渤海及北黃海河流懸浮顆粒碳氮同位素時(shí)空分布及源解析

于 靖, 張 華

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渤海及北黃海河流懸浮顆粒碳氮同位素時(shí)空分布及源解析

于 靖1, 2, 張 華1

(1. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東煙臺(tái) 264003; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

選擇流入渤海和北黃海的36條主要河流為研究對(duì)象, 對(duì)比了平水期、豐水期和枯水期水體中懸浮顆粒物和河流表層沉積物的碳和氮穩(wěn)定同位素的地球化學(xué)特征, 并對(duì)顆粒物有機(jī)質(zhì)碳和氮來(lái)源進(jìn)行分析。結(jié)果表明, 水體懸浮有機(jī)質(zhì)碳同位素總體上表現(xiàn)為13C平水期>13C豐水期>13C枯水期的特點(diǎn),15N值呈15N豐水期>15N平水期>15N枯水期的特點(diǎn)。渤海和北黃海的主要入海河流懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的來(lái)源具有明顯的季節(jié)性差異, 懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)碳平水期(春秋季)來(lái)源以C3植物、土壤有機(jī)質(zhì)和水生藻類(lèi)為主, 豐水期(夏季)碳的各來(lái)源中浮游植物的貢獻(xiàn)率明顯增大, 枯水期(冬季)則表現(xiàn)為陸源C3植物分解和水源性有機(jī)質(zhì)的混合來(lái)源; 懸浮顆粒態(tài)氮的來(lái)源與季節(jié)性降水量、生活污水、合成化肥及河流內(nèi)源性水生植物密切相關(guān)。

懸浮顆粒物; 碳穩(wěn)定同位素; 氮穩(wěn)定同位素; 季節(jié)性特征; 源解析

碳氮等生源元素從陸地進(jìn)入河流及其在河流生態(tài)系統(tǒng)中的運(yùn)移構(gòu)成了區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分[1]。這些生源元素按照其存在形態(tài)可劃分為溶解態(tài)和顆粒態(tài)兩大類(lèi), 總懸浮顆粒物(TSM)是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 可以反映流域土壤侵蝕及土壤有機(jī)碳和流域植被的動(dòng)態(tài)變化, 是顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物的重要載體[2-3]。其中, 顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)和顆粒態(tài)氮(PN)是河流輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要形態(tài)之一, 有研究表明, 河流中90%以上的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)自于懸浮顆粒物的有機(jī)質(zhì)分解[4]。由于河流懸浮顆粒態(tài)碳氮在平水期、豐水期和枯水期3個(gè)不同季節(jié)的水文時(shí)期表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異, 導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)顆粒態(tài)碳氮的來(lái)源有差異, 顆粒物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送也有不同的變化規(guī)律。因此, 對(duì)河流中懸浮顆粒物中有機(jī)質(zhì)(POM)在不同季節(jié)的來(lái)源進(jìn)行研究可以了解不同時(shí)期河流水體營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷并有效地從源頭對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入進(jìn)行控制。

河流懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要有外源(陸地植物碎屑、土壤有機(jī)質(zhì)和生活污水等)和內(nèi)源(浮游植物、水生藻類(lèi)等)兩大類(lèi)[5]。不同來(lái)源的懸浮顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)具有特定的碳、氮穩(wěn)定同位素特征值, 因此, 穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)對(duì)研究河流生態(tài)系統(tǒng)中不同來(lái)源的碳和氮循環(huán)具有非常重要的作用。近年來(lái), 碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到河流及河口區(qū)顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的源解析及遷移規(guī)律的研究中[6-8]。

渤海和北黃海是我國(guó)北方重要的海域, 入海大小河流有100多條, 這些河流每年攜帶大量的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入渤海和北黃海, 而顆粒態(tài)有機(jī)碳、氮是河流輸入營(yíng)養(yǎng)鹽的重要載體。近10年來(lái), 工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展使人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域和海域的干擾加劇, 渤海和北黃海的水環(huán)境發(fā)生了較大的變化, 目前關(guān)于渤海和北黃海入海河流單個(gè)流域研究較多, 但對(duì)整個(gè)區(qū)域入海河流不同季節(jié)的匯總研究較少。因此, 研究36條主要入海河流顆粒態(tài)碳和氮在不同季節(jié)的輸入特征及有效識(shí)別顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)來(lái)源對(duì)渤海及北黃海水質(zhì)的改善尤為重要。本研究通過(guò)系統(tǒng)分析渤海和北黃海主要入海河流不同季節(jié)水體懸浮顆粒物中有機(jī)碳和氮穩(wěn)定同位素的季節(jié)性豐度特征, 探討了不同水文時(shí)期主要河流懸浮顆粒物中有機(jī)碳和氮的來(lái)源及其季節(jié)性差異。

1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域的36條河流為渤海和北黃海的所有入海河流中徑流量較大的河流, 年徑流量占所有入海河流徑流量的65%以上[9], 區(qū)內(nèi)主要包括流入北黃海的4條河流和流入渤海的32條河流(圖1)。渤海河流入?？倧搅髁繛?90×108m3/a[10], 渤海匯水區(qū)按流域可分為遼河流域、海河流域和黃河流域, 該研究區(qū)域?qū)儆诒睖貛Ъ撅L(fēng)性氣候, 年平均降水在500~600 mm[10], 降水集中在夏季7-8月, 各河流的徑流量具有明顯的季節(jié)性差異。本研究選取了遼寧營(yíng)口、河北秦皇島、天津塘沽和山東墾利四個(gè)具有代表性的降雨監(jiān)測(cè)站, 位置如圖1所示。本研究區(qū)地貌主要以平原為主, 其次為丘陵和山地。農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)歷史悠久, 部分地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重, 森林、耕地和居民建設(shè)用地為研究區(qū)內(nèi)的主要土地利用類(lèi)型, 且空間差異顯著。研究區(qū)內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá), 沿岸有遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、京津冀經(jīng)濟(jì)帶、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)等沿海熱點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū), 經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展引起入海河流水體的嚴(yán)重污染, 中國(guó)水資源公報(bào)顯示, 2014年遼河區(qū)和黃河區(qū)水質(zhì)為中, 海河區(qū)水質(zhì)為劣[11], 污染狀況嚴(yán)重。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

樣品采集工作分別于2015年5月(平水期)、8月(豐水期)和12月(枯水期)3個(gè)時(shí)段進(jìn)行, 3個(gè)水文時(shí)期分別收集了36條河流共108個(gè)河水樣品, 每個(gè)采樣點(diǎn)河水采集約1 L。采樣點(diǎn)位于各主要河流的入海河口, 且無(wú)倒灌海水的影響。用預(yù)處理過(guò)的GF/F玻璃纖維濾膜(450℃灼燒4 h, 恒溫恒濕24 h至恒重)收集水體表層懸浮顆粒物, 每個(gè)采樣點(diǎn)過(guò)濾4張膜分別用于PN和POC測(cè)定, 將濾膜于–20℃條件避光保存待進(jìn)一步分析, 濾液裝入聚乙烯瓶中冷凍保存至實(shí)驗(yàn)室分析。

2.2 前處理及分析方法

將帶有懸浮顆粒物的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜經(jīng)過(guò)冷凍干燥機(jī)干燥后稱(chēng)重。一部分膜樣品用于懸浮顆粒氮測(cè)定, 另一部分濾膜放入盛有6 mol/L濃鹽酸的干燥器中熏蒸24 h, 以除去樣品中的碳酸鹽, 再放入50℃條件下烘48 h, 趕除HCl。

經(jīng)過(guò)上述處理后的膜樣品, 用元素分析儀(Elementar vario MACRO cube, 德國(guó))和穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(Finnigan DELTAplusXL, 美國(guó))分別測(cè)定懸浮顆粒物有機(jī)碳、氮含量及其穩(wěn)定同位素組成, 計(jì)算公式為:

13C(‰)=[(13C/12Csample)/(13C/12CVPDB)–1]×1000

15N(‰)=[(15N/14Nsample)/(15N/14Nair)–1]×1000

式中,(13C/12Csample)和(15N/14Nsample)分別代表樣品中重同位素(13C and15N)與輕同位素(12C and14N)的比值;(13C/12CVPDB)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) VPDB (Vienna Peedee Belemnite)中碳的重同位素與輕同位素的比值,(15N/14Nair)為空氣中氮的重同位素與輕同位素比值(15N=0‰)。工作標(biāo)樣為咖啡因(IAEA 600), 其13C 和15N值分別為–27.77‰和+1.0‰, 碳和氮的分析誤差分別是±0.2‰和±0.4‰。

數(shù)據(jù)相關(guān)性分析與制圖分別使用SPSS 17.0和Origin 8.6。

3 結(jié)果與討論

3.1 入海河流懸浮顆粒物及碳氮含量的季節(jié)性特征

3.1.1 懸浮顆粒物濃度

渤海及北黃海36條主要入海河流水體懸浮顆粒物濃度的季節(jié)變化如圖2a所示。平水期懸浮顆粒物濃度范圍在7.29~427.95 mg/L, 均值為57.82 mg/L± 88.09 mg/L, 豐水期顆粒物含量的離散程度明顯較小, 為6.12~121.47 mg/L, 均值為37.41 mg/L±30.52 mg/L,枯水期懸浮顆粒物濃度均值最低(33.28 mg/L±59.83 mg/L),濃度范圍在2.20~225.10 mg/L之間, 表明36條河流的水體懸浮顆粒物濃度的季節(jié)性變化格局為平水期>豐水期>枯水期。事實(shí)上, 在枯水期除宣惠河(225.10 mg/L), 大洋河(223.72 mg/L)和徒駭河(180.05 mg/L)三條河流之外, 其余河流懸浮物濃度在2.20~47.61 mg/L之間, 明顯低于平水期和豐水期, 主要原因與研究區(qū)域季風(fēng)性氣候引起的季節(jié)性降水量相關(guān)。由圖3可見(jiàn), 四處監(jiān)測(cè)站平水期和豐水期為兩個(gè)降雨量明顯較大的時(shí)期, 降雨引起兩岸顆粒物沖刷進(jìn)入河道, 同時(shí)降雨還會(huì)引起河道內(nèi)沉積物再懸浮進(jìn)入水體, 因而在降水豐富的平水期和豐水期表現(xiàn)為高懸浮顆粒物濃度。雖然豐水期降水對(duì)流域地表土壤的沖刷作用加強(qiáng), 引起入海河流水體顆粒物含量升高, 但與平水期相比, 河流流量明顯增大是豐水期顆粒物含量不高的一個(gè)原因。再者由于夏季入海河流周?chē)乇碇脖桓采w率高, 對(duì)土壤較大顆粒的阻滯能力較高, 增加了進(jìn)入水體直徑小于0.45 μm的小顆粒膠狀物質(zhì)[12], 因此, 豐水期懸浮顆粒物含量較平水期沒(méi)有呈現(xiàn)顯著的升高。流入渤海和北黃海的河流枯水期出現(xiàn)在冬季, 冬季降雨量減少引起各流域土壤沖刷及流失減少, 且冬季河流內(nèi)源水生藻類(lèi)及浮游植物等死亡, 所以水中懸浮顆粒物濃度值偏低。

3.1.2 POC和PN

圖2b顯示了各條河流采樣點(diǎn)POC濃度季節(jié)變化規(guī)律。36條河流的POC整體變化趨勢(shì)為平水期>豐水期>枯水期, 其中平水期POC濃度范圍在0.35~ 17.99 mg/L, 豐水期和枯水期各河流POC濃度分別在0.30~7.58 mg/L和0.25~4.04 mg/L之間, 3個(gè)時(shí)期的POC濃度均值分別為3.63 mg/L±3.35 mg/L、2.38 mg/L± 1.82 mg/L和1.53 mg/L±1.03 mg/L。從圖2c可以看出, PN在各季節(jié)分布趨勢(shì)與POC相近, 平水期濃度范圍為0.14~6.65 mg/L, 均值為1.04 mg/L±1.13 mg/L; 豐水期PN濃度為0.09~1.55 mg/L, 均值為0.58 mg/L±0.39 mg/L; 枯水期濃度范圍在0.04~0.88 mg/L, 均值為0.32 mg/L。

POC濃度在枯水期含量較低, 主要原因?yàn)槎驹孱?lèi)等內(nèi)源物質(zhì)明顯減少, 導(dǎo)致顆粒有機(jī)碳含量明顯下降; 但在豐水期, 水體中POC濃度較平水期整體有下降的趨勢(shì), 這可能是由于平水期河流水生藻類(lèi)大量繁殖引起POC濃度較高, 說(shuō)明平水期河流水生植物可能是顆粒有機(jī)碳的來(lái)源, 而豐水期強(qiáng)降雨(圖3)產(chǎn)生的地表徑流從陸源輸入了大量的無(wú)機(jī)顆粒物, 引起河流水體濁度增加, 透光度下降, 抑制了水藻等內(nèi)源水生植物的生長(zhǎng), 減少了內(nèi)源對(duì)水體POC的貢獻(xiàn)量, 另一方面, 夏季地表植物處于生長(zhǎng)旺盛期且地表覆蓋率高, 地表有機(jī)顆粒對(duì)水體POC的輸入相對(duì)平水期和枯水期較少, 減少了陸源對(duì)河流POC的貢獻(xiàn)率。因此, 在豐水期, 河流水體中的POC濃度可能受內(nèi)源貢獻(xiàn)減少及陸源有機(jī)質(zhì)輸入降低兩方面的綜合影響。

3.1.313C和15N

各河流水體懸浮顆粒13C在不同水文時(shí)期的分布差異明顯(圖4),13CPOM平水期分布范圍為–30.75‰~ –19.30‰, 均值為–25.56‰±2.98‰, 豐水期范圍為–34.19‰~ –19.27‰, 均值為–27.93‰±3.82‰, 枯水期13CPOM范圍偏“負(fù)”, 在–34.90‰~ –22.20‰, 均值為–28.88‰±3.41‰。各河流水體懸浮有機(jī)質(zhì)碳同位素總體上表現(xiàn)為13C平水期>13C豐水期>13C枯水期的特點(diǎn), 這是由于平水期和豐水期水生生物生長(zhǎng)旺盛, 引起了13C的分餾。研究表明,12CO2比13CO2擴(kuò)散速度快, 且水生生物在進(jìn)行光合作用時(shí)核酮糖1, 5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)及磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)優(yōu)先選擇吸收12CO2[13], 進(jìn)而使河流環(huán)境的13C偏“重”所致。據(jù)此可知, 平水期和豐水期相對(duì)較高的生物量是導(dǎo)致多數(shù)研究河流13C偏“正”的原因; 而枯水期較“輕”的13C表明, 陸源輸入的有機(jī)質(zhì)在河流懸浮顆粒物中占明顯優(yōu)勢(shì)。由圖4可見(jiàn), 3個(gè)水文時(shí)期中, 豐水期13C值的離散程度最大而平水期和枯水期變化幅度較小, 說(shuō)明豐水期有機(jī)質(zhì)來(lái)源更為多樣化, 結(jié)合13C所處范圍分析(圖7), C3植物和水生藻類(lèi)均是顆粒態(tài)有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者, 這與豐水期強(qiáng)降雨(圖3)導(dǎo)致的陸源有機(jī)質(zhì)被大量沖刷進(jìn)入河流有關(guān), 同時(shí)也反映了不同季節(jié)流域土壤侵蝕的差異性。

由圖4可知, 不同水文時(shí)期, 渤海及北黃海的入海河流中水體懸浮顆粒15N值范圍不同, 各入海河流平水期15NPOM變化范圍為–5.30‰~16.41‰, 豐水期為–1.46‰~18.57‰, 枯水期為–11.59‰~13.13‰,15N值的季節(jié)性變化幅度(30.16‰)較大, 表明河流中懸浮顆粒態(tài)氮的來(lái)源可能具有較大的季節(jié)性差異。總體來(lái)看, 呈15N豐水期>15N平水期>15N枯水期的特點(diǎn), 平水期與豐水期的15NPOM范圍相差不大, 豐水期氮同位素值略高于平水期, 枯水期15NPOM明顯偏“輕”, 均值僅為4.59‰。研究表明, 受農(nóng)業(yè)源影響的15N值<10‰, 而受工業(yè)污染的河流15N值>10‰[14], 本研究中豐水期有13條河流的15N值都高于10‰表明夏季工業(yè)廢水和生活污水對(duì)入海河流的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高, 但是氮在遷移過(guò)程中難免受到生物地球化學(xué)作用, 會(huì)發(fā)生硝化反硝化作用、同化異化作用而引起氮同位素分餾進(jìn)而影響到有機(jī)質(zhì)中氮同位素的組成[15]。Kendall等[16]1998年發(fā)現(xiàn)生物地球化學(xué)過(guò)程中生物體活動(dòng)更傾向于利用輕同位素引起環(huán)境中重同位素豐度增加。在本研究區(qū)域內(nèi), 平水期和豐水期河流溫度較枯水期高, 水體中生物活動(dòng)旺盛, 消耗更多的14N, 因此平水期和豐水期的生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)比15NPOM的影響枯水期高, 表現(xiàn)為15NPOM值在平水期和豐水期高于枯水期。

3.1.4 懸浮顆粒與有機(jī)碳關(guān)系

有研究表明[17], 懸浮顆粒物濃度低, POC含量較高, 反映河流水生植物(水藻等)有可能是這些顆粒有機(jī)碳的來(lái)源, 這是因?yàn)閼腋☆w粒物濃度低, 水體可見(jiàn)光較多, 有利于水生生物的大量繁殖; 當(dāng)懸浮顆粒含量較高時(shí), 河流水體渾濁度高, 可見(jiàn)光減少, 影響到河流水生植物和藻類(lèi)的生長(zhǎng), 引起POC濃度低, 此時(shí)水體中懸浮顆粒態(tài)有機(jī)碳主要來(lái)源于陸源土壤侵蝕帶來(lái)的礦物質(zhì)。從圖5可以看出, 平水期、豐水期和枯水期不同時(shí)期河流的懸浮顆粒物濃度與POC之間存在指數(shù)衰減的趨勢(shì)。其中, 平水期和枯水期的河流水體中的TSM濃度較低時(shí), POC濃度明顯較高, 說(shuō)明水生藻類(lèi)等河流內(nèi)源有機(jī)質(zhì)對(duì)總有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率較高; 而夏季豐水期懸浮顆粒濃度與POC之間的變化趨勢(shì)則不如平水期和枯水期顯著, 說(shuō)明豐水期的河流懸浮顆粒有機(jī)碳的來(lái)源組成較為復(fù)雜, 可能受多種有機(jī)質(zhì)來(lái)源的綜合影響。

3.2 懸浮顆粒物碳氮同位素豐度及來(lái)源辨析

3.2.1 顆粒態(tài)碳和氮來(lái)源季節(jié)差異

河流有機(jī)碳和氮的不同來(lái)源具有各自特定的同位素值域范圍, 顆粒碳和氮的13C和15N值在很大程度上取決于物源的13C和15N值。天然水體顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)碳和氮主要有自生有機(jī)質(zhì)和外源輸入有機(jī)質(zhì)兩種來(lái)源。一般認(rèn)為, C3植物的13C范圍為–36‰~ –23‰, C4植物13C范圍為–18‰~ –10‰[18], 陸生植物有機(jī)質(zhì)15N為3‰~7‰[19]; 土壤有機(jī)質(zhì)13C為–25‰~ –22‰[20],15N為0‰~5‰[19], 浮游植物13C為–42‰~ –24‰, 水生大型藻類(lèi)13C為–28‰~ –18‰[19], 水源性有機(jī)質(zhì)的的15N值為4‰~ 10‰[21]。另外, 人造氮化肥15N為0±3‰[17], 人畜排泄物15N為10‰~20‰[22], 大氣沉降的15N為0.2‰~ 0.8‰, 工業(yè)廢水和生活污水等一般大于10‰[14]。

根據(jù)氮同位素的特征值結(jié)合圖6分析, 平水期、豐水期和枯水期各條河流懸浮顆粒13C值處于C3植物、土壤顆粒有機(jī)質(zhì)和自生有機(jī)質(zhì)(浮游植物和水生藻類(lèi))范圍內(nèi), 因此認(rèn)為環(huán)渤海和北黃海的主要河流水體懸浮有機(jī)質(zhì)碳主要來(lái)源于陸生和自生兩個(gè)來(lái)源。而不同水文時(shí)期各條河流15N落入陸源值域的河流數(shù)量有差別, 所表現(xiàn)出來(lái)的差異在于陸源輸入的貢獻(xiàn)率有季節(jié)性差異。豐水期河流內(nèi)源生物量大量增加, 部分河流13C更接近浮游植物, 表明該時(shí)期懸浮顆粒物碳的來(lái)源中浮游植物的貢獻(xiàn)率較大, 從15N值來(lái)看, 汛期河流受降雨影響, 接納更多了陸源氮, 表現(xiàn)為豐水期人畜排泄物等生活污水貢獻(xiàn)率明顯升高, 多數(shù)河流15N值更趨近于生活污水15N值范圍; 平水期入海河流的13C值主要位于C3植物, 土壤有機(jī)質(zhì)和水生藻類(lèi)值域內(nèi), 表明受三種來(lái)源的綜合影響。枯水期13C與平水期相比, 更趨近于C3植物源, 同時(shí), 枯水期更“負(fù)”的15N值反映了冬季陸源貢獻(xiàn)率相對(duì)較大, 且枯水期30條河流15N值都在10‰以下, 認(rèn)為工業(yè)廢水和生活污水對(duì)入海河流懸浮顆粒態(tài)氮無(wú)重要貢獻(xiàn)。這與13C值的討論具有一致性, 表明冬季水體懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)受降水量減少和水生植物死亡影響, 碳主要來(lái)源為C3植物分解和水源性有機(jī)質(zhì)的混合來(lái)源。

3.2.2 碳氮來(lái)源空間差異

各入海河流在3個(gè)水文時(shí)期的13CPOM空間分布如圖7所示, 不同河流分別在3個(gè)時(shí)期具有顯著的13C空間分布差異。就平水期而言, 獨(dú)流減河(–19.30‰)、夾河(–20.74‰)13C偏“正”, 均大于–21‰, 而潮白河(–30.75‰)、湯河(–30.68‰)和大清河(–30.64‰)的13C偏“負(fù)”, 均在–30‰以下, 說(shuō)明空間因素也是控制河流懸浮顆粒有機(jī)碳的來(lái)源之一。需要特別指出的是黃河豐水期13C(–23.92‰)明顯高于平水期13C(–24.37‰), 這是因?yàn)樨S水期黃河上游調(diào)水調(diào)沙導(dǎo)致汛期河流水體中泥沙含量突增, 明顯以陸地侵蝕源貢獻(xiàn)有機(jī)質(zhì)為主。已研究表明[2], 降水和地形是影響13C分布空間差異的重要空間因素。一方面, 降水量的差異變化引起流域土壤流失是控制流域入海河流水水體顆粒態(tài)碳和氮的主要因素, 表現(xiàn)為降水量越大, 地表徑流沖刷帶入河流的土壤有機(jī)質(zhì)比例升高, 引起懸浮顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)13C值升高; 另一方面, 地形的差異表現(xiàn)為土壤的貧瘠程度及土壤有機(jī)質(zhì)含量的不同, 因而在地表徑流沖刷作用的影響下陸源土壤及植物殘?bào)w顆粒等外源有機(jī)碳的輸入存在明顯差異, 表現(xiàn)為越容易發(fā)生水土流失的河流流域懸浮顆粒態(tài)13C值偏高。本研究中, 豐水期和枯水期與平水期的13C分布具有不完全一致的變化趨勢(shì), 且在流量較大的河流中上述規(guī)律尤為明顯, 復(fù)州河(豐水期: –26.51‰; 平水期: –30.11‰; 枯水期: –28.46‰),大遼河(豐水期: –25.95‰; 平水期: –26.67‰; 枯水期: –29.88‰), 灤河(豐水期: –27.12‰; 平水期: –29.93‰; 枯水期: –34.54‰), 海河(豐水期: –21.61‰;平水期: –29.30‰; 枯水期: –29.99‰), 黃河(豐水期: –23.92‰; 平水期: –24.37‰; 枯水期: –24.16‰)等幾條大河豐水期13C值明顯高于平水期和枯水期, 這一結(jié)果表明不同水文時(shí)期的降水差異引起的陸源輸入差異是控制河流懸浮顆粒有機(jī)碳來(lái)源重要的空間因素。

由圖8不難發(fā)現(xiàn), 各條河流顆粒態(tài)氮的來(lái)源具有明顯的空間差異。復(fù)州河(平水期: 16.13‰, 豐水期: 18.57‰, 枯水期: 13.13‰)和南沙河(平水期: 10.15‰, 豐水期: 11.21‰, 枯水期: 12.50‰)15NPOM值3個(gè)時(shí)期都大于10‰, 表明工業(yè)廢水和生活污水對(duì)這兩條河流懸浮物氮貢獻(xiàn)較大, 且無(wú)明顯的季節(jié)性差異。黃河15NPOM值在3個(gè)時(shí)期都較低, 處于陸源輸入氮的影響范圍內(nèi)。在相對(duì)較小的虞河和塌河中, 豐水期15N值分別為3.25‰、3.55‰, 明顯低于平水期15.43‰、12.65‰, 表現(xiàn)為土壤和氮肥的輸入影響變大, 這是因?yàn)樗参锖驮孱?lèi)的繁殖與其在中等以上河流中相比, 會(huì)受到輕微的限制, 陸地侵蝕物質(zhì)在這3條河水中占主導(dǎo)。

4 結(jié)論

流入渤海和北黃海的主要河流中懸浮顆粒物濃度的季節(jié)性變化格局為平水期>豐水期>枯水期; POC含量在平水期、豐水期和枯水期范圍分別為0.35~17.99 mg/L, 0.30~7.58 mg/L, 0.25~4.04 mg/L, 整體變化趨勢(shì)為平水期>豐水期>枯水期; PN的季節(jié)性變化趨勢(shì)與POC一致。

入海河流中懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)碳的來(lái)源具有一定的季節(jié)性差異。水體懸浮顆粒有機(jī)碳平水期主要受C3植物, 土壤有機(jī)質(zhì)和水生藻類(lèi)3種來(lái)源的綜合影響; 豐水期由于水生生物量的突增, 顆粒態(tài)碳的來(lái)源中浮游植物的貢獻(xiàn)率較大, 其中黃河豐水期明顯陸地侵蝕土壤有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)明顯增大; 枯水期受降水量減少和水生植物死亡影響, 碳來(lái)源表現(xiàn)為陸源C3植物分解和水源性有機(jī)質(zhì)的混合來(lái)源。

入海河流中懸浮顆粒態(tài)氮的來(lái)源存在季節(jié)性差異。平水期土壤氮來(lái)源及水生植物等水源性氮貢獻(xiàn)率較高; 豐水期徑流量增大, 人畜排泄物等生活污水輸入氮的貢獻(xiàn)率明顯增加; 枯水期人造氮肥的氮輸入比例明顯上升。本研究表明利用穩(wěn)定同位素手段能夠示蹤河流中碳和氮的季節(jié)性分布特征, 達(dá)到污染源解析的目的。

[1] 曹磊, 宋金明, 李學(xué)剛, 等. 黃河三角洲典型潮汐濕地碳、氮、磷生物地球化學(xué)特征[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(1): 84-92. Cao Lei, Song Jinming, Li Xuegang, et al. Biogeochemical characteristics of soil C, N, P in the tidal wetlands of the Yellow River Delta [J]. Marine Sciences, 2015, 39(1): 84-92.

[2] 唐艷凌, 章光新. 基于穩(wěn)定同位素示蹤的流域顆粒有機(jī)物質(zhì)來(lái)源辨析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010, 30(9): 1257-1267. Tang Yanling, Zhang Guangxin. Identifying sources of particles organic matter in surface water based on stable isotope tracing on basin scale [J]. China Environmental Science, 2010, 30(9): 1257-1267.

[3] 吳昊, 丘仲鋒, 張艷萍, 等. 2013年夏秋季黃、渤海懸浮顆粒物粒徑分布特征[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(12): 91-99. Wu Hao, Qiu Zhongfeng, Zhang Yanping, et al. Distribution characteristics of suspended particle size in the Yellow and Bohai Seas in summer and autumn 2013 [J]. Marine Sciences, 2015, 39(12): 91-99.

[4] Hwang B G, Jun K S, Lee Y D, et al. Importance of DOC in sediment for contaminant transport modeling [J]. Water Science & Technology, 1998, 38(11): 193-199.

[5] Berto D, Rampazzo F, Noventa S, et al. Stable carbon and nitrogen isotope ratios as tools to evaluate the nature of particulate organic matter in the Venice lagoon [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2013, 135(24): 66-76.

[6] Cifuentes L A, Sharp J H, Fogel M L. Stable carbon and nitrogen isotope biogeochemistry in the Delaware estuary [J]. Limnology and Oceanography, 1988, 33(5): 1102-1105.

[7] Thornton S F, McManus J. Application of organic carbon and nitrogen stable isotope and C/N ratio as source indicators of organic matter provenance in estuarine systems: evidence from the Tay Estuary, Scotland [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1994, 38(4): 219-233.

[8] Faganeli J, Ogrinc N, Kovac N, et al. Carbon and nitrogen isotope composition of particulate organic matter in relation to mucilage formation in the northern Adriatic Sea [J]. Marine Chemistry, 2009, 114(3): 102- 109.

[9] 崔正國(guó). 環(huán)渤海13城市主要化學(xué)污染物排?？偭靠刂品桨秆芯縖D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2008. Cui Zhengguo. Study on scheme of total emission control of main chemical pollutants in 13 cities around Bohai Sea [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2008.

[10] Sundermann J, Feng S Z. Analysis and modelling of the Bohai sea ecosystem- a joint German- Chinese study [J]. Journal of Marine System, 2004, 44: 127-140.

[11] 中華人民共和國(guó)水利部. 2014年中國(guó)水資源公報(bào)[Online]. Available: http://www.mwr.gov.cn/zwzc/hygb/ szygb/qgszygb/201508/t20150828_719423.html.The Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. China Water Resources book 2014 [Online]. Available: http://www.mwr.gov.cn/zwzc/hygb/ szygb/qgszygb/201508/ t20150828_719423.html.

[12] 王婧, 袁潔, 譚香, 等. 漢江上游金水河懸浮物及水體碳氮穩(wěn)定同位素組成特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(22): 7338-7346. Wang Jing, Yuan Jie, Tan Xiang, et al. Stable isotope composition of particulate organic matters and dissolved nitrate in the Jinshui River, Upper Han River Basin [J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(22): 7338-7346.

[13] 馮虎元, 安黎哲, 王勛陵. 環(huán)境條件對(duì)植物穩(wěn)定碳同位素組成的影響[J]. 植物學(xué)通報(bào), 2000, 17(4): 312-318. Feng Huyuan, An Lizhe, Wang Xunling. A review on effect of environmental factors on stable carbon isotope compositon in plants [J]. Chinese Bulletin of Botany, 2000, 17(4): 312-318.

[14] 肖化云, 劉從強(qiáng). 氮同位素示蹤貴州紅楓湖河流季節(jié)性氮污染[J]. 地球與環(huán)境, 2004, 32(1): 71-75. Xiao Huayun, Liu Congqiang. Nitrogen isotope studies on seasonal nitrogen pollution of inflowing rivers of Hongfeng Lake, Guizhou Province [J]. Earth and Environment, 2004, 32(1): 71-75.

[15] Ulseth A J, Hershery A E. Natural abundances of stable isotopes trace anthropogenic N and C in an urban stream [J]. Journal of the North American Benthological Society, 2005, 24 (2): 270-289.

[16] Kendall C, McDonnell J J. Tracing nitrogen sources and cycling in catchments〔M〕. In Isotope Tracer in Catchment Hydrology. Amsterdam: Elsevier, 1998: 521-576.

[17] 李慧垠, 王廣, 季宏兵, 等. 北京水源地水體中顆粒有機(jī)質(zhì)的碳氮同位素研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(12): 2663-2671. Li Huiyin, Wang Guang, Ji Hongbing, et al. Stable carbon and nitrogen isotope composition of particulate organic matter in water source of Beijing [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(12): 2663-2671.

[18] Ye X A, Wang J, Chen J. Distribution and deposition characteristics of carbon and nitrogen in sediments in a semi-closed bay area, southeast China [J]. Continental Shelf Research, 2014, 90 (1): 133-141.

[19] Kendall C, Silva S R, Kelly V J. Carbon and nitrogen isotopic compositions of particulate organic matter in four large river systems across the United States [J]. Hydrological Processes, 2001, 15 (7): 1301-1346.

[20] Xia B, Cui Y, Chen B, et al. Carbon and nitrogen isotopes analysis and sources of organic matter in surface sediments from the Sanggou Bay and its adjacent areas, China [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2014, 33(12): 48-57.

[21] Herczeg A L, Smith A K, Dighton J C. A 120-year record of changes in nitrogen and carbon cycling in Lake Alexandrina, South Australia: C: N,15N, and13C in sediments [J]. Applied Geochemistry, 2001, 16 (1): 73-84.

[22] Elizabeth D, Karenl K, Scottd W. Identifying sources of nitrogen to Hanalei Bay, Kauai, utilizing the nitrogen isotope signature of macroalgae [J]. Environmental Science and Technology, 2007, 41 (15): 5217-5223.

Seasonal variations and sources of carbon and nitrogen isotopes in suspended particulate matter in inflow rivers of the Bohai Sea and the North Yellow Sea

YU Jing1, 2, ZHANG Hua1

(1. Key Laboratory of Coastal Zone Environmental Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Samples of total suspended particulate matter (TSM) from inflow rivers of the Bohai Sea and the North Yellow Sea over different seasons were collected and analyzed for concentrations of total organic carbon (POC), total nitrogen (PN), and stable isotopic composition (13C and15N). These isotopic compositions were used for identifying the sources of organic carbon and nitrogen in suspended particulate matter. The results showed that the seasonal variation of13C and15N in TSM were13Cmedium flow>13Chigh flow>13Clow flowand15Nhigh flow>15Nmedium flow>15Nlow flow, respectively. The sources of total suspended particulate organic matter suggested obvious seasonal variations in river inflows. The C3 plant, soil organic matter, and macrophyte were the main mixture sources of organic matter during medium flow (spring and autumn). The contribution of phytoplankton increased during high flow (summer). The suspended organic matter was derived mainly from mixture sources of C3 plant debris and autochthonous organic matter during low flow (winter); sources of suspended particulate nitrogen mainly included seasonal precipitation, municipal sewage, fertilizer, and autochthonous macrophyte.

suspended particulate matter; stable organic carbon isotopic; stable nitrogen isotopic; seasonal variations; sources

(本文編輯: 康亦兼)

[Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences, No.KZZD-EW-14; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11020305]

Dce. 14, 2016

X522

A

1000-3096(2017)05-0093-10

10.11759/hykx20160914003

2016-09-14;

2017-02-20

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(XDA11020305)

于靖(1989-), 女, 山東煙臺(tái)人, 博士研究生, 主要從事環(huán)境水文過(guò)程與模擬研究, 電話: 15653819170, E-mail: jyu@yic.ac.cn; 張華, 通信作者, 男, 研究員, 電話: 0535-2109180, E-mail: hzhang@yic.ac.cn