韓翠紅,孫海龍,魏 榆,鮑 乾,晏 浩

(1:中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴陽 550081) (2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

全球大氣CO2的收支不平衡是全球變化研究中的重要問題[1]. IPCC報告中指出，陸地生態(tài)系統(tǒng)中，約存在1～1.5 Pg C/a的“遺失碳匯”，成為近年全球碳循環(huán)研究關(guān)注的重點[2-5]. 隨著研究的逐漸深入和系統(tǒng)化，內(nèi)陸水體(河流、湖泊和水庫等)在全球碳循環(huán)中的作用得到越來越多的關(guān)注，其在全球碳循環(huán)中的碳源匯作用顯著[6-9]，尤其是劉再華等[4,10-11]發(fā)現(xiàn)在喀斯特地表水生生態(tài)系統(tǒng)中，水生光合生物通過光合作用產(chǎn)生的生物碳泵效應(yīng)可以將部分碳酸鹽風(fēng)化碳匯固定下來，形成穩(wěn)定碳匯，并由此提出了耦聯(lián)水生光合作用的碳酸鹽風(fēng)化碳匯學(xué)說. 研究中還發(fā)現(xiàn)，高溶解性無機碳(DIC)濃度和高pH值的喀斯特環(huán)境中，生物碳泵效應(yīng)存在顯著的碳限制和“DIC施肥效應(yīng)”[12-16]. 因此研究生物碳泵效應(yīng)的機制、效率及控制因素對于研究和評估耦聯(lián)水生光合作用的碳酸鹽風(fēng)化碳匯強度，揭示喀斯特水體生物碳泵效應(yīng)的碳增匯機制具有重要的意義.

筑壩河流不僅會改變河流的流量及連續(xù)性，使水體出現(xiàn)“陳化現(xiàn)象”，而且還會使得河流營養(yǎng)鹽循環(huán)過程發(fā)生改變，由于營養(yǎng)元素碳(C)、氮(N)和磷(P)在生物過程中的行為不同，導(dǎo)致水庫中C、N和P的循環(huán)效率不同，進而改變筑壩河流中營養(yǎng)元素的化學(xué)計量比，改變藻類生長的營養(yǎng)限制，甚至使得浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[35-38]，最終影響水體中生物碳泵效應(yīng)的效率，使得河流和水庫呈現(xiàn)出不同的水化學(xué)變化.目前針對生物碳泵效應(yīng)的研究主要集中于河流和喀斯特模擬試驗場[15,39]，對于筑壩后，筑壩河流尤其是喀斯特筑壩河流中生物碳泵效應(yīng)的變化、控制因素以及對筑壩河流水化學(xué)變化的影響則研究較少. 同時，已有研究表明[40-41]，不同庫齡的水庫中，由于營養(yǎng)鹽循環(huán)的差異，浮游植物的營養(yǎng)鹽限制和生物群落的結(jié)構(gòu)都有一定的差異，而這些變化最終都會影響到生物碳泵效應(yīng)的效率. 為了研究長期筑壩后生物碳泵效應(yīng)的變化及控制因素，本研究選取了具有不同庫齡的平寨水庫及紅楓湖，通過野外現(xiàn)場的監(jiān)測及室內(nèi)的實驗分析，研究喀斯特河流筑壩后生物碳泵效應(yīng)的變化、控制因素及對水體水化學(xué)的影響.

1 研究區(qū)概況

平寨水庫位于三岔河的上游，于2015年建庫. 平寨水庫的正常蓄水位1331 m，總庫容10.89億m3，調(diào)節(jié)庫容4.48億m3，為大一型I等工程. 水庫壩址以上水域面積15.17 km2[42-43]. 三岔河流域(26°10′～27°0′N，104°18′～106°18′E)地處云貴高原[44]，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫為12～16℃，年降水量為1300 mm，5-10月為豐水期，11月-次年4月為枯水期，流域內(nèi)主要分布有二疊系、三疊系碳酸鹽巖，含煤巖組及玄武巖[45].

紅楓湖于1960年竣工蓄水，位于烏江一級支流貓?zhí)拥纳现杏?，屬于峽谷斷陷盆地的河流性水庫[46].水面面積57.2 km2，最大水深45 m，平均水深10.52 m，總庫容6億m3，滯留時間為0.325年[47]，流域面積1596 km2，壩高52.5 m，設(shè)計正常高水位1240.00 m[48]，紅楓湖由北湖、南湖、后湖和中湖組成，主要由羊昌河、麻線河、后六河和桃花源河匯流而成，紅楓湖流域同樣屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫為14.06℃,年降水量為1176 mm,地層出露以二疊系、三疊系為主，主要巖性為灰?guī)r和白云巖，巖溶地貌發(fā)育[46-48].

平寨水庫及紅楓湖的采樣點如圖1所示. 在平寨水庫的入庫河流三岔河上選取了SCH、YCZ 2個采樣點，其中SCH采樣點位于三岔河，主要是為了了解入庫河流水化學(xué)等參數(shù)的背景值，YCZ采樣點位于陽場鎮(zhèn)，該采樣點位于水庫的回水區(qū)上游. 為了更好地了解水庫水化學(xué)的空間變化，在平寨水庫中，從上游到下游大壩處依次選取了位于平寨水庫上游的PZA采樣點、中游的BXZ采樣點和位于大壩處的PZ采樣點. 在紅楓湖南湖的入庫河流羊昌河下游靠近紅楓湖處設(shè)置了HQQ采樣點，在紅楓湖南湖和北湖分別設(shè)置了HN、HYD、HB采樣點，在紅楓湖大壩處設(shè)置了采樣點HF.

圖1 平寨水庫和紅楓湖采樣點位置(據(jù)文獻[46]修改)Fig.1 Sampling locations in Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng (modified from reference [46])

2 研究方法

溶解CO2濃度(CO2(aq))和pCO2用PHREEQC軟件計算[50]. 計算時，向PHREEQC軟件中輸入野外實測的各采樣點的pH、水溫(T)和堿度以及實驗室測定的主要陰陽離子濃度即可算出結(jié)果.

3 結(jié)果

3.1 平寨水庫及紅楓湖水化學(xué)的時空變化特征

3.2 平寨水庫及紅楓湖氮磷、葉綠素a濃度和DO飽和度的時空變化特征

圖2 平寨水庫和紅楓湖水化學(xué)的時空變化 (灰色部分表明是水庫中的采樣點，虛線表明大氣CO2分壓值)Fig.2 Spatial and seasonal hydrochemical variations at each sampling point of Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng (Grey shadows indicate the sampling sites in reservoir; Dotted line indicates the atmospheric CO2)

根據(jù)耦聯(lián)碳酸鹽風(fēng)化碳匯的模型[4]：

(1)

生物碳泵效應(yīng)利用DIC形成有機質(zhì)和氧氣，因此可以通過水中Chl.a濃度和DO指示生物碳泵效應(yīng)的強度. 從圖3中可以看出，平寨水庫河庫系統(tǒng)的Chl.a濃度具有明顯的時空動態(tài)變化特征. 季節(jié)變化上，平寨水庫河庫系統(tǒng)的Chl.a濃度都表現(xiàn)出夏季高，冬季低的季節(jié)變化特征，但是入庫河流Chl.a濃度的季節(jié)變化幅度明顯小于水庫，入庫河流Chl.a濃度的最高值出現(xiàn)在夏季，為3.67 mg/m3，最低值出現(xiàn)在秋季，為0.06 mg/m3; 水庫Chl.a濃度的最高值出現(xiàn)在夏季，為15.74 mg/m3，最低值出現(xiàn)在冬季，為1.44 mg/m3. 空間上，冬季入庫河流和水庫的Chl.a濃度無明顯的空間變化，其他時間段，水庫中的Chl.a濃度明顯高于入庫河流，表明水庫存在強烈的生物碳泵效應(yīng). 平寨水庫河庫系統(tǒng)的DO變化與Chl.a濃度變化類似，溶解氧飽和度呈現(xiàn)出春夏季高、秋冬季低的特征. 紅楓湖入庫河流的Chl.a濃度無明顯的季節(jié)變化特征，水庫中Chl.a濃度的季節(jié)變化特征與平寨水庫類似，都是夏季高、冬季低; DO飽和度的變化與Chl.a濃度的變化類似，表明紅楓湖中的生物碳泵效應(yīng)也是夏季最高、秋冬季最低.

圖3 平寨水庫和紅楓湖采樣點葉綠素a濃度和溶解氧飽和度的時空變化 (灰色部分表明是水庫中的采樣點)Fig.3 Spatial and seasonal variations of and percent saturation of DO at each sampling point of Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng(Grey shadows indicate the sampling sites in reservoir)

4 分析與討論

4.1 生物碳泵效應(yīng)對水化學(xué)時空變化的影響

從圖2中還可以看出，由于強烈的生物碳泵效應(yīng)的存在，2個水庫夏季水體的pCO2都低于大氣的CO2分壓; 而秋冬季，尤其是冬季，2個水庫的pCO2均高于大氣CO2分壓. 這可能與秋冬季，溫度低光照弱，生物碳泵效應(yīng)弱有關(guān)，同時此時水庫處于從分層期向混合期轉(zhuǎn)化或是處于混合期，底部的有機質(zhì)上涌并且耗氧分解：

C6H12O6+6O2→6H2O+6CO2

(2)

從而導(dǎo)致秋冬季水庫的pH值和DO降低，pCO2升高.

4.2 平寨水庫和紅楓湖生物碳泵效應(yīng)的碳施肥

4.3 生物碳泵效應(yīng)的碳施肥對富營養(yǎng)化湖泊治理的啟示

長期以來，富營養(yǎng)化湖泊的治理一直把重點放在控磷[55]、控氮[56]，還是氮磷同時控制[57]上. 但目前越來越多的研究表明，無論是在高生產(chǎn)力的富營養(yǎng)化湖泊或是低生產(chǎn)力的湖泊，水中浮游植物的光合作用確實受到碳限制的影響[25-29]. 此前，Zeng等[16]在貴州普定沙灣喀斯特水-碳循環(huán)土地利用調(diào)控模擬實驗場的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在偏堿性的水環(huán)境中，水生生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力將不僅受到N、P元素的控制，還受到C的控制[16]. 但是相關(guān)研究是在模擬實驗場進行的，并不能完全代表野外的實際情況. 而我們在平寨水庫和紅楓湖的野外研究進一步證實，在喀斯特水體高pH值和高DIC濃度環(huán)境下，水生光合作用(生物碳泵效應(yīng))確實不僅受到N、P元素的限制，還受到C的限制，表現(xiàn)為碳施肥現(xiàn)象. 未來，在治理喀斯特地區(qū)湖泊的富營養(yǎng)化時，不僅要考慮氮磷的控制作用，還應(yīng)該考慮碳的控制作用.

本研究雖然揭示了平寨水庫和紅楓湖中生物碳泵效應(yīng)的碳施肥現(xiàn)象，但并未對藻類組成進行相關(guān)研究，以確定浮游植物中究竟哪種藻類對碳元素敏感，哪種藻類對氮磷限制敏感. 在下一步的研究中，應(yīng)重點研究浮游植物種群與碳施肥的關(guān)系，為富營養(yǎng)化湖泊的治理，控制藍藻藻華的爆發(fā)提供堅實的科學(xué)依據(jù).

5 結(jié)論