譚 林，國 洋，孫妍晗，方 源，朱書景

(1.湖北大學資源環(huán)境學院，武漢 430062；2.荊門市生態(tài)環(huán)境局，湖北 荊門 448000)

引 言

碳作為地球生命的最基本元素，是生物圈物質和能量傳遞的關鍵，是生態(tài)學研究的重要指標之一。而河流作為連接碳循環(huán)在自然界陸地-水體碳循環(huán)的關鍵紐帶[1]，每年通過河流的單向流動從陸地生態(tài)系統(tǒng)向最終的水體生態(tài)系統(tǒng)—海洋運輸?shù)挠袡C碳約0.53Pg/a[2]，因此研究河流系統(tǒng)中的碳含量及其分布，為揭示全球碳循環(huán)具有重要作用。從已有研究得知河流中的有機碳主要來自土壤有機質的侵蝕、陸地植物殘屑及人類生產(chǎn)生活的有機廢棄物，河流中的無機碳主要來自陸地基巖的化學風化、土壤層中植物根系呼吸及有機質分解，以及大氣CO2的溶解[3-4]。

而在三峽庫區(qū)的相關研究中多關注于庫區(qū)水體富營養(yǎng)化、三峽庫區(qū)水質變化及污染源分析和庫區(qū)消落帶生物多樣性及土壤性質變化等問題[5～9]，對庫區(qū)河流碳的賦存形態(tài)及其影響研究報道較少，未形成系統(tǒng)性的理論認識。文章擬通過研究長江中上游澎溪河流域的碳含量、分布特征，著重分析討論各形態(tài)碳的時空分布，水中各形態(tài)碳的來源及影響因素，旨在為全面認識澎溪河流域碳素的特征和其他環(huán)境科學問題提供基礎性的依據(jù)。

1 研究區(qū)域設置與方法選定

1.1 研究區(qū)域設置

澎溪河又名小江是三峽庫區(qū)中段、北岸最大的次級支流，位于四川盆地東部，源自重慶市開州區(qū)白泉鄉(xiāng)，于重慶市云陽縣雙江街道匯入長江，流域整體面積約5 200km2，河道總長近182km[10]，年均降雨達1 200mm，河口距三峽大壩約247km，河道平均坡降為1.25‰，地勢總體呈現(xiàn)北高南低。由于地殼的擠壓運動和水流的侵蝕切割，使得流域內溝壑縱橫、層巒疊峭，形成復雜的地形地貌。

在三峽庫區(qū)蓄水后澎溪河流域作為回水影響區(qū)受庫區(qū)水位上升等因素，使得流域水華等生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象日益凸顯，2007年甚至發(fā)生浮萍爆發(fā)性增長問題[11～13]，因此為了解澎溪河流域整體碳素分布特征與流域水華現(xiàn)象的關聯(lián)性，自上而下在澎溪河流域的河口交匯處及主要集鎮(zhèn)設置采樣點，分別位于東河口、渠口、養(yǎng)鹿、高陽、黃石、雙江、雙江口共計7個點位，樣品點位分布情況見圖1。

1.2 方法選定

于2019年3月和6月在每個斷面采集河流中心和距河岸1.5～2m處水下0.5m的水層水樣3個樣品，加簽封裝后裝入黑色塑料袋，作為該斷面的樣品，而后運回實驗室，待測。采樣點斷面定位使用GPS定位，并結合地形圖校正。

圖1 澎溪河采樣斷面分布Fig.1 Sampling section of Pengxi River

總有機碳(TOC)、總無機碳(TIC)含量測定采用TOC分析儀(SHIMADZU，TOC-VCPH)[14]差減測定法測定。

2 結果與分析

2.1 澎溪河流域碳素的含量分布

表1 澎溪河TC、TIC、TOC的含量

從表1可以看出，澎溪河流域TIC春季含量范圍為0.548～4.694mg/L，平均值為2.373mg/L；夏季含量范圍為0.682～5.001mg/L，平均值為2.625mg/L。兩者表層水中TIC平均含量相似。流域春季TC的含量范圍為12.095～22.031mg/L，平均值為16.920mg/L；TOC的含量范圍為10.078～20.899mg/L，平均值為14.675mg/L。而流域夏季TC的含量范圍為30.899～44.687mg/L，平均值為36.656mg/L；TOC的含量范圍為29.705～39.686mg/L，平均值為34.459mg/L。夏季樣品的TC和TOC的平均含量分別為春季的2.17和2.35倍，明顯高于春季樣品的含量值。

李哲[15]等通過對小江藍藻季節(jié)變化研究，發(fā)現(xiàn)春末夏初為藍藻生長的繁盛期。彭建華[16]等以小江枝角類浮游生物生長情況為研究內容，從側面明確夏季為藻類生長繁盛期。這與本研究碳含量分布規(guī)律基本一致。同時在Lake and river ecosystems一書中，Wetzel R G[17]便提出判斷富營養(yǎng)化指標之一TOC的標準值為12.00mg/L。而澎溪河流域兩季表層水中TOC平均含量分別達到了14.675mg/L、34.459mg/L，反映出該流域部分指標已達到水體富營養(yǎng)化水平。

2.2 澎溪河流域碳素的空間分布

澎溪河流域TIC、TOC含量的空間分布呈現(xiàn)夏季高于春季，夏季TIC、TOC均值分別多出10.67%、134.81%。上游為TIC、TOC的低值區(qū)，中、下游為高值區(qū)，其中TIC和TOC的空間分布格局不盡相同(圖2)，就TIC來說不同樣點間的時空分布存在差異，總體上表現(xiàn)出中端低兩頭高，春季低于夏季的分布，其含量最低值出現(xiàn)在養(yǎng)鹿(YL)，可能是由于養(yǎng)鹿段河流平緩且存在較大“U”型河灣使部分不溶性無機碳沉降至河底或在此被光合作用所利用使得TIC含量降低[18]，反映出流域TIC的分布受到水動力、地形條件、光合作用等多方影響。而TC和TOC的空間分布格局相似(圖2)，均呈現(xiàn)出西北低東南高，波動上升的分布特點。

圖2 溪河不同形態(tài)碳的時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of carbon in different forms in PengXi River

2.3 人居活動擾動的影響

通過對所有樣點的集鎮(zhèn)人口和產(chǎn)業(yè)發(fā)展信息查詢[19](表2)，發(fā)現(xiàn)澎溪河流域集鎮(zhèn)越靠近長江主干，城鎮(zhèn)開發(fā)程度越高，資源開采程度越高，工業(yè)產(chǎn)值占比越多。而流域TOC分布同人類活動影響相似，沿岸依次分布的五個集鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等外源通過排水管網(wǎng)進入澎溪河，恰與TC和TOC的空間分布格局吻合。而東河口(DHK)樣點靠近開州城區(qū)，但各形態(tài)碳含量都處于較低水平，可能是因為采樣斷面位置位于河口匯聚處，上游來水對碳含量有所稀釋。黃石(HS)—雙江(SJ)段TOC春夏季含量很高達到15.088～20.899mg/L和36.737～40.186mg/L遠超其他采樣斷面，可能是人類生產(chǎn)生活排放入河碳源直接影響到河流有機碳的含量，而張永領[20]和黃奇波[3]的研究也得出同樣結論。黃石(HS)由于河流流速平滑且受人類活動影響較大，外排碳源的進入可能使該段TOC含量升高。

表2 采樣點集鎮(zhèn)人口和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況Tab.2 Population and industrial development of market towns in Sampling sites

3 結 論

3.1 澎溪河流域采樣點沿河縱向分布中，TOC含量為10.078～40.186mg/L，均值24.567mg/L，最大值出現(xiàn)在夏季黃石(HS)，最小值出現(xiàn)在春季東河口(DHK)。TOC含量呈現(xiàn)波動遞增的趨勢；TIC含量為0.548～5.001mg/L，均值2.499mg/L，最大值出現(xiàn)在夏季雙江口(SJK)，最小值出現(xiàn)在春季的養(yǎng)鹿鎮(zhèn)(YL)。TIC含量呈現(xiàn)先降后升的趨勢。

3.2 澎溪河流域各采樣斷面檢測數(shù)據(jù)顯示在夏季TIC、TOC含量最高，春季最低，與該流域發(fā)生水華現(xiàn)象時間變化規(guī)律基本相似。所以在研究河流水體富營養(yǎng)化同時也應考慮碳含量的影響。

3.3 碳素分布與流域沿岸社會生產(chǎn)活動緊密相關，隨著隨著人類生產(chǎn)、生活活動的加劇，大量有機廢棄物向河流的排放對流域碳素分布產(chǎn)生直接影響，可能會直接改變河流有機碳的性質和通量，甚至是河流碳的生物地球化學過程。因此在研究河流富營養(yǎng)化問題時有針對性探討碳素對環(huán)境可能造成的影響，對我國生態(tài)建設及社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。