赖冬蓉， 严兆彬， 陈益平， 郭国林

(东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013)

南昌市湖水可溶解无机碳与碳同位素特征及其影响因素分析

赖冬蓉， 严兆彬， 陈益平， 郭国林

(东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，江西南昌 330013)

研究了南昌市内7个主要湖泊和赣江水体春秋季可溶解无机碳(DIC)浓度和碳同位素组成。结果表明，各湖泊水体可溶解无机碳浓度与碳同位素与赣江水体差别较大;湖泊水体DIC浓度春季高于秋季，而DIC碳同位素则相反，而赣江水体DIC浓度和碳同位素值几乎不随季节变化。南昌市湖泊内水生植物繁盛，而市内赣江段水体清澈，水生植物较少，反映湖泊水体中DIC浓度和碳同位素组成受水生植物的影响，而赣江水体DIC浓度与碳同位素组成更多取决于水体与大气中CO2的收支平衡。

湖泊;可溶解无机碳;碳同位素;南昌

赖冬蓉，严兆彬，陈益平，等.2012.南昌市湖水可溶解无机碳与碳同位素特征及其影响因素分析［J］.东华理工大学学报:自然科学版，35(2):143-148.

Lai Dong-rong，Yan Zhao-bin，Chen Yi-ping，et al.2012.Dissolved inorgani carbon isotopes’characteristics and their influencing factors of lakes in Nanchang［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(2):143-148.

目前，认识各碳库的碳循环过程及其动态变化，通过物理，化学和生物反馈机制来了解碳循环与气候变化、生态系统、人类活动的相互作用与影响过程，预测气候变化以及由此引起的后续响应等均是当前研究的热点(张志强等，1999;陈宜瑜，1999;袁道先等，2003;陈泮勤等，2004)。水体具有贮存和吸收大气中CO2的能力，影响着大气中CO2的收支平衡。从千年尺度来看，海洋决定着大气中CO2的浓度，但短期变化而言，只有表层水体(100 m以内)在碳循环中起着显著的作用。湖泊水体和湖泊沉积物作为大气圈、陆地生态体系和水生体系的结合点存储着丰富的区域和全球性的环境变化信息，而且具有沉积连续、沉积速率快等特点，已成为全球环境变化研究的高分辨率的记录体(Gupta et al.，2003;Fleitmann et al.，2003;Dykoski et al.，2005;Hong et al.，2005;Wang et al.，2005;刘再华等，2004)。碳循环在水体中主要以可溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon，简称DIC)和可溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon，简称DOC)存在和转化，它们的含量和碳同位素值的变化反映了碳的地球化学行为和生物地球化学循环特征以及与气候变化的关系(Fritz et al.，1989;Aucour，1999;Helie et al.，2002;刘再华等，2003;吕昌伟等，2010;喻元秀等，2008;钱晓莉等，2009;张彦辉等，2009;曾从盛等，2011)。可溶解无机碳与碳同位素作为揭示湖泊碳循环的有效手段而得到广泛应用(刘丛强，2007)，分析多个湖泊可溶解无机碳同位素值(δ13CDIC)的空间变化特征及与环境要素的关系是认识湖泊碳循环的有效方法(Cole et al.，1994;Striegl et al.，2001;Bade et al.，2004)。南昌市内湖泊星罗棋布，赣江穿市而过，为研究湖水碳同位素的分布规律和主要影响因素提供了有利条件。本文通过对南昌市内湖泊和赣江的表层水样进行了详细的可溶解无机碳浓度和碳同位素分析，探讨了湖泊可溶解无机碳同位素值的影响因素和循环过程。

1 研究区概况

南昌市内江河湖塘星罗棋布，散布着青山湖、艾溪湖、瑶湖、象湖、黄家湖、礼步湖、前湖等大小多个湖泊，赣江、抚河穿城而过，是一座名副其实的东方水城，全市总面积7 402.36 km2，其中水域面积达 2 204.37 km2，占 29.78%。气候湿润温和，日照充足，夏冬季长，春秋季短。南昌是典型的“夏炎冬寒”型城市，夏天炎热，有火炉之称;冬天较寒冷。年平均气温17～17.7℃，极端最高气温40.9℃，极端最低气温 －15.2℃。年降雨量1 600～1 700 mm，降水日为147～157 d，年平均暴雨日5.6 d，年平均相对湿度为78.5%。属中亚热带湿润季风型气候。

2 样品的采集与测试

2.1 样品采集

本次样品采集分春秋两季进行，分别于2011年4月28日(春)和10月26日(秋)对南昌市内7个湖泊和赣江进行表层水样采样，每次采取16个样品，采样位置见图1。

2.2 样品测试

现场测定水体的PH值和T值(温度)。水样的保存用容量为100 ml的聚乙烯瓶，采样前用所采样品反复多次冲洗样品瓶，每个样品采取两瓶，分别用于离子测定和δ13CDIC测试。为了防止水体中微生物作用对δ13CDIC值的影响，采样时向瓶中滴入两滴浓度为0.5%的HgCl2溶液，并将瓶口密封。溶解无机碳同位素测试使用MAT-253-Gasbench联机完成，过程中在试管中加入98%磷酸0.03 mL，放在40℃的恒温槽中，用高纯氦吹气10 min，注入0.7 mL样品，反应平衡18 h后测试，测试精度为0.2‰。碳同位素用国际PDB标准的千分比表示，其表达式为:

式中，δ13CDIC为可溶解无机碳的同位素值，R样品为样品物质中13C/12C的值，R标准值为标准样品中13C/12C的值。水样经0.22 μm的醋酸纤维滤膜过滤，以甲基橙为指示剂，用HCl滴定法分析Alk(碱度)。根据采样时湖泊和赣江水体的pH值、T值和Alk，可计算 DIC 的含量(Chetelat et al.，2008)。

图1 南昌市区采样点分布图Fig.1 Map of sampling locations in the area of Nanchang

3 结果与分析

3.1 湖水DIC和δ13CDIC值组成特征

水体中溶解无机碳(DIC)以三种形式存在，即HCO3－，CO32－和H2CO3。南昌市湖水和赣江水pH值春秋两季几乎没有变化，在7.17～8.30之间，平均为7.20。天然水体氢氧根离子浓度极低，可以忽略不计，在此碳酸平衡体系下，水体中溶解无机碳则主要为HCO3－和CO32－。水的温度影响水体溶解CO2的一级和二级离解常数，并在一定程度上影响溶解CO2的分压，南昌市湖水在春季(2011年4月28日)水温平均为18.52℃，秋季(2011年10月26日)水温平均为26.8℃，因DIC浓度整体较低，溶解CO2的分压远远低于当地大气CO2的分压，故温度对南昌市湖泊水中溶解无机碳主要存在形式的影响可以忽略不计。

因湖水中HCO3－占总溶解无机碳的90%以上，可用HCO3－浓度表征水中溶解无机碳浓度(高全洲等，1998;Das et al.，2005)，但并不能用湖水或者河水的pH值来代替其碱度。在南昌市取样的7个湖泊水体中，pH值最高的湖泊分别为艾溪湖和礼步湖，艾溪湖取样点离南昌市东的氨气场较近，取样时能闻到刺鼻的气味。礼步湖位于南昌市新建县市中心，湖水面积较小，且长期封闭，县城内有部分生活垃圾堆积其中，水质弱，水生植物相对较少。与之相对应的是礼步湖水δ13CDIC值在春秋两季均为最高值，而艾溪湖水的δ13CDIC值则较接近平均值，可见湖水的pH值并不能影响δ13CDIC值。

南昌市湖水和赣江水DIC浓度和δ13CDIC值测试结果见表1。从表1中可知，赣江水DIC浓度春季略过于秋季，而其δ13CDIC值春秋两季几乎没有变化。湖泊水 DIC浓度春季为1.83～2.87 mmol·L－1，平均为 2.18 mmol·L－1，秋季为 0.70 ～1.28 mmol·L－1，平均为 1.04 mmol·L－1，整体表现为春季明显高于秋季;湖泊水 δ13CDIC值春季为－16.4‰ ～ － 22.6‰，平均为 － 20.07‰，秋季为－14.4‰ ～ －18.2‰，平均为 －16.40‰。从数据看出，湖泊水DIC浓度和δ13CDIC值呈明显的负相关性。

3.2 影响湖泊δ13CDIC值的主要因素探讨

影响湖泊δ13CDIC值的主要因素包括湖泊生产力与有机质分解程度、湖水与大气CO2的交换程度、入湖水体的DIC碳同位素组成、湖水DIC滞留时间等(McKenzie，1985;Quay et al.，1986;Herczeg et al.，1987;Herczeg et al.，2003;Wachniew et al.，1997;Barkan et al.，2001;Schwalb 2003;喻元秀等，2008)。研究者早期对淡水湖泊研究发现，水体δ13CDIC值变化能够很好地指示浮游植物光合作用(McKenzie，1985)。夏季藻类光合作用将无机碳转化为有机碳过程中富含12C的无机碳会被藻类优先吸收，进而导致表层水体δ13CDIC变大;而底部湖水由于接收有机质分解释放的 CO2，水体δ13CDIC值会显著变小。对高生产力淡水湖泊来说，DIC浓度低，有机质分解释放的CO2占湖水DIC比例较高。则有机质分解释放的CO2碳同位素值与有机质相同，为 －30‰ ～ －24‰，平均值为 －27‰(类延斌等，2011)，淡水浮游植物与其光合作用所需的碳源的同位素分馏约为－23‰(刘丛强，2007;Hedges et al.，1986;Zhang et al.，1995;Palmer et al.，2001)。根据南昌市湖水春秋两季δ13CDIC值，湖泊水中DIC的主要来源之一应该是有机质的降解和水生植物光合作用导致的同位素分馏。另浮游生物光合作用对DIC的吸收可导致水体DIC含量的降低，而水生植物吸收碳源时的同位素分馏可导致δ13CDIC组成具有偏正的趋势，这与南昌市湖水中DIC浓度与δ13CDIC值呈明显的负相关性一致。而南昌市湖水δ13CDIC值秋季明显高于春季，从取样时温度上看，秋季时温度高于春季，野外调查可知，南昌市各湖泊均为高生产力湖泊，春季各种水生植物开始复苏，生长，到秋季时达到最为茂盛时节，则表层水体表现为秋季δ13CDIC值明显高于春季。这说明南昌市各湖泊δ13CDIC值主要取决于水生植物的光合作用。

湖泊为开放系统，大气CO2与水中DIC完成平衡时，δ13C会有8‰～10.0‰的同位素分馏(St Louis et al.，2000;Hélie et al.，2002;Myrbo et al.，2006)，较重的CO2溶解到水体会导致δ13CDIC值产生正漂移。南昌市各湖泊溶解CO2分压远远低于大气CO2分压，则均为开放体系湖泊，大气CO2能与水中 DIC完成平衡。以大气 CO2中 δ13C为－7.8‰(Levin et al.，1987)计，大气 CO2溶于水中形成的HCO3－，其 δ13C 约为 +0.2‰ ～ +2.2‰。从表1可知，南昌市区赣江水在春秋两季δ13CDIC值均为稳定的－12.0‰±，湖水的δ13CDIC值并不仅仅是来源于水生植物光合作用，应有部分与大气CO2的交换参与有关。

表1 南昌市湖水、赣江水的pH值、DIC浓度和δ13CDIC值Table 1 The pH value，DIC concentration and δ13CDICvalue of the lake and Ganjiang in Nanchang

入湖水体的DIC碳同位素组成主要来源于入湖的河水和地下水，其DIC的来源为土壤有机质分解释放的CO2和流域岩石化学风化带入。长江流域土壤有机质δ13C组成的变化范围为－31.23‰～－23.8‰(Levin et al.，1987)。有机质氧化为 CO2几乎不发生同位素分馏(Wu et al.，2007)，在各个湖泊中，黄家湖、礼步湖和前湖为较为封闭式湖泊，青山湖、艾溪湖、瑶湖和象湖分别与赣江、抚河的主河道或者支流相连通。赣江水的 δ13CDIC值为－12.0‰ ± ，高于湖泊水的 δ13CDIC值，则河水补给对湖泊水碳同位素应是具有正异常的作用。从各湖泊水的δ13CDIC值可知，除礼步湖外，其它湖泊水的δ13CDIC值分异并不大，而礼步湖水的δ13CDIC值则为正异常，可见南昌市湖泊水体的δ13CDIC值与赣江水关系不甚大，入湖水体的DIC碳同位素组成应主要取决于流域土壤有机质降解。

DIC滞留时间是指湖泊DIC总量与损失速度的比值，其大小对水体δ13CDIC值有重要影响。湖泊水体DIC总量主要取决于DIC浓度和湖水体积，而DIC损失量包括湖水与大气CO2的交换速度、碳酸盐矿物的沉淀和湖泊生物量高低等(McKenzie 1985;Quay et al.，1986;Herczeg et al.，1987;Herczeg et al.，2003;Wachniew et al.，1997;Barkan et al.，2001)。相对而言，封闭湖泊水体 DIC滞留时间普遍较长。在南昌市的各湖泊中，完全封闭式湖泊且封闭时间最长的湖泊为礼步湖，从测试数据可知，礼步湖水在春秋两季的δ13CDIC值都明显高于南昌市湖水的平均值，且均为最高值。这与礼步湖位于南昌市新建县市中心，湖水面积较小，且长期封闭，县城内有部分生活垃圾堆积其中，水质弱，水生植物相对较少等有关。

4 结论

(1)南昌市湖泊水DIC浓度春季平均为2.18 mmol·L－1，秋季平均为 1.04 mmol·L－1，整体春季明显高于秋季;湖泊水 δ13CDIC值春季平均为－20.07‰，秋季平均为 －16.40‰。从数据看出，湖泊水DIC浓度和δ13CDIC值呈明显的负相关性。

(2)南昌市湖水δ13CDIC值的影响因素主要取决于湖泊生产力与有机质分解、土壤有机质分解和其与大气CO2的交换程度。赣江水体补给对湖水δ13CDIC值影响不大。礼步湖水δ13CDIC值应更多的是受DIC滞留时间的影响;赣江水δ13CDIC值明显不受季节的影响，故水生植物对其影响不大，应主要受土壤有机质分解及其与大气CO2交换的程度影响。

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Dissolved Inorgani Carbon Isotopes’Characteristics and Their Influencing Factors of Lakes in Nanchang

LAI Dong-rong， YAN Zhao-bin， CHEN Yi-ping， GUO Guo-lin
(Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment(ECIT)，Ministry of Education，Nanchang，JX 330013，China)

This paper studied concentration of DIC and Carbon isotopes’composition in 7 major lakes and Ganjiang river in Nanchang，resulting that:concentration of DIC and Carbon isotopes in the lakes differ greatly with Ganjiang river;concentration of DIC in the lakes is higher in spring than fall，DIC Carbon isotopes in reverse，whereas，concentration of DIC and Carbon isotopes at Ganjiang river barely change with seasons.Aquatic plants in the lakes flourish，but water at Ganjiang river is clear with much fewer aquatic plants.Thus，concentration of DIC and Carbon isotopes in the lakes are influenced by aquatic plants，while concentration of DIC and Carbon isotopes in Ganjiang river depend more on balance of CO2in water and atmosphere.

lakes;dissolved inorgani carbon;isotopes;Nanchang

X524

A

1674-3504(2012)02-0143-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.02.007

2012-02-21 责任编辑:吴信民

江西省教育厅科学技术研究重点项目(赣教技字［11722］号)

赖冬蓉(1967—)，女，实验师，长期从事实验室工作。E-mail:yzbqw@126.com