塘西河水体颗粒和溶解有机碳季节变化及其来源分析

张金流， 鲍 祥， 蔡敬民， 吴 克， 俞志敏， 金 杰

(合肥学院 生物与环境工程系, 合肥 230601)

塘西河水体颗粒和溶解有机碳季节变化及其来源分析

张金流， 鲍 祥， 蔡敬民， 吴 克， 俞志敏， 金 杰

(合肥学院 生物与环境工程系, 合肥 230601)

基于2014年7月至2015年6月对塘西河水体中颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)为期一年的调查数据，分析了塘西河水体中POC、DOC浓度时空分布特征，结合DOC、POC、总有机碳(TOC)及POC、C/N比值相关性分析和颗粒有机物C/N比值分布范围，探讨了水体中有机碳的来源。结果表明，塘西河水体中DOC质量浓度年平均值在2.53～3.91 mg/L之间，DOC占总有机碳60%以上，高于世界河流平均水平；POC质量浓度范围在1.62～2.53 mg/L之间，POC占总有机碳40%以下，低于世界河流平均水平；在空间分布上，由1#到5#采样点，DOC浓度年平均值逐渐上升，POC浓度年平均值在各采样点之间变化不大；在时间分布上，DOC、POC浓度均呈现夏季高于春、秋季，冬季最低的变化规律；在每一季节内，DOC、POC浓度均存在一定的变化，且POC季节变异系数大于DOC，说明塘西河POC来源要比DOC复杂；塘西河水体中POC、DOC主要来源于内源，即水藻生长代谢产物,但陆源输入对水体中POC浓度有一定的影响。

颗粒有机碳；溶解有机碳；季节变化；来源；C/N比；塘西河

河流水体中的有机碳主要以溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)两种形式存在[1-4]，是大多数水生生态系统有机质的最大组成部分,对其开展研究有助于了解水体中有机质的来源，且溶解有机物能够控制水体中微量金属和有毒物质的运输、毒性及其最终命运[5]；另一方面，从全球碳循环角度讲，河流有机碳通量是全球碳循环的重要组成部分，其内、外源通量的大小往往是流域内自然过程和人为过程综合作用的结果[6]，其整体通量的大小则是区域碳“汇”研究的基础[6-7]。然而，要界定内、外源通量大小，首先要明确河流水体中有机碳的来源。一般认为，河流有机碳主要有两种来源，即外源和内源[8-13]，外源有机碳主要来源于陆生植物碎屑的降解和土壤有机物质腐殖化，而内源有机碳主要来源于水生植物生长产生的有机物分解。由于生态环境的差异，陆生植物和水生植物在其有机物元素组成方面存在一定的差异，陆生维管植物常含有较多木质纤维素，而蛋白质含量不足20%，因此其产生的有机物中C/N比值较高，而水生植物木质纤维素含量较少，则有机物中C/N比值较低；前者有机物组成中C/N比值往往大于20，而后者则在4～10之间，平均值为7。鉴于不同来源有机物C/N比值这一差异特性，可以利用其对河流水体中颗粒有机物的来源进行示踪[9-19]。对于河流生态系统，一般认为颗粒有机物C/N>20，则可认为水体中的有机物以陆生有机物来源为主，而C/N<8，则可认为水体中的有机物以内源水生生物分泌来源为主[14]。

塘西河是巢湖重要支流之一，有关其水体中POC、DOC含量、时空变化规律及其来源目前还未曾有报道。因此，本文对其下游河段水体中POC、DOC进行为期一个水文年的采样，分析其浓度时、空动态变化规律，同时结合颗粒有机物C/N比值范围、POC浓度与C/N比值变化相关性以及POC、DOC、TOC三者间浓度变化的相关性，对各采样点POC、DOC的来源进行初步分析，以明确该河流水体中POC、DOC是陆生来源(外源)为主还是内生来源(内源)为主，以期为区域碳循环研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点设置

塘西河为巢湖西半湖北侧一条长约12.7 km的小河流，流域面积50.0 km2。该河流由西北向东南依次流经合肥市肥西县桃花工业园、合肥市经济技术开发区和滨湖新区，并在合肥市包河区义城镇附近流入巢湖。本次研究区域位于塘西河下游，即从合肥市滨湖新区塘西河与徽州大道交叉点处到巢湖入湖口，全长约6 km。该河段两岸为滨湖湿地公园，岸边依次种植有大量沼泽湿地植物、陆生高等植物及草本植物,植被覆盖较好[20]。

由徽州大道与塘西河交叉处开始，沿塘西河河道水流方向分别设置5个采样点，采样点间距约1 km，具体河道及采样点位置如图1。

1.2 样品采集及前处理

每隔半月于各采样点用采水器采集表层水样(水下0.5 m)2.5 L，样品盛于2.5 L有机塑料桶中，采样周期为一个水文年。样品采集后立即运回实验室用预先灼烧(450℃,灼烧4 h)并用精度为0.1 mg分析天平称重过的WhatmanTMGF/F(Cat No 1825-047，0.7 μm)玻璃纤维滤纸真空(循环水式多用真空泵)抽滤，所得滤液用60 mL棕色玻璃瓶盛放在低温下(4℃)保存，过滤后的滤纸用冰箱冷冻，等彻底冷冻后用韩国llshin公司产的R-13B1型真空冷冻干燥机干燥后再用分析天平称重，玻璃纤维滤纸过滤前后的质量差即为总悬浮颗粒物(TSS)质量，除以水样体积即得TSS质量浓度。再将过滤后的玻璃纤维滤膜放置于内径为400 mm玻璃干燥器内用浓盐酸熏蒸24 h以去除颗粒无机碳，熏蒸后的滤膜用超纯水小心清洗3次，之后放置冰箱中冷冻并再次用冷冻干燥机冷冻干燥备用。采样所用有机塑料桶在使用前需用1∶10稀硝酸浸泡24 h，之后用超纯水(Millipore超纯水机制备)清洗3次，再用超纯水浸泡24 h并用超纯水再次清洗一次后干燥备用。

图1 采样点示意图

1.3 测定方法

1.3.1 DOC浓度分析 用微量进样器(上海高鸽)取500 μL水样玻璃纤维滤纸过滤液，用德国耶拿公司生产的multi N/C 2100总有机碳、氮分析仪分析水样DOC质量浓度。

1.3.2 C/N比值分析 在经过真空冷冻干燥后的滤膜上取适量膜上剩余样品(2～3 mg)，用意大利利曼科技有限公司生产的EA3000元素分析仪分析颗粒物碳(POC)、TN含量(POC%、TN%)，两者相除即得颗粒有机物C/N质量比值。

1.3.3 POC浓度分析 POC质量浓度由TSM质量浓度乘以POC%(1.3.2获取的)获得[3]。

2 结果与讨论

2.1 溶解有机碳浓度时空变化

通过监测，塘西河下游各采样点水体中DOC浓度年平均值分别是2.53 mg/L、3.61 mg/L、3.74 mg/L、3.86 mg/L和3.91 mg/L，DOC占水体TOC含量的60%以上，5#采样点所占比例最高，达66%，略高于世界研究结果平均值(55%)[21-22],绝对浓度明显低于新疆的博斯腾湖[23]，也低于巢湖前期已有研究结果(约9.5 mg/L)[24],说明近年巢湖及其支流经过治理[25]，水质已有好转趋势(图2)。从空间分布上看，由1#到5#采样点，水体中DOC浓度逐渐升高，这主要与河道水流速度变化有关，由图1可知，随着湖口的接近，水流速度逐渐下降，这一水动力条件有利于水藻生长[26]，水生藻类密度加大，导致水体中DOC浓度逐渐上升。在时间分布上，DOC浓度夏季最高，其次是春、秋季，冬季较低(表1)，据我们现场观察，这同样与水藻生长有关，由于该河段富营养化较严重，夏季河道水面生长有大量浮游藻类，致使内源性DOC浓度升高。同时由图2我们可以看出，在4#、5#采样点，在9—10月之间，DOC浓度有下降趋势，之后的10—11月又逐渐升高，这可能与这一时间段表层水流动性增加有关；据气象资料显示(http://cdc.nmic.cn/home.do)，2014年9月份平均风速较7—8月份大，导致表层水流动性增强，不利于浮游藻类的生长，致使DOC浓度下降；这从图1也可看出，4#、5#采样点位于较宽阔的水面，浮游藻类生长受风速影响相对明显，虽然2#、3#采样点水体中DOC也有类似的变化，但变化幅度不明显，这与该采样点处水面较窄(图1)，风力影响作用相对较小相一致。

图2 溶解有机碳浓度时空变化

另外，从图2和表1可知，各采样点DOC浓度季节内也存在一定的变化，且无明显的变化规律性；DOC浓度各采样点季节内差异(用变异系数表示，变导系数=标准偏差/平均值)[23]大小依次是春、夏、冬、秋季，秋季各采样点DOC浓度季节内差异最小，说明秋季其DOC来源最为稳定；从空间分布上看，3#采样点DOC浓度差异在各季节较小，可能与该采样点位于河道转弯处，水流较慢，水环境相对稳定，利于浮游藻类生长，内源DOC供给相对稳定有关。DOC浓度季节内差异最大值发生在夏季2#采样点，最小发生在冬季的5#采样点。

表1 春、夏、秋、冬DOC、POC平均浓度及变异系数

图3 颗粒有机碳浓度时空变化

Fig 3 Spatial and temporal changes of particulate organic carbon concentration

2.2 颗粒有机碳浓度时空变化

由图3可知，塘西河下游各采样点水体中颗粒有机碳浓度年平均值分别是1.62 mg/L、2.45 mg/L、2.53 mg/L、2.29 mg/L和2.26 mg/L，绝对浓度高于博斯腾湖[23]，POC年平均值占TOC的40%以下，低于世界45%这一平均值[21-22]。3#采样点年平均值最高；除1#采样点外，其他各采样点POC浓度年平均值差别不大；在时间分布上，水体中POC浓度同样是夏季最高，春、秋季次之，冬季最低，其中1#、3#、5#采样点具有同DOC非常相似的变化趋势，说明POC、DOC两者间可能具有共同的主要来源。另由表1可知，各采样点夏季POC浓度平均值最高，其季节内变异系数也最大，这一点与DOC相似；POC浓度各采样点季节内差异大小依次是夏、秋、春、冬季，说明夏、秋季水体中POC浓度影响因素相对复杂；另外，与DOC相比，各个采样点季节内POC浓度的差异均比DOC大，说明塘西河水体中POC的来源要比DOC复杂(内源、外源)。

为探索DOC、POC、TOC 3者间是否具有同源性，我们进一步利用SPSS软件分析了3者间的相关性，结果如表2所示。

表2 各采样点DOC、POC、TOC浓度相关系数

*P<0.05；**P<0.01

由表2可知，各采样点DOC、POC及TOC两两间浓度变化都存在显著正相关，说明塘西河各采样点水体中DOC、POC及TOC 3者可能具有某一共同的主导来源；但从表2也可以看出，POC、DOC两者间的相关系数没有DOC、TOC或POC、TOC间的相关系数高，说明POC、DOC，特别是POC除了这一主要来源，可能还受到其他来源的影响。

2.3 颗粒有机碳来源

为明确这一共同的主导来源(外源、内源)，我们对水体中POC浓度与C/N比值、降雨量之间的变化趋势进行了分析，并用SPSS软件分析两者间变化的相关性，结果见图4和表3。

图4 1#采样点POC浓度与C/N、降雨量之间的关系

由图4可知，在1#采样点，水体POC与其C/N比值呈现相似的变化趋势，即随着POC浓度的升降，C/N比值也呈现出与之大体一致的升降趋势，同样说明塘西河水体中POC浓度受某一主导来源影响，这点我们从表3中的POC浓度与C/N比值之间的相关性分析可以进一步得到定量化明确(表3中虽然相关系数不是太高，但均呈现显著性相关)，而从此5个监测点颗粒有机物C/N比值平均值来看(表4)，C/N比值平均值均小于8，说明塘西河水体中POC主要来源于内源，即主要来源于水生植物的生长代谢产物。但从图4也可看出，在整个采样周期内，部分时间点水体中颗粒有机物C/N>8(例如1#采样点图中实线下箭头指示的时间点，这些时间点主要发生在降雨后)，说明这些时间点水体中POC来源也受到陆源有机物输入的影响。另外从图4中也可看出，部分时间点(图中虚线下箭头指示的时间点)水体中POC浓度下降，但颗粒有机物C/N比值却有所升高，说明可能有高C/N比值的污水流入塘西河[27]。

但从各个采样点来看(图5)，水体中颗粒有机物出现C/N>8的时间点并不完全一致，说明陆源等外源有机物输入对各个采样点的影响在时间段以及影响程度均存在一定的差异。

图5 2#～5#采样点POC浓度与C/N之间的关系

采样点1#2#3#4#5#POCPOCPOCPOCPOCC/N0.383*0.477**0.421*0.406*0.350*

*P<0.05；**P<0.01

表4 各采样点颗粒有机物C/N比值平均值

另外，从表2中DOC与POC浓度呈现显著正相关性变化来看，我们同样可以推断塘西河水体中的DOC也主要来源于内源，即水生植物的生长代谢产物。

3 结论

1)塘西河下游各采样点水体中DOC年平均浓度范围在2.53～3.91 mg/L之间，POC年平均浓度范围在1.62～2.53 mg/L之间。

2)在空间分布上，DOC浓度沿水流方向逐渐升高，而POC浓度沿水流方向变化不大。

3)在时间分布上，夏季水体中DOC、POC深度最高，春秋季次之，冬季最低。

4)DOC、POC浓度均存在一定的季节内差异性变化。

5)塘西河水体中POC、DOC主要来源于内源，即水生植物的生长代谢产物，但陆源有机物输入对水体POC浓度能够产生一定的影响。

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Seasonal variations and sources of particulate and dissolved organic carbon in Tangxihe River

ZHANG Jin-liu, BAO Xiang, CAI Jing-min, WU Ke, YU Zhi-min, JIN Jie

(Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China)

Based on the survey data of particulate organic carbon (POC) and dissolved organic carbon (DOC) concentration in Tangxi River from July 2014 to June 2015, its spatial and temporal distribution characteristics were studied, and the source of POC was analyzed combined with correlation of POC, DOC, TOC, POC and C/N. The results showed that DOC annual average mass concentration in Tangxi River water range was between 2.53-3.91 mg/L, DOC accounted for more than 60% of total organic carbon, POC mass concentration ranged from 1.62 to 2.53 mg/L. In the spatial distribution, the DOC concentration annual average value increased gradually from 1#to 5#sampling site, the POC concentration average value changed slightly at each sampling site. In the temporal distribution, DOC and POC concentrations were higher in summer than that in spring and autumn, and the lowest in winter. Result showed that the concentrations of DOC and POC changed in each season.

POC; DOC; seasonal variation; source; C/N; Tangxi River

2016-05-18；

2016-05-25

安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2014A214)；高校优秀中青年骨干人才国内外访学研修重点项目(gxfxZD2016212)；合肥学院人才基金项目(13RC04)

张金流，博士，讲师，主要从事环境地球化学研究，E-mail: zhanggolden@163.com

X143

A

2095-1736(2017)02-0058-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.058