烏江流域下游梯級水庫沉積物中木質素的特征及有機碳來源辨析

黃佳琦，林 昕，汪福順，馬 靜

(上海大學環境與化學工程學院，上海 200444)

內陸水作為全球碳循環中的重要一環，在解決碳失匯問題上受到了廣泛的關注[1]. 從陸地向內陸水輸送的碳通量難以測量. 通過模型，估算出內陸水輸送到海洋的碳通量約為1 Pg/a[2-3]，內陸水儲藏的碳約為0.6 Pg/a[4]，內陸水在輸送過程中通過溫室氣體排放到大氣中的碳約為3.9 Pg/a. 通過以上內陸水中碳的3 種主要歸宿，估算得出陸地向內陸水輸送的碳通量大約為5.1 Pg/a[5-6]. 由于受到估算數據準確性的限制，以及如人工筑壩、大量營養鹽輸入等人為活動的影響，碳循環機制研究的難度和復雜性進一步加劇.

與天然河流相比，水庫具有集水區面積相對較小，但碳埋藏速率相對較高的特點[7]. 有研究表明，水庫每單位面積的平均有機碳(organic carbon，OC)埋藏速率是自然湖泊的6 倍[8].一方面，由于水庫反季節蓄水的特征破壞了天然河流的連續性和洪水脈動特性，筑壩攔截增加了水體的滯留時間，使得陸源有機碳更容易被攔截并沉降，最終埋藏于水庫沉積物中; 另一方面，整體營養結構的改變致使水庫初級生產力增加，產生更多的內源有機碳并埋藏于沉積物中. 全球范圍水庫所固定的有機碳通量預計將從1970 年的(13.2±3.6) Tg/a 增至2020 年的(26.4±7.2) Tg/a[9]. 因此，內源碳可以看作是真正的有效碳匯[10]. 如何準確區分水庫沉積物中有機碳的來源在評價水庫碳匯水平時顯得尤為重要.

木質素作為僅能在陸地維管植物中發現的一種大分子有機物，具有含量大、降解難等特點，是指示陸源有機質的一種有效生物標志物. 木質素氧化降解后衍生的酚類物質被大量應用于河口及陸架區域中陸源有機碳辨識的研究[11-12]. 結合木質素生物標志物和傳統整體指標法可以減小C4 植物辨析所引起的誤差. 烏江流域位于中國西南喀斯特地貌地區，是長江上游南岸最大的支流，已經進行了極具特色的梯級筑壩體系開發，是研究梯級水庫的理想對象. 本工作采集了烏江下游兩座大型深水水庫中的柱狀沉積物，綜合沉積物中有機碳、有機碳穩定同位素(δ13C)，以及消解后的木質素生物標志物指標(Σ8 和Λ8)，探究了梯級筑壩攔截影響下水庫陸源有機碳的分布特征和降解模式，并利用三端元模型進行了有機碳來源辨析，討論了梯級筑壩對沉積物中有機碳埋藏的影響.

1 實 驗

1.1 研究區域

思林水庫(Siling Reservoir，SLR)和彭水水庫(Pengshui Reservoir，PSR)位于烏江流域下游(見圖1)，均為峽谷型水庫，且運行時間相同、海拔相近、水庫形貌相似，均屬于月調節型水庫. 兩座水庫地理位置相隔較遠，且PSR 上游有一座新建的沙沱水庫. 沙沱水庫控制流域面積為54 508 km2，占整個烏江流域的62%，庫區容積為9.1×109m3，是下游PSR 的11.2 倍[13]. 選擇PSR 還可以探究上游梯級筑壩對下游水庫中沉積物有機碳的影響[14].

圖1 烏江梯級水庫采樣點地圖Fig.1 Sampling sites of the cascade reservoirs in the Wujiang River

1.2 沉積物樣品的采集與分析

使 用 柱 狀 沉 積 物 采 樣 器 分 別 在SLR(27°44′59′′N，108°6′43′′E)和PSR(29°8′14′′N，108°16′36′′E)采集了兩根柱狀沉積物樣品，其中SLR 沉積柱長度為38 cm，位于SLR 中段，PSR 沉積柱長度為32 cm，位于壩前. 將沉積物以1 cm 為一層分開，共得到70 份樣品. 用經無菌化處理過的鋁箔包裹樣品并用塑封袋密封，將其置于實驗室-29°C 冰箱中進行保存，等待進一步處理.

表1 思林水庫和彭水水庫的基本參數Table 1 Basic parameters of SLR and PSR

用濃鹽酸去除樣品中的無機碳，再用元素分析儀(FLASH2000HT，Thermo Fisher Scientific，MA，USA)測定樣品中的總有機碳(total OC，TOC)和總氮(total nitrogen，TN). 使用穩定碳同位素分析儀(EA-IRMS，FLASH2000HT，Thermo Fisher Scientific，MA，USA)測定樣品的碳穩定同位素(δ13C).

沉積物中木質素含量分析的前處理過程如下: 將分層后的沉積物冷凍干燥稱重后，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入氧化銅粉末和Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O，在手套箱中加入15 mL NaOH 溶液，在150°C，20 atm (1 atm=101 325 Pa)狀態下消解90 min(WX6000 微波消解儀，上海屹堯儀器科技發展有限公司); 反應結束后加入反式肉桂酸和乙基香蘭素兩種回收內標物，取上清液轉移至離心管中，以轉速3 000 r/min 離心10 min，使用超純水清洗消解罐和離心產物，再次離心，重復3 次，合并上清液; 酸化上清液至pH=1; 采用PEP-SPE 小柱(Cleanert-PEP，150 mg/6 mL，天津博納艾杰爾科技有限公司)凈化，依次用5 mL 乙酸乙酯、甲醇和超純水活化SPE 小柱，載入樣品，真空抽干; 加入5 mL 乙酸乙酯洗脫目標物，洗脫液氮吹至近干，加入1 mL 的乙腈溶液定容，等待進氣相色譜質譜聯用儀(gas chromatography/mass spectrometer，GC/MS)分析. 采用柱前衍生法，取50 μL 乙腈復溶樣品和150 μL 99%BSTFA+1%TMCS 衍生劑混合于內襯管中，70°C 條件下反應10 min，反應完成后立即上機檢測. 分析儀器為日本島津質譜聯用儀(GC/MS，QP2020)，利用DB-1 石英毛細血管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)進行分離，載氣He 恒流1.5 mL/min，采用無分流進樣，進樣量為1 μL. 升溫程序為初始溫度100°C，以8°C/min 的速度升至170°C，保持5 min，再以10°C/min 的速度升至300°C，保持4 min. 離子源溫度設為230°C，進樣口溫度為300°C，掃描模式為單離子檢測掃描(single ion monitoring，SIM). 木質素各單體采用內標法通過標準曲線進行定量分析，內標物反式肉桂酸和乙基香蘭素的回收率為70%～110%.

木質素被分解為4 個大類，即對羥基(P)系列、香草基(V)系列、丁香基(S)系列和肉桂基(C)系列; 11 種單體，即對羥基苯甲醛、對羥基苯乙酮、對羥基苯甲酸、香草醛、香草酮、香草酸、丁香醛、丁香酸、乙酰丁香酮、對香豆酸和阿魏酸. 木質素的基本參數和意義如表2 所示.

表2 木質素參數及其意義Table 2 Lignin parameters and their significance

1.3 端元模型與蒙特卡洛模擬

采用以δ13C 和100 mg 有機碳中木質素氧化分解產物中S，C 和V 系列的總量Λ8 為標記的三端元混合模型. 三端元模型通過建立沉積物中OC 的3 個來源端元，使用不同端元的Λ8 和穩定碳同位素(δ13C)定量區分了SLR 和PSR 沉積物中的OC 來源. 該模型由以下方程式組成:

式中:f是每種OC 來源的相對比例; soil 是指土壤端元; phyt 是指淡水浮游植物端元;plant 是C3 維管植物端元. 使用的假設如下: Λ8soil= (0.76±0.38) mg/100 mg OC，Λ8plant= (15±5) mg/100 mg OC[15]，并且一般認為淡水浮游植物不包含Λ8; δ13Csoil=-24.37‰±1‰(本課題組數據)，δ13Cphyt=-29.1‰±2‰[16]，δ13Cplant=-27‰±2‰[17]. 通過Matlab 編程軟件，利用蒙特卡洛模擬估算出沉積物中OC 各個端元的相對貢獻值.

2 結果與討論

2.1 梯級水庫蓄水對沉積物中木質素參數的影響

圖2 描述了兩個水庫柱狀沉積物中木質素含量Σ8 和Λ8 與沉積柱深度的關系. 由圖2(a)可知，SLR 沉積柱的Σ8 值呈現出由深層到淺層逐漸增大的變化趨勢，且變化幅度較大，在0.83～2.97 mg/10 g dw 之間，平均值為1.51 mg/10 g dw. 淺層沉積物(0～20 cm)中Σ8 值的變化程度較大可能有兩個原因: 一是淺層沉積物沒有受到壓實作用，對陸源有機物輸入(如降雨)的變化影響較為敏感; 二是烏江流域正在進行完整的流域開發，多個水庫的建設和蓄水可能對陸源有機碳的輸入量影響較大. 有研究表明，氣候變化導致的降雨量變化對水庫沉積物中木質素含量的影響很大[18]. 因此，推測SLR 的Σ8 值變化主要受降雨量的影響. 由圖2(b)可知: PSR 沉積柱的Σ8 和Λ8 值呈現出由深層向淺層逐漸減小的變化趨勢，Σ8 值為0.55～1.44 mg/10 g dw，平均值為0.96 mg/10 g dw; Λ8 值的變化趨勢與Σ8 值完全一致.這可能是由于PSR 上游新建的沙沱水庫，使得水利滯留時間長，表現出了明顯的攔截效應，對懸浮顆粒物的輸送造成了較大的影響，致使PSR 沉積物中木質素輸入減少. 此外，PSR 沉積柱位于壩前，而已有研究指出，靠近大壩深水區的底部沉積物反映的是懸浮泥沙的積累[19]，新鮮植物碎屑較少，木質素含量較為穩定.

圖2 木質素含量參數Σ8 和Λ8 與SLR，PSR 沉積柱深度之間的關系Fig.2 Relationships between the lignin content parameters Σ8，Λ8 and the depth of SLR，PSR sediment cores

烏江流域在重慶市匯入長江三峽水庫，所以將烏江流域水庫與三峽水庫對比有重要意義. 比較SLR，PSR 與三峽水庫沉積物中木質素含量參數發現: 三峽水庫Σ8 平均值為1.26 mg/10 g dw，處于SLR 和PSR 的中間水平[20]; Λ8 平均值為1.35 mg/100 mg OC，高于SLR(0.77 mg/100 mg OC)和PSR(0.81 mg/100 mg OC). 這可能是由于三峽水庫沉積物的總有機碳含量低于烏江流域水庫，反映出烏江流域梯級水庫與三峽水庫之間的空間異質性[21].

木質素母源植被信息參數S/V 被用來區分被子植物和裸子植物. SLR 沉積柱S/V 平均值為1.04(見圖3(a))，PSR 沉積柱S/V 平均值為0.74(見圖3(b)). 這一結果表明，兩個水庫沉積柱中的木質素主要來源于被子植物. SLR 沉積柱中S/V 值在接近表層時出現了一定程度的增加，表明SLR 周邊的植物群落可能出現了一些改變，被子植物的占比有所增加. C/V 值被用來區分樣品來源于維管植物的草本組織或是木本組織. SLR 沉積柱C/V 平均值為0.28(見圖3(a))，PSR 沉積柱C/V 平均值為0.16(見圖3(b)). 這一結果表明，兩個水庫沉積柱中的木質素主要來源于草本組織，而PSR 沉積柱中的木本組織也有一定貢獻量. 這可能是由于PSR 周邊裸子植物占比較大，而裸子植物主要是高大的喬木，其木本組織的含量較大. 烏江流域水庫周邊植物種群與三峽水庫接近(S/V=0.93，C/V=0.29)[20]. 木質素母源植被信息參數反映出水庫蓄水可能對水庫周邊原始植物群落的形態與優勢種造成了一定影響.

P/(V+S)值指示的是樣品中木質素的去甲基/去甲氧基程度. SLR 沉積柱P/(V+S)趨勢非常平穩，平均值為0.25(見圖3(c)). PSR 沉積柱P/(V+S)整體趨勢由深層向淺層略有增加(見圖3(d))，與加拿大卡邦加水庫的情況[22]相似. 這一結果說明，SLR 和PSR 沉積物中木質素的去甲基/去甲氧基水平都處在一個非常低的水平. 在SLR 和PSR 沉積柱中，Pn∶P 都表現出了與P/(V+S)完全相反的波動趨勢，并且Pn∶P 的值較小，說明沉積物中陸源有機碳貢獻較小(見圖3(c)和(d)).

V 和S 系列中酸類單體與醛類單體的含量比(Ad/Al)v和(Ad/Al)s是評價樣品中木質素側鏈氧化降解水平的指標. SLR 沉積柱(Ad/Al)s平均值為0.37，(Ad/Al)v平均值為0.33，小于0.39(見圖3(e)). PSR 沉積柱(Ad/Al)s平均值為0.32，(Ad/Al)v平均值為0.32，均小于0.39(見圖3(f)). 這一結果表明，SLR 和PSR 沉積柱中木質素的側鏈氧化降解程度較低，小于三峽水庫((Ad/Al)v=0.43，(Ad/Al)s=0.36)[20]. SLR 和PSR 沉積物中木質素的側鏈氧化程度和去甲基/去甲氧基化水平都處于較低的水平，說明SLR 和PSR 沉積物中木質素的降解可能是由棕腐菌和白腐菌混合作用的模式[23].

圖3 SLR，PSR 沉積柱中木質素母源植被信息及降解參數與沉積柱深度的關系Fig.3 Relationships between the information of lignin source vegetation，degradation parameters and the depth of the SLR，PSR sediment cores

2.2 利用三端元模型對梯級水庫蓄水前后內外源有機碳占比的分析

SLR 沉積柱三端元模型分析數據顯示: 土壤在沉積物總有機碳中的貢獻變化較大且無明顯規律，為17.11%～80.79%，平均值為51.75%; 藻類在沉積物總有機碳中的貢獻為15.85%～78.84%，平均值為45.70%; 植物組織在沉積物總有機碳中的貢獻為0.37%～6.22%，平均值為2.55%(見圖4(a)). PSR 沉積柱三端元模型分析數據顯示: 土壤在沉積物總有機碳中的占比平均值為49.14%; 藻類在沉積物總有機碳中的占比為32.70%～61.30%，平均值為47.00%; 植物組織在沉積物總有機碳中的貢獻為0.97%～6.51%，平均值為3.86%(見圖4(b)). 兩個水庫沉積物中內源有機碳的貢獻接近，高于加拿大卡邦加水庫內源有機碳的貢獻(5%～30%)[22]，低于烏江上游的紅楓湖水庫(55%～74%).

圖4 SLR，PSR 柱狀沉積物有機碳源分析結果與沉積柱深度之間的關系Fig.4 Relationships between the analysis results of the source OC and the depth of SLR，PSR sediment cores

端元模型結果顯示，兩座水庫沉積柱中外源有機碳(土壤有機碳與陸生植物有機碳之和)的貢獻總體上略大于內源有機碳，其中土壤有機碳貢獻最大. PSR 外源有機碳的貢獻優勢不明顯，這可能是由于PSR 的上游新建了一座年調節的大型水庫(沙沱水庫)，其攔截筑壩效應使PSR 進水中的陸源有機碳顆粒物大量減少，還可能與水庫內源有機碳的積蓄有關. 與烏江梯級水庫上游其他水庫相比，SLR 和PSR 沉積柱中總有機碳含量遠低于上游水庫(3%～4%)，表現出了顯著的空間異質性.

3 結束語

SLR 和PSR 的木質素參數顯示，烏江下游沉積物中木質素主要來源于被子植物的草本組織. 水庫蓄水后，周邊植物群落可能發生改變. SLR 蓄水以后被子植物占比有所增加，而PSR 周邊裸子植物貢獻較高，表現出了空間異質性. SLR 和PSR 沉積物中木質素的側鏈氧化和去甲基/去甲氧基氧化降解水平較低，反映了白腐菌和棕腐菌共同作用的降解機制. 梯級筑壩的攔截效應減少了懸浮顆粒物的輸送，特別是水利滯留時間較長的年調節水庫，會使下游水庫沉積物中木質素含量降低. 下游水庫受到攔截筑壩作用，來自上游的外源有機碳減少，使內源有機碳占比偏高(45.70%～47.00%)，外源有機碳占比降低. 此外，降雨量也是影響水庫沉積物中外源有機碳的重要影響因素. 樣品中總有機碳含量受筑壩攔截作用明顯，與上游水庫相比也有明顯的空間異質性.