏季R=-0.337，P<0.05；冬季R=-0.423,P<0.05)，而在春季相关性不大(春季R=0.036)，说明水生植物在夏季作为内源性氮源对水体颗粒悬浮物的贡献较大；土壤有机质的贡献在各个季节都有较大比例的贡献，水生藻类在冬季对悬浮颗粒物贡献最小。同时颗粒悬浮物δ15NPOM与δ13CPOM比值离散程度较大，在夏季相关性较强(R=0.779,P<0.01)，其他季节相关性较弱(图5)。金水河颗粒悬浮物中C、N在夏季的主要来源为外源性，而在其他季节则是外源与内源性端元混合构成，即陆源土壤有机质与水生生物残体。

图4 水体中悬浮颗粒物稳定同位素值δ13CPOM与叶绿素浓度、δ15NPOM与叶绿素浓度、水体相关关系Fig.

图5 悬浮颗粒物稳定同位素值相关关系Fig.5 The ratio between δ13CPOM and δ15NPOM

3.4 水体中硝酸盐与铵盐稳定同位素值来源分析

图6 水体稳定氮同位素特征值，范围值内交叉符号代表本试验中各季节数据范围[32-34]Fig.6 The range of isotopic value of nitrate the cross present the data in this study in four season[32-34]本实验土壤为未发表数据，即每次采集水样的同时取河流两侧土壤样品20g分析得到；采集土壤时去除表面浮土，采集0—10g装入封口袋冷藏直至实验室分析

4 结论

(1)金水河水体悬浮颗粒物有机质的来源具有空间性与季节性差异。空间性差异体现在从上游至下游，金水河悬浮颗粒物浓度随着人为干扰的频繁而呈递增趋势；同时随着河流径流量的季节性变化而变化，季节性差异表现为悬浮颗粒物浓度值变化呈现春季>夏季>冬季>秋季的趋势。根据稳定同位素值分析，流域内悬浮颗粒物碳稳定同位素值范围为：-8.03‰ —14.57‰，平均值为2.59‰；氮稳定同位素值为：-7.50‰—7.34‰，平均值为：4.33‰。可以判断金水河流域悬浮颗粒物主要来源为外源性土壤有机质与内源性水生植物残体的混合。

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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

国家自然科学基金委员会(31130010, 31200354); 国家十二五科技支撑计划资助(2012BAC06C03)

2014- 04- 08;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201404080670

*通讯作者Corresponding author.E-mail: qzhang@wbgcas.cn

王婧,袁洁,谭香,李思悦,张全发.汉江上游金水河悬浮物及水体碳氮稳定同位素组成特征.生态学报,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.