2015, Vol. 35
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2. 新加坡国立大学地理系, 新加坡 120605;
3. 云南师范大学旅游与地理科学学院, 昆明 650092
2. Department of Geography, National University of Singapore, Singapore 120605;
3. Department of Tourism and Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650092
河流碳通量是全球碳循环中的一个重要环节(Degens et al., 1984)，它表现为陆地表层经风化、侵蚀由河网系统向海洋和大陆沉积中心输送碳的过程(如图 1).流域内的侵蚀环境的任何一次波动都会在河流碳通量上反映出来(Bolin et al., 1979；Esser and Kohlmaier，1991；陶澍等，1997；姚冠荣和高全洲，2005)，因此通过研究河流碳通量的变化也可以认识到流域环境的变化，特别是有机碳，主要源于土壤中有机质，与陆地生态系统的变化关系密切(Meybeck and Vörösmarty，1999).处于不同地理位置、地质条件、气候环境的流域在地表条件和侵蚀动力等方面均存在差异，使得陆地生态系统发生的侵蚀方式、侵蚀速率及侵蚀产物在通量和性质等输出特征均不同，因此对河流碳通量的研究十分重要且有意义.
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| 图 1 陆地侵蚀及河流碳输送关系图 Fig. 1 Landerosion and river transport of carbon diagram |
依据河流碳的来源的差异，可分为：溶解性有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)、溶解性无机碳(DIC)和颗粒无机碳(PIC)，不同形式碳的来源不同(图 1).DOC主要来自土壤有机质及人类活动的有机废物的降解产物；POC来源于流域内土壤和有机岩石的机械侵蚀作用、陆地植物和人类活动的有机废物残屑；DIC主要来自于陆地基岩化学风化消耗大气或溶入水体中的CO2；PIC源于陆地碳酸盐及含碳沉积岩的机械侵蚀的产物(Moreira et al., 2003).河流中DIC一般包括HCO3-、CO2-3及溶解性CO2等，经前期分析(何敏等，2012)，龙川江水体中CO2-3及CO2浓度极其微小，流域水化学性质受碳酸盐风化的影响，HCO3-含量极高，占绝对优势，因此本研究直接以HCO3-代替DIC进行分析.目前对PIC的研究测定技术尚不成熟，并对其它学者的研究中发现PIC相比于其它各形式碳的含量较小(张连凯等，2013)，因此本研究未对PIC含量进行深入分析，主要以DIC、DOC及POC这3种形式碳的输出量总和作为估算流域碳输出总量.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况龙川江流域位于24°45′～26°l5′N，100°56′～102°02′E，是金沙江一级支流，全长244.9 km，研究区楚雄水文站在云南省内积水面积1778 km2，沿河流域地形闭塞，海拔较低，东、西、南三面均是高山环绕，尤其元谋境内，空气十分干燥，水热矛盾十分尖锐，为云贵高原雨量最少的地区之一，具备十分典型的气候条件、地质背景(碳酸盐和硅酸盐地地区).在地层和岩性的组合上，往往又是软硬相间，抗侵蚀能力较弱，在陡峭的地形条件下，森林植被破坏后极易造成水土流失并恶化为滑坡和泥石流，2008年楚雄州境内就曾发生过特大的泥石流灾害，给当地人民带来了巨大的灾难.
研究中选取楚雄水文站以上流域为研究对象，利用现代先进的仪器对水体内各碳含量进行测定，估算流域内各碳的侵蚀通量，分析陆地侵蚀状况，并初步判断流域内化学风化及机械剥蚀作用的强弱.同时，本研究期内于2008年11月龙川江发生一场特大洪水，且2012年是全云南省持续严重干旱的一年，对这些特殊时期进行水样的采集分析，以期为估算河流碳输出特征提供全面的数据依据，为相关洪水频发及干旱灾害的流域碳侵蚀特征研究提供新的思路，并为水土保持工作的开展提供重要指导意义.
2.2 样品采集2007年9月至2009年9月和2012年全年，以龙川江楚雄水文站作为断面进行为期3年的采样分析，具体采样位置见图 2.采样频率为汛期(5—10月)每天采集水样1~2次，非汛期(11—4月)每周采集1次，洪水期(2008年11月)每天采集水样2～3次，共计采集水样约800余次.利用采样铅鱼，从河底向河面一次取水，取断面混合水作为研究水样.所取水样，一部分现场直接测定HCO3-，用来表示DIC含量；另一部分用孔径为0.45 μm玻璃纤维滤纸进行低压抽滤(滤纸预先在500 ℃的马福炉内焙烧4～5 h去除有机质)，将过滤后的滤纸放入45 ℃的烘箱内24 h后称重，用于对POC的分析，滤液用事先处理过的聚乙烯容器收集，并低温保存(零下25 ℃)用于测定DOC.
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| 图 2 采样点位置及研究区域示意图 Fig. 2 Map of Longchuan River basin and the sampling locations |
DIC(HCO3-)利用标准稀盐酸在采样现场直接滴定测定(加入甲基橙变红)，每个样品重复2～3次，平均误差小于5%；POC使用德国生产的C-N联合分析仪(High Temperature TOC/TNb Analyzer high TOCII +N)测定，在中国科学院西双版纳植物研究所国家重点实验室内测定；DOC使用phoenix8000型TOC分析仪在中国科学院哀牢山植物生态站重点实验室内测定；DOC和POC之和为总有机碳(TOC)含量.
研究发现(Detwiler and Hall，1988； Probst et al., 1994a；Ludwig et al., 1996)，采用通过孔径为0.45 μm的滤膜可作为分离颗粒物与溶解物的方法，水体中不溶性颗粒物在这个粒径孔隙上恰好能被分离，因此滤液中的TOC的含量可以近似作为DOC含量，滤纸中的TOC含量则视为POC含量.
3 结果(Results) 3.1 径流水中各形式碳及总悬浮物含量分析由表 1中对龙川江楚雄水文站所监测的流量Q、DOC、POC及DIC含量进行统计，并根据流域集水面积、年径流量等推算出在采样期间不同季节各碳的侵蚀通量(见表 2).
| 表 1 龙川江楚雄水文站的流量及水中各形式碳的含量 Table 1 Water flow and carbon in different forms from Chuxiong Station at Longchuan River |
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根据实测流量(Q)和各形式碳含量(DOC、POC和DIC)数据，计算龙川江流域各形式碳月输出通量(FDOC、FPOC和FDIC)，作图 3，从图中明显看出，这3年内的降水均集中在6～9月，仅2008年11月发生洪水时流量较高，由于输出通量为流量与碳含量两者之积，其变化主要依赖于流量的大小，即全年碳通量主要集中在汛期.
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| 图 3 龙川江楚雄水文站近三年各形式碳月均输送通量变化关系 Fig. 3 Fluxes of various forms of carbon from Chuxiong Station at Longchuan River in three years |
一般来说，河流径流所携带的各种物质随着流域水文季节的变化会发生3种变化：一种是“冲刷效应”即随着流量的增大水体中所携带的各种物质浓度增加，这种情况一般可以解释为流域内的泛滥河床和冲积平原在经历了枯水期干燥的氧化环境后积蓄了大量可被搬运的富含有机物和可溶性的细粒物质，并随着汛期的到来被径流水所冲刷进入河流中，从而使得河流中所携带的溶解性物质和总悬浮颗粒物(TSS)增加；第二种为“稀释效应”即随着流量的增加水体中所携带的溶解性物质和TSS浓度减少，但物质的输移总量保持不变或有所增加.第三种情况是水体的各溶解性物质和TSS含量对流域水文季节变化响应不明显，始终保持着相对稳定的浓度，这种情况的出现一般是“冲刷效应”和“稀释效应”共同作用的结果.
由图 3可以看出：汛期随着流量的增加，DIC浓度存在“稀释效应”影响，浓度有所降低，CO2可能也存在一定的逸出作用的影响，但与流量的变化量相比，DIC浓度总体上变化不大，分析在地表径流的过程中，水体中已溶出大量的碳酸盐，因此对河水流量的变化响应不稳定，同时存在以上3种情况；而FDOC与流量表现出非常强的吻合，DOC浓度相对稳定，随季节变化表现不明显，分析DOC的侵蚀量主要取决于流量；汛期POC浓度明显高于非汛期，直接随着河水流量变化而发生着同步的变化，因此，得出河流的“冲刷效应”对POC浓度作用也是可见的，流域在冲刷作用明显加强的情况下，POC浓度也相应增加.
对2012年水体内各碳的研究时发现DOC、POC和DIC均存在一定程度“稀释效应”的影响，但不同于其它年份，与流量的变化量相比，碳浓度的变化响应程度较弱，分析2012年为云南持续干旱的第3年，旱情持续时间较长，河水流量大幅减少，流域内土壤墒情较差，土壤张合力变弱，风化度较高，遇降水时易造成对物质的裹挟及溶解作用增强.
4 讨论(Discussion) 4.1 碳在输送过程中对洪水的响应河流对有机质搬运通量和性质的时序变化上明显表现出在短时间尺度上的某一次水文过程之中，对2008年11月的洪水过境时期的分析时发现涨水过程和落水过程径流搬运的有机质在总量和成分方面就存在着较为明显的差异.尽管洪水期平均流量与洪水前、后期流量存在6～8倍的变化，但DIC和DOC浓度的变化却很小，10月、12月的DIC和DOC的平均浓度分别为195.6 mg · L-1、194.7 mg · L-1和9.52 mg · L-1、5.38 mg · L-1，存在10%～40%的范围内变化，洪水后DIC和DOC浓度明显低于洪水期及洪水前.POC分别在10月、11月和12月的平均浓度分别为3.1 mg · L-1、16.9 mg · L-1和4.6 mg · L-1，发生4～6倍的变化，随流量变化非常明显.
分析形成以上这些现象的原因：①洪水前期流域内的大气降水量较少，地表可溶性的碳含量高，由降水形成的地表径流流量较少，与地表接触时间长，使得各种碳汇入河流水体中，因此分析10月份的DOC及DIC含量较高；②持续性的强降水形成地表径流流量大，过水时间短，与地表接触时间短，因而汇入河的DOC和DIC的浓度相对较低，对河流水体的稀释作用较明显，从而导致洪水期DOC和DIC含量低于洪水前；③由于洪水期间河流水量急剧增加，并补给地下水，而洪水过后，较低DOC含量的地下水反过来补给河水，且在洪水期间有大量的泥沙冲刷进入河槽中并沉积到河底中，而泥沙中有机质含量较低，所以当洪水过后DOC含量降低，洪水的冲刷加速岩石等的风化，易被风化部分优先被风化，所以导致后期DIC浓度低于洪水前期.而POC含量却明显升高，比洪水前、后期均高出4～8倍.分析POC主要来源于河流泥沙的携带，且随着河流TSS的增加而增加(何敏等，2012；Wang et al., 2004).
4.2 流域内各形式碳的输送量计算得出，3年内龙川江楚雄站以上流域各形式碳侵蚀量表示如下.
由表 2计算得出，3年内碳的输送通量分别为27.12×106 g · km-2 · a -1、24.87×106 g · km-2 · a -1和10.34×106 g · km-2 · a -1，其中无机碳分别碳输送总量的89.7%、90.3%及91.9%，分析龙川江流域在对碳输送的过程中，以输送无机碳为主；而汛期碳输送量分别占全年总量的90.9%、84.9%和83.8%，表现出流域汛期对碳的搬运量远远高于非汛期.
| 表 2 龙川江楚雄水文站各形式碳输送通量 Table 2 Carbon fluxes from the Chuxiong station at Longchuan River |
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2008年11月的强降水引起的洪水期表现的非常明显，碳的侵蚀通量8.53×106 g · km-2 · a -1，为当年非汛期侵蚀总量的2.3倍，DIC、DOC和POC的输送量分别为7.37 ×106、0.36×106、0.80×106 g · km-2 · a -1，分别占全年各碳总量的33.3%、34.4%和59.9%.
2012年全流域范围内持续降水偏少，致使河流流量大幅减少，因此对碳的侵蚀通量相比较小.流域在汛期特别是洪水期径流对物质的搬运量尤其是对颗粒碳的搬运量远远高于非汛期，3个水文年内汛期分别占全年碳输送量的90.9%、84.9%和83.8%，汛期均占较高的比重，因此研究、监测河流汛期碳通量的变化对流域内水土保持工作具有重要的意义.
FDOC / FPOC平均为0.82，DOC侵蚀通量小于POC侵蚀通量，反映了流域内机械剥蚀强度大于化学侵蚀强度.体现了季风区河流的一般特征，季风流域独特的水文气候条件决定了当地河流碳侵蚀组成与非季风流域特征迥异，即非汛期流域对DOC和POC的侵蚀量相当，都处在一个较低水平，变化并不明显；汛期往往由于突发性的强降水使得流域机械侵蚀作用增强，导致POC的通量大于DOC通量，且随着河流水文动力过程的增强而加大，表现出对“冲刷效应”响应明显.丰水期对POC和DOC的搬运量占到全年的绝大部分，3年平均占全年搬运量的95.2%和90.2%.
流域对碳侵蚀通量所表现出的这些特点与其它季风区河流具有更多的一致性，如伊春河、增江、长江及珠江等(陶澍等，1997；陶贞等，2004；Zhang et al., 1992；Ludwig et al.，1996，高全洲和陶贞，2003；Gauwet and Mackenzie，1993)；但与其它非季风区河流差异则很大，如亚马逊河、扎伊乐河和巴拉那河等(Richey et al., 1990；Datta and Subramanian，1997；Gaillardet et al., 1997；Probst et al., 1994b).
一般而言，河流输移的碳多来自于陆地侵蚀的产物，土壤及松散堆积物以机械侵蚀为主；坚硬的岩石以化学侵蚀为主.无论是机械侵蚀或是化学侵蚀都在向河流输送大量的含碳物质，河流碳通量的大小直接反映了流域的陆地侵蚀状况.因此，研究、监测流域河流碳能量的变化对水土保持工作的开展具有重要的指导意义.
5 结论(Conclusions)1)汛期随着流量的增加，DIC受到“稀释效应”影响，浓度有所降低，但含量总体变化不大；DOC含量相对稳定，随季节变化表现不明显，FDOC与流量表现出较强的吻合，分析DOC的侵蚀量主要取决于流量；汛期POC浓度明显高于非汛期，随河水流量的变化而发生同步变化，得出河流的“冲刷效应”对POC浓度作用明显.
2)2008年11月洪水发生过程中各形式碳对流量变化的响应程度各不同，尽管洪水期流量与洪水前、后期流量存在6～8倍的变化，水体中各形式碳对流量的响应特征很不相同，DI含量变化不明显，POC含量却明显升高，而流域内大面积出露的碳酸岩也使得DIC的含量并未因流量的剧烈变化而大幅降低.
3)FDOC / FPOC平均为0.82，不同季节表现情况不一，枯水期DOC与POC含量相当，丰水期机械侵蚀作用增强，导致FPOC大于FDOC，表现出季风区河流的一般特征，即往往突发性较强的降水使流域机械侵蚀作用增强，机械剥蚀强度大于化学侵蚀强度.
4)2008年11月的强降水引起的洪水期，碳的侵蚀通量8.53×106 g · km-2 · a -1，为当年全期侵蚀总量的34.3%，结果表明此次洪水期碳输出通量对河流碳输出总量及构成方式有重大贡献，研究洪水事件中的碳通量对准确估算洪水频发河流的碳通量及变化规律十分重要.
5)研究期3年流域对碳的输送通量共计62.33×106 g · km-2，其中无机碳占90%，有机碳总量占10%，以输送无机碳为主；汛期碳输送总量分别占全年总量的90.9%、84.9%和83.8%，流域在汛期特别是洪水期对物质的搬运量占全年碳输送量的绝大多数，分析通过减少汛期对流域的冲刷、裹挟作用对控制流域对碳的输送至关重要.
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