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(1.长江科学院a.空间信息技术应用研究所；b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室；c.野外观测中心，武汉 430010；2.青海省水文水资源勘测局，西宁 810001)

1 研究背景

近几十年来，全球碳循环与气候变化已经引起各国科学家的关注和研究，其中内陆河流湖泊由于具有河网水系的传输性特征，对于水域碳物质输送迁移转化具有天然优势，在陆地与海洋碳循环系统之间起到联系纽带的作用，在全球碳循环系统中具有重要的地位[1-2]。目前气候变化研究领域科学家采用原位观测[3-4]、实验室分析[3-4]、碳同位素示踪[5]、遥感反演[6-7]等多种技术手段，在长江流域[3,8-10]、黄河流域[4,11]、珠江流域[12]、密西西比河流域[5-6]、典型岩溶水库[13]与湖泊[7]等区域开展大量观测与研究，从全流域角度研究分析了碳物质以水为载体进行内陆水域传输的基本规律与时空变化特征。湿地、湖泊、河流、水库、地下水等具有不同水动力特征的内陆水体碳传输机制显示出显著差异性，在岩溶性水体与非岩溶性水体之间无机碳与有机碳的比例表现为明显的区别[13]。国内外学者利用地面观测站网、卫星遥感、航空遥感等多种研究手段，在青藏高原湖泊河流水沙特性[14-15]、水质变化[16]、河流与湖泊浮游动植物[17]、湖泊面积变化[18-19]、降水与水资源[20-22]、黑炭物质变化[23]、冰雪覆盖变化[24]、陆地碳循环[25]等领域开展了大量的研究，但对于高原河流与湖泊水体碳物质输送迁移转化还未得到充分研究。我国青藏高原高海拔区域碳循环过程对于气候变化非常敏感[26-27]，对于全球气候变化及江源水资源变化均具有重要影响。

因此，非常有必要对青藏高原典型河流与湖泊的水体无机碳、有机碳等不同形态碳含量的观测数据进行分析，以获取典型高原湖泊与河流水体碳时空变化特征，并与低海拔区域河流与湖泊相比较，对于研究我国青藏高原等高寒区域气候变化和保障水资源安全具有重要意义。

2 研究区概况与观测方案

2.1 研究区概况

青藏高原是我国最大、世界海拔最高的高原，被称为“世界屋脊”，与地球南极北极并列称为世界“第三极”，南起喜马拉雅山脉南缘，北至昆仑山、阿尔金山和祁连山北缘，西部为帕米尔高原和喀喇昆仑山脉，东及东北部与秦岭山脉西段和黄土高原相接，介于26°00′N—39°47′N，73°19′E—104°47′E之间。青藏高原也是世界上湖泊数量最多、湖泊总面积最大的区域，其水文循环、能量循环、碳循环、水资源与生态系统变化等自然过程极其复杂。三江源区位于青藏高原腹地，平均海拔4 200 m，总面积达30.25万km2，是长江、黄河、澜沧江等众多著名大江大河发源地，素有“中华水塔”之称。三江源区为典型高原大陆性气候，大部分地区处于永冻层区，年平均气温大多在-4 ℃以下，全年0 ℃以下气温长达7～8个月，大多数月平均气温≤10 ℃，年平均降雨量为250～350 mm，年日照射数为2 467.7～2 789.1 h[28]。

2.2 观测方案

本文作者在2014—2016年连续3 a开展了4次观测实验，采集水样带回实验室分析，采样时间分别为2014年7月、2015年7月、2016年6月和2016年8月，每个采样时期断面空间分布如图1所示，分别位于长江源、黄河源、澜沧江源以及青藏高原其他区域，水样包括河流、湖泊、冰川等类型。其中，2014年7月共11个采集断面，2015年7月共计10个采集断面，2016年6月共计9个采集断面，2016年8月共计19个采集断面。水样采集后装入聚乙烯瓶，经过密闭处理带回实验室分析，使用平均孔径0.7 μm玻璃纤维滤膜进行水样过滤，然后采用德国元素公司vario TOC分析仪燃烧氧化-非分散红外吸收法(依据来源于中华人民共和国国家环境保护标准(HJ501—2009))对过滤后水样进行分析，获取水样总碳、有机碳、无机碳不同形态水体碳含量数据。

图1青藏高原典型河流湖泊水样采集断面位置分布
Fig.1SpatialdistributionofwatersamplesitesforcarbonanalysisfromtypicalriversandlakesovertheTibetanPlateau

3 结果与讨论

3.1 三江源流域水文水环境分析

收集观测资料分析三江源典型气象与水文站降水量、流量及水质指标变化情况如图2、图3和表1所示。从图2中可以看出，1956—2000年期间，三江源中长江源代表站点直门达降水量最高，黄河源代表站点唐乃亥降水量最低，具有显著季节变化特征。从图3中可以看出，长江源直门达水文站流量最大，位于上游的雁石坪等其他水文站流量较低，并且具有明显的丰水年和枯水年之划分，均是在7，8，9月份流量达到年内最高。表1为长江源典型观测断面水质水环境变化情况[28]，从表1中可以看出，在沱沱河、直门达与雁石坪3个观测断面中长江水体pH值均在8.0左右波动变化，说明水体总体上呈现偏碱的状态。另外，水体溶解氧含量在直门达断面最高，大部分年份在8.0 mg/L以上，而位于最上游的沱沱河断面最低，可能与高海拔地区大气含氧量较低有关系。氨氮、高锰酸钾指数、总磷等其他指标相对于低海拔地区水体均处于较低水平。

图2 三江源区代表性观测站降水量多年变化过程Fig. 2 Yearly variation of precipitation at typicalstations over Three-River Source area

图3 三江源区代表性水文站流量变化过程Fig. 3 Yearly variation of streamflow at typicalhydrological stations over the Three-River Source area

注：①NA代表数据缺失；②数据来源于青海省水环境监测中心

3.2 典型高原河湖水体碳含量时空变化分析

2014年7月青藏高原典型河流与湖泊水体碳溶解碳含量变化如图4所示。

图42014年7月三江源典型河湖水体碳溶解碳含量变化
Fig.4ChangeofdissolvedcarboninsurfacewaterfromtypicalriversandlakesovertheThreeRiverSourceAreainJuly,2014

从图4中可以看出，青藏高原典型河流湖泊水体溶解总碳以无机碳为主，溶解总碳在10.0～60.0 mg/L范围内变化，在杂多断面最高，达到59.6 mg/L，在扎曲断面最低，仅为9.0 mg/L，水体溶解碳最低值与最高值均位于澜沧江源断面，表明澜沧江源水体碳含量变化幅度较大。对于长江当曲源，水体溶解总碳在10.0～50.0 mg/L范围内波动，溶解无机碳在6.5～34.0 mg/L范围内变化，而溶解有机碳含量则在2.9～16.0 mg/L范围内变化，其中水体溶解总碳平均为24.5 mg/L，溶解无机碳平均为15.5 mg/L，溶解有机碳平均为9.0 mg/L。在澜沧江源，水体碳含量总体上是以无机碳为主，有机碳仅占较小的比例，其中水体溶解总体平均为33.2 mg/L，溶解无机碳平均为29.4 mg/L，溶解有机碳平均为3.8 mg/L。

2015年7月典型高原湖泊与河流采集水样水体碳空间变化情况见图5(a)。从图5(a)中可以看出，长江当曲河流水体总碳、总无机碳和总有机碳平均含量分别为40.6，37.8，2.9 mg/L，水体总碳和总无机碳最高含量水平均出现在沙曲大桥断面，分别达到47.6，43.8 mg/L，而总有机碳在多朝能最高，达到6.6 mg/L。当曲源河流水体总碳和总无机碳含量从上游至下游呈现逐渐下降的空间分布格局，而有机碳含量水平同样表现出逐渐下降的变化趋势。说明位于当曲最上游的多朝能断面表现出与其他断面差异显著的特征，表明多朝能断面生物活动较为频繁。在澜沧江源区，河流水体总碳含量、总无机碳和总有机碳含量平均值分别为41.4，39.6，1.8 mg/L，其最高值均呈现于莫云断面，分别达到50.0，47.1，2.9 mg/L，从最上游的莫云断面到下游囊谦断面，水体总碳、总无机碳和总有机碳含量呈现为显著逐渐降低的空间变化特征。

图5三江源地区河流与湖泊水体碳含量变化
Fig.5ChangeofcarboninsurfacewaterfromtypicalriversandlakesoverThree-RiverSourceArea

图6 2016年8月青藏高原与三江源地区河流与湖泊水体碳含量变化 Fig. 6 Change of carbon in surface water from typical rivers and lakes over the Tibetan Plateau and Three-River Source Area in August, 2016

图5(b)为2016年6月青藏高原湖泊与河流水体碳含量时空变化分布图。从图5(b)中可以看出，盐湖和库赛湖总碳和总无机碳含量显著偏高，分别高达170.71，188.22 mg/L，而总无机碳含量分别达167.31，186.36 mg/L。位于库赛湖与海丁诺尔之间的河流水体断面，总碳、总无机碳和总有机碳含量分别为22.45，21.78，0.67 mg/L，处于较低水平。长江正源冰川断面总碳和总无机碳含量分别为31.67，30.41 mg/L。分析表明长江正源沱沱河水体总碳和总无机碳平均含量分别为36.56，35.41 mg/L，楚玛尔河水体总碳和总无机碳平均含量分别为32.90，30.39 mg/L，库赛湖等湖泊水体总碳和总无机碳平均含量分别为127.13，125.15 mg/L。库赛湖等湖泊水体碳含量水平最高，楚玛尔河水体碳含量水平最低。有机碳最高含量出现在那曲，达到4.26 mg/L，盐湖和库赛湖有机碳含量分别为3.4，1.86 mg/L。

2016年8月青藏高原典型河湖水体碳含量空间变化如图6所示。从图6中可以看出，当穹措断面总碳含量高达2 570.2 mg/L，库赛湖水体碳在160.0 mg/L以上，说明青藏高原典型湖泊尤其是封闭性湖泊总无机碳含量比低海拔水体显著偏高，而有机碳含量则接近于0，说明封闭性湖泊生命活动比较微弱。水体总碳含量在奴各河水文站断面最低，仅为3.46 mg/L，且有机碳占据较大比例，高达3.02 mg/L。水体有机碳在札布耶茶卡断面、雅江源河断面和雅鲁藏布江河流断面较高，分别高达6.12，3.52，7.47 mg/L。

3.3 江源区典型河湖水体碳含量空间变化及比较分析

青藏高原与三江源区典型湖泊与河流水体碳含量比较分析如表2和表3所示(n为样本数量)。从表2和表3中可以看出，长江、黄河和澜沧江源河流与湖泊水体总碳平均含量分别为34.91，32.88，17.70 mg/L，其中长江源水体总碳含量最高，库赛湖和盐湖较高总碳含量导致长江源总体上呈现较高状态。长江南源当曲源、正源沱沱河源和北源楚玛尔河源水体总碳含量分别为32.90，36.56，32.90 mg/L；南源当曲源、正源沱沱河源以及北源楚玛尔河源水体总无机碳含量则分别为26.76，35.41，30.39 mg/L，以正源沱沱河源最高；总有机碳在当曲源最高，达到6.14 mg/L，直门达水文站断面水体有机碳含量仅为1.0 mg/L。

表2 长江源及其分源断面河流水体碳平均含量Table 2 Mean carbon concentration in surface water fromrivers over the Changjiang Source Area

表3 青藏高原江源河流与典型湖泊水体碳平均含量Table 3 Mean carbon concentration in surface water fromtypical rivers and lakes over the Tibetan Plateau

对比分析表明青藏高原湖泊水体碳含量相对于河流水体高得多，湖泊水体总碳、总无机碳和总有机碳平均含量分别为403.82，398.35，1.24 mg/L，而河流水体总碳、总无机碳和总有机碳平均含量分别为17.03，14.56，2.46 mg/L。比较分析表明，黄河水体溶解碳平均含量为3.67 mg/L[4]，水布垭水库水体总碳、总无机碳、溶解有机碳和颗粒有机碳为26.665,24.089,2.141,0.438 mg/L[29]。广西典型岩溶区地下水补给型水库表层无机碳含量从122.88 mg/L升高到154.79 mg/L[13]。上海长江口区域对水体溶解有机碳和颗粒有机碳平均含量分别为1.59，0.91 mg/L[30]。研究结果表明青藏高原河流水体碳含量总体上比低海拔区域河流水体碳水平高，尤其是属于咸水湖泊的库赛湖和盐湖水体无机碳较低海拔区域淡水湖泊高得多，岩溶性地下水补给型水库接近。

4 结论与展望

本文在2014—2016年连续开展了青藏高原典型河湖水体碳野外观测实验，获取了水体总碳、总无机碳、总有机碳等不同形态碳观测数据，从长江源、黄河源以及澜沧江源等不同源区分析了水体碳空间分异特征，发现3个江源区之间以及与典型高原封闭性湖泊水体碳具有显著的差异性，无机碳和有机碳含量占据比例差异也较大，相对于低海拔湖泊河流水体碳时空变化表现为显著的独特特征。另外，由于青藏高原和三江源区气候条件等生存环境恶劣，水体样品采集与野外科学考察极为困难，未来还需要采集数量更多空间范围更广泛的水样进行分析，获取更加丰富的水环境、水资源与空间基础数据，提高我国青藏高原及江源区水域碳循环研究水平。

致谢：非常感谢长江科学院郭伟杰博士、赵伟华博士、殷大聪博士和周银军博士在科学考察和水样采集方面的大量工作，特别感谢审稿专家的宝贵意见及编辑同志的辛勤劳动，使本文更加严谨与完善。