乌江梯级水库碳氮耦合的生物地球化学循环

王宝利，刘丛强，汪福顺，刘小龙，彭　希，赵颜创

（1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳　550002；2.上海大学环境与化学工程学院，上海　200444；3.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津　300387）

乌江梯级水库碳氮耦合的生物地球化学循环

王宝利1，刘丛强1，汪福顺2，刘小龙3，彭希1，赵颜创1

（1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳550002；
2.上海大学环境与化学工程学院，上海200444；
3.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387）

以乌江梯级水库及相关河段为研究对象，对溶解含量的时空变化特征进行了研究.溶解CO2平均值为（113.6±105.7）µmol·L-1，变化为1.6～934.6µmol·L-1；NO-3平均值为（163.0±104.9）µmol·L-1，变化为0.4～632.0µmol·L-1.水库采样点溶解CO2和NO-3的含量以及振幅均小于相应河流采样点.由于来源及影响因素不同，河流采样点不存在显著性相关.筑坝建库后，水库浮游植物生物作用增强，成为影响物质循环的重要因素.光合作用和呼吸作用将C和N的生物地球化学循环耦合在一起，致使水库表现出显著性相关.研究结果表明，梯级水电开发显著改变了原始河流C和N的生物地球化学循环特征.关键词：碳氮耦合；浮游植物；呼吸作用；水电开发；乌江

河流梯级水电开发是目前影响河流自然属性的重要人为扰动事件.筑坝拦截扰乱了自然河流的洪水脉动周期以及依靠洪水过程塑造的河流水环境自然特性和作用过程（如营养补给、河床形态）［1］.由于水量、物质等的上下承接关系，河流梯级水库表现出更为复杂的累积效应.水库既具有水体温度、营养盐分层等湖沼学特点，又具有底层泄水和反季节蓄水等水电站人为调控的特点［2-3］，最终演化形成了特有的元素的生物地球化学循环.

1　研究区域概况

乌江是贵州省第一大河，是长江上游右岸的一级支流，全长1 037 km，径流量534亿m3，落差2 124 m.乌江梯级水电开发较早，是中国西电东输工程的主要河流之一.研究区为亚热带季风湿润气候区，年平均气温为12.3℃，最高气温35.4℃，最低气温-10.1℃，最冷月（1月）平均气温为3.5℃，最热月（7月）平均气温为26℃.年均降雨量为1 100～1 300 mm，主要集中在5—10月，其降雨量约占全年总降雨量的75%.乌江流域属于喀斯特岩溶地貌，其水化学由碳酸盐矿物风化控制，主要离子为Ca2+，，Mg2+和.

2　样品采集与分析

采集时间为2007年7月—2008年6月，采集地点为乌江中上游的11个采样点（见图1），每月1次进行了水样采集.入库河流点（W1，W2和M1～M4）仅采集表层水样，而水库采样点（W3～W5和M5，M6）则分层采集水样.分层水样用5 L的Niskin采样器收集.洪家渡水库（W3）、东风水库（W4）和乌江渡水库（W5）采样深度分别为0，5，15，30，60 m，红枫水库（M5）采样深度分别为0，3，6，10，15，25 m，百花水库（M6）采集深度分别为0，5，10，15，20 m.

用水质参数仪YSI-6600（美国金泉公司生产）原位测定酸碱度（pH）、水体温度、溶解氧（dissolved oxygen，DO），并用盐酸现场滴定水样碱度.采集的水样用0.70µm的玻璃纤维滤膜（Whatman GF/F）过滤并分装于相应的容器中，用于测定阴阳离子.在用于测定阳离子（Ca2+， Mg2+，K+和Na+）的水样中加入超纯HNO3，并酸化至pH＜2；用于测定阴离子Cl-和）的样品直接封装后冷藏保存.阴离子采用ICS-90型离子色谱仪（美国Dionex公司生产）进行测定，检测限为0.01 mg/L；阳离子用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定，检测限为0.01 mg/L.

水样溶解CO2的浓度利用碱度、pH和解离常数计算获得，其中各种常数用温度和离子强度进行校正，具体计算方法见文献［5-7］.

3　结果

3.1基本参数

水体温度为5.5～30.2℃，平均值为16.2℃；pH值为6.93～9.29，平均为7.85.乌江干流的水体温度和pH值均略高于支流猫跳河，但相应河流点和水库点的平均值并未发现有显著差异（见表1）.DO为0～482.2µmol·L-1，平均值为206.2µmol·L-1.乌江干流和支流DO平均值无显著性差异，但水库点DO表现出更大的变化幅度（见表1）.各水库点溶解氧在秋季均发生了明显的分层现象（见图2）.

图1　乌江采样点位图Fig.1 Map showing sampling locations and sample numbers in the Wujiang River

表1　研究区域水化学基本概况Table 1 Basic water chemistry in the studied area

图2　水库剖面上溶解CO2，及DO的月变化Fig.2 Monthly depth profiles of dissolved CO2，NO-3and DO in the reservoirs

3.2溶解CO2的时空变化

水体溶解CO2为1.6～934.6µmol·L-1，平均值为113.6µmol·L-1.乌江干流CO2平均值低于支流猫跳河；水库CO2平均值和波动比相应的河流点要低（见表1）.CO2在水库剖面发生了明显的化学分层，表层浓度远低于底层；分层作用在夏、秋两季较为明显，且支流水库CO2剖面变化明显大于干流水库（见图2）.

4　讨论

4.1河流溶解CO2和的来源及影响因素

河流溶解CO2主要有以下来源：①河道内有机质的降解生成的CO2；②土壤水中的CO2（通过地表径流进入河流）；③岩石风化生成的转化生成的CO2+H+H2CO3H2O+CO2）；④大气CO2（通过交换进入水体）.有机质降解生成的CO2为河流溶解CO2的主要来源.有机质降解会产生大量的CO2，致使河流表层CO2分压远大于大气CO2分压［8］.河流是以呼吸作用为主，从而不断向大气排放CO2，成为大气CO2的源.地质地貌、植被类型、土地利用方式等影响到河流有机质的种类和数量，进而影响到河流溶解CO2的浓度.此外，水流、风速和温度等水文地球化学参数影响河流水气界面CO2交换，容易引起河流溶解CO2浓度的剧烈波动.

乌江干支流河流点的CO2和不存在显著性相关（见图3（a）），这表明河流溶解CO2和不存在耦合关系.由河流溶解CO2和的来源及影响因素可以看出，二者缺乏耦合的物质基础和地球化学过程.

4.2水库溶解CO2和耦合的生物地球化学机制

河流经过大坝拦截，形成水库.相对河流而言，水库水流减缓，水深加大，营养物质滞留时间增长.这些环境变化有利于浮游植物的生长，从而使光合作用逐渐成为影响水库物质循环的主要生物作用.表层浮游植物通过光合作用，吸收合成有机质（organic matter，OM），同时放出氧气（O2）.合成的有机质在向底部的沉降过程中，经微生物分解，发生呼吸作用最终生成CO2和，同时消耗O2（见图4）.浮游植物驱动的物质循环消减了河流CO2和的宽幅波动（见表1），成为控制水库C，N循环的主导因素.

图3　溶解CO2与的关系Fig.3 Dissolved CO2versus

图4　水库碳循环示意图Fig.4 Sketch map for carbon biogeochemical cycle in a reservoir

乌江干支流水库剖面CO2和表现出显著的正相关关系（见图3（b）和（c）），这说明剖面的光合作用和呼吸作用将二者正向耦合在一起.呼吸作用消耗O2，当O2浓度小于62.5µmol·L-1时，O2已经不足以支持有机质继续进行有氧呼吸［12-13］，这样有机质转而开始无氧呼吸，消耗生成CO2（（CH2O）106（NH3）16（H3PO4）+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+ 16NH3+H3PO4），从而使二者表现出显著的负相关关系（见图3（d））.无氧呼吸因水库不同而不同，其中乌江干流水库仅有2.8%的数据点O2浓度小于62.5µmol·L-1；而支流猫跳河水库则有21.5%的数据点O2浓度小于62.5µmol·L-1.支流猫跳河红枫水库和百花水库均处于富营养化状态，而干流只有乌江渡水库处于富营养化状态［14］，这使得支流水库底部的无氧呼吸远多于干流水库，因此不能忽略不计.

5　结束语

乌江溶解CO2和在河流点和水库剖面点显示出不同的生物地球化学循环特征.溶解在剖面上表现出明显的化学分层，分层现象在夏、秋两季最为显著.河流点溶解不存在显著的相关关系.河流筑坝截流形成水库，浮游植物生物作用增强，表层的光合作用和底层的呼吸作用将的生物地球化学循环耦合在一起，从而使二者表现出显著的相关关系.

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Carbon and nitrogen coupled biogeochemical cycle in cascade reservoirs of the Wujiang River

WANG Bao-li1，LIU Cong-qiang1，WANG Fu-shun2，Liu Xiao-long3，PENG Xi1，ZHAO Yan-chuang1
（1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550002，China；
2.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，
Shanghai 200444，China；
3.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Concentrations of dissolved CO2andwere investigated in cascade reservoirs and related river reaches along the Wujiang River to understand temporal and spatial variations.The average of dissolved CO2were（113.6±105.7）µmol·L-1，ranging from 1.6 to 934.6µmol·L-1.The average ofwere（163.0±104.9）µmol·L-1，ranging from 0.4 to 632.0µmol·L-1.Averages and amplitudes of dissolved CO2andin the reservoirs are less than those in the rivers.Due to different resources and influencing factors，no significant correlation was found between dissolved CO2andin rivers.After damming，the activity of phytoplankton was enhanced，and became an important factor controlling material cycle in reservoirs.Photosynthesis and respiration couple C and N biogeochemicalcycle，and dissolved CO2andin reservoirs were significantly correlated.The results indicate that C and N biogeochemical cycles in the original rivers are changed by cascade hydropower exploitation.

C-N coupling；phytoplankton；respiration；hydropower exploitation；the Wujiang River

X 142

A

1007-2861（2015）03-0294-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.013

2015-04-20

国家重大科学研究计划资助项目（2013CB956703）；国家自然科学基金资助项目（41473082）；中国科学院“西部之光”人才培养计划

王宝利（1976—），男，副研究员，博士，研究方向为环境地球化学.E-mail：baoliwang@163.com