张金流， 鲍祥， 姚尧， 何雪兵
（合肥学院生物与环境工程系，安徽合肥230601）
摘要：基于2014年塘西河下游水体中颗粒有机碳(POC)、叶绿素a为期1年的野外调查，结合颗粒有机物C/N比值、POC浓度与叶绿素a浓度比值(POC/Ch/a)及降雨量等数据，分析了塘西河下游水体中POC浓度的季节变化规律、影响因素及其主要来源÷结果表明，塘西河下游水体中POC浓度夏季最高，冬季最低，呈现出夏季>春季>秋季>冬季的变化趋势；POC浓度与叶绿素a浓度呈现基本一致的变化趋势，说明两者具有共同的来源，但陆源输入对POC浓度变化产生一定的影响；水体中颗粒有机物C/N比值在5.11—8.15之问，年平均值6.12，POC/Ch/ a比值在16.24—32.18之间，年平均值为21,47，说明塘西河下游水体中POC主要来源于内源：通过计算，内源对水体中POC的贡献率在40.4%~80.07%之问，年平均值为62.55%，春、夏、秋、冬季内源贡献率分别是59.95%、70.24%、59.84%和58./18%。
关键词：颗粒有机碳； 季节变化；来源；C/N比值； POC/Ch/a比值
碳是生命活动能流物流中最重要的元素，几乎所有的生物地球化学循环过程都与它有关，其中颗粒有机碳(POC)是碳元素在水体中的主要存在形式之一，在水生生态系统和全球碳循环过程中发挥着重要作用。水生生态系统POC相关研究目前国内外已有大量报道，其主要来源渠道有陆源和内源2种，内源POC主要来源于水生植物生长代谢产生的有机物，陆源颗粒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，往往随地表径流进入河流；由于生长环境的差异，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，例如陆生维管植物常含有较多木质纤维素，蛋白质含量较少（不足20%)，因此其颗粒有机物中C/N比值较高，而水生植物木质纤维素含量较少；前者颗粒有机物组成C/N比值往往大于20，而后者则在4—10之间（水生生物比值最低，为2.8—3.4，浮游动物与浮游植物为6—13，藻类为5—14)，平均值为7。因此，可以利用不同来源颗粒有机物C/N比值来示踪水体中颗粒有机物的来源。对于河流生态系统，如果颗粒有机物C/N>20，则可认为水体中的颗粒有机物以陆生来源有机物为主，而C／N<7，则可认为水体中的颗粒有机物以内源水生植物生长代谢来源为主。
由于利用颗粒有机物C/N比值分析水体中颗粒有机物来源的精确度较差，常需要结合其它指标，如颗粒有机碳／叶绿素a比值（POC/Ch/a）、颗粒有机物813C等数据来综合分析颗粒有机物来源，以提高分析的准确度；据相关研究，当水体中POC/Ch/ a>200，则可认为颗粒有机物主要来源于陆源m；POC/Ch/ a<100，则主要来源于内源。
巢湖水体中有机碳来源及其影响因素目前已有初步研究，如葛茜等对春、夏季巢湖水体中有机碳的研究发现，巢湖水体中总有机碳浓度与叶绿素a浓度呈显著正相关关系，颗粒有机碳与水温、总磷、叶绿素a均呈显著正相关关系，由此作者认为，巢湖水生生物量的变化是影响巢湖水体总有机碳的重要因素，即有机碳主要来源于内源；而叶琳琳等却发现，巢湖水体中溶解性有机碳与叶绿素a浓度之间不具有显著相关性，由此作者认为除了内源外，陆源输入也可能是巢湖水体中溶解有机碳的重要来源。由上可知，针对巢湖水体中有机碳的来源，不同研究结论之间还存在一定的不确定性；同时，专门针对巢湖水体中POC来源的研究目前还未曾有相关报道，因此有必要对相关内容做进一步详细研究。
塘西河是巢湖重要支流之一，其下游水体中POC浓度变化及其不同来源方式必然对巢湖（特别是湖口区域）水体中的POC产生影响，其生态环境与巢湖相似，相关研究结果可以为巢湖水体中POC来源提供参考；另外，与巢湖相比，塘西河下游水域面积相对较小，开展相关研究较为方便；同时有关塘西河水体中POC含量、季节变化规律及其主要来源目前还未曾有报道。因此，本文对塘西河下游（塘西河公园段）水体中POC开展为期1年的调查研究，分析其浓度季节性动态变化规律，结合颗粒有机物C/N比值、POC/Chla比值、降雨量等数据对水体中POC来源及其影响因素进行分析，明确该河流水体中POC是陆生来源为主还是内生来源为主。
1 材料与方法
1.1 研究区概况及采样点设置
塘西河位于安徽省合肥市境内，为巢湖西半湖北侧一条长约12.7 km的支流，小流域面积约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，并在合肥市义城镇附近流人巢湖。本次研究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。近几年合肥市政府对塘西河小流域开展治理，目前已无工业和城市居民生活污水排入塘西河。
为便于采样，此次采样点设置于合肥市滨湖新区庐州大道与塘西河交叉口西侧河道的正中央，采样点下游不远处有一拦水坝，在拦水坝阻挡作用下，采样点处水流速度相对平缓，有利于水生植物特别是水生藻类的生长。具体位置见图1。
1.2 样品采集及前处理
每周于各采样点用采水器采集表层水样(水下0.5m)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4h并用0.1 mg精度天平称重）过的WhatmanTM GF/F(Cat N0 1825-047，0.7 ym)玻璃纤维滤纸真空（循环水式多用真空泵）抽滤。过滤后的玻璃纤维滤纸放置冰箱中冷冻，等彻底冷冻后用韩国llshin公司产的R-13Bl型真空冷冻干燥机干燥，之后同样用0.1 mg精度的分析天平称重，滤纸前后重量差为总悬浮物净重(TSM)，除以水样体积得TSM质量浓度；之后将滤膜放置于内径为400 mm玻璃干燥器内用浓盐酸熏蒸24 h以去除颗粒无机碳，浓盐酸熏蒸后的滤膜置于烘箱中在50℃条件下烘干备用。
1.3 测定方法
1.3.1 C/N比值分析
在经过浓盐酸熏蒸后的滤膜上小心提取适量膜上剩余样品(2—3 mg)，用意大利利曼科技有限公司出产的EA3000元素分析仪分析颗粒有机碳(POC)、颗粒有机氮(PON)含量(%)，两者相除得颗粒有机物C/N比值。
1.3.2 POC浓度分析
POC浓度由TSM质量浓度乘以1.3.1节获取的POC%获得。
1.3.3 叶绿素a的测定
采集1L水样用Whatman GF/C玻璃纤维滤膜真空过滤，研磨滤膜，用90%丙酮萃取，离心机离心，提取上清液，然后用752型紫外可见分光光度计（上海天翔光学仪器有限公司）测定叶绿素a含量。
1.3.4 降雨量
降雨量数据来源于中国气象数据网( http://data．cma.gov.cn/)。
2 结果与讨论
2.1 颗粒有机碳浓度季节变化
图2显示了塘西河采样点POC浓度季节变化规律，从图2可以看出，POC浓度夏季最高，为1.51mg/L，冬季最低，为0.33 mg/L;其整体变化趋势为夏季>春季>秋季>冬季，这一变化趋势与巢湖POC浓度变化趋势基本一致，与新疆博斯腾湖入湖河流开都河水体中POC浓度季节变化趋势完全一致，但POC浓度平均值明显高于开都河。
2.2 颗粒有机碳浓度与叶绿素a浓度、降雨量关系分析
巢湖水体中有机碳浓度变化影响因素（如水温、透明度、溶解氧、pH值、总氮、总磷等）在相关文献中已有报道，在此不再赘述。鉴于目前巢湖水体中有机碳来源不同研究结论之间还存在一定的不确定性，为确定塘西河下游水体中POC的来源，为巢湖水体中POC来源研究提供参考，本文着重分析POC浓度与叶绿素a浓度（代表内源输入强度）、降雨量（代表陆源输入强度）之间的关系。结果如图3所示。
由图3可以看出，塘西河水体中POC浓度与叶绿素a浓度大体呈现一致的变化趋势，说明水体中POC浓度变化可能主要受水生植物生长代谢即内源的影响，此结果和巢湖水体中POC已有相关研究结论相一致吲；但我们从图3中也可看出，虽然塘西河水体中POC浓度变化趋势与叶绿素a变化趋势基本一致，但两者在浓度变化幅度方面往往存在一定的差异，冬春季及秋冬季POC浓度变化幅度往往要比叶绿素a浓度变化幅度大，而夏季POC浓度变化幅度要比叶绿素a浓度变化幅度小，这可以从图3中POC与叶绿素a之间虚线双箭头所指示的时间点可以看出，说明塘西河水体中POC浓度变化可能还受到其它因素的影响（如陆源输入）。如前文所述，塘西河流域经过生态治理后，目前已无生活污水和工业废水直接排人，因此影响塘西河下游水体中POC浓度变化，除了内源因素外，只可能受到来自陆源颗粒有机物输入的影响。为此我们进一步分析POC浓度与同期降雨量间的关系，由图3降雨量与POC浓度间的关系可以看出，在冬春季和秋冬季，降雨期间水体中的POC浓度都有所上升，这可以从图3中降雨量与POC之间实线双箭头所指示的时间点可以看出，说明降雨产生的地表径流可能从陆源输入一定量的颗粒有机物，使水体中POC浓度有所增加；这一现象也很容易理解，因为秋冬季节，地表植被基本都处于枯死期，因此很容易随地表径流流人塘西河。这一现象在黄龙风景区地表水体中溶解有机碳相关研究中也有发现；但在夏季，水体中POC浓度在降雨期间往往呈现下降趋势，如6月7日、7月10日采样期间即是如此，这可能是由于强降雨引起的地表径流输入陆源无机颗粒物，河水浊度增加，致使水体透光度下降，抑制了水生植物（特别是水藻）的生长，减少了内源向水体中POC的输入量；同时由于夏季地表植被处于生长旺盛期，塘西河两岸植被覆盖度好，由此由陆生植物产生的地表颗粒有机物相对较少且不容易随地表径流流入塘西河。因此在夏季强降雨期间，内源、陆源输入都有所减少，使得塘西河水体中POC浓度表现为下降趋势。
据此我们可以推断，塘西河水体中POC浓度变化可能受内源水生植物生长和陆源有机物输入2种来源渠道的共同影响，但在不同时期，2种来源对POC浓度变化的影响程度有所变化。
2.3 颗粒有机碳来源及其定量化分析
由2.2节分析可知，塘西河水体中POC浓度变化可能受内源、陆源2种来源渠道的共同影响，为进一步明确上述推断，文章进一步分析了POC浓度变化与水体中颗粒有机物C/N比值及POC/Ch/a两参数之间的关系，结果见图4。
由图4可以看出，水体中颗粒有机物C/N比值在5.11—8.15之间，年平均值6.12，据此可以认为塘西河水体中POC主要来源于内源，但陆源输入对其有一定的影响（因为部分时段C/N>7），从颗粒有机物C/N比值变化情况来看，陆源输入在冬春季和秋冬季对POC浓度的影响程度相较夏季要比内源输入影响更为显著，这从水体中颗粒有机物C/N比值在冬春季节、秋冬季节明显变大即可看出，如图4中实箭头所指示的时间点。
鉴于颗粒有机物C/N比值分析颗粒有机物来源的精确性较差，我们同时分析了水体中POC浓度与POC/Chla间的关系，由图4可以看出，水体中POC浓度与叶绿素a浓度比值（POC/Chla）在16.24—32.18之间，平均值21.47，其变化趋势与颗粒有机物C/N比值变化趋势基本一致（见图4中C/N、POC/Chla下向箭头指示）。因此，根据前人研究结论，结合上文颗粒有机物C/N比值数据，作者认为塘西河水体中POC主要来源于水生植物生长代谢，即内源。
另外由图4可以看出，部分时段（主要是夏季）水体中POC浓度与C/N比值呈相反变化趋势（见图中虚线双箭头所示时间点），这主要是由于强降雨期间（由图3降雨量可知）,地表径流携带陆源颗粒无机物，降低了水的透光度，影响到水生植物的光合作用，抑制了内源颗粒有机物的输入，导致水体中POC浓度整体下降，但是在强降雨导致的陆源输入的影响，陆源颗粒有机物占水体中全部来源颗粒有机物的比重反而有所上升，从而使得水体中颗粒有机物C/N比值与POC浓度呈相反变化趋势。
为定量分析塘西河水体中内源和陆源2种来源对水体中POC的贡献率，本文采用如公式估算内源对塘西河水体中POC的贡献率：
式中，w为内源贡献率(%)，f为转化因子，此处取值13，Chla、POC分别是叶绿素a（ug/L）、颗粒有机碳(mg/L)浓度。计算结果如图5所示，从图5可以看出，塘西河水体中内源，即水生植物生长代谢对POC的贡献率在40.4%—80.07%之间，年平均值为62.55%。春夏秋冬内源贡献率分别是59.95%、70.24%、59.84%和58.48%。
从图4中POC/Chla比值来看，塘西河下游水体中颗粒有机物主要来源于内源，但从定量计算结果来看，内源输入对塘西河下游水体中POC的贡献率虽然大于外源输入，但并不明显，这可能是与计算公式中的，值取值偏小有关。
3 结论
(1)塘西河水体中POC浓度平均值夏季最高，冬季最低，其浓度总体变化趋势是夏季>春季>秋季>冬季。
(2)水体中POC浓度与叶绿素a呈现明显正相关变化趋势。
(3)降雨对水体中POC浓度的影响在不同季节表现出不同的结果，夏季降低水体中的POC浓度，秋季、冬季和春季提高水体中的POC浓度。
(4)塘西河水体中的POC主要来源于内源，其年平均贡献率为62.55%，春、夏、秋、冬四季内源贡献率分另0是59.95%、70.24%、59.84%和58.48%。
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