2019, Vol. 31 
(2: 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101)
(3: 中国科学院大学, 北京 100049)
(4: 安徽师范大学地理与旅游学院, 芜湖 241002)
(2: Center for Excellence in Tibetan Pleteau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, P. R. China)
(3: Universtiy of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China)
(4: School of Geography and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241002, P. R. China)
水体有机碳的存在形式主要包括溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)[1].其中DOC是主要的有机碳库，占水体有机碳的较大比重[2]，比如海洋中DOC碳库占海洋总有机碳库的90 %以上[3]. DOC是维系和影响水生生态系统的重要环境因子，是湖泊生态系统结构和功能的重要调节器[4].一方面，DOC为细菌生长、代谢等生命活动提供基质，是所有水生生态系统异养微生物循环的基础[5-6].另一方面，水体中的DOC会影响水下光场和酸碱度，高浓度DOC会造成水体透光性的降低，阻碍水体特别是深层水体对太阳辐射的吸收，过量的DOC还会造成水体酸化，进而影响整个水生生态系统[7-8].
氮是水生植物和异养微生物需求量最大的营养元素之一，其供应量对水生生态系统的初级生产力和有机质的微生物循环有着重要影响[9].随着人类活动影响的日益加剧，陆地和水生生态系统氮负荷在全球范围内呈现增加的趋势[10].
湖泊作为内陆水体的重要组成部分，是流域内物质的主要汇集场所，是区域碳氮循环重要的一部分.国内外学者对不同地区湖泊水体的DOC浓度进行大量研究.有的注重于湖泊DOC浓度空间差异、季节变化及其机制的研究[2, 4, 11-13]，有的研究则侧重于DOC浓度长时间尺度的变化[14]，比如Evans等[15]的研究显示增温和酸沉降的减少是导致水体DOC浓度增加的重要因素. TN浓度作为湖泊富营养化的重要影响因素，其浓度大小及其季节变化的研究为湖泊富营养化评价和水体治理提供依据[16-18].
青藏高原地区是我国重要的湖泊分布区，湖泊面积占全国湖泊总面积的51.4 % [19].同时，青藏高原湖泊是一个巨大的溶解有机碳库，其DOC含量占全国湖泊的84.3 % [8]. DOC被认为是湖泊碳循环对气候响应研究的重要媒介[20].青藏高原作为全球气候变化的敏感区，其分布的众多湖泊是研究碳氮循环及其对气候变化响应的重要载体.但是目前在纳木错流域乃至整个青藏高原地区尚缺乏湖泊碳、氮循环研究.仅有的关于DOC和TN浓度的研究，也是作为水生生物群落研究的营养背景值.如Liu等[21]在纳木错的研究结果表明，纳木错表层水的细菌丰度受水体中藻类释放的DOC浓度的影响显著. Liu等[22]在研究高原淡水湖普莫雍错细菌多样性时，对该湖泊水体DOC和TN浓度做了初步的调查，结果表明其DOC和TN浓度分别为2.0~19.1 mg/L和90~1407 μg/L.但是此类研究缺乏对高原湖泊DOC和TN浓度的长期监测和时空分异的研究.本文通过DOC和TN浓度季节变化和空间差异性的调查研究，希望能为高寒区水生生态系统研究提供背景值，以期为后续的纳木错水体碳氮循环提供前期基础依据.
1 研究区概况纳木错流域(29°56′~31°7′N，89°21′~91°23′E)位于藏北高原东南部，冈底斯-念青唐古拉山脉北麓，之间，总面积10610 km2[23].整个流域处于高原亚寒带季风半干旱和半湿润气候区的过渡带，印度夏季风一般暴发于6月初，结束于10月初[24].季风期受南亚季风的影响，非季风期受西风环流的控制.年降水量为281.8 mm，主要集中在5-10月，占全年降水量的97.5 %, 雨季干季分明.年平均气温为0℃，其中5-9月份月平均气温在0℃以上，划为暖季，其余月份为冷季[25].
纳木错(30°30′~30°55′N, 90°16′~91°03′E，图 1)是西藏第二大湖，湖泊面积为2020 km2[26]，湖面海拔4718 m.最大水深超过95 m，中部是一个平缓的盆地，南北两岸坡度较大，而东西两侧坡度较平缓[27].纳木错为典型高原封闭湖泊，以地下水、大气降水和冰雪融水补给为主，共有60余条河流汇入，这些河流主要发源于南部和西部的冰雪覆盖区[28-30].流域内冰川分布总面积182 km2，且近40年来呈现出明显的退缩趋势，年退缩率达到1.12 km2/a.另外，流域年均积雪覆盖度约20 %，于每年春末夏初开始消融补给纳木错，年均冰川消融量达2.99亿m3/a，积雪融水径流量为8.1万m3/a[31].
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图 1 纳木错水深、入湖河流及采样点分布 Fig.1 Isobath of Nam Co and distribution of inflowing rivers and sampling sites |
为研究纳木错及其补给河流的DOC和TN浓度的季节变化特征，分别对纳木错2个固定点位(T1和T2)及21条主要入湖河流进行水样采集(图 1)，T1点位于东部湖盆区，水深为57 m，T2点位于中央湖盆区，水深为93 m.河流采样于2012年6-9月和2013年5-12月进行，共采样10次.其中2013年12月29日采样时大部分河流已结冰，无法进行采样，最后只采集到其中8条河流的水样.湖水采样于2012年5-11月和2013年6-9月进行(表 1)，利用水样器进行分层采样，采样间距依采样条件不同而有所差别，主要为5 m或10 m, 具体采样信息见表 1.采集的水样用预先清洗的聚乙烯水样瓶封装，其中DOC浓度分析水样用CHROMAFIL滤膜(材质PTFE, 孔径0.45 μm)进行过滤，所有水样在测定前冷藏保存.降水量数据来自中科院青藏高原研究所纳木错多圈层综合观测研究站，测定精度为0.1 mm.
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表 1 纳木错湖泊水样采集信息 Tab. 1 Water sampling informations in Nam Co |
用日本岛津公司的TOC-VCPH型总有机碳分析仪测定水样DOC和TN浓度，测定相对标准偏差 < 1.5 %. DOC浓度采用直接测试法测定，即先在样品中滴加盐酸(HCl)，吹气去除无机碳，然后催化氧化测定DOC浓度，对于DOC浓度较低的纳木错流域水体而言，直接法较差减法测量产生误差的可能性更小[32]. TN浓度测定先将水样在720℃燃烧管中催化氧化为NOx，再进入化学发光检测器测定其浓度.所有水样DOC和TN浓度测定均在样品采集结束后短期内完成.所有统计图采用Origin 2018软件制作，相关性分析用Rstudio 1.1.383完成.为更好地分析入湖河流及纳木错湖水DOC和TN浓度的季节变化，将多次采样的平均值作为月浓度值；如所在月份只有单次采样，则用具体日期浓度表示.
3 结果与讨论 3.1 主要入湖河流DOC和TN浓度的季节变化2012年河水采样时间为降水集中的季风期，图 2结果显示大多数河流DOC和TN浓度在季风期有明显的波动，且TN较DOC浓度波动更为明显. 2013年河水采样时间较为分散，主要为季风期前(5月30日)、季风期(7、8月)和季风期后(12月29日).分析表明，21条入湖河流DOC浓度在季风期及其前后这段时期的变化趋势差异明显，主要存在3种变化形式，即季风期前出现高值(4、6~12、14号河流)，季风期出现高值(5、15~21号河流)和无明显波动(1~3、13号河流).在冬季采集的8个河流水样中，5条河流的DOC浓度为年内最低值，但另3条河流(3、5、7号河流)的DOC浓度则同季风期相当甚至更高.以上结果显示出来的差异可能与各河流补给方式有关.由于冰雪融水对土壤和地表植物残体的淋洗作用，高原冰雪融水补给河流DOC浓度在冰川融水开始增加阶段出现高值.而非冰雪融水补给的河流，DOC浓度高值与径流量高值相符，出现在夏季[11, 33-34].在纳木错流域内，冰雪融水补给河流主要发育在纳木错南岸.根据前人研究结果，纳木错流域冰雪融水开始于5月底[30]，此时南岸河流DOC浓度出现高值，而非冰雪融水补给河流DOC浓度高值出现在径流量较大的季风期(图 2).除20、21号河流外，在季风期前其他河流的TN浓度明显高于季风期或者与之持平.另外，不同于DOC, 冬季采样的8条河流TN浓度均较高，甚至为年内最高值.综上所述，在整个采样期，各河流间DOC和TN浓度季节变化趋势存在较明显差异.
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图 2 2012、2013年纳木错21条入湖河流DOC和TN浓度季节变化 Fig.2 Seasonal variations of DOC and TN concentrations of 21 inflowing rivers around Nam Co in 2012 and 2013 |
通过对2012-2013年纳木错周边21条主要入湖河流DOC和TN浓度的综合比较(表 2)可以看出，河流间DOC、TN浓度差异明显，反映了不同流域植被生产力和营养盐水平的差异.河流间TN浓度差异较DOC浓度要小，在同一时期，21条河流中DOC浓度最低值是最高值的3.22 % ~16.58 %，变异系数(CV值)在0.524~1.021之间. TN浓度的最低值是最高值的22.13 % ~43.68 %，变异系数介于0.179~0.310之间.另外，流域内21条入湖河流间DOC和TN浓度的变异系数有明显的季节性变化，其中DOC浓度的变异系数在6-7月达到年内高值，各河流间TN浓度的差异在6-8月最为显著.
从平均水平来看，流域内河流DOC平均浓度在季风期来临前的5月最高，7、8月也较高，12月为最低值. TN平均浓度从5-12月呈现先减小后增加的趋势，8月为最低值，随后逐渐增加并在12月达到最大值(表 2).在6-12月河流DOC浓度和TN浓度表现为相反的季节变化趋势.
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表 2 纳木错21条入湖河流DOC、TN浓度的季节变化统计量 Tab. 2 Statistics of seasonal variations of DOC and TN concentrations from 21 inflowing rivers around Nam Co |
采样期间纳木错T1、T2点DOC浓度范围分别为2.42~7.53和2.46~8.08 mg/L.从图 3可以看出，T1和T2点DOC浓度呈现明显的季节性变化，并具有相同的变化趋势.具体表现为，DOC浓度在季风期前的5月和季风期的8月明显高于其他时期，T1、T2点之间的DOC浓度差值也较大，在季风期后的11月DOC浓度为最低值.此外，7、9、11月DOC浓度在垂直方向上分布较均匀，而5月底、6月、8月在垂直方向上分布差异较大(图 4).
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图 3 纳木错T1、T2点DOC和TN浓度的季节变化 Fig.3 Seasonal variations of DOC and TN concentrations at T1 and T2 sites in Nam Co |
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图 4 纳木错T1、T2点2012年、2013年DOC、TN浓度垂直剖面 Fig.4 Vertical profile of DOC and TN concentrations at T1 and T2 sites of Nam Co in 2012 and 2013 |
纳木错T1、T2点在采样期间TN浓度范围分别为0.241~0.398和0.237~0.517 mg/L，与受人类活动影响较大的湖泊相比[16, 18]，TN浓度显著偏低，属于贫中营养化的水平[17].与DOC浓度不同，在整个采样期TN浓度分布较为平均，没有明显的季节变化趋势(图 3)，但在7月T1点和5月T2点TN浓度分别最高，且T1、T2点TN浓度季节变化趋势不一致.垂直剖面上，除了11月T2点0~10 m表层水体外，T1、T2点的TN浓度分布较为均匀，且波动幅度并没有随季节的变化而出现明显的波动(图 3).
通过表 3可以看出，在季风期，纳木错水体DOC和TN浓度在垂直方向上的分布基本没有相关关系，而T1和T2点在生产力微弱和外源输入缺乏的冬季(11月)则表现出显著的正相关关系(表 3)，说明控制DOC和TN浓度在垂直剖面分布的因素在季风期较为复杂，而在冬季二者的垂直分布可能受同一因素控制.
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表 3 2012-2013年纳木错T1、T2点垂直剖面DOC、TN相关关系分析 Tab. 3 Correlation coefficients of DOC and TN in vertical profile at T1 and T2 sites of Nam Co in 2012 and 2013 |
湖泊水体中有机碳的时空变化在很大程度上受其来源的影响.湖泊有机碳来源主要包括陆源输入和内生有机碳，其中陆源有机碳受流域内植物的初级生产力和分解率的共同控制[5]，且与流域来水量密切相关.内生有机碳由浮游和大型水生植物光合作用生成[4].在整个非季风期缺少降水、冰雪融水以及地表径流的补给，因此在5月份达到年内低水位[30]，导致湖水DOC浓度在此时出现峰值.另外，纳木错于每年5月中旬完全解冻[35]，并开始进入春末湖水翻转期[36]，加上风力作用在湖面解冻后重新开始作用于湖泊，整个湖泊内部水动力状况因而变得复杂，进而造成DOC浓度在T1和T2点在垂直剖面上均波动明显(图 4). 6、7月随着冰雪融水和降水补给量(图 5)逐渐增加，由于稀释作用[2]，DOC浓度有明显的下降趋势. 8月DOC浓度的显著增加，很可能与流域入湖河流携DOC输入有关(图 6).此外，随着水温升高和地表径流带来营养盐的增多，促进藻类等浮游植物的生长，可能是湖水DOC浓度的增加的主要因素[7].同时，T1点8月DOC浓度在0~30 m范围内表现出从上层往下层减小的趋势，主要原因可能是受水温和透明度的限制，表层浮游藻类活动较为强烈[2, 13]，而T2点8月份DOC浓度在0~60 m分布均匀，说明远离陆地深水湖盆区的T2点表层水生植物活动微弱.同时，纳木错T1、T2点水柱DOC浓度在均温层都出现了峰值，可能是由于底栖藻类活动的结果，加之纳木错较深，底部均温层处于厌氧、低温且无光照的环境，不利于沉降下来的有机碳的矿化. 9月之后，随着纳木错流域和湖泊内部生产力的逐渐下降，湖水DOC浓度逐渐降低，且9月湖水处于稳定的分层期，11月中旬湖水为完全混合期[36]，因而水柱DOC浓度垂直分布均匀.
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图 5 2012、2013年采样期纳木错降水量 Fig.5 Precipitation in Nam Co during the sampling period in 2012 and 2013 |
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图 6 纳木错T1、T2点及其入湖河流2012-2013年DOC及TN月平均浓度季节变化 Fig.6 Seasonal variations of DOC and TN concentrations at T1 and T2 sites of Nam Co and inflowing rivers during 2012-2013 |
湖泊营养盐来源主要有外部输入、湖泊内部有机质循环和底泥释放3个主要途径[37-38].河流在氮输送上扮演着非常重要的角色[10]，在整个采样期，纳木错湖水和入湖河水的TN浓度拥有相同的变化趋势(图 7)，表明外源输入补给，是影响湖泊TN浓度的因素之一[39]，但是湖水TN浓度的变化范围非常小(0.28~0.31 mg/L), 外源输入并没有显著影响纳木错的TN浓度.从图 7可以看出，采样期纳木错TN浓度表现为先减少后增加的趋势，其中在8月份出现最低值，可能与季风期流域生产力增加加大了对无机氮的吸收固定作用.而非季风期出现高值可能是由于有机质的矿化分解及底泥营养盐的释放造成TN浓度的升高[16, 18].有研究表明，河水温度增高，水体微生物反硝化作用增强[16]，这也可能是季风期纳木错入湖河流TN浓度降低的一个重要原因.
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图 7 纳木错(a)及入湖河流(b)2012-2103年DOC、TN月平均浓度季节变化比较 Fig.7 Comparison of seasonal variations of DOC and TN concentrations in Nam Co(a) and inflowing rivers(b) during 2012-2013 |
1) 采样期内，纳木错21条河流DOC、TN平均浓度分别为0.763~1.537和0.179~0.387 mg/L.各河流DOC和TN浓度存在显著空间变异性，且季风期比非季风期差异性更为明显.从季节变化来看，21条河流DOC、TN平均浓度季节变化显著，DOC浓度在季风期高，非季风期低，而TN与DOC浓度表现出相反的季节变化趋势.
2) 采样期内，纳木错水体DOC浓度为2.42~8.08 mg/L，TN浓度为0.237~0.517 mg/L. T1、T2点位间DOC和TN水柱平均浓度无显著差异性，垂直剖面上，TN浓度分布较为均匀，而DOC浓度在季风期前和季风期的8月垂直分异明显.从季节上来看，TN浓度的季节差异不显著，而DOC浓度季节变化显著，季风期前的5月和季风期的8月为高值，冬季为最低值.
3) 河流DOC浓度受河流补给方式、流域内植物生产力和微生物分解作用的影响.湖泊DOC浓度季节变化主要受水文条件、水生植物和微生物活动的影响，河流DOC的输入也是影响湖泊DOC浓度的重要因素.湖泊TN浓度受河流TN输入的影响，但并不显著.
目前，针对纳木错流域水生生态系统的研究缺失，为更好地理解高寒湖泊的水生生态和水质状态、变化特征及其影响因素，同时为揭示纳木错流域水体的碳氮循环过程以及对气候条件的响应机制，未来需要进行各形态碳氮含量及碳氮稳定同位素的持续监测研究.
致谢: 感谢马庆峰、杨瑞敏、陈锋、林晓、王明达、陈占仓等参与了部分野外考察工作，高少鹏协助完成了分析测试工作，感谢许腾在数据分析和图表绘制方面的帮助！
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