2021, Vol. 33 
(2: 湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室, 福州 350007)
(3: 福建师范大学亚热带湿地研究中心, 福州 350007)
(4: Department of Geography and Environmental Science, University of Reading, Reading, RG6 6AB, UK)
(5: 邵阳学院城乡建设学院, 邵阳 422000)
(2: Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fuzhou 350007, P. R. China)
(3: Research Centre of Wetlands in Subtropical Region, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, P. R. China)
(4: Department of Geography and Environmental Science, University of Reading, Reading, RG6 6AB, UK)
(5: School of Urban and Rural Construction, Shaoyang University, Shaoyang 422000, P. R. China)
碳作为一种基本生源要素，是整个生物圈物质循环和能量流动的主体，参与了地表生态系统大部分的生物地球化学循环过程[1-2]，与全球气候变化密切相关[3-4]. 因此，碳循环研究一直是全球气候变化研究所关注的焦点与热点[5-7]. 陆域水生生态系统作为地表生态系统的重要组成部分，汇聚并埋藏着大量的碳[8-9]，是全球碳循环中的重要源与汇，对于全球气候变化具有重要意义.
根据组成形态，参与水体环境生物地球化学过程的碳可划分为溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)和颗粒无机碳(particulate inorganic carbon, PIC)4种形式[4]. DOC和DIC是陆域水生生态系统中碳的2种主要存在形式[10-12]，对其系统结构和功能的稳定具有重要的影响. 就水体DOC而言，其组成十分复杂，主要包括各类可溶性腐殖酸、富里酸以及碳水化合物[11, 13]. 通常，水体DOC主要源自于流域内土壤有机质的侵蚀、污水排放、浮游植物光合作用产物的释放及内源性碎屑物质的分解等[2, 14-17]. DOC为水体微生物生长、代谢等生命活动提供基质，是水体环境异养微生物循环的基础[18-19]；更为重要的是，DOC会影响水体环境光场和酸碱度，高浓度或过量的DOC不仅会造成水体透光性降低，阻碍水体特别是深层水体对太阳辐射的吸收，某些情况下还会造成水体酸化[20-21]，进而影响到水生生态系统的功能[21-22]. 此外，DOC作为异养微生物的主要营养源，不但与氮、磷、硅等养分之间存在耦合关系，还会通过与DIC之间的转化影响着环境污染物质的迁移和降解[2]. 对于水体DIC来说，主要来自陆地基岩的化学风化、土壤层中植物根系呼吸及有机质分解和大气CO2的溶解[16, 23]，其主要包括无机碳酸盐、碳酸氢盐、碳酸及二氧化碳气体等组分，可通过一系列热力学平衡构成的CO2体系，在缓冲水体酸碱度、指示发生在水体环境中的光合作用和呼吸作用方面扮演着重要角色[1, 24-25]. 由此可见，DOC和DIC在陆域水生系统生物地球化学循环中起到十分重要的作用，是影响水环境变化和水生态过程的重要环境因子.
水库、湖泊等水生系统作为流域内物质的主要汇集场所，其系统中的DOC和DIC生物地球化学过程活跃，是区域碳循环不可忽视的一部分[26-28]. 在全球变暖背景下，不同地区湖、库系统DOC和DIC生物地球化学过程已引起研究人员的广泛关注. 当前，湖库系统DOC和DIC浓度时空变化规律及其机制研究是国内外水体环境碳循环过程研究的重要内容，并取得诸多进展[13, 21, 27-35]. 但已有研究主要聚焦于内陆湖泊系统，对于水库，特别是受人类活动影响较强烈且水体含有一定盐度的沿海地区的水库研究十分薄弱. 为了更好地了解滨海地区水库系统DOC和DIC的时空分布特征，本文对位于福建省福州市长乐区滨海新城南部的文武砂水库水体DOC和DIC进行了研究，以期为今后深入开展沿海水库水体碳生物地球化学循环的主要过程研究提供基础数据和科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况文武砂水库(25°49′36″~25°54′0″N, 119°35′12″~119°38′11″E)位于福建省福州市长乐区滨海新城南部，是一座利用天然河道和人工围垦而形成的具有排洪除涝、防潮、灌溉和生活用水等综合功用的小型水库. 该水库所在区域属于中亚热带和南亚热带海洋性季风气候的过渡区，暖热湿润，年平均气温和降水量分别为19.3℃. 流域内降雨量充沛，多年平均降水量为1390 mm，但年内分配不均，春夏季多雨，4-9月降雨量约占全年的70 % ~77 %. 文武砂水库由旧文武砂水库(本文称为北库区)和被人类围垦的外文武河(本文称为南库区)组成. 文武砂水库于1956年3月动工兴建，1958年7月建成，总长度1.6 km，该水库水域南北长而东西窄. 北库区上接长乐市南洋水网，集雨区总面积259 km2，库区面积为1.9 km2，库容为1.40×108 m3. 2002年，为减少台风的影响，长乐市政府开始建设外文武围垦工程，2004年秋季外文武海堤建成. 外文武围垦工程围垦面积达12.66 km2，海堤由南、北两段组成，全长4.04 km，故此，在十八孔闸至外文武海堤间形成了南库区，其水域面积为3.3 km2，汇流面积为277 km2，库容为1.69×108 m3，泄七镇及一乡的洪水，是福建省重点水利项目.
1.2 样品采集与现场测定根据文武砂水库水体的形态特征及其周边工农业生产活动实际情况，在该水库的南库区和北库区分别布设11条和10条水样采样断面. 根据水面宽度，每条采样断面上选取3~10个样品采集点，共103个水样采集点(图 1)，其水面空间点位布设的密度为每平方千米的水域面积约20个采样点位. 野外水样采集工作分别在2018年11月、2019年3月和2019年6月进行，共采集3次. 每次采样过程均通过小型内燃机船来完成. 每个采样站点，利用有机玻璃采水器采集水库表层20 cm深处的水样2份. 一份水样装入预先清洗干净的250 mL棕色聚乙烯塑料瓶中，用于水体叶绿素a(Chl.a)浓度测定分析. 另外一份水样倒置于预先清洗干净的150 mL白色聚乙烯水样瓶中，用于水体溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)浓度测定分析. 待水样瓶装满后，立刻向瓶中加入2 mL的饱和HgCl2溶液固定，抑制水样中的微生物活性[1, 36-37]. 所有水样均置于保温箱中低温遮光保存，于6 h内运回实验室.
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图 1 文武砂水库采样点位置 Fig.1 Study area and the sampling sites in the Wenwusha Reservoir |
与水样采集同步，利用便携式仪器测定原位水温、pH、盐度、电导率(EC)和溶解氧(DO)等表层水体理化指标. 水温和pH值采用IQ150便携式pH/氧化还原电位/温度计(IQ Scientific Instruments, 美国)测定，盐度、电导率和溶解氧分别采用便携式电导仪(2265FS EC, Spectrum Technologies, 美国)、盐度计(Eutech Instruments-Salt6, 美国)和多参数水质监测仪(HORIBA, Japan).
1.3 样品测试分析返回实验室后，立即用预先450℃灼烧过的0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤，过滤后的水样用于测定水体DOC和DIC浓度[1, 37]. 滤液采用TOC-VCPH总有机碳分析仪(Shimadzu, Japan)测定分析DOC和DIC浓度. 检测限为4 μg/L，精密度1.0 % 以内. 用于水体Chl.a浓度分析的样品先采用未灼烧过的0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤；然后，将滤膜剪碎后放入离心管中，用10 mL纯度90 % 的丙酮溶液低温萃取24 h；离心10 min后，取上清液用紫外-可见分光光度计(岛津UV-2450, Japan)测定分析其吸光值. Chl.a浓度计算公式参考已有文献[38-39]报道，最终结果以μg/L表示.
1.4 数据统计分析数据采用Arcgis 10.2软件(ESRI Inc., Redlands, CA, 美国)和OriginPro 7.5软件(OriginLab Corporation, Northampton, MA, 美国)进行作图分析，SPSS 17.0统计软件(SPSS Inc., 美国)进行差异性和相关性分析. 为探讨库区周边废水输入对水库DOC和DIC浓度空间分布的影响，本研究根据废水输入来源，把水库划分为工业废水输入区、市政生活污水输入区、养殖塘废水输入区、河流输入区和非废水输入区. 同时，根据水体透明度和DOC、DIC浓度的变化，把水库划分为 < 1 m、1~3 m和>3 m水深区域，以此来探讨水库不同水深区域DOC和DIC浓度空间分布特征. 水体DOC和DIC浓度的时空变异性系数(coefficient of variation, CV)基于其碳浓度标准差/均值获得. 对于符合正态分布的数据，当其通过方差齐性检验(P>0.05)时，则采用LSD法(least significant difference test)检验同一采样时刻不同废水输入区(或不同水深区域)间水库DOC和DIC浓度差异性；若其不能通过方差齐性检验(P＜0.05)时，则采用Tamhane's T2进行差异显著性检验. 同一采样时刻南、北库区间的水体DOC和DIC浓度的差异显著性检验采用SPSS 17.0中的独立样本t检验进行统计分析. 水体DOC、DIC浓度与环境变量间的相关关系采用SPSS 17.0中的Pearson相关分析法进行统计分析. 以P＜0.05作为显著相关，P＜0.01作为极显著相关. 文中的一般线性回归具体模型选择是根据回归方程拟合时的拟合优度判定系数R2值高低来确定. 文中误差线均为标准差.
2 结果 2.1 水库表层水体主要理化性质变化特征图 2为采样期间文武砂水库表层水体主要理化性质的变化情况. 水温和pH在秋季、春季和夏季的均值分别为(18.35±0.14)℃和10.69±0.03、(22.89±0.37)℃和8.62±0.16、(28.20±0.33)℃和6.83±0.18，均呈现出夏季>春季>秋季的特征(图 2a和图 2b)；水体DO浓度在秋季、春季和夏季的均值分别为(5.60±0.37)、(12.29±0.84)和(4.99±0.25) mg/L，呈现出春季>秋季>夏季的特征(图 2c)；水体EC和盐度在秋季、春季和夏季的均值分别为(4.44±0.47) mS/cm和2.05 ‰ ±0.23 ‰、(1.26±0.06) mS/cm和8.62 ‰ ±0.16 ‰、(0.72±0.04) mS/cm和0.45 ‰ ±0.03 ‰，亦均呈现出夏季>春季>秋季的特征(图 2d，e). 差异性分析结果显示，采样期间水体温度在南、北库区间的差异性不显著(P>0.05)，除春季外，其它2个季节采样期间的水体pH值在南、北库区间的差异性亦均不显著(P>0.05)；但水体DO、EC和盐度均呈现出南库区显著高于北库区的特征(P＜0.05).
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图 2 文武砂水库不同取样断面表层水体温度、pH、DO、EC和盐度变化特征 Fig.2 Variations in water temperature, pH, dissolved oxygen, EC and salinity in the surface water (20-cm depth) at the different sampling transects from the Wenwusha Reservoir during each sampling campaign |
研究期间，文武砂水库表层水体DOC和DIC浓度变化范围分别为0.10~21.13和0.38~34.94 mg/L. 随着采样季节变化，水库表层水体DOC浓度在秋季、春季和夏季的均值分别为(2.35±0.17)、(4.17±0.17)和(5.74±0.41) mg/L，呈现出夏季>春季>秋季的特征；而水体DIC浓度在秋季、春季和夏季的均值分别为(17.25±0.38)、(15.85±0.37)和(14.39± 0.42) mg/L，呈现出秋季>春季>夏季的特征(图 3).
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图 3 文武砂水库水体表层DOC和DIC浓度的季节变化 Fig.3 Seasonal variation in DOC and DIC concentration in the surface water of the Wenwusha Reservoir |
图 4为文武砂水库表层水体DOC浓度在南、北两个库区间的变化情况. 北库区表层水体DOC浓度在秋季、春季和夏季采样期间的变化范围分别介于2.19~6.93、1.53~11.90和3.84~21.13 mg/L，均值分别为(3.47±0.08)、(4.41±0.15)和(8.33±0.43) mg/L. 南库区表层水体DOC浓度在秋季、春季和夏季的变化范围分别介于0.10~7.54、2.09~8.39和1.06~13.00 mg/L，均值分别为(1.00±0.21)、(3.89±0.21)和(2.14±0.31) mg/L. 差异性分析结果显示，除春季外，其它两个季节采样期间的水体DOC浓度均呈现出北库区显著高于南库区的特征(P＜0.001, 表 1). 整体上，呈现出北库区水体DOC浓度显著高于南库区的特征(P＜0.001, 表 1).
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图 4 文武砂水库DOC浓度在不同库区的比较 Fig.4 Comparison of DOC concentration among different zones in the Wenwusha Reservoir |
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表 1 文武砂水库DOC和DIC浓度在不同库区间的差异性分析(独立样本t检验) Tab. 1 Summary of independent samples t-test that examining the effect of sampling zones on water DOC and DIC concentrations in the Wenwusha Reservoir |
图 5为文武砂水库表层水体DIC浓度在南、北两个库区间的变化情况. 在秋季、春季和夏季采样期间，北库区表层水体DIC浓度变化范围分别介于13.14~30.20、12.50~34.94和0.38~19.96 mg/L，均值分别为(18.46±2.53)、(15.16±2.30)和(11.81±2.86) mg/L南库区表层水体DIC浓度在秋季、春季和夏季的变化范围分别介于10.34~24.11、10.89~21.47和11.11~30.84 mg/L之间，均值分别为(15.23±0.53)、(14.22±0.45)和(17.08±0.59) mg/L. 差异性分析结果显示，在秋季和春季采样期间文武砂水库DIC浓度呈现出北库区显著高于南库区的特征(P＜0.001, 表 1).
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图 5 文武砂水库DIC浓度在不同库区的比较 Fig.5 Comparison of DIC concentration among different zones in the Wenwusha Reservoir |
图 6为文武砂水库DOC和DIC浓度在不同水深区域变化的空间分布特征. 研究期间，水库DOC浓度在水深 < 1 m、1~3 m和>3 m区域变化范围分别介于(2.45±0.39)~(6.09±0.73)、(2.31±0.27)~(5.86±0.72)和(2.24±0.31)~(5.14±0.61) mg/L之间(图 6a)，均值分别为(4.40±1.06)、(3.97±1.03)和(3.77±0.84) mg/L. 就具体季节而言，DOC浓度在秋季采样期间在不同水深区域间的差异性不显著(P>0.05, 图 6a)，但其浓度在春季和夏季期间呈现出水深 < 1 m区域显著高于水深1~3 m和>3 m区域(P＜0.05, 图 6a). DIC浓度在上述3个水深区域变化范围分别介于(15.82±0.82)~(18.60±0.59)、(13.00±0.50)~(16.71±0.68)和(13.80±0.59)~(15.95±0.65) mg/L(图 6b)，均值分别为(17.07±0.82)、(14.98±1.08)和(14.98±0.63) mg/L. 就具体季节而言，水体DIC浓度在秋季、春季和夏季均呈现出水深 < 1m区域显著高于水深1~3 m和>3 m区域(P＜0.05, 图 6b)，但水深1~3 m和>3 m区域间的水体DIC浓度差异性不显著(P>0.05, 图 6b). 整体上，文武砂水库呈现出靠库区岸边浅水区域的DOC和DIC浓度高于其他水深区域的特征(图 6).
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图 6 文武砂水库DOC(a)和DIC(b)浓度在不同水深区域的比较 (不同小写字母代表同一季节不同水深区域之间具有显著差异性(P＜0.05)) Fig.6 Comparison of DOC(a) and DIC(b) concentrations among different water depth zones in the Wenwusha Reservoir(The various lowercase letters represent there are significant differences among the different water depths in the same season (P < 0.05)) |
图 7为文武砂水库不同废水输入区DOC和DIC浓度变化特征. 研究期间，水库表层水体DOC浓度在工业废水、市政废水、养殖塘废水和河流径流输入区的浓度均值变化范围分别介于(3.96±0.56)~(13.63±1.04)、(3.64±0.25)~(12.14±2.13)、(2.50±0.43)~(5.12±0.63)和(4.71±0.54)~(10.70±1.29) mg/L之间(图 7a)，其均值分别为非废水输入区(3.19 mg/L)的2.4、2.2、1.3和2.4倍. DIC浓度在以上4个废水输入区的均值分别介于(15.46±1.34)~(20.42±0.62)、(14.65±2.45)~(19.73±0.45)、(18.46±1.17)~(19.60±0.41)和(20.90±1.37)~(22.46±2.00) mg/L之间(图 7b)；其均值分别为非废水输入区(13.35 mg/L)的1.4、1.3、1.4和1.7倍. 以上结果显示，废水输入是文武砂水库水体碳素重要来源，影响着DOC和DIC在水库中的空间分布特征.
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图 7 文武砂水库DOC和DIC浓度在不同废水输入区的比较 (不同小写字母代表同一季节不同外源输入区间具有显著差异性(P < 0.05)) Fig.7 Comparison of DOC and DIC concentration among different wastewater input zones in the Wenwusha Reservoir(The various lowercase letters represent there are significant differences among the different wastewater input zones in the same season (P < 0.05)) |
整个采样期间，水库表层水体DOC和DIC的季节变异系数(CV)分别为42 % 和10 %. 空间变化上，就库区间而言，北库区表层水体DOC和DIC浓度在秋季、春季、夏季采样期间的空间CV值分别为146 % 和24 %、37 % 和22 %、81 % 和24 %；南库区表层水体DOC和DIC浓度在秋季、春季、夏季的空间CV值分别为16 % 和13 %、25 % 和13 %、39 % 和24 %. 在不同水深区域间，表层水体DOC浓度在秋季、春季和夏季采样期间的空间CV值均为13 %，DIC浓度在秋季、春季和夏季空间CV值分别为10 %、7 % 和9 %. 在不同废水输入区间，表层水体DOC浓度在秋季、春季和夏季采样期间的空间CV值分别为34 %、31 % 和45 %，DIC浓度在秋季、春季、夏季的空间CV值分别为13 %、19 % 和25 %.
2.5 水库DOC和DIC浓度与水体理化性质的相关性分析Pearson相关分析结果显示(表 2)，研究期间水库DOC、DIC浓度空间变化与水体DO、EC和盐度均呈现显著负相关关系(P＜0.01)，与水温的相关性不显著(P>0.05)；此外，在春季DOC、DIC浓度空间变化与水体pH亦均呈现显著负相关关系(P＜0.01). 在季节变化上，水库DOC变化与水温呈现显著正相关关系(P＜0.01)，但与pH、DO、EC和盐度均呈现显著负相关关系(P＜0.01)；水库DIC变化分别与水温和DO呈现显著负相关关系(P＜0.01).
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表 2 文武砂水库DOC、DIC浓度与水体理化性质的Pearson相关系数 Tab. 2 Pearson correlation coefficients between DOC, DIC concentrations and environmental variables in the Wenwusha Reservoir |
与全球低纬度亚热带流域DOC平均浓度(6.00 mg/L)相比[40]，本研究库区水体DOC浓度(均值为(4.09±0.18) mg/L)处于较低水平，并且呈现出显著低于DIC浓度(均值为(15.83±0.24) mg/L)的特征(图 3). 这一结果表明，DIC为文武砂水库水体中溶存碳的主要存在形式. 类似结果亦存在于对湖泊、河流和浅水池塘等水生生态系统的研究中[2, 12, 37, 41-42].
与其他研究报道类似[13, 27]，文武砂水库水体DOC、DIC浓度具有一定的季节变化特征，分别呈现出夏季>春季>秋季、秋季>春季>夏季的特征. 已有研究表明，水体浮游藻类及水生植物可通过光合作用吸收利用水中的DIC[4, 43-44]，且较低的浮游藻类含量导致水体光合作用强度减弱，进而会减少对水体DIC的吸收利用量[4, 43, 45]. 还有研究指出，浮游藻类的死细胞会释放高分子量DOC，而活细胞释放低分子量DOC[46]. Chl.a是水生生物新陈代谢过程方向和强度的重要性指标，可反映水体藻类等水生生物光合作用的强度[34, 47]. 本研究中，水库表层水体Chl.a浓度在秋季、春季和夏季采样期间的变化范围分别介于10.92~40.13、6.83~60.06和8.19~76.44 μg/L之间，均值分别为(23.23±1.86)、(34.19±3.36)和(41.50±4.29) μg/L. Chl.a浓度变化与水体DOC浓度呈现显著正相关关系(图 8a)，但与DIC浓度呈现显著负相关(图 8b). 此外，野外调查发现在该水库南库区有大量互花米草和水烛沿库区浅水区域(特别是库区西岸)分布，其季节生长长势呈现出夏季>春季>秋季的特征. 以上结果表明，文武砂水库表层水DIC浓度随采样季节推移呈现出降低的趋势，很大程度与水体浮游藻类及南库区水生植物光合作用逐渐增强对DIC吸收利用量的增加有关；而水体DOC浓度随采样季节推移呈现出增加的趋势可能与浮游藻类的死细胞释放出大量的DOC有关.
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图 8 文武砂水库叶绿素a浓度与DOC(a)、DIC(b)浓度的关系 Fig.8 Relationships between Chl.a concentration and DOC(a), DIC(b) concentrations in the Wenwusha Reservoir |
采样期间，本研究发现水体DOC浓度季节变化特征还与水温呈现出显著正相关关系(P＜0.05, R2=0.28)，表明温度也是影响文武砂水库表层水体DOC浓度在春、夏季高于秋季的一个重要环境因子. 一些研究认为，较高的水温有利于微生物活动，可促进水库中大量死亡浮游藻类的分解和生产，其排泄物和分泌物形成了水中大部分的DOC[2, 48]. 然而，高水温下微生物的活动增强也能促进DOC的降解. 因此，温度影响本研究水库表层水体DOC浓度季节变化的作用机制，是今后需值得深入的研究. 对于水体DIC而言，其季节变化特征与水温呈现出显著负相关关系(P＜0.01, 表 2). 这一结果与郭兴森等[1]对黄河口表层水中DIC时空分布特征的研究结果类似. 已有研究表明，水温变化可通过影响水体浮游藻类的生长和水-气界面CO2通量来影响DIC浓度变化[1, 49]. 一方面，较高水温环境下，水体浮游藻类生长较旺盛，其较强烈的光合作用会促使较多的无机碳向有机碳转化，进而会造成水体DIC浓度降低[1, 49]. 另一方面，较高水温会促使水体CO2向大气扩散，造成水体CO2的溶解度降低，进而导致DIC浓度降低[1]. 这些结果表明，文武砂水库春、夏季节较高的水温环境下水体强烈的光合作用和水-气界面CO2交换通量亦是导致其水体DIC浓度低于秋季的重要因素.
3.2 文武砂水库水体DOC和DIC浓度空间变化特征人类活动对湖、库系统内部有机碳的空间分布特征有着十分显著的影响[13]. 本研究中，相比南库区，北库区为人类排污活动较密集的区域，受到工业废水、城镇生活污水、周边养殖塘废水等诸多污染源的影响(图 1)，水体综合营养状态指数(trophic level index, TLI)值介于37.10~50.40之间，其富营养化程度较高. 受此影响，北库区水体生态系统的内部生物地球化学循环可能较南库区活跃，其水体可能具有更强大的现场产DOC能力，进而导致DOC浓度偏高. 与此同时，本研究在3个季度采样期间测得入库的工业废水、养殖塘废水、市政生活污水及河流水体中DOC浓度变化范围分别介于7.91~20.45、7.28~17.60、9.41~16.05和5.37~12.66 mg/L，其均要高于相应废水输入区水体中的DOC浓度(图 7a). 这一结果表明，进入库区的诸多废水所含有的大量DOC，对北库区水体较高的DOC浓度亦具有重要贡献. 此外，有研究表明，地表径流可将流域内产生的大量营养盐和DOC携带至湖库，对其水体DOC浓度增加具有显著影响[10, 27]. 本研究中，文武砂水库北库区上接长乐市南洋水网，有大量的河水注入该库区，可将流域内大量DOC携带入库；而南库区相对较封闭，入库区的河流较少，故而进入库区的外源DOC相对较少. 另外，相比北库区，南库区受河流淡水影响较小，其相对较高的盐度可引起水体部分阳离子快速置换，促进有机质矿化，加速有机碳的损失[50-51]，进而会造成水体DOC浓度降低. 因此，文武砂水库南、北库区间水体DOC浓度的差异性除受到库区周边人类排污活动的影响，也受到河流输入的影响.
文武砂水库水体DIC浓度在两个库区也存在差异，且在不同季节呈现出不一样的空间变化特征. 在秋季和春季采样期间，水体DIC浓度呈现出北库区显著高于南库区的特征(表 1). 这种差异性除主要受到北库区较密集的人类废水排放活动和大量入库河流将流域内岩溶作用所形成的高浓度DIC携带入库影响外，可能还受到2个库区间水体盐度存在较大变化的调控. 本研究调查结果显示，南库区水体盐度呈现出显著高于北库区的特征，且与DIC浓度的空间变化呈现出显著负相关关系(P＜0.01, 表 2). 类似的相关关系亦被其他研究所报道[52-54]. 诸多研究表明，高盐度水体环境下的离子胁迫和毒害作用会降低水体浮游藻类及微生物的呼吸作用[55]，并导致水体中的过饱和碳酸盐发生沉降[54]，进而引起DIC浓度的降低. 就本研究而言，盐度影响文武砂水库水体DIC浓度空间变化的作用机制并不清楚，今后值得进一步开展研究. 然而，在夏季采样期间，虽然水体盐度亦呈现出南库区高于北库区，但水体DIC浓度呈现出北库区显著低于南库区的特征(表 1). 究其原因，可能主要是由于受降水作用及其造成的水库北库区泄水的综合影响掩盖了盐度的作用. 已有研究表明，大量雨水输入会对湖、库水体DIC浓度产生明显的稀释效应[56-57]. 本研究在夏季采样期间，所在区域发生过强降水事件. 受其影响，不仅会对整个水库DIC浓度产生稀释作用，而且也会造成水库北库区水位大幅度上升. 在此情况下，北库区会向南库区进行泄水. 一方面，南库区水体受到泄水作用的强烈扰动，可将库区底层储层的DIC携带至表层[43]，进而引起表层DIC浓度增加. 另一方面，泄水可致使南库区水体悬浮颗粒物增加，导致水体浊度增加和透明度降低，引起水体光合作用减弱，进而可大大减少浮游植物对水体DIC浓度的吸收利用量[4, 29]. 再者，泄水作用既可增加北库区向南库区的碳输入量，也可通过其强烈扰动促使库区水-气界面CO2通量向大气库扩散[58]，引起水体CO2的溶解度降低，进而改变水体DIC浓度.
有研究表明，在湖泊、水库的形成发展过程中，源自于周边的有机物质进入这些水生系统后，由周边向中心往往会呈现出水平分异的特征[2, 34]. 在本研究中，亦发现文武砂水库DOC和DIC浓度在不同水深区域具有显著的水平变化特征，呈现出由水库周边浅水区域向库区中心深水区域递减的趋势(图 6). 相比库区中心的深水区域，水库周边浅水区具有较高的DOC和DIC浓度，主要跟该区域直接接收了库区周边大量外源废水和河流径流输入有关. 这些外源废水和径流通常含有较高浓度的DOC、DIC及其他有机污染物[59-62]. 当废水入库时，大部分DOC和DIC可首先停蓄在库区周边的浅水区域，可产生一个“累积效应”，进而促使这一区域具较高的DOC和DIC浓度. 此外，有研究表明，相比离湖、库岸边较远的深水区域，靠岸较近的浅水区域由于较高的溶解氧水平，其微生物活性较高，有机物质分解较快[61]，进而有利于大量微生物代谢产物(如DOC和DIC)的形成. 然而，DOC作为水体有机质的重要组分，在微生物的分解作用下，也可能会被大量消耗掉. 所以，不同水深区域微生物作用下的有机物质分解活动作用对文武砂库区DOC浓度水平变化特征的影响情况并不明确，仍需要开展进一步研究加以明晰. 此外，废水入库时还会通过改变库区内部的水动力条件来影响沉积物再悬浮作用，进而影响到沉积物间隙水中DOC和DIC向水体的释放量. 相比深水区域，毗邻废水输入的浅水区域，废水输入会导致其水动力作用更为强烈，水体扰动剧烈且频繁，沉积物再悬浮作用明显，促使沉积物间隙水中大量的DOC和DIC会被释放至水体中[63-65]，进而导致其水体碳浓度较高. 当然，废水输入亦可能会引起浅水区域与深水区域水体营养盐浓度在水平方向上具有一定的梯度变化，进而造成其浮游藻类或生物存在差异性，最终亦会导致碳浓度的空间分布表现出差异性. 本课题组的研究表明减少废水输入，对于提高水质[66-67]，控制水库碳循环都有重要的意义[68].
3.3 水体DOC和DIC多空间点位测定的科学意义目前对湖、库系统水体碳生物地球化学循环研究中，尽管已有研究考虑到系统内部的空间异质性特征，但仍然是基于少数几个空间点位的野外样品采集策略，进而会导致研究结果存在较大不确定性. 例如，Linkhorst等[69]对巴西东南部Chapéu d'Uvas水库水体的含碳气体(CH4)溶存浓度及其界面通量研究发现，相比高空间分辨率采样点位测定的结果，不同情景下的低空间分辨率采样点会显著低估和高估水库向大气库释放的含碳气体总量，其低估率和高估率分别可达到79 % 和174 %. Paranaíba等[70]研究也获得类似的研究结论. 为体现多空间点位监测工作在研究沿海水库碳动态方面的重要性，参考Linkhorst等[69]研究报道，本研究基于103个空间点位的观测数据，抽出一些常规监测点位作为“低空间分辨率”的情景，来模拟不同采样情景下水库水体DOC和DIC浓度变化情况(表 3). 结果显示，若采样点仅布设在水库的南库区(情景Ⅰ)、非废水输入区(情景Ⅱ)、库区深水区域(情景Ⅲ)或采样断面T21(情景Ⅳ)，其水库水体DOC浓度要比基于所有采样点测得的浓度均值分别低约38 %、22 %、5 % 和69 %，DIC浓度均值分别低约3 %、5 %、5 % 和36 %. 若采样点仅布设在水库的北库区、废水输入区、库区浅水区域或采样断面T7，其水库水体DOC浓度要比基于所有采样点估测得的值分别高出约33 %、62 %、8 % 和187 %，DIC浓度分别高出约2 %、21 %、8 % 和78 %. 以上研究结果表明，少数几个空间点位的采样方法会导致低估或高估水库水体DOC和DIC浓度，可能是导致大尺度水库碳库估算结果不确定性的重要原因之一，而采取多空间点位或高空间分辨率观测是降低其不确定性的重要途径. 此外，多空间点位或高空间分辨率观测会更加清晰识别外源输入对库区水体DOC和DIC浓度有何影响，进而为研究水库水体其它碳生物地球化学过程(如含碳气体排放的热点区域)提供重要参考价值.
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表 3 不同采样情景下文武砂水库表层水体DOC和DIC平均浓度变化 Tab. 3 Mean DOC and DIC concentrations for different upscaling scenarios at the surface water in the Wenwusha Reservoir |
1) 采样期内，文武砂水库水体DOC和DIC浓度具有显著的季节变化特征，其最大值分别呈现在夏季和秋季调查期间；不同季节水体浮游植物数量(Chl.a浓度表征)及其代谢活动的强烈程度是影响水库DOC和DIC浓度季节变化的重要因素.
2) 文武砂水库水体DOC和DIC浓度亦具有显著的空间变化特征. 在库区之间，整体上呈现出北库区水体DOC和DIC浓度高于南库区的特征；在不同水深区域，水体DOC和DIC浓度由库区周边的浅水区向库区中心的深水区域呈现出递减的趋势. 外源污染输入强度是引起水库DOC和DIC浓度空间变化的重要因素.
3) 文武砂水库DOC和DIC浓度变化主要受到工业废水、市政废水、养殖塘废水和河流径流输入的影响，其中库区周边的工业废水和河流径流输入对水库水体DOC和DIC浓度影响较大. 高密度空间采样调查分析在揭示人类活动对湖、库系统水体碳空间分布特征的影响方面起重要作用.
致谢: 感谢福建师范大学亚地理科学学院赵光辉、李玲和张逸飞等同学在野外样品采集中给予的帮助.
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