烏江梯級水庫碳氮耦合的生物地球化學循環

王寶利，劉叢強，汪福順，劉小龍，彭　希，趙顏創

（1.中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴陽　550002；2.上海大學環境與化學工程學院，上海　200444；3.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津　300387）

烏江梯級水庫碳氮耦合的生物地球化學循環

王寶利1，劉叢強1，汪福順2，劉小龍3，彭希1，趙顏創1

（1.中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴陽550002；
2.上海大學環境與化學工程學院，上海200444；
3.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387）

以烏江梯級水庫及相關河段為研究對象，對溶解含量的時空變化特征進行了研究.溶解CO2平均值為（113.6±105.7）μmol·L-1，變化為1.6～934.6μmol·L-1；NO-3平均值為（163.0±104.9）μmol·L-1，變化為0.4～632.0μmol·L-1.水庫采樣點溶解CO2和NO-3的含量以及振幅均小于相應河流采樣點.由于來源及影響因素不同，河流采樣點不存在顯著性相關.筑壩建庫后，水庫浮游植物生物作用增強，成為影響物質循環的重要因素.光合作用和呼吸作用將C和N的生物地球化學循環耦合在一起，致使水庫表現出顯著性相關.研究結果表明，梯級水電開發顯著改變了原始河流C和N的生物地球化學循環特征.關鍵詞：碳氮耦合；浮游植物；呼吸作用；水電開發；烏江

河流梯級水電開發是目前影響河流自然屬性的重要人為擾動事件.筑壩攔截擾亂了自然河流的洪水脈動周期以及依靠洪水過程塑造的河流水環境自然特性和作用過程（如營養補給、河床形態）［1］.由于水量、物質等的上下承接關系，河流梯級水庫表現出更為復雜的累積效應.水庫既具有水體溫度、營養鹽分層等湖沼學特點，又具有底層泄水和反季節蓄水等水電站人為調控的特點［2-3］，最終演化形成了特有的元素的生物地球化學循環.

1　研究區域概況

烏江是貴州省第一大河，是長江上游右岸的一級支流，全長1 037 km，徑流量534億m3，落差2 124 m.烏江梯級水電開發較早，是中國西電東輸工程的主要河流之一.研究區為亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫為12.3℃，最高氣溫35.4℃，最低氣溫-10.1℃，最冷月（1月）平均氣溫為3.5℃，最熱月（7月）平均氣溫為26℃.年均降雨量為1 100～1 300 mm，主要集中在5—10月，其降雨量約占全年總降雨量的75%.烏江流域屬于喀斯特巖溶地貌，其水化學由碳酸鹽礦物風化控制，主要離子為Ca2+，，Mg2+和.

2　樣品采集與分析

采集時間為2007年7月—2008年6月，采集地點為烏江中上游的11個采樣點（見圖1），每月1次進行了水樣采集.入庫河流點（W1，W2和M1～M4）僅采集表層水樣，而水庫采樣點（W3～W5和M5，M6）則分層采集水樣.分層水樣用5 L的Niskin采樣器收集.洪家渡水庫（W3）、東風水庫（W4）和烏江渡水庫（W5）采樣深度分別為0，5，15，30，60 m，紅楓水庫（M5）采樣深度分別為0，3，6，10，15，25 m，百花水庫（M6）采集深度分別為0，5，10，15，20 m.

用水質參數儀YSI-6600（美國金泉公司生產）原位測定酸堿度（pH）、水體溫度、溶解氧（dissolved oxygen，DO），并用鹽酸現場滴定水樣堿度.采集的水樣用0.70μm的玻璃纖維濾膜（Whatman GF/F）過濾并分裝于相應的容器中，用于測定陰陽離子.在用于測定陽離子（Ca2+， Mg2+，K+和Na+）的水樣中加入超純HNO3，并酸化至pH＜2；用于測定陰離子Cl-和）的樣品直接封裝后冷藏保存.陰離子采用ICS-90型離子色譜儀（美國Dionex公司生產）進行測定，檢測限為0.01 mg/L；陽離子用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）進行測定，檢測限為0.01 mg/L.

水樣溶解CO2的濃度利用堿度、pH和解離常數計算獲得，其中各種常數用溫度和離子強度進行校正，具體計算方法見文獻［5-7］.

3　結果

3.1基本參數

水體溫度為5.5～30.2℃，平均值為16.2℃；pH值為6.93～9.29，平均為7.85.烏江干流的水體溫度和pH值均略高于支流貓跳河，但相應河流點和水庫點的平均值并未發現有顯著差異（見表1）.DO為0～482.2μmol·L-1，平均值為206.2μmol·L-1.烏江干流和支流DO平均值無顯著性差異，但水庫點DO表現出更大的變化幅度（見表1）.各水庫點溶解氧在秋季均發生了明顯的分層現象（見圖2）.

圖1　烏江采樣點位圖Fig.1 Map showing sampling locations and sample numbers in the Wujiang River

表1　研究區域水化學基本概況Table 1 Basic water chemistry in the studied area

圖2　水庫剖面上溶解CO2，及DO的月變化Fig.2 Monthly depth profiles of dissolved CO2，NO-3and DO in the reservoirs

3.2溶解CO2的時空變化

水體溶解CO2為1.6～934.6μmol·L-1，平均值為113.6μmol·L-1.烏江干流CO2平均值低于支流貓跳河；水庫CO2平均值和波動比相應的河流點要低（見表1）.CO2在水庫剖面發生了明顯的化學分層，表層濃度遠低于底層；分層作用在夏、秋兩季較為明顯，且支流水庫CO2剖面變化明顯大于干流水庫（見圖2）.

4　討論

4.1河流溶解CO2和的來源及影響因素

河流溶解CO2主要有以下來源：①河道內有機質的降解生成的CO2；②土壤水中的CO2（通過地表徑流進入河流）；③巖石風化生成的轉化生成的CO2+H+H2CO3H2O+CO2）；④大氣CO2（通過交換進入水體）.有機質降解生成的CO2為河流溶解CO2的主要來源.有機質降解會產生大量的CO2，致使河流表層CO2分壓遠大于大氣CO2分壓［8］.河流是以呼吸作用為主，從而不斷向大氣排放CO2，成為大氣CO2的源.地質地貌、植被類型、土地利用方式等影響到河流有機質的種類和數量，進而影響到河流溶解CO2的濃度.此外，水流、風速和溫度等水文地球化學參數影響河流水氣界面CO2交換，容易引起河流溶解CO2濃度的劇烈波動.

烏江干支流河流點的CO2和不存在顯著性相關（見圖3（a）），這表明河流溶解CO2和不存在耦合關系.由河流溶解CO2和的來源及影響因素可以看出，二者缺乏耦合的物質基礎和地球化學過程.

4.2水庫溶解CO2和耦合的生物地球化學機制

河流經過大壩攔截，形成水庫.相對河流而言，水庫水流減緩，水深加大，營養物質滯留時間增長.這些環境變化有利于浮游植物的生長，從而使光合作用逐漸成為影響水庫物質循環的主要生物作用.表層浮游植物通過光合作用，吸收合成有機質（organic matter，OM），同時放出氧氣（O2）.合成的有機質在向底部的沉降過程中，經微生物分解，發生呼吸作用最終生成CO2和，同時消耗O2（見圖4）.浮游植物驅動的物質循環消減了河流CO2和的寬幅波動（見表1），成為控制水庫C，N循環的主導因素.

圖3　溶解CO2與的關系Fig.3 Dissolved CO2versus

圖4　水庫碳循環示意圖Fig.4 Sketch map for carbon biogeochemical cycle in a reservoir

烏江干支流水庫剖面CO2和表現出顯著的正相關關系（見圖3（b）和（c）），這說明剖面的光合作用和呼吸作用將二者正向耦合在一起.呼吸作用消耗O2，當O2濃度小于62.5μmol·L-1時，O2已經不足以支持有機質繼續進行有氧呼吸［12-13］，這樣有機質轉而開始無氧呼吸，消耗生成CO2（（CH2O）106（NH3）16（H3PO4）+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+ 16NH3+H3PO4），從而使二者表現出顯著的負相關關系（見圖3（d））.無氧呼吸因水庫不同而不同，其中烏江干流水庫僅有2.8%的數據點O2濃度小于62.5μmol·L-1；而支流貓跳河水庫則有21.5%的數據點O2濃度小于62.5μmol·L-1.支流貓跳河紅楓水庫和百花水庫均處于富營養化狀態，而干流只有烏江渡水庫處于富營養化狀態［14］，這使得支流水庫底部的無氧呼吸遠多于干流水庫，因此不能忽略不計.

5　結束語

烏江溶解CO2和在河流點和水庫剖面點顯示出不同的生物地球化學循環特征.溶解在剖面上表現出明顯的化學分層，分層現象在夏、秋兩季最為顯著.河流點溶解不存在顯著的相關關系.河流筑壩截流形成水庫，浮游植物生物作用增強，表層的光合作用和底層的呼吸作用將的生物地球化學循環耦合在一起，從而使二者表現出顯著的相關關系.

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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

國家重大科學研究計劃資助項目（2013CB956703）；國家自然科學基金資助項目（41473082）；中國科學院“西部之光”人才培養計劃

王寶利（1976—），男，副研究員，博士，研究方向為環境地球化學.E-mail：baoliwang@163.com