三门峡黄河湿地有机碳分布及来源分析

2022-03-21官庆松

绿色科技 2022年4期

官庆松

(1.河南科技大学应用工程学院，河南三门峡 472000；2.三门峡市黄河湿地环境过程与生态修复工程技术研究中心，河南三门峡 472000)

1 引言

目前，国家将黄河流域生态保护和高质量发展定位为重大国家战略，黄河湿地作为“黄河之肾”，具有保持水源、净化水质、控制土壤侵蚀、调节气候和维护生物多样性等重要生态功能[1～3]，是维持黄河流域生态健康的重要屏障。湿地因其积水厌氧的环境而在土壤中积累大量有机碳，是重要的天然碳汇[4]，占到整个陆地碳汇的10%[5]，有利于缓解全球变暖趋势，已成为当前全球碳循环研究中的热点问题[6]。沉积物中的有机质保存了原始的生产力状况、水体营养状况转变过程及自然因素控制的水质改变进程等重要历史信息[7]。湿地沉积物所固存的有机碳来源众多[8]，不同来源的有机碳生物地球化学行为往往存在巨大差异[9]，辨明沉积物有机碳的来源对于深入了解黄河湿地的固碳机理有着重要意义。沉积物中碳、氮稳定同位素以及C/N比值经常被用来推断沉积物中有机质的来源，这些示踪是建立在不同来源的有机质有不同的C/N比值和稳定同位素比值基础上的[10,11]。三门峡黄河湿地保护区位于三门峡市，处于黄河中游，是我国东部平原与西部山地丘陵、黄土高原的过渡地带，湿地中既有峡谷地貌，也有广阔滩涂，拥有大型水利枢纽三门峡水库，地理位置十分重要。本文根据三门峡黄河湿地沉积物TOC、TON、C/N和δ13C-TOC、δ15N-TON等数据资料，探讨了研究区沉积物有机碳的分布特征、来源构成及其影响因素，以期为湿地沉积物固碳措施的制定提供参考。

2 样品与方法

2.1 样品采集

黄河三门峡库区湿地属于国家级湿地自然保护区，是国家级珍禽白天鹅的栖息地及重要水源涵养地，位于河南省三门峡市。该区地处冬候鸟迁徙中线，每年有大量冬候鸟经此地往返南北或在此越冬，三门峡水库每年冬春蓄水，夏秋排水，水位呈周期性升降，形成了广阔的湿地，野生植被主要以芦苇、香蒲、水毛草为主。采样时间为6月份，样地选为裸露未被水淹的湿地，采样点共3个，未长植物的光滩(GT)样点，以芦苇香蒲为覆盖植被的YJW样点(110°43′E,34°37′N)，以水毛草为覆盖植被的CS样点(110°51′E,34°38′N)，其中GT和YJW属于同一区域湿地，水体连通性一致。采样深度为0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，在3 m2范围内用沉积物采样器采集3份作为平行样品，样品采集后，立即装入自封袋并排尽空气放入便携式保温箱。同时，采集水样和植物样品，并快速转移至实验室。

2.2 分析方法

2.3 统计分析

不同样点之间δ13C-TOC、 δ15N-TON、TOC、TON和C/N显著性差异采用单因素方差分析(ANOVA)，显著性水平α为0.05。所有数据均通过了Shapiro-Wilk正态性检验和Levene's方差齐性检验，没有变量需要转换。运用Pearson相关系数揭示δ13C和δ15N、δ13C和C/N之间的关系。统计学检测使用SPSS 20.0统计软件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)，制图运用Origin pro 8软件。沉积物有机碳贡献率采用三端元混合模型IsoSource软件进行计算。

3 结果与分析

3.1 沉积物理化参数

沉积物理化参数见图1、图2。TON垂直分布变化较小，总体含量较低，介于0.01%～0.03%之间；TOC含量高于TON，20～50 cmTOC含量略高于上层，不同深度TOC含量变化范围为：YJW(0.15±0.02～0.21±0.05，平均值0.17±0.02)，CS(0.18±0.05～0.30±0.02，平均值0.24±0.05)，GT(0.05～0.09±0.03，平均值0.07±0.02)；GT样点中TON和TOC空间含量分布显著低于另外两点。沉积物中无机氮主要以氨氮为主，占比68%～98%， CS氨氮含量(7.77±1.94)显著(P<0.01)高于GT(1.66±0.56 mg/kg)和YJW(1.98±0.64)；表层沉积物(0～5 cm)中氨氮含量最高，0～30 cm不断降低，30～50 cm略有增加，硝酸盐和亚硝酸盐无显著垂直变化(图1)。三个样点δ13C-TOC特征值变化范围较小，介于-23.90±0.21～-25.17±0.52之间，垂直变化较小，上层沉积物δ13C-TOC特征值略低于底部沉积物。三个样点的δ15N-TON特征值分布分别为YJW(1.08±0.14～3.09±0.28)，CS(3.09±0.67～3.85±0.16)，GT(1.68±0.12～-1.48±0.25)，CS样点特征值显著高于YJW和CS，GT样点垂直变化差异较大(图2)，YJW和CS特征值随着深度的增加而增加。

图1 沉积物DIN的垂直变化

图2 δ15N-TON和δ13C-TOC垂直变化

3.2 不同端元稳定碳氮同位素组成

利用δ13C-TOC ‰特征值分析不同端元对湿地沉积物有机碳的贡献率，本研究最终确定植物，悬浮颗粒物，底栖微藻3个端元，各端元稳定碳氮同位素组成见表1。其中以植物样的平均值作为端元值，YJW芦苇与香蒲的δ13C-TOC平均值为30.70‰，CS水毛草根和茎的δ13C-TOC平均值为-31.44‰。悬浮颗粒物的δ13C-TOC为-23.11‰和-22.67‰，较植物偏正。不同植物的δ15N-TON特征值差异显著，芦苇、香蒲偏负，水毛草偏正。两个样点悬浮颗粒物δ15N-TON特征值为正，相差较大，分别为5.00‰、2.61‰。植物的TOC含量高于TON，不同植物的C/N比差异较大，最高可达83.44，最低为21.46，水毛草根和茎的C/N比差异较大，根是茎的3倍。悬浮颗粒物C/N较低，分别为4.7和4.9。

表1 不同端元稳定碳氮同位素组成

4 讨论

不同类型的有机质具有不同的C/N，因此不同的C/N可以判断沉积物有机质的来源[13]。沉积物陆源有机碳的 C/N 比值大于 12[14]。高等陆地植物的C/N 比值一般大于 15，水生植物的 C/N 比值范围在10～30左右[15]，藻类的C/N一般在5～8[16]。黄河沉积物C/N比介于7.7～10.1之间，反应了沉积物有机质来源的混合性，既有外源又有内源。

当有机质的δ13C 和δ15N 间存在很好的相关关系时，说明有机质的来源较单一[17]。黄河沉积物有机质δ13C 和δ15N间的相关性见可知(图3)，δ13C-TOC与δ15N-TON间存在较弱的相关关系，表明沉积物的物源具有多元性。有机质中δ13C 与C/N 间的负相关性较理想，那么C/N 值就能够比较严格的反映出其来源。本研究沉积物有机质δ13C 与C/N 间的相关性较差(图4)，说明沉积物中 C/N 比值是一种复杂的生物化学作用相混合的结果。仅利用单个因子来对沉积物有机质进行溯源会面临巨大的困难，溯源结果往往较模糊，缺乏精确性。

图3 沉积物中δ13C 与δ15N 的相关性

图4 δ13C 与C/N 间的相关性

研究表明，每种物质的有机质的碳氮同位素值有其对应的特征值范围，将δ13C、δ15N两者结合是沉积物有机质来源探究中的有效分析手段。利用δ13C和δ15N的关系图能够更加精确地确定有机质的来源(图5)，通过比对分析发现，沉积物有机质是植物与悬浮颗粒物的混合相，沉积物与悬浮颗粒物有重合值，植物特征值偏离沉积物特征值，表明其对有机质的贡献率较小。

图5 不同端元的碳氮同位素值

现场标记法表明底栖微藻是沉积物有机碳的潜在重要来源[18]。根据同位素特征值和前人的研究成果，本研究沉积物的主要端元设为湿地植物、悬浮颗粒物和底栖微藻。基于δ13C 线性混合模型，沉积物有机碳来源贡献率可用公式计算[19]：

δ13Csed=fplant×δ13Cplant+fSPM×δ13CSPM

+fMPB×δ13CMPB

(1)

1=fplant+fSPM+fMPB

(2)

结果表明(表2)：研究区域内所有样品悬浮颗粒物贡献率(fSPM)平均值为45.6%±5.80%；植被贡献率(fplant)为，为27.90±5.13%；底栖微藻的贡献率(fMPB)最低，为26.2±3.52%。悬浮颗粒物是沉积物有机质的最大贡献源，两个样点fSPM差异显著，分别为41.4%和49.8%，表层沉积物悬浮颗粒物的贡献率较高，不同植被带下fplant差异显著，香蒲和芦苇的贡献率(32.4%)显著高于水毛草(23.4%)的贡献率，底栖微藻与植被的贡献率相似。黄土质地松散，透水性好，植被矿化后的有机碳在潮汐的作用下流失较大，导致植被的贡献率较低。δ13C示踪结果表明，沉积物有机碳主要来源于悬浮颗粒物和植物，两者对沉积物TOC贡献率的平均值相加最高可达80%，底栖藻类也是一个稳定的有机碳来源。