亞熱帶典型流域C、N沉降季節(jié)變化特征及其耦合輸出過程

馬明真,高 揚,*,郝 卓

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

大氣沉降主要通過三種形式進行：濕沉降、干沉降和云沉降[1-2]。大氣濕沉降是指通過大氣降水(包括降雨和降雪等)沖刷大氣中污染物的過程。雨水中的碳氮主要是來源于陸地工農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的污染物以及植被和人類排放的易揮發(fā)有機物等向大氣中的排放[3-4]。濕沉降是流域生態(tài)系統(tǒng)水體中碳氮的重要來源[5-6],除了雨水本身攜帶的碳氮直接進入水體外,降雨過程對土壤產(chǎn)生的沖刷作用還會使流域土壤碳氮轉(zhuǎn)移到河道中,影響水體碳氮含量以及流域碳氮輸移,進而改變碳氮循環(huán)過程[7- 9]。

隨著人類活動導致的大氣污染情況的加劇,雨水中的溶解性有機碳(DOC)和總氮(TN)濃度有不斷上升的趨勢,已成為降雨中的主要化學組分[10]。DOC的輸送轉(zhuǎn)化過程是森林流域水體碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[11],是河流有機碳輸送的重要形式[12],其主要成分是溶解態(tài)腐殖酸類,對水體pH值會產(chǎn)生一定的影響,DOC的增加會降低水體能見度、并有利于重金屬污染物的轉(zhuǎn)移[13-14]。大氣氮沉降對水生生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)有重要影響[15],隨著氮沉降的增加,水生生態(tài)系統(tǒng)中氫也會增加,使水體酸化,對初級生產(chǎn)者的生長繁殖的刺激作用將導致流域水體的富營養(yǎng)化,過量氮沉降還會對水生動物的生存、生長和繁殖能力產(chǎn)生毒害作用[8,16]。水中營養(yǎng)物質(zhì)的化學計量比可以影響浮游生物的生長和組成[17],在一些研究中,Redfield 比值是定量確定營養(yǎng)限制因子的一個重要依據(jù)[18],因此大氣沉降中的碳氮耦合關(guān)系及降雨過程對水體碳氮的影響過程對流域水生生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要意義。

目前,國內(nèi)關(guān)于濕沉降影響流域碳氮循環(huán)的研究已經(jīng)有一些報道[10,13, 19],但是大部分都是針對單一的碳素或者氮素進行,另外,生態(tài)系統(tǒng)中的碳氮耦合過程也有不少研究,主要集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)或土壤和植物的碳氮過程[20-21],從碳氮耦合的角度出發(fā)對流域碳氮沉降作用及輸出過程關(guān)系以及整體碳氮平衡進行的研究相對較少。因此,本文通過對江西泰和縣千煙洲試驗站的流域進行研究,分析亞熱帶森林流域降雨過程的碳、氮濕沉降和徑流過程的季節(jié)性動態(tài)特征,探討流域沉降、徑流輸出的C、N耦合及平衡關(guān)系,在碳排放和氮沉降持續(xù)增加的背景下,研究分析當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境問題,為該流域森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和科學管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省吉安市泰和縣灌溪鎮(zhèn)桃源村境內(nèi)的中國科學院千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗站(115°04′13″E,26°44′48″N)(圖1)。地處亞熱帶季風氣候區(qū)域,區(qū)內(nèi)為典型亞熱帶紅壤丘陵地貌類型,地勢呈西南高東北低趨勢,為典型亞熱帶流域,平均海拔高度為110.8 m,年均氣溫17.9℃,2010—2015年均降水量1442 mm,降雨量季節(jié)分配不均勻,3—9月為流域雨季,降雨量占全年的70%左右,年均相對濕度84%[22]。香溪流域總面積為97.38 hm2,小流域內(nèi)土地利用方式主要為林地、農(nóng)業(yè)用地、草地等典型利用方式,其中林地面積最大,植被種類以馬尾松和濕地松為主,農(nóng)業(yè)用地以水田、桔園為主。流域內(nèi)香溪河從A點開始匯集,流經(jīng)林地、稻田、桔園,以G點為出水口,經(jīng)H點匯入架竹河,架竹河水系為贛江流域的二級支流,最終匯入鄱陽湖水系。

圖1 流域采樣點分布及土地利用方式Fig.1 Distribution of sampling points and land use patterns in the watershed上游：A、B、C,中游：D、E、F,下游：G、H

1.2 采樣方法

水樣采集：在千煙洲香溪流域綜合考慮了空間分布、土地利用類型及采樣便利等因素均勻的設(shè)立8個常規(guī)采樣點(圖1),分別為上游的A、B、C,中游的D、E、F,及下游的G、H,依次流經(jīng)水塘,稻田,桔園等不同的土地利用類型。設(shè)立的這8個常規(guī)采樣點,2014年7月—2015年8月每月采集常規(guī)水體樣品2 次(分別在每月的9號和19號進行人工采樣)。在試驗區(qū)屋頂安裝雨量計,每次降雨后,雨量計收集雨水,人工采集雨水進行分析。在流域水文站點處(圖1 G點)設(shè)置一臺ISOC6710水沙自動采樣裝置,降雨后進行徑流水樣的采集。將降雨觸發(fā)模塊設(shè)置為5 mm(即降雨量超過5 mm時,自動采樣裝置開始采集地表徑流),當降雨觸發(fā)模塊運行后,每隔30 min自動采集200 mL徑流樣,直到收集完24個樣品。該儀器同時實時監(jiān)測水位,流量以及流速的變化。將收集的水樣分裝到聚乙烯塑料瓶(100 mL),樣品采集后立刻送往實驗室,放置于冰箱保存并在一月內(nèi)取回至中科院地理所進行試驗分析。

土壤樣品采集：在試驗區(qū)按桔園、針闊混交林、濕地松和馬尾松四種土地利用方式進行土壤樣品的采樣,每種林地選取3個樣點,按0—10、10—20、20—40 cm和40—60 cm用土鉆分層取樣,土壤放入密封袋中于冰箱中保存,次日帶回至地理所地下室自然風干一周,過2 mm篩,用球磨儀粉碎后裝入密封袋保存待測。

1.3 樣品分析

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1沉降通量計算方法[23]

采用式(1)對碳氮濕沉降通量進行計算：

(1)

式中,F代表沉降通量(kg/hm2),P代表逐月降雨量(mm),c代表雨水中物質(zhì)的濃度(mg/L)。

1.4.2徑流量及碳氮排放負荷的計算方法[24]

地表徑流量的計算公式：

(2)

碳氮排放負荷計算公式：

(3)

式中,x為徑流量(m3)；qt為t時刻的流量(m3/s)；qi為樣本i在監(jiān)測時的流量(m3/s)；yi為第j種污染物的排放負荷(g)；ct為t時刻徑流中第j種污染物的濃度(mg/L)；ci為第j種污染物在樣本i監(jiān)測時的濃度(mg/L)；Δt為樣本i和i+1的時間間隔(s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域濕沉降季節(jié)變化

2.1.1 流域年降雨變化特征

由圖2中可以看出,千煙洲香溪流域降雨季節(jié)差異較為明顯,3—9月雨水豐沛,占全年降雨量的60%—80%,年際變化較大。流域降雨事件以中小雨為主(日降雨量小于10 mm為小雨,10—25 mm 為中雨,25—50 mm為大雨,50 mm以上為暴雨),2014年和2015年降雨天數(shù)共336 d,大雨及以上天數(shù)僅為34 d。另外,2015年極端降雨事件發(fā)生頻次高于2014年。2014年共出現(xiàn)4次日降雨量50 mm以上的暴雨事件,全年沒有出現(xiàn)超過100 mm的大暴雨事件；2015年共出現(xiàn)4次暴雨事件和2次大暴雨事件。

圖2 流域2014—2015年月降雨變化特征Fig.2 Variations of monthly rainfall in the watershed from 2014 to 2015

2.1.2 流域C、N濕沉降季節(jié)變化

圖3 流域和DOC濕沉降和雨水pH變化特征Fig.3 Variations of TN, DTN and DOC wet deposition and pH in rainwaterTN:Total Nitrogen,總氮；DTN: Dissolved Total Nitrogen,溶解性總氮;DOC∶ Dissolved Organic Carbon,溶解性有機碳

2.2 流域徑流C、N變化特征

2.2.1 季節(jié)變化特征

圖4 流域降雨徑流中和DOC含量和pH變化特征Fig.4 Variations of TN, DTN and DOC contents and pH in rainfall-runoff

2.2.2 次降雨事件流域徑流C、N動態(tài)變化

從觀測到的19場降雨徑流中選取4場不同降雨強度的典型降雨事件對碳氮輸出動態(tài)特征進行分析,2015年3月15日、3月16日、5月19日和8月9日的降雨量分別為12.0 mm(中雨)、7.0 mm(小雨)、100.0 mm(暴雨)、46.9 mm(大雨)。4場降雨均出現(xiàn)了不同程度的徑流峰值(圖5),暴雨條件下的徑流量在整場降雨事件中均處于較高的狀態(tài),降雨初期的徑流峰值非常明顯,高達0.866 m3/s,達到峰值后,徑流量快速下降,后期徑流量一直處于下降狀態(tài)；大雨條件下的初期徑流峰值也較為明顯,為0.131 m3/s,達到峰值后徑流量快速下降至平穩(wěn)水平；中雨和小雨條件下徑流過程也有一定的峰值,但不太明顯,分別為0.026 m3/s和0.035 m3/s,整體徑流量波動較小。

圖5 不同強度降雨徑流過程的徑流量 Fig.5 Rainfall-runoff with different rain intensity in rainfall events

3 討論

3.1 流域C、N耦合特征

雨水DOC是世界上大部分地區(qū)降雨中溶解物質(zhì)的一個主要組成部分[5],研究表明降雨中的DOC主要是來源于陸地有機污染物向大氣中的排放,比如化石燃料燃燒后的廢氣排放、工業(yè)廢氣排放以及植被和動物排放的易揮發(fā)有機物等[3,10,25-26]；雨水中的氮主要來自于工農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)活動[7,27]。本研究中大氣降水中的DOC濃度平均為5.28 mg/L,高于呂茂奎等[28]在福建三明地區(qū)的研究(1.90 mg/L)和羅艷等[29]在鼎湖山地區(qū)的研究(3.70 mg/L),說明觀測期間香溪流域的空氣污染情況較為嚴重[5],考慮到采樣地區(qū)位于農(nóng)村,人口和機動車輛較少,也無工廠等污染源,其污染可能來自附近城市的大氣轉(zhuǎn)移。香溪流域大氣降水中的TN濃度平均為5.91 mg/L,回歸分析表明,雨水中DOC濃度和TN濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(圖7),說明香溪河流域上空大氣中的DOC和TN可能存在相近的污染來源,比如化石燃料燃燒釋放的廢氣(含大量的有機碳氮)等,且這種來源可能是導致香溪河流域空氣污染的主要因素,并引起了雨水中碳氮的耦合效應。

圖7 流域雨水沉降、降雨徑流和常規(guī)水體輸出的碳氮線性擬合及pH對其的影響和土壤中碳氮線性擬合關(guān)系Fig.7 Fitting linear relationship of C and N in wet deposition, rainfall-runoff and conventional water body; effect of pH on it; and fitting linear relationship of C and N contents in soil

降雨徑流過程中DOC和TN濃度與流域的土壤侵蝕過程相關(guān),隨著降雨等水文過程變化[9]。不同降雨強度下的雨水對土壤產(chǎn)生的沖擊侵蝕進程差異較大,徑流中的碳、氮濃度變化對不同強度降水的響應明顯不同(圖6),中、小雨條件下徑流輸出的碳氮比與大、暴雨有極顯著差異(P<0.01),Gao等[8]的研究表明,不同的降雨事件引起的土壤侵蝕過程可能會導致氮素的吸附或解吸。圖7中的徑流樣品來自不同的降雨事件,盡管雨水和土壤中的碳氮都有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(圖7),但是由于每次降雨事件對土壤的沖刷力度以及對土壤中有機質(zhì)和氮素的作用不同,降雨徑流輸出的DOC和TN濃度無顯著相關(guān)性(P=0.38)(圖7),即徑流過程中的不同降雨強度對土壤的沖刷力度不同導致了徑流中碳氮耦合現(xiàn)象的消失。

圖8 流域雨水、徑流、常規(guī)水體和土壤中的C∶N Fig.8 C∶N in rainfall, rainfall-runoff, conventional water bodies and soil

流域水體DOC的外源和內(nèi)源分別是降雨徑流輸入以及對土壤的侵蝕沖刷輸入和河流內(nèi)浮游植物的生長釋放[30-31]。香溪流域常規(guī)水體中的DOC濃度均值為8.51 mg/L,高于全球河流平均水平5.75 mg/L[30]。研究表明,溫度、降水以及地表徑流量對流域水體DOC含量有顯著影響[32- 34],香溪河流域全年70%左右的降雨集中在雨季高溫時期,此時植被生產(chǎn)力較高,地表及土壤中有機物質(zhì)含量較高,極易被雨水沖刷流失,導致水體DOC含量偏高?；貧w分析表明,流域常規(guī)水體中的DOC和TN濃度呈顯著負相關(guān)(P<0.05),河流氮素的輸入增加會刺激微生物的生長,影響微生物的數(shù)量和組成,進而影響微生物種群之間的競爭關(guān)系,最終影響DOC的分解和吸收[35],另外,DOC在生物反硝化脫氮進程中有重要作用[36],有機碳源既作為反硝化菌合成細胞的能源,又作為反硝化反應中的電子供體,能促進水體氮素轉(zhuǎn)化為N2O和N2從水體釋放到大氣中,從而降低水體TN含量,所以,微生物可能是引起流域常規(guī)水體中碳氮耦合現(xiàn)象的主要因素。

3.2 評估流域C、N輸入輸出平衡森林流域的碳氮收支平衡在維持生態(tài)系統(tǒng)功能及穩(wěn)定性方面具有重要意義[48-49]。

圖9 基于降雨驅(qū)動的流域C、N輸入輸出平衡示意圖/(kg hm-2 a-1)Fig.9 Schematic diagram of C, N input and output balance based on rainfall-driven

香溪河流域降雨徑流輸出DOC和TN通量為10.21 kg hm-2a-1和14.29 kg hm-2a-1,分別占濕沉降通量的14.7%和18.5%。說明流域內(nèi)植物和土壤截留了大部分降雨沉降的營養(yǎng)物質(zhì)。有研究表明降雨帶入的氮是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素補給的重要來源,為遼寧省氮肥施用量的11.3%[55]。資料顯示,香溪流域內(nèi)氮肥年均使用量約為189.98 kg hm-2,生態(tài)系統(tǒng)截留的沉降氮素占其33.13%,可見大氣降水對亞熱帶流域生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)輸入量非常之大,其影響不容忽視。

查閱千煙洲相關(guān)文獻,可以得到土壤N2O排放通量為0.6 kg hm-2a-1[56],生態(tài)系統(tǒng)凈交換CO2(Net Ecosystem Exchange,NEE)通量為-3872 kg hm-2a-1[57]。在不考慮人類農(nóng)業(yè)活動(施肥、收獲、耕種固氮作物等)等過程對流域生態(tài)系統(tǒng)碳氮平衡影響的情況下,得出碳收支情況為+ 3931.20 kg hm-2a-1,氮收支為+ 62.34 kg hm-2a-1,即流域在自然情況下既為碳匯,又為氮匯,由于植物光合作用驅(qū)動的碳吸收通量遠高于沉降及徑流輸出通量,降雨過程對流域碳輸入輸出平衡影響較小,對氮的輸入輸出平衡的影響較大。

4 結(jié)論

通過本研究發(fā)現(xiàn)亞熱帶流域大氣降水中的DOC濃度平均為5.28 mg/L,TN濃度平均為5.91 mg/L,雨水中DOC濃度和TN濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。各水體中營養(yǎng)物質(zhì)來源是影響碳氮關(guān)系的主要因素,香溪河流域常規(guī)水體C∶N均值為2.81,遠低于根據(jù)Redfield比率得出的適宜浮游生物生長的C∶N(6.6左右),說明外源性N輸入導致該流域水體環(huán)境處于N過量的狀態(tài),長期輸出會提高下游鄱陽湖水系的營養(yǎng)化程度。流域濕沉降DOC年輸入量為69.41 kg hm-2a-1,TN濕沉降通量為77.23 kg hm-2a-1,碳氮沉降水平受區(qū)域降雨量及空氣污染情況控制。大氣營養(yǎng)物質(zhì)對亞熱帶流域生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)輸入不容忽視,在不考慮人類活動(施肥、收獲、耕種固氮作物等)干擾情況下,流域既為碳匯,又為氮匯,降雨過程對流域碳輸入輸出平衡影響較小,對氮的輸入輸出平衡的影響較大。