2. 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州贵阳 550001
2. State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecological Environment of Guizhou Province, Guiyang, Guizhou, 550001, China
水库是全球碳平衡的主要参与者，在全球碳循环中起着重要的调节作用，被认为是全球碳循环的重要调节器[1, 2]。水库的修建不仅增加了水体的滞留时间、扩大了水陆接触面积，还在一定程度上改变了河流营养物质的地球化学循环及有机碳(Organic Carbon，OC)在河流系统中的动态进程，并逐渐演化形成了水库特有的固碳和有机碳埋藏模式，从而影响着内陆水体的碳循环[3-5]。据统计，湖泊和水库埋藏碳量约占全球陆地水埋藏碳量的68%[6, 7]，有机碳总量估计为每年全球海洋有机碳总量的6%-13%，且更具稳定性，在水体碳循环中起重要作用[8, 9]。
近年来，国内外学者对湖泊和水库中的有机碳展开研究，并取得丰富的研究成果。王从锋等[10]解析了不同库龄水库沉积物中总有机碳(Total Organic Carbon，TOC)来源，发现新、老水库的TOC来源存在显著差异。Song等[11]通过监测367个湖泊和144个水库发现，咸水湖中的溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)浓度远高于淡水湖，水库中的DOC浓度相对较低。Mendonça等[12]将统计模型与内陆水体有机碳的库存量相结合，估计每年约40%的有机碳被储存在水库中，进一步证明了水库在全球碳循环中的重要性。随着“碳酸盐岩化学风化碳汇稳定性”质疑的提出[13]，岩溶区水库碳循环也开始受到关注[14, 15]，但目前关于岩溶区水库水体有机碳的研究相对较少，更加缺乏有关岩溶区峡谷型水库有机碳的详细研究。因此，深入研究岩溶区峡谷型水库有机碳浓度分布特征及影响因素，不仅能填补该类型研究区的空白，还能为岩溶区后期DOC侵蚀通量的研究奠定基础，对揭示岩溶区水库有机碳的生物地球化学特征及来源具有重大意义。
中国西南岩溶区是世界三大岩溶区之一，岩溶区峡谷型水库受人为和自然两大因素影响，流水“二元侵蚀”切割形成了大量的河流峡谷区，为解决“田高水低”的水土资源空间不匹配困局，人类修建了大量的峡谷水库，改变了原有的碳循环模式，形成了复杂的“岩溶河流-岩溶水库”相结合的碳循环体系[16]。岩溶区峡谷型水库具有“V”形河谷、河谷深切、河库狭窄、水体深度大等特点，总溶解固体物(Total Dissolved Solids，TDS)含量相对较高[17, 18]，该类型水库水域的生态系统生产、消费环境条件不同于平原地区浅水水库，形成了独特的“岩溶河流岩溶水库”混合型岩溶区峡谷型水库水生生态系统规律。峡谷型水库水体滞留时间较短，其水库水体有机碳的研究尚未引起重视。枯水期水体流速缓慢，水环境扰动因素小，利于样本的采集与对比。鉴于此，本研究以我国西南地区珠江流域南盘江和北盘江上的两个不同营养状态、不同库龄的典型岩溶区峡谷型水库(万峰、董箐水库)为研究对象，在枯水期进行采样，探讨水库水体有机碳浓度变化的分布特征及差异性，从而揭示岩溶区峡谷型水库碳循环规律及其影响因素，为岩溶区水生态系统碳循环研究提供数据支持及参考。
1 材料与方法 1.1 研究区概况及采样点设置万峰水库(东经104°31′-105°01′，北纬24°37′-25°23′)，位于贵州省黔西南布依族苗族自治州安龙县和广西壮族自治区百色市隆林各族自治县交界处的南盘江中段，是红水河第一级水电站，于2000年建成。水库总库容102.57亿立方米，调节库容57.96亿立方米，多年平均流量612 m3/s，年径流量193亿立方米，河长263.5 km，落差425 m。研究区属亚热带季风气候，夏季高温多雨、冬季温和少雨，年平均气温15-18 ℃，降水量1 300-1 600 mm。库区两岸以白云岩和石灰岩为主，流域岩溶地貌发育，为高原岩溶峡谷型水库[19]。
董箐水库(东经105°27′-105°49′，北纬25°19′-25°50′)，位于贵州省西南部北盘江下游黔西南布依族苗族自治州贞丰县与安顺市镇宁布依族苗族自治县交界河段上，于2012年建成。水库总库容9.55亿立方米，水库正常蓄水位490 m，最大坝高149.5 m，水库的年平均流量398 m3/s，年平均径流量约为12.72亿立方米。研究区属亚热带湿润季风气候，冬季温暖、夏季炎热多雨。多年平均气温16 ℃，降水量1 100-1 330 mm，年内分配不均匀，多集中在7-9月。库区两岸石灰岩分布广泛，岩溶发育，为岩溶峡谷型水库。
本研究采样时间为2021年12月，是南盘江和北盘江的典型枯水期。本课题组乘船从坝前至上游逆行对万峰水库、董箐水库进行采样，万峰水库取干流(W1-W3、W11-W16)及支流(W4-W10)共16个样点作为研究样点。董箐水库取库湾(D1)、坝前(D2)、库中(D3)、码头(D4)4个样点作为水库的研究样点，采样期间使用GPS定位并记录采样点地理坐标(图 1)。
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| 图 1 研究区域及采样点位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the study area and sampling sites |
1.2 样品采集和实验方法
各采样点均利用彼德森采水器在水面以下0.5 m处进行表层水样采集，所有聚乙烯容器在实验室用超纯水清洗，在现场采集前用水样润洗3次。水体温度(Water Temperature，WT)、总溶解固体物(TDS)、氧化还原电位(Oxidation-Reduction Potential，ORP)、电导率(Conductivity，COND)等使用便携手持式多参数水质分析仪(Ultrameter-Ⅱ 6P，Myron L® Company，America)在现场进行原位测定，所有指标均测试3次，并记录均值。水样分为两份分别装入500 mL经酸洗的聚乙烯瓶中，不留气泡，第一份注入适量的饱和HgCl2溶液后密封低温保存，用于总碳(Total Carbon，TC)、总有机碳(TOC)、溶解有机碳(DOC)等不同形态水体碳的测定分析，颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon，POC)由TOC减去DOC后计算得出，第二份水样低温保存，用于分析主要阴离子。
水样运回实验室后低温保存，3 d内在贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地完成所有实验。总磷(Total Phosphorus，TP)、总氮(Total Nitrogen，TN)按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)进行测定[20, 21]。在实验室采用φ=0.45 μm的玻璃纤维滤膜进行水样过滤，将水体颗粒碳与溶解碳分离，采用日本岛津公司TOCLCPH/CPN总有机碳分析仪(精度为±4 μg/L)测试分析过滤前后的水样，获取水样的TOC、DOC、POC等不同形态水体碳含量浓度。
所有实验数据均在SPSS 20.2软件和Excel中进行统计分析，并运用ArcGIS 10.8、CorelDRAW X4 SP2及Origin 2021 Pro软件进行图像绘制。
2 结果与分析 2.1 指标变化特征枯水期万峰、董箐水库表层水体各指标统计参数如表 1所示，主要指标的变化情况如图 2所示。万峰水库WT为17.5-19.3 ℃，最大值出现在采样点W13，干流WT(采样点W13除外)总体呈现沿水流方向逐渐下降的趋势，马岭河支流WT沿水流方向逐渐升高，且呈支流>干流的特征。COND为426.4-443.9 μS/cm，最大值出现在采样点W1，最小值出现在采样点W15；TDS含量为288.3-297.4 mg/L，最大值出现在采样点W3，最小值出现在采样点W15；COND、TDS含量在干流沿水流方向略有升高，但马岭河支流沿程变化规律不明显，总体呈支流>干流的特征。ORP为115-330 mV，最大值出现在采样点W1，最小值出现在采样点W8，在干流和支流沿流程均没有明显的变化规律，但呈强烈的空间变异性，空间分布呈干流>支流的特征。
| 指标 Index |
万峰水库 Wangfeng Reservoir |
董箐水库 Dongqing Reservoir |
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| WT/℃ | COND/(μS/cm) | TDS/(mg/L) | ORP/mV | TN/(mg/L) | TP/(mg/L) | TOC/(mg/L) | DOC/(mg/L) | WT/℃ | COND/(μS/cm) | TDS/(mg/L) | ORP/mV | TN/(mg/L) | TP/(mg/L) | TOC/(mg/L) | DOC/(mg/L) | ||
| Range of change | 17.5-19.3 | 426.4-443.9 | 288.3-297.4 | 115-330 | 1.932-3.488 | 0.018-0.021 | 3.11-6.66 | 2.35-5.12 | 17.9-18.7 | 411.2-419.1 | 278.8-282.5 | 167-238 | 1.709-2.92 | 0.017-0.018 | 3.07-4.75 | 2.87-3.99 | |
| Average | 18.7 | 434.0 | 293.7 | 195 | 2.577 | 0.019 | 4.33 | 3.55 | 18.3 | 414.8 | 280.6 | 192 | 2.297 | 0.017 | 3.93 | 3.37 | |
| Standarddeviation | 0.449 0 | 4.696 4 | 2.975 4 | 48.248 0 | 0.435 2 | 0.000 7 | 0.795 9 | 0.733 1 | 0.330 0 | 3.557 6 | 1.740 7 | 33.270 0 | 0.513 2 | 0.000 5 | 0.758 2 | 0.474 0 | |
| Coefficient of variation | 0.024 0 | 0.010 8 | 0.010 1 | 0.248 1 | 0.168 9 | 0.036 8 | 0.183 8 | 0.206 5 | 0.018 0 | 0.008 6 | 0.006 2 | 0.173 5 | 0.223 4 | 0.029 4 | 0.192 9 | 0.140 7 | |
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| 图 2 万峰、董箐水库WT、COND、TDS、ORP变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of WT, COND, TDS and ORP in Wangfeng and Dongqing Reservoirs |
董箐水库WT为17.9-18.7 ℃，最大值出现在采样点D2，空间分布特征为坝前>码头>库湾。COND为411.2-419.1 μS/cm，最大值出现在采样点D1，没有明显的空间变异性，空间分布特征表现为库湾>码头>坝前。TDS含量为278.8-282.5 mg/L，最大值出现在采样点D4，TDS空间分布特征规律为码头>库湾>坝前。ORP为167-238 mV，最大值出现在采样点D1，空间分布呈现出库湾>坝前>码头的特征。
2.2 TP、TN浓度变化特征万峰、董箐水库表层水体TN、TP特征如图 3所示。枯水期万峰水库表层水体TN浓度为1.932-3.488 mg/L，TP浓度为0.018-0.021 mg/L。TN浓度最大值出现在采样点W2、TP浓度最大值出现在采样点W13，TN、TP浓度的最小值均出现在采样点W14。枯水期董箐水库表层水体TN浓度为1.709-2.920mg /L，TP浓度为0.017-0.018 mg/L；TN浓度最大值出现在采样点D2，TP浓度最大值出现在采样点D1。采样期间万峰水库、董箐水库表层水体TN浓度普遍超过国家地表水Ⅴ类水标准(2.0 mg/L)，TP浓度均达到Ⅱ类水标准。在空间变化上，TN浓度的变异系数较大，说明空间分布差异相对较大，而TP浓度的变异系数较小，表明空间变化差异不大。枯水期万峰水库TN、TP浓度的空间分布均呈支流>干流的特征；枯水期董箐水库表层水体TN浓度的空间分布特征表现为库湾>坝前>码头，TP浓度的空间分布呈库湾>码头>坝前的特征。
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| 图 3 万峰、董箐水库表层水体TN、TP特征 Fig. 3 Characteristics of TN and TP in upper layer of Wangfeng and Dongqing Reservoirs |
2.3 有机碳浓度变化特征
万峰、董箐水库表层水体有机碳浓度特征如图 4所示。万峰水库表层水体TC为36.62 - 42.81 mg/L，最小值出现在采样点W10，最大值出现在采样点W14。TOC、DOC浓度分别为3.11-6.66、2.35-5.12 mg/L。TOC、DOC浓度的最小值均出现在采样点W6，最大值均出现在采样点W3，TOC和DOC浓度沿流程没有明显的变化规律。POC浓度为0.24-1.95 mg/L，最小值出现在采样点W16，最大值出现在采样点W3。枯水期万峰水库表层水体TOC、DOC浓度在空间分布上均呈干流>支流的特征。
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| 图 4 万峰、董箐水库有机碳浓度特征 Fig. 4 Characteristics of organic carbon concentrations in Wangfeng and Dongqing Reservoirs |
董箐水库表层水体TC浓度为34.78-36.96 mg/L，最大值出现在采样点D4。TOC、DOC浓度分别为3.07-4.75、2.87-3.99 mg/L；TOC、DOC浓度的最小值均出现在采样点D2，最大值均出现在采样点D1。POC浓度为0.12-1.17 mg/L，最小值出现在采样点D2，最大值出现在采样点D4。枯水期董箐水库表层水体的TOC、DOC浓度的在空间分布上呈库湾>码头>坝前的特征。
2.4 相关性分析有机碳浓度变化及其分布特征与水环境因素关系密切，通过对有机碳和水环境因子间的Pearson相关性分析(图 5)，可探明影响有机碳的内在因素与水环境之间的相互关系。采样期间万峰水库表层水体TOC、DOC的浓度与WT、COND、TDS含量、ORP、TN浓度、TP浓度等理化指标参数之间几乎没有显著的相关性，但水体的COND与TDS呈极显著正相关性(P＜0.001)，水体的TDS含量与TN浓度存在显著的正相关性(P＜0.05)，ORP与TN浓度呈显著的负相关性(P＜0.05)。董箐水库表层水体的TOC浓度与WT、TDS含量、ORP、TN浓度、TP浓度等理化指标参数之间的相关性不显著，但水体的TOC浓度与COND之间呈显著的正相关性(P＜0.05)；水体DOC浓度与水体的温度、COND、TDS含量、TN浓度、TP浓度等理化指标参数之间的相关性不显著，但水体DOC浓度与ORP呈显著的正相关性(P＜0.05)。由此可见，枯水期两个岩溶区峡谷型水库的碳、氮、磷在水体中的累积与代谢受到不同因素的影响。
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| 图 5 万峰水库、董箐水库相关性热图 Fig. 5 Correlation heat map of physicochemical indicators and organic carbon in Wangfeng and Dongqing Reservoirs |
3 讨论 3.1 水体理化指标分布特征分析
WT、TDS含量、ORP、COND、TN浓度、TP浓度均是水库环境评价的重要理化指标，指标的空间变化及分布特征直接反映水体的水质状况，进而影响其他评价指标的空间变化及分布特征[22]。
整体上，枯水期万峰水库表层水体WT、TDS含量、ORP、COND、TN浓度、TP浓度的均值和变化范围均大于董箐水库。两个水库WT、COND和TDS含量的变异系数均较小，说明WT、COND、TDS含量在空间上的变化小，空间分布差异不显著；ORP变异系数最大，万峰水库的极值差高达215 mV，说明ORP空间变异性大，且在万峰水库空间分布特征中表现明显。ORP是水溶液中氧化还原能力的测量指标[23]，WT、pH值、溶解氧、盐度等水环境因素都会使ORP产生波动，ORP越大说明水体的氧化性越强，越小说明水体的还原性越强。万峰水库和董箐水库的ORP最高值分别出现在坝前和库湾，这些位置的水流较为平缓、营养物质堆积，为浮游植物提供了良好的生长条件，表层气体的交换和浮游植物的光合作用使水库表层水体溶解氧含量逐渐上升，ORP也随之升高。两个水库COND均偏高，这是岩溶地区水体离子含量较高导致的，研究表明岩溶区控制水库水化学组成的主要机制是岩石风化[24, 25]，万峰水库可溶性岩种类多，以白云岩和石灰岩为主，董箐水库可溶性岩种类单一，以石灰岩为主；其次，万峰水库和董箐水库同为季风性气候，受纬度位置差异影响，枯水期万峰水库受冬季风影响小，导致其表层水体温度高于董箐水库，有利的岩石条件和气候条件使万峰水库受岩石风化作用更为强烈，因此其COND高于董箐水库。此外，万峰水库和董箐水库的COND和TDS含量具有相同的变化趋势和较好的对应关系，说明两个水库的水体中溶解盐含量较高，从而TDS含量也相对较高。营养盐的负荷与外源输入和沉积物来源的内源污染有关[26]，万峰水库干流及其支流涉及云南(滇)、贵州(黔)、广西(桂)的多个县市，流域面积广大，大面积的降雨、农田地表侵蚀、生活污水等通过河流汇入水库，因而表层水体营养物质以外源输入为主，在自然条件和人类活动双重影响下，氮、磷等营养盐的负荷量增大；董箐水库的氮、磷主要通过周边的排放性污水输入[27]，但受地理位置及库容等条件的限制，董箐水库接收的排放量较少，因而该水库水体表层氮、磷等营养盐的负荷量相对较低。
3.2 有机碳浓度分布特征及影响因素分析TDC是水质检测中非常重要的指标，水体中有机碳浓度可直接反映水体所含有机物的总量及有机污染物的情况。有机碳来源分为内源和外源，外源性有机碳主要经由陆地植物腐烂代谢及人类生产、生活产生，内源性有机碳主要经由水体自身的浮游生物光合作用产生[28]。枯水期万峰水库表层水体TOC、DOC的浓度均比董箐水库高，且万峰水库TOC、DOC浓度的变化范围较董箐水库的变化范围大。内源性条件上，万峰水库枯水期以硅藻为主，浮游植物主要集中在表层，整个水库处于中营养状态[29]；董箐水库枯水期以绿藻为主，浮游植物多样性和群落结构较为稳定[27]。不同丰度、种类的浮游植物进行光合作用释放有机质的能力存在差异[30]，从而对两个水库的有机碳浓度产生影响。外源性条件上，万峰水库上游周边的工业废水和生活污水通过径流进入库区，码头附近则主要接收旅游设施所排放的废水，因此万峰水库的TOC、DOC主要由干流输入，呈现干流＞支流的特征；董箐水库为日调节水库[31]，即一日内水位从最低水位蓄至最高水位，又从最高水位降落至最低水位，如此循环往复，库区水位规律性涨落可大量增加干流和支流的水体交换，从而对有机碳产生稀释作用[32]。此外，陆源碎屑输入对水库水体有机质的影响不可忽视，以0-20年、20-50年和50-100年的时限为界，可将水库库龄划分为青年水库、中年水库和老年水库[33]，万峰水库(2000年建成)和董箐水库(2012年建成)分别对应了中、青年水库库龄类型，岩溶地区水库筑坝不仅增加了水体营养物质的停留时间，还可能随着水库库龄的增加溶解更多有机质，从而改变水库水体中有机碳的浓度和动态分布[10]。可见两个水库表层水体有机碳浓度存在差异，与水库建成时间的长短有一定的关系性，建成时间越长水库中的有机碳浓度相对越高。虽然众多研究表明我国湖泊水库中的有机碳以内源性有机碳为主[25, 34]，但万峰水库和董箐水库有机碳的变化特征揭示了岩溶地区有机碳来源的复杂性。因此除了着重研究有机碳与浮游植物初级生产力之间的关系这类有机碳内源性条件外，外源物质输入、有机质降解和人类活动频繁程度等有机碳外源性条件也是岩溶区峡谷型水库有机碳研究的重要内容。
从有机碳与其他水体理化指标的相关性上，万峰水库表层水体的TOC和DOC浓度与WT、COND、TDS含量、ORP、TN浓度、TP浓度等理化指标参数之间几乎没有显著的相关性；董箐水库表层水体DOC浓度与ORP呈显著正相关性(P＜0.05)，TOC浓度与COND之间呈显著的正相关性(P＜0.05)，再一次证明了岩溶区峡谷型水库有机碳影响机制的多样性与复杂性。就董箐水库的研究结果来看，崔荣阳等[35]的研究表明DOC具有驱动氧化还原过程的潜力，从而影响地下水中物质的转化，这也解释了为何DOC浓度的变化会带来ORP的变化。此外，岩溶地区具有特殊的地表地下双重水文地质结构，地表水与地下水交互剧烈，表现出明显的季节性，除人为调控外，岩溶水库枯水期补给方式主要为地下径流，地下径流携带较多可溶性物质进入库区，导致枯水期水库水体有机碳浓度偏高，TOC浓度随之增高[36]，COND与TOC浓度的相关性密切，说明COND还可用于判断水中溶解物质的种类和浓度，这与不同溶解物质具有不同电导率特性有关。
3.3 与枯水期其他水库有机碳浓度比较分析万峰水库、董箐水库同属亚热带岩溶区峡谷型水库，与枯水期其他水库表层水体TOC、DOC浓度进行比较分析(图 6)，发现在枯水期万峰水库、董箐水库表层水体中的TOC、DOC浓度均比水布垭水库[37](位于温带，属岩溶区水库)和五里峡水库[38](位于亚热带，属岩溶区水库)表层水体中的TOC、DOC浓度高，但均低于文武砂水库[14](位于亚热带)表层水体中的TOC、DOC浓度，其中文武砂水库表层水体中的TOC、DOC浓度最高，五里峡水库表层水体中的TOC浓度最低，DOC浓度则以水布垭水库表层水体中的含量最低。
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| 图 6 枯水期5个水库有机碳研究结果对比 Fig. 6 Comparison of organic carbon in 5 reservoirs during dry season |
从各水库表层水体中DOC浓度占TOC浓度的比例(DOC%)来看，枯水期各水库表层水体DOC%具有一定的差异，其中位于亚热带的文武砂水库和五里峡水库表层水体中的DOC%基本相近，董箐水库、万峰水库与同属岩溶区峡谷型水库的水布垭水库表层水体中的DOC%大体相近，具体为文武砂水库(91.5%)>五里峡水库(91.3%)>董箐水库(86.85%)>水布垭水库(83.1%)>万峰水库(82.37%)。虽然在枯水期各个水库表层水体浓度中的DOC%具有差异性，但各水库水体的有机碳仍以溶解有机碳含量为主，颗粒有机碳含量较少。由于受到碳酸盐岩溶蚀的促进作用，岩溶区峡谷型水库的POC含量较其他地区水库的POC含量高[39]。
4 结论本研究分析了岩溶区峡谷型水库万峰、董箐水库枯水期理化指标、有机碳浓度的变化特征和分布规律。从理化指标和有机碳的浓度变化特征上看，万峰水库理化指标参数(WT、COND、TDS、ORP、TN、TP)和有机碳浓度(TOC、DOC)均比董箐水库高，且变化范围较董箐水库大。从空间分布规律上看，万峰、董箐水库表层WT、COND和TDS含量的空间分布差异不显著，ORP的空间变异性最大，空间分布差异显著。万峰水库表层水体TOC、DOC浓度分别为3.11-6.66、2.35-5.12 mg/L，呈干流高于支流的空间分布特征。董箐水库TOC、DOC浓度分别为3.07-4.75、2.87-3.99 mg/L，呈库湾(D1)>码头(D4)>坝前(D2)的分布特征。
万峰、董箐水库中有机碳以DOC为主，万峰水库DOC%(82.37%)比董箐水库(86.85%)低，POC含量较少。各水库TOC、DOC、POC浓度含量具有差异性，但仍以DOC含量为主，POC含量较少，且岩溶区峡谷型水库的POC含量较其他水库高。造成水库有机碳浓度差异的原因，除了受到外源物质输入、水生植物光合作用、有机物降解以及人类活动频繁程度的影响外，还受到水库建成时间的影响，建成时间越长，水库有机碳浓度越高。
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