亚热带典型流域C、N沉降季节变化特征及其耦合输出过程

马明真,高 扬,*,郝 卓

1 中国科学院地理科学与资源研究所, 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101 2 中国科学院大学, 北京 100049

大气沉降主要通过三种形式进行：湿沉降、干沉降和云沉降[1-2]。大气湿沉降是指通过大气降水(包括降雨和降雪等)冲刷大气中污染物的过程。雨水中的碳氮主要是来源于陆地工农业和畜牧业生产活动产生的污染物以及植被和人类排放的易挥发有机物等向大气中的排放[3-4]。湿沉降是流域生态系统水体中碳氮的重要来源[5-6],除了雨水本身携带的碳氮直接进入水体外,降雨过程对土壤产生的冲刷作用还会使流域土壤碳氮转移到河道中,影响水体碳氮含量以及流域碳氮输移,进而改变碳氮循环过程[7- 9]。

随着人类活动导致的大气污染情况的加剧,雨水中的溶解性有机碳(DOC)和总氮(TN)浓度有不断上升的趋势,已成为降雨中的主要化学组分[10]。DOC的输送转化过程是森林流域水体碳循环的关键环节[11],是河流有机碳输送的重要形式[12],其主要成分是溶解态腐殖酸类,对水体pH值会产生一定的影响,DOC的增加会降低水体能见度、并有利于重金属污染物的转移[13-14]。大气氮沉降对水生生态系统的氮循环有重要影响[15],随着氮沉降的增加,水生生态系统中氢也会增加,使水体酸化,对初级生产者的生长繁殖的刺激作用将导致流域水体的富营养化,过量氮沉降还会对水生动物的生存、生长和繁殖能力产生毒害作用[8,16]。水中营养物质的化学计量比可以影响浮游生物的生长和组成[17],在一些研究中,Redfield 比值是定量确定营养限制因子的一个重要依据[18],因此大气沉降中的碳氮耦合关系及降雨过程对水体碳氮的影响过程对流域水生生态系统的健康具有重要意义。

目前,国内关于湿沉降影响流域碳氮循环的研究已经有一些报道[10,13, 19],但是大部分都是针对单一的碳素或者氮素进行,另外,生态系统中的碳氮耦合过程也有不少研究,主要集中在农田生态系统或土壤和植物的碳氮过程[20-21],从碳氮耦合的角度出发对流域碳氮沉降作用及输出过程关系以及整体碳氮平衡进行的研究相对较少。因此,本文通过对江西泰和县千烟洲试验站的流域进行研究,分析亚热带森林流域降雨过程的碳、氮湿沉降和径流过程的季节性动态特征,探讨流域沉降、径流输出的C、N耦合及平衡关系,在碳排放和氮沉降持续增加的背景下,研究分析当地的生态环境问题,为该流域森林生态系统的可持续发展和科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省吉安市泰和县灌溪镇桃源村境内的中国科学院千烟洲红壤丘陵综合开发试验站(115°04′13″E,26°44′48″N)(图1)。地处亚热带季风气候区域,区内为典型亚热带红壤丘陵地貌类型,地势呈西南高东北低趋势,为典型亚热带流域,平均海拔高度为110.8 m,年均气温17.9℃,2010—2015年均降水量1442 mm,降雨量季节分配不均匀,3—9月为流域雨季,降雨量占全年的70%左右,年均相对湿度84%[22]。香溪流域总面积为97.38 hm2,小流域内土地利用方式主要为林地、农业用地、草地等典型利用方式,其中林地面积最大,植被种类以马尾松和湿地松为主,农业用地以水田、桔园为主。流域内香溪河从A点开始汇集,流经林地、稻田、桔园,以G点为出水口,经H点汇入架竹河,架竹河水系为赣江流域的二级支流,最终汇入鄱阳湖水系。

图1 流域采样点分布及土地利用方式Fig.1 Distribution of sampling points and land use patterns in the watershed上游：A、B、C,中游：D、E、F,下游：G、H

1.2 采样方法

水样采集：在千烟洲香溪流域综合考虑了空间分布、土地利用类型及采样便利等因素均匀的设立8个常规采样点(图1),分别为上游的A、B、C,中游的D、E、F,及下游的G、H,依次流经水塘,稻田,桔园等不同的土地利用类型。设立的这8个常规采样点,2014年7月—2015年8月每月采集常规水体样品2 次(分别在每月的9号和19号进行人工采样)。在试验区屋顶安装雨量计,每次降雨后,雨量计收集雨水,人工采集雨水进行分析。在流域水文站点处(图1 G点)设置一台ISOC6710水沙自动采样装置,降雨后进行径流水样的采集。将降雨触发模块设置为5 mm(即降雨量超过5 mm时,自动采样装置开始采集地表径流),当降雨触发模块运行后,每隔30 min自动采集200 mL径流样,直到收集完24个样品。该仪器同时实时监测水位,流量以及流速的变化。将收集的水样分装到聚乙烯塑料瓶(100 mL),样品采集后立刻送往实验室,放置于冰箱保存并在一月内取回至中科院地理所进行试验分析。

土壤样品采集：在试验区按桔园、针阔混交林、湿地松和马尾松四种土地利用方式进行土壤样品的采样,每种林地选取3个样点,按0—10、10—20、20—40 cm和40—60 cm用土钻分层取样,土壤放入密封袋中于冰箱中保存,次日带回至地理所地下室自然风干一周,过2 mm筛,用球磨仪粉碎后装入密封袋保存待测。

1.3 样品分析

1.4 数据分析

1.4.1沉降通量计算方法[23]

采用式(1)对碳氮湿沉降通量进行计算：

(1)

式中,F代表沉降通量(kg/hm2),P代表逐月降雨量(mm),c代表雨水中物质的浓度(mg/L)。

1.4.2径流量及碳氮排放负荷的计算方法[24]

地表径流量的计算公式：

(2)

碳氮排放负荷计算公式：

(3)

式中,x为径流量(m3)；qt为t时刻的流量(m3/s)；qi为样本i在监测时的流量(m3/s)；yi为第j种污染物的排放负荷(g)；ct为t时刻径流中第j种污染物的浓度(mg/L)；ci为第j种污染物在样本i监测时的浓度(mg/L)；Δt为样本i和i+1的时间间隔(s)。

2 结果与分析

2.1 流域湿沉降季节变化

2.1.1 流域年降雨变化特征

由图2中可以看出,千烟洲香溪流域降雨季节差异较为明显,3—9月雨水丰沛,占全年降雨量的60%—80%,年际变化较大。流域降雨事件以中小雨为主(日降雨量小于10 mm为小雨,10—25 mm 为中雨,25—50 mm为大雨,50 mm以上为暴雨),2014年和2015年降雨天数共336 d,大雨及以上天数仅为34 d。另外,2015年极端降雨事件发生频次高于2014年。2014年共出现4次日降雨量50 mm以上的暴雨事件,全年没有出现超过100 mm的大暴雨事件；2015年共出现4次暴雨事件和2次大暴雨事件。

图2 流域2014—2015年月降雨变化特征Fig.2 Variations of monthly rainfall in the watershed from 2014 to 2015

2.1.2 流域C、N湿沉降季节变化

图3 流域和DOC湿沉降和雨水pH变化特征Fig.3 Variations of TN, DTN and DOC wet deposition and pH in rainwaterTN:Total Nitrogen,总氮；DTN: Dissolved Total Nitrogen,溶解性总氮;DOC∶ Dissolved Organic Carbon,溶解性有机碳

2.2 流域径流C、N变化特征

2.2.1 季节变化特征

图4 流域降雨径流中和DOC含量和pH变化特征Fig.4 Variations of TN, DTN and DOC contents and pH in rainfall-runoff

2.2.2 次降雨事件流域径流C、N动态变化

从观测到的19场降雨径流中选取4场不同降雨强度的典型降雨事件对碳氮输出动态特征进行分析,2015年3月15日、3月16日、5月19日和8月9日的降雨量分别为12.0 mm(中雨)、7.0 mm(小雨)、100.0 mm(暴雨)、46.9 mm(大雨)。4场降雨均出现了不同程度的径流峰值(图5),暴雨条件下的径流量在整场降雨事件中均处于较高的状态,降雨初期的径流峰值非常明显,高达0.866 m3/s,达到峰值后,径流量快速下降,后期径流量一直处于下降状态；大雨条件下的初期径流峰值也较为明显,为0.131 m3/s,达到峰值后径流量快速下降至平稳水平；中雨和小雨条件下径流过程也有一定的峰值,但不太明显,分别为0.026 m3/s和0.035 m3/s,整体径流量波动较小。

图5 不同强度降雨径流过程的径流量 Fig.5 Rainfall-runoff with different rain intensity in rainfall events

3 讨论

3.1 流域C、N耦合特征

雨水DOC是世界上大部分地区降雨中溶解物质的一个主要组成部分[5],研究表明降雨中的DOC主要是来源于陆地有机污染物向大气中的排放,比如化石燃料燃烧后的废气排放、工业废气排放以及植被和动物排放的易挥发有机物等[3,10,25-26]；雨水中的氮主要来自于工农业和畜牧业生产活动[7,27]。本研究中大气降水中的DOC浓度平均为5.28 mg/L,高于吕茂奎等[28]在福建三明地区的研究(1.90 mg/L)和罗艳等[29]在鼎湖山地区的研究(3.70 mg/L),说明观测期间香溪流域的空气污染情况较为严重[5],考虑到采样地区位于农村,人口和机动车辆较少,也无工厂等污染源,其污染可能来自附近城市的大气转移。香溪流域大气降水中的TN浓度平均为5.91 mg/L,回归分析表明,雨水中DOC浓度和TN浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)(图7),说明香溪河流域上空大气中的DOC和TN可能存在相近的污染来源,比如化石燃料燃烧释放的废气(含大量的有机碳氮)等,且这种来源可能是导致香溪河流域空气污染的主要因素,并引起了雨水中碳氮的耦合效应。

图7 流域雨水沉降、降雨径流和常规水体输出的碳氮线性拟合及pH对其的影响和土壤中碳氮线性拟合关系Fig.7 Fitting linear relationship of C and N in wet deposition, rainfall-runoff and conventional water body; effect of pH on it; and fitting linear relationship of C and N contents in soil

降雨径流过程中DOC和TN浓度与流域的土壤侵蚀过程相关,随着降雨等水文过程变化[9]。不同降雨强度下的雨水对土壤产生的冲击侵蚀进程差异较大,径流中的碳、氮浓度变化对不同强度降水的响应明显不同(图6),中、小雨条件下径流输出的碳氮比与大、暴雨有极显著差异(P<0.01),Gao等[8]的研究表明,不同的降雨事件引起的土壤侵蚀过程可能会导致氮素的吸附或解吸。图7中的径流样品来自不同的降雨事件,尽管雨水和土壤中的碳氮都有极显著的正相关关系(P<0.01)(图7),但是由于每次降雨事件对土壤的冲刷力度以及对土壤中有机质和氮素的作用不同,降雨径流输出的DOC和TN浓度无显著相关性(P=0.38)(图7),即径流过程中的不同降雨强度对土壤的冲刷力度不同导致了径流中碳氮耦合现象的消失。

图8 流域雨水、径流、常规水体和土壤中的C∶N Fig.8 C∶N in rainfall, rainfall-runoff, conventional water bodies and soil

流域水体DOC的外源和内源分别是降雨径流输入以及对土壤的侵蚀冲刷输入和河流内浮游植物的生长释放[30-31]。香溪流域常规水体中的DOC浓度均值为8.51 mg/L,高于全球河流平均水平5.75 mg/L[30]。研究表明,温度、降水以及地表径流量对流域水体DOC含量有显著影响[32- 34],香溪河流域全年70%左右的降雨集中在雨季高温时期,此时植被生产力较高,地表及土壤中有机物质含量较高,极易被雨水冲刷流失,导致水体DOC含量偏高。回归分析表明,流域常规水体中的DOC和TN浓度呈显著负相关(P<0.05),河流氮素的输入增加会刺激微生物的生长,影响微生物的数量和组成,进而影响微生物种群之间的竞争关系,最终影响DOC的分解和吸收[35],另外,DOC在生物反硝化脱氮进程中有重要作用[36],有机碳源既作为反硝化菌合成细胞的能源,又作为反硝化反应中的电子供体,能促进水体氮素转化为N2O和N2从水体释放到大气中,从而降低水体TN含量,所以,微生物可能是引起流域常规水体中碳氮耦合现象的主要因素。

3.2 评估流域C、N输入输出平衡森林流域的碳氮收支平衡在维持生态系统功能及稳定性方面具有重要意义[48-49]。

图9 基于降雨驱动的流域C、N输入输出平衡示意图/(kg hm-2 a-1)Fig.9 Schematic diagram of C, N input and output balance based on rainfall-driven

香溪河流域降雨径流输出DOC和TN通量为10.21 kg hm-2a-1和14.29 kg hm-2a-1,分别占湿沉降通量的14.7%和18.5%。说明流域内植物和土壤截留了大部分降雨沉降的营养物质。有研究表明降雨带入的氮是农田生态系统氮素补给的重要来源,为辽宁省氮肥施用量的11.3%[55]。资料显示,香溪流域内氮肥年均使用量约为189.98 kg hm-2,生态系统截留的沉降氮素占其33.13%,可见大气降水对亚热带流域生态系统的营养物质输入量非常之大,其影响不容忽视。

查阅千烟洲相关文献,可以得到土壤N2O排放通量为0.6 kg hm-2a-1[56],生态系统净交换CO2(Net Ecosystem Exchange,NEE)通量为-3872 kg hm-2a-1[57]。在不考虑人类农业活动(施肥、收获、耕种固氮作物等)等过程对流域生态系统碳氮平衡影响的情况下,得出碳收支情况为+ 3931.20 kg hm-2a-1,氮收支为+ 62.34 kg hm-2a-1,即流域在自然情况下既为碳汇,又为氮汇,由于植物光合作用驱动的碳吸收通量远高于沉降及径流输出通量,降雨过程对流域碳输入输出平衡影响较小,对氮的输入输出平衡的影响较大。

4 结论

通过本研究发现亚热带流域大气降水中的DOC浓度平均为5.28 mg/L,TN浓度平均为5.91 mg/L,雨水中DOC浓度和TN浓度呈极显著正相关关系。各水体中营养物质来源是影响碳氮关系的主要因素,香溪河流域常规水体C∶N均值为2.81,远低于根据Redfield比率得出的适宜浮游生物生长的C∶N(6.6左右),说明外源性N输入导致该流域水体环境处于N过量的状态,长期输出会提高下游鄱阳湖水系的营养化程度。流域湿沉降DOC年输入量为69.41 kg hm-2a-1,TN湿沉降通量为77.23 kg hm-2a-1,碳氮沉降水平受区域降雨量及空气污染情况控制。大气营养物质对亚热带流域生态系统的营养输入不容忽视,在不考虑人类活动(施肥、收获、耕种固氮作物等)干扰情况下,流域既为碳汇,又为氮汇,降雨过程对流域碳输入输出平衡影响较小,对氮的输入输出平衡的影响较大。