基于稳定同位素示踪的流域颗粒有机物质来源辨析

2010-09-09 03:39唐艳凌章光新中国科学院东北地理与农业生态研究所中国科学院湿地生态与环境重点实验室吉林长春130012
中国环境科学 2010年9期
关键词:丰水期同位素贡献

唐艳凌,章光新(中国科学院东北地理与农业生态研究所,中国科学院湿地生态与环境重点实验室,吉林 长春130012)

基于稳定同位素示踪的流域颗粒有机物质来源辨析

唐艳凌,章光新*(中国科学院东北地理与农业生态研究所,中国科学院湿地生态与环境重点实验室,吉林 长春130012)

为有效控制流域水质污染,保证饮用水水源的水质安全,通过采集和测定流域内土壤、植物以及河流断面水体悬浮颗粒有机质(POM)在枯水期和丰水期的碳、氮稳定同位素值和C/N比值,对石头口门水库汇水流域水体POM的来源进行研究.结果表明,水体中POM主要来源于土壤有机质,其贡献为69.2%,藻类等大型水生生物和浮游植物的贡献分别为23.1%和7.7%.流域水体中POM的来源存在时空差异.丰水期,浮游植物和藻类等大型水生植物的贡献均为15.4%,而枯水期后者的贡献提高到了30.8%.水体POM主要来源于双阳河和饮马河下游的土壤有机质,说明该区域土壤侵蚀较重,易发生非点源污染;岔路河和饮马河上游支流小黄河,水体POM以浮游植物的贡献占主导,其贡献分别为86.3%和94.8%,这些区域侵蚀较弱,非点源污染发生的风险小;大中型水库区域的POM主要由藻类等大型水生植物贡献,表明悬浮颗粒物在进入水库后可能发生了明显沉积.

非点源污染;碳、氮稳定同位素;悬浮颗粒有机质;石头口门水库

Abstract:In order to assure the safety of surface drinking water, the sources of suspended particulate organic matter (POM) were studied in this paper by stable carbon and nitrogen isotopes analysis and elemental C/N ratios measure of POM. Soil and plant samples were collected in Shitoukoumen Reservoir Basin. The results showed that POM mainly sourced from soil organic matter which possessed 69.2%. Macrophyte was the second important contributor (23.1%). In addition, phytoplankton was also one of the sources of POM, accounting for 7.7%. The sources of POM existed seasonal and spatial variations. Over rainy season, the contributions of phytoplankton and Macrophytes to POM reached to 15.4%, respectively. While the contribution of Macrophyte to POM increased to 30.8% over dry season. Spatially, POM in surface water in the whole basin was from the soil organic matter in the lower reaches of Shuangyang river and Yinma river, owing to high soil erosion and the risk of non-point source (NPS) pollution in the regions. The phytoplankton, the main contributor of POM, possessed 86.3% and 94.8% in Chaluhe river and Xiaohuanghe river, respectively. And the soil organic matter contributed 13.7% and 5.2% in the two areas, respectively, where the low risk of NPS pollution showed low soil erosion. The most of POM from Macrophyte in reservoir indicated suspended particulates from the other sources may sink.

Key words:non-point source pollution;stable isotopes of carbon and nitrogen;suspended particles organic matter;Shitoukoumen Reservoir

中国正面临着严重的水质危机问题,大量湖泊、水库处于富营养状态,直接威胁到饮用水安全[1-3].非点源污染是湖泊、水库水体富营养化的重要物质来源,而来源于非点源的营养盐是造成湖泊、水库水体富营养化的关键因素,营养盐中的碳、氮等生源元素从陆地向河流以及在河流系统内的运移构成了全球或区域生物地球化学循环系统的重要部分[4].按形态组成,可以将这些生源元素划分为溶解态和颗粒态两类[5].已有研究显示颗粒态有机碳(POC)和颗粒态氮(PN)是河流输送营养盐的主要形态之一.悬浮泥沙是颗粒态营养盐和污染物的重要载体,河流中90%以上营养物质来自泥沙中有机物的分解[6].因此对悬浮泥沙所携带的颗粒有机质(POM)的来源进行研究,有利于从源头开展营养物质入河量的控制.

天然存在的碳、氮稳定同位素作为示踪剂对于研究河流系统的碳、氮循环有着非常重要的作用,并日益成为判别河流系统POM来源的最有效工具之一[7-9].根据不同来源悬浮颗粒有机质具有特定的碳、氮同位素值变化范围,可对有机质的物源进行判别[10-11].本文从保障饮用水安全的角度出发,对长春市重要城市供水水源——石头口门水库及其汇水流域地表水体中悬浮颗粒有机质的来源进行研究,旨在准确揭示以悬浮泥沙为载体的颗粒态非点源污染物来源的基础上,定量不同污染源的贡献,为有重点、有针对性地控制流域非点源污染,保证水源地供水水质提供科学依据.

1 研究区概况

本研究区域为长春市主要饮用水水源地之一的石头口门水库及其4944km2的集雨范围(125˚46′~126˚41′E,43˚06′~44˚03′N),区内的主要河流饮马河干流及其两个支流岔路河和双阳河均注入水库.研究区位于松嫩平原腹地,属中温带半湿润大陆性季风气候区,年平均气温为2~6℃左右,极端最低温度-38.4,℃极端最高温度36,℃多年平均降水量为600mm,67%的雨量集中在7、8月份,时空分布不均匀.全区地貌以平原为主,其次为丘陵、台地和山地,从东南向西北呈现由低山丘陵向平原过渡的特征.土壤以暗棕壤和草甸土为主.流域农业开发历史悠久,部分地区土壤剥蚀严重,森林、耕地和居民建设用地为流域内的主要土地利用类型,其格局的空间差异显著.

2 材料与方法

对石头口门水库上游3条主要河流按照上、中、下游分别布设3个采样断面,在双阳河流域人口密集的双阳城区加设了一个生活污水源断面,另外在饮马河上游较大汇入支流小黄河增设了一个采样断面,共12个河流断面如图1.水库内设20个采样点,数据分析采用库区内所有样点测试结果的平均值,采样点分布如图2.分别于2007和2008年,按水文期于每年4月(枯水期)和7月(丰水期)采集土壤、植物和水体悬浮物样品,共采样4次.选取其中39个植物和土壤及全部52个水体悬浮颗粒物样品进行了有机质同位素等指标的分析.水样采集按照规范和标准方法[12-13],每个断面设置左、中、右3个采样点,采样使用有机玻璃采水器,测试分析采用三点混合的水样.由于研究区河流水深均不超过10m,因此,地表水样在采集时并未分层.

图1 石头口门水库流域采样点分布Fig.1 Schematic of sampling sites in Shitoukoumen Reservoir Basin

视不同季节、采样断面悬浮颗粒物含量不同,每个采样点过滤水样从0.5L到6L不等.样品采集后立即处理,营养盐用0.45µm醋酸纤维膜过滤,滤液酸化保存;悬浮物样品在采集现场用经500℃预燃烧过的0.7µm Whatman GF/F玻璃纤维膜过滤,用于测定同位素组成(δ13C)以及有机质含量,并保存在-20℃的冰箱中直至实验室分析.NO3

图2 石头口门水库内采样点分布Fig.2 Schematic of sampling sites in Shitoukoumen Reservoir

--N和NH4+-N的测定方法参照《水和废水监测分析方法》[14]. C/N以POC和PN比值表示,分析方法为将带有悬浮颗粒物的Whatman GF/F玻璃纤维膜放入盛有6mol/L HCl的干燥器中,熏蒸24h,以除去样品中的碳酸盐;沉淀法获取的悬浮物用浓度为0.1mol/L HCl除去其碳酸盐并清洗至中性烘干,用于碳稳定同位素分析.样品的稳定碳、氮同位素和POC、PON含量分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行.所用仪器为Finnigan MAT公司DELTAplus/XP型稳定同位素比值质谱仪和Vario ELⅢ型元素分析仪,前者的测量精度为±0.2×10-3.碳、氮稳定同位素比值采用国际通用的δ值表示,并分别以PDB国际标准和大气氮为参考标准.

3 结果与讨论

3.1流域地表水悬浮颗粒有机质的碳氮同位素组成及分布特征

为讨论方便,石头口门水库及其上游河流POM的各种参数及稳定同位素组成取各断面两年相同水文期的平均值(表1).驿马河与小黄河的汇入口以上河段一并作为饮马河的上游处理.另外,双阳河上的双阳北桥(X7)断面只作为生活污水源考虑,而与上下游的断面之间不作为河段处理.由表1可知,不同水文时期,从上游至水库入口,各取样断面的δ13C值变化趋势相同.对各取样断面两个水文期POM的δ13C值的方差分析结果显示,二者的差异为显著(P<0.05),表明研究区POM的稳定碳同位素分布呈现明显的季节变化,与其它水体的相似[15-16].枯水期较“轻”的δ13C值显示,该时期陆源有机质在悬浮颗粒物中占明显优势,故POM的δ13C值主要体现陆源贡献的特征.而丰水期,由于气温升高,水生生物的生长旺盛,水生生物在利用水中溶解的无机碳进行光合作用时引起的同位素分馏,使得水生生物的碳同位素组成会偏重.因此,该时期相对较高的生物量和生产率是造成δ13C值的极大值多分布在丰水期的原因之一.

石头口门水库上游各干支流的δ13C值的范围不同,最“轻”的δ13C值出现在枯水期岔路河的下游,而最“重”的δ13C值出现在丰水期双阳河的中游城市附近的取样断面上.水库入口的δ13C值由于河流汇流时不同来源的悬浮颗粒物发生了混合而趋于3条河流下游断面δ13C值的平均.不同的碳同位素组成表明,饮马河干流的POM的来源沿程变化较大,而岔路河沿程悬浮颗粒物的来源相对稳定,后者可能与沿程较高的森林面积比例有关.双阳河偏重的碳同位素组成体现了生活污水来源的特征.

图3显示了丰、枯水期石头口门水库上游饮马河干流和岔路河、双阳河两支流的悬浮颗粒有机质δ13C值的分布情况.由图3可知,3条河流,除下游断面(X4、X8、X11)至水库入口(X12)河段外,其余河段自上而下沿程δ13C值在丰水期保持了相似的分布特征,而枯水期则完全不同.丰水期,沿程δ13C值均呈现“重”-“轻”-“重”的分布特征.由沿程以取样断面为流域出口的子流域的森林、农田和居民点的面积比例(图4)可知,丰水期的δ13C值与3种土地利用方式面积比例的沿程变化趋势均不一致,没有明显体现陆源特征,说明水生生物对该时期3条河流的悬浮颗粒有机质具有明显影响,其贡献可能超过了陆源输入.因此,丰水期研究区的稳定碳同位素的分布特征可能体现了陆源有机质和水生生物混合输入的结果.此外,就3条河流稳定碳同位素沿程相似的变化趋势而言,说明存在某些空间因素控制着河流悬浮颗粒有机质的来源与迁移.

表1 悬浮颗粒物样品参数及稳定碳、氮同位素组成Table 1 Parameters for SS and composition of stable carbon and nitrogen isotopes

图3 丰水期和枯水期水库上游干、支流地表水中悬浮颗粒有机质δ13C值的分布Fig.3 The distribution of carbon isotope of POM in main stream and tributaries in Shitoukoumen reservoir basin over rainy period and dry period

地形和降水是流域内两个重要的空间因素,然而,丰、枯水期δ13C值沿程不完全一致的变化趋势表明,降水是控制河流悬浮颗粒有机质的来源与迁移最为重要的空间因素.已有研究表明,悬浮颗粒有机质的碳同位素值在不同水文期的差异与流域降水有关[17],同时也反映了流域土壤侵蚀在不同季节的差异.高泄水量期间悬浮颗粒有机质的δ13C值升高反映C4植物来源的径流量急剧增加导致其同位素组成偏重,这个时期的悬浮颗粒物主要是地表径流冲刷来源的草地以及农田的有机颗粒,枯水期大气降水较少,很难形成较大的地表径流,因而水土流失量极低.

图4 石头口门水库流域不同河段土地利用比例Fig.4 The proportion of land use type in various reaches in Shitoukoumen reservoir basin

一般而言,河流悬浮颗粒物中较轻的样品倾向来源于森林等C3植被区,而较重的样品倾向来源于森林遭破坏后形成的次生草类植被以及农田系统[18-19].枯水期饮马河与双阳河的δ13C值分布相似,其沿程变化特征与丰水期一致.而岔路河的δ13C值则呈现沿程逐渐变“轻”的连续性.由图4可知,岔路河δ13C值的沿程变化趋势与森林面积比例的变化趋势一致,随森林面积比例的增加,δ13C值趋于变“轻”,说明森林可能对岔路河δ13C值的分布具有重要的影响.饮马河上游驿马河断面的δ13C值在不同水文时期均明显偏重,其来源有待进一步研究.

以小黄河断面作为上游,饮马河与双阳河的δ13C值的沿程变化与森林面积比例的变化趋势也趋于一致,说明森林对这两条河流的δ13C值分布也具有一定的影响.

3.2石头口门水库流域地表水悬浮颗粒有机质氮同位素组成及分布特征

由表1可知,与碳同位素相似,水库内δ15N值较入口偏重.不同水文时期,沿程的δ15N值变化趋势略有不同,除个别断面以外,总体上枯水期的δ15N值较丰水期偏重,沿程分布上存在较为明显的地区差异.对各取样断面两个水文期δ15N值的方差分析结果显示,二者之间的差异明显(P<0.05),表明悬浮颗粒有机质的稳定氮同位素分布与碳同位素相似,也具有明显的季节变化.

水库上游3条河流的δ15N值范围不同,其中饮马河的δ15N值的变化范围最宽,在4.11‰~14.43‰之间变动,而双阳河的最窄,为3.69‰~8.26‰.最“轻”和最“重”的δ15N值分别出现在丰水期双阳河上游断面(X5)和枯水期饮马河的上游支流断面(X2)上.与碳同位素组成相似,水库入口的δ15N值趋于各河流的平均值.此外,在不同水文期,双阳河上的城市生活污水断面(X6)的δ15N值基本保持稳定,且偏轻;而饮马河上游支流黄河水库出流断面(X2)的δ15N值变化幅度较大.

由图5可知,除下游断面至水库入口河段外,3条河流的其他河段沿程δ15N值在不同水文期都保持了一致的变化趋势,即沿程呈现“轻”-“重”-“轻”的分布特征.

图5 丰水期和枯水期水库上游干、支流地表水中悬浮颗粒有机质δ15N值的分布Fig.5 The distribution of nitrogen isotope of POM in main stream and tributaries in basin over rainy period and dry period

图6 丰水期、枯水期流域地表水中NH4+-N和NO3--N的沿程分布Fig. 6 The distribution of NH4+-N and NO3--N in surface water in Shitoukoumen reservoir basin along the way over rainy and dry periods

稳定氮同位素可以用来反映不同物源的贡献,但是无机氮在发生硝化作用、反硝化作用、同化作用和异化作用过程中引起的氮同位素分馏会影响到有机质中氮同位素的组成[20-21].有研究显示,在氮充足的环境条件下,因藻类吸收同化作用而引起的氮同位素分馏可达-16‰~-7‰[22].因此,利用不同类型的无机氮,会使得有机质的δ15N值存在明显差异.石头口门水库上游河流水体中无机氮含量充足,不存在氮限制问题[23].因此,由硝化作用、反硝化作用、同化作用和异化作用引起氮同位素的分馏可能会反馈到流域地表水有机质中氮同位素的组成上.丰水期大多数采样断面的NH4+-N浓度均低于枯水期,而NO3--N浓度则恰好相反(图6).丰水期水生生物对NO3--N的吸收利用,使得有机质的δ15N变轻;而枯水期则转向对NH4+-N吸收利用,同化作用引起的氮同位素分馏使得有机质中富集了15N,从而导致有机质的δ15N值变重.由此,石头口门水库流域地表水中有机质δ15N值在不同水文期之间的差异可以得到较为合理的解释.

研究证明,水生生物对不同类型无机氮的吸收利用所导致的同位素分馏程度不同.例如,对不同浓度NH4+-N的利用,氮同位素分馏值在-28.8‰~-5.8‰范围内;而在低浓度中,NO3--N分馏值在-9.7‰~-4.3‰范围内[24-25].因此,对于枯水期饮马河上游支流小黄河断面出现的δ15N极大值可以认为是水生生物对一定浓度NH4+-N吸收利用的结果.而双阳河的城市生活污水断面在不同水文期氮同位素组成的相对稳定,主要是由于生活污水中磷含量较高,氮成为限制性因子,抑制了水生生物对无机氮的利用,从而减少了氮同位素的分馏.由于地表水中POM中稳定氮同位素的时空变化相对比较复杂,因而稳定氮同位素的时空变化特征反映的是物源信息和生物地球化学过程综合作用的结果.

3.3石头口门水库流域地表水悬浮颗粒物的来源及其贡献

河水中的悬浮颗粒有机质通常有两种来源,一种是陆地有机物质的输入,另外一种是水生生物的繁殖,二者的贡献具有时空变异性.在较小的河流中,水生植物和藻类的繁殖受到轻微限制,陆地侵蚀物质在河水中占主导.然而,在中等以上河流中,沉水植物及其附着的藻类对河水中POM的贡献更为重要[26].河流上的天然湖泊或人工池塘为浮游藻类提供了适宜生长的静水环境,同时也成为河流POM的一个特殊的不稳定来源[27-28].将河水中POM的C/N比值和同位素比值与不同的潜在端元进行比较,能够有效识别河水中POM的来源[29].本研究选择4种潜在端元对研究区地表水中POM的来源进行探讨,包括浮游植物、土壤有机质、源于陆地生态系统C3植物的有机质和源于水生脉管植物的有机质[30-34].

对相关国内外相关研究成果进行收集整理,结合本次调查结果,作为有机质的潜在来源范围(表2),与本研究所获水体悬浮颗粒物分析实验数据进行比较,以辨识POM的来源.对不同水文期之间悬浮颗粒有机质的稳定碳、氮同位素以及两种同位素的相关性分析,结果见表3.由同一时期内碳、氮同位素组成之间极显著的负相关关系可知,不同来源的悬浮颗粒有机质仅发生了保守性的物理混合.而不同时期同一类同位素之间的明显正相关关系表明,丰、枯水期之间悬浮颗粒有机质的来源没有明显差异.

表2 河流颗粒有机质主要来源的稳定同位素组成及碳氮比Table 2 Stable isotope and molar C/N ratios of major particulate organic matter sources in rivers

表3 水库上游河水中POM的稳定碳、氮同位素之间的相关性Table 3 Correlation of δ13C and δ15N value of POM in the upper stream of reservoir

图7为不同水文期悬浮颗粒有机质中δ13C值、δ15N值和C/N比值的关系以及POM潜在来源的典型值域范围.由δ13C值和C/N比值之间的关系可以看出,石头口门水库流域水体中的POM有3种主要来源,即浮游植物、土壤有机质和藻类等大型水生植物,该结论从δ15N值和C/N比值或δ13C值之间的关系上也得到了证明.所有实验数据中,C/N比值<8且δ13C值<-28.5‰的占7.7%(δ13C值<-28.5‰是为了避免与土壤值域范围重叠),表明水体中有7.7%的POM来源于浮游植物的贡献.其中,丰水期有15.4%的样品是浮游植物的贡献,而枯水期则没有样品来源于浮游植物.由于大多数陆地植物的δ15N值范围在2‰~7‰之间,因此可以利用δ15N值>7‰的样品来辨别哪些区域水体中的POM来源于大型水生植物[9].δ15N值和C/N比值之间的关系也反映了流域水体中POM的3种主要来源,其中有23.1%的取样断面,样品的C/N比值>8且δ15N值>7‰,说明藻类等大型水生植物对水体POM的贡献是23.1%,其中对丰水期的贡献为15.4%,而枯水期这一贡献提高到了30.8%.流域水体中剩余69.2%的POM来源于土壤和其它次要来源的贡献.然而,进一步确定土壤有机质的贡献受到限制,其原因是不同端元的δ13C值、δ15N值和C/N比值发生了重叠,特别是δ15N值.以上定量不同来源对流域水体中POM的贡献是在假设只有四种潜在端元的前提下进行的,然而,由于不同人为氮源的影响和内、外源有机质δ15N值阈范围的重叠等,导致反映δ15N与C/N或δ13C之间关系的图表难以完全得到合理解释,因此,不能简单地根据取样获得所有数据从流域整体上对POM的来源贡献进行定量,而应该逐个对取样断面进行估算.

图8为流域内不同区域水体悬浮颗粒有机质中δ13C值、δ15N值和C/N比值的关系以及POM潜在来源的典型值域范围.根据POM中C/N比值> 8且δ15N值> 7‰的值域范围可以发现,丰、枯水期双阳水库出流(X6)、星星哨水库出流(X10)和石头口门水库出流(X13)断面水体中的POM均主要来源于大型水生植物的贡献.由于同一位置两个时期的来源相同,因此无法定量大型水生植物对水库区域POM的贡献.根据C/N比值<8且δ13C值<-28.5‰的前提条件可知,枯水期岔路河上的花家桥断面(X11)和饮马河上游支流的黄河水库断面(X2),水体中的POM主要源于浮游植物的贡献,而丰水期则转为以土壤有机质的贡献为主导.国内外相关研究表明,与稳定氮同位素和C/N比值相比较,稳定碳同位素在有机质溯源定量分析研究中更不易受生物活动的影响,而具有更高的准确性[36-39].因此,可利用碳同位素时空分布来估算不同物源的贡献.

图7 丰、枯水期流域地表水中POM的δ13C、δ15N和C/N比值之间的关系Fig.7 Relationship between δ13C, δ15N and C/N ratios of POM in surface water over rainy period and dry period

图8 不同区域地表水中POM的δ13C、δ15N和C/N比值之间的关系Fig.8 Relationship between δ13C, δ15N and C/N ratios of POM in surface water in main, tributaries, reservoir and entrance

从图8碳、氮稳定同位素值的关系可知,上述两个断面的δ13C值与其他来源的阈值均未发生重叠,因此可以根据稳定碳同位素质量平衡混合模型计算不同水文期浮游植物和土壤有机质的贡献:式中:X, Xt, Xm分别代表样品、浮游植物端元(-30‰)和土壤有机质端元(-27‰);ft和fm代表浮游植物和土壤有机质的贡献.

计算结果表明,枯水期黄河水库出流中浮游植物和土壤对水体中POM的贡献为86.3%,土壤有机质的贡献为13.7%;同一时期,浮游植物和土壤有机质对岔路河POM的贡献分别为94.8%和5.2%.该结果与悬浮颗粒物浓度分析得出的枯水期这两处断面陆地侵蚀程度低的结论相吻合.

悬浮颗粒物的时空分布能够反映流域土壤侵蚀的时空差异.由图9可知,河流悬浮颗粒物浓度的季节差异较大,丰水期远高于枯水期.方差分析结果,不同水文期之间以及不同干、支流之间,POM浓度的差异均十分显著(P时间< 0.05; P空间<0.01),表明POM的来源受时间因素和空间因素影响均比较大,时间上的差异主要由降水引起,而空间上的影响因素比较复杂,包括地形、土地利用方式的景观特征等.图9(a)显示,丰水期,各干、支流悬浮颗粒物浓度变化范围差异较大,其中双阳河的变化范围最大,且主要变化发生在下游河段(X7与X8之间),说明下游河段周围的侵蚀是双阳河悬浮颗粒物的主要空间来源.饮马河从上游(X1,X2)至下游(X4),悬浮颗粒物浓度始终保持增加的趋势,全流域侵蚀是饮马河悬浮颗粒物浓度较高的主要原因.而岔路河悬浮颗粒物浓度沿程先降后升,浓度变化范围较小且沿程各断面始终低于或接近水库入口的悬浮颗粒物浓度,表明该支流下游发生的侵蚀对水库内悬浮颗粒物含量的贡献很小.此外,双阳河和饮马河下游明显高于水库入口的悬浮颗粒物浓度,表明二者是水库悬浮颗粒物的主要来源.

图9(b)显示,枯水期,各干、支流悬浮颗粒物浓度变化范围差异较大,其中饮马河干流变化范围最大,该结果与干流河道较宽,径流量大,对沿岸冲刷较重有关.沿程各断面悬浮颗粒物浓度皆高于其他支流,且呈现逐渐上升趋势,中下游河段是悬浮颗粒物主要来源.双阳河和岔路河各断面悬浮颗粒物浓度都不高,且变化范围较小.与水库入口相比较,整个流域各断面悬浮颗粒物浓度均较低,说明枯水期水库悬浮颗粒物是干、支流累计贡献的结果,干流贡献最为重要.

与悬浮颗粒物浓度的空间分布特征对比可知,在空间上侵蚀较重的区域,POM主要来源于土壤有机质,如双阳河下游(X7至X8)和饮马河下游(X3至X4),而对于侵蚀较弱的区域,POM则以浮游植物的贡献占主导.流域内具有相对静水条件的大中型水库区域,POM主要是藻类等大型水生植物的贡献,如星星哨水库(X10)和石头口门水库(X13).

图9 丰水期和枯水期流域地表水中悬浮颗粒物浓度随距离的变化Fig.9 The distribution of concentration of suspended particulates with distance to the reservoir in sur face water in the basin over rainy period and dry period

4 结论

[1] 王 宁.松花湖流域非点源污染研究 [D]. 北京:中国科学院研究生院, 2001.

[2] 王 霞.松花湖富营养化及生态风险评价研究 [D]. 北京:中国科学院研究生院, 2005.

[3] 张 超.非点源污染模型研究及其在香溪河流域的应用 [D].北京:清华大学, 2008.

[4] Meybeck M. Carbon, nitrogen, and phosphorus transport by world rivers [J]. American Journal of Science, 1982,282:401-450.

[5] 晏维金.人类活动影响下营养盐向河口/近海的输出和模型研究[J]. 地理研究, 2006,25(5):825-835.

[6] Hwang B G, Jun K S, Lee Y D, et al. Importance of DOC in sediment for contaminant transport modeling [J]. Wat. Sci.Tech., 1998,38(11):193-199.

[7] Cifuentes L A, Coffin R B, Solorzano L, et al. Isotopic and elemental variations of carbon and nitrogen in a mangrove estuary [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1996,43:781-800.

[8] Prahl F G, Small L F and Evesmeyer B. Biogeoehemical characterization of suspended particulate matter in the Columbia River Estuary [J]. Mar Ecol Prog Ser, 1997,160:173-184.

[9] Kendall C, Silva S R, Kelly V J. Carbon and nitrogen isotopic composition of particulate organic matter in four large river systems across the United States [J]. Hydrol. Process, 2001,15, 1301-1346.

[10] Cifuentes L A, Sharp J H, Fogel M L. Stable carbon and nitrogen isotope biogeochemistry in the Delaware Estuary [J]. Limnology and Oceanography, 1988,33:1102-1115.

[11] Goering J, Alexander V, Haubenstock N. Seasonal variability of stable carbon and nitrogen isotope ratios of organisms in a North Pacific Bay [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1990,30: 239-260.

[12] 黄祥飞,陈伟民,蔡启铭,等.湖泊生态调查观测与分析 [M]. 北京:中国标准出版社, 1999.

[13] 金相灿,刘鸿亮,屠清瑛,等.中国湖泊富营养化 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 1990:121-132.

[14] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.增补版.北京:中国环境科学出版社, 2002.

[15] Checkley D M, Entzeroth L C. Elemental and isotopic fraction of carbon and nitrogen by marine planktonic copepods and implications to the marine nitrogen cycles [J]. Journal of Plankton Research, 1985,7:553-568.

[16] 吴 莹,张 经,张再峰,等.长江悬浮颗粒物中稳定碳、氮同位素的季节分布 [J]. 海洋与湖沼, 2002,33(5):546-552.

[17] 魏秀国,卓慕宁,郭治兴,等.西江水体悬浮物颗粒有机碳稳定同位素组成及时空变化 [J]. 生态环境, 2008,17(6):2127-2131.

[18] Bird M I, FYFE W S, PINHEIRO-DICK D, et al. Carbon isotope indicators of catchment vegetation in the Brazilian Amazon [J]. Global Biogeochemical Cycles, 1992,6:293-306.

[19] Bird M I, Giresse P, CHIVAS A R. Effect of forest and savanna vegetation on the carbon isotope composition of sediments from the Sanaga River, Cameroon [J]. Limnology and Oceanography, 1994,39:1845-1854.

[20] 李红燕.稳定碳、氮同位素在生态系统中的应用研究——以无定河、黄东海生态系统为例 [D]. 青岛:中国海洋大学, 2003.

[21] Mariotti A, Landreau A, Simon B.15N isotope biogeochemistry and natural denitrification process in groundwater: Application to the chalk aquifer of northern France [J]. Geochim. Cosmochim. Acta, 1988,52:252-268.

[22] Owens J P. Variationin the natural abundance of 15N in estuarine suspended particulate matter: a specific indicator of biological processing [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1985,20: 820-825.

[23] 唐艳凌.石头口门水库流域非点源污染研究 [D]. 北京:中国科学院研究生院, 2009.

[24] Pennock J R, Velinsky D J, Ludlam J M, et al. Isotopic fractionation of ammonium and nitrate during uptake by Skeletonema costatum: Implications for δ15N dynamics under bloom conditions [J]. Limnol. Oceanagr, 1996,41(3):451-459.

[25] Waser N A D, Harrison P J, Nielsen B, et al. Nitrogen isotope fractionation during the uptake and assimilation of nitrate, nitrite,ammonium, and urea by a marine diatom [J]. Limnol. Oceanogr, 1998,43(2):215-224.

[26] Vanotte R L, Minshall G W, Cummins K W, et al. The river continuum concept [J]. Canadian Journal of Fisherie and Aquatic Sciences, 1980,37(1):130-137.

[27] Thorp J H, Delong M D. Dominance of autochthonous autotrophic carbon in food webs of heterotrophic rivers [J]. Oikos, 2002,96:543-550.

[28] Reid N J, Hamilton S K. Controls on algal abundance in a eutrophic river with varying degrees of impoundment (Kalamazoo River, Michigan, USA)[J]. Lake Reservoir Manage, 2007,23:219-230.

[29] Ogrinc N, Markovics R, Kanduč T, et al. Sources and transport of carbon and nitrogen in the River Sava watershed, a major tributary of the River Danube [J]. Applied Geochemistry, 2008, 23(12):3685-3698.

[30] Hamilton S K, Lewis J R W M. Stable carbon and nitrogen isotopes in algae and detritus from the Orinoco River floodplain, Venezuela.Geochim [J]. Cosmochim. Acta, 1992,56:4237-4246.

[31] Angradi T R. Stable carbon and nitrogen isotope analysis of seston in a regulated Rocky Mountain river, USA [J]. Regulate Rivers: Res. Manage, 1993,8:251-270.

[32] Angradi T R. Trophic linkages in the lower Colorado River: multiplestable isotope evidence. J. N. Am [J]. Benthol. Soc., 1994,13:479-495.

[33] Thorp J H, Delong M D, Greenwood K S, et al. Isotopic analysis of three food web theories in constricted and floodplain regions of a large river [J]. Oecologia, 1998,117:551-563.

[34] Vander Zanden M J, Rasmussen J B. Primary consumer δ13C 和 δ15N and trophic position of aquatic consumers [J]. Ecology, 2001,80:1395-1404.

[35] Vuorio K, Meili M, Sarvala J. Taxon-specific variation in the stable isotope signature (δ13C and δ15N) of lake phytoplankton [J]. Freshwater Biol., 2006,51:807-822.

[36] Andrews J E, Greenaway A M, Dennis P F. Combined carbon isotope and C/N ratios as indictors of source and fate of organic matter in a poorly flushed, tropical estuary [J]. Coastal and Shelf Science, 1998,46:743-756.

[37] Goñi M A. Thomas K A. Sources and transformations of organic matter in surface soil and sediments from a tidal estuary ( North Inlet, South Carolina, USA)[J]. Estuaries, 2000,23(4):548-564.

[38] Graham M C. A study of carbon and nitrogen stable isotope and elemental ratios as potential indicators of source and fate of organic matter in sediments of the Forth Estuary, Scotland [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2001,52:375-380.

[39] Goñi M A, Maria J T, Perkey D W. Sources and distribution of organic matter in a river–dominated estuary (Winyah Bay, SC, USA) [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2003,57:1023-1048.

Identifying sources of particles organic matter in surface water based on stable isotope tracing on basin scale.

TANG Yan-ling, ZHANG Guang-xin*(Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China) China Environmental Science, 2010,30(9):1257~1267

X142

A

1000-6923(2010)09-1257-11

唐艳凌(1978-),女,吉林通化人,助研,博士,主要从事同位素水文学和水环境污染研究.发表论文5篇.

2010-01-09

吉林省与中国科学院科技合作资金项目(2006SYHZ0025);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-Q06-2, KZCX2-YW-126)

* 责任作者, 研究员, zhgx@neigae.ac.cn

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