鄭 清，黎云祥，朱廣偉，俞 潔，朱夢圓，許 海，王裕成，劉明亮

1. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002

2. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008

3. 浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310012

4. 杭州市淳安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 杭州 311700

5. 杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，浙江 杭州 310005

湖泊是內(nèi)陸水體的重要組成部分，是流域內(nèi)有機(jī)碳等物質(zhì)的最終匯集場所，也是大氣CO2的重要交換場所、全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-4]. 水體有機(jī)碳是湖庫總碳的重要組成部分，主要有溶解性有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC)兩種基本賦存形式[5-7].其中DOC是主要存在形式[8]，能通過礦化作用釋放CO2和CH4[3]，也可為異養(yǎng)微生物提供碳源和能源[9]，也是天然水體中消毒副產(chǎn)物的重要前驅(qū)物[10]，有機(jī)碳與生物的生命過程、初級(jí)生產(chǎn)力等密切相關(guān)[11-14]. 鑒于此，研究湖庫有機(jī)碳的時(shí)空分布特征及影響因素不僅對(duì)量化湖庫碳循環(huán)具有重要意義，也可為深入了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程提供科學(xué)依據(jù)[15-16].

湖泊有機(jī)碳的來源主要有外來和內(nèi)生兩種方式[17].其中，外源有機(jī)碳主要通過降雨形成的地表徑流進(jìn)入水體，而內(nèi)源有機(jī)碳主要源于浮游植物、大型水草的生長合成[18]. 有研究表明，湖泊水體中有機(jī)碳的時(shí)空變化很大程度上受其來源的影響[19]，國內(nèi)外大量學(xué)者研究了湖庫有機(jī)碳的時(shí)空分布及影響因素. 例如，Park等[20]研究了韓國兩個(gè)大型水庫有機(jī)碳的來源和時(shí)空特征，結(jié)果表明，氣象和水文決定了Paldang湖有機(jī)碳的狀態(tài)，而原位生成和轉(zhuǎn)化是影響Chungju湖有機(jī)碳的決定因素；Chow等[16]對(duì)翡翠水庫有機(jī)碳的長期趨勢和動(dòng)態(tài)研究結(jié)果也表明，氣候和水文因素是河流DOC動(dòng)態(tài)的主要驅(qū)動(dòng)力；范志偉等[21]研究表明，三峽庫區(qū)DOC主要受降水和溫度的影響；王秀君等[17]研究表明，博斯騰湖DOC濃度變化主要受外部因素影響，而夏季POC濃度受浮游生物的影響較大；楊平等[22]研究表明，文武砂水庫浮游植物和外源輸入分別是引起庫區(qū)有機(jī)碳濃度季節(jié)性和空間性變化的重要因素；盧曉漩等[23]研究表明，桂林五里峽水庫DOC在豐水期低于枯水期且表層大于底層，這是受Chla和DIC濃度影響的結(jié)果. 但由于大多數(shù)研究區(qū)域面積大、水體情況復(fù)雜，且采樣頻次低、點(diǎn)位少，可能難以準(zhǔn)確反映有機(jī)碳濃度的時(shí)空分布等情況.

在全球變暖，極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度顯著提高的背景下[24]，湖庫有機(jī)碳濃度的時(shí)空格局可能會(huì)發(fā)生深遠(yuǎn)改變[25]. 有研究表明，夏季風(fēng)降雨是控制韓國大型深水水庫-昭陽湖有機(jī)碳分布的重要因素[26]，DOC濃度主要由溫度和降雨量決定[16]. 此外，由于極端降雨和高溫，貧營養(yǎng)水庫近年來也發(fā)生了藍(lán)藻水華[27]. 因此，對(duì)貧營養(yǎng)水庫而言，研究極端降水對(duì)其時(shí)空格局的影響更為關(guān)鍵，因?yàn)檫@類水體有機(jī)碳一般以外源輸入為主. 外來碳會(huì)顯著影響湖泊碳收支，導(dǎo)致外來負(fù)荷遠(yuǎn)超過本地負(fù)荷[26]，因此研究極端天氣對(duì)水庫有機(jī)碳通量變化和收支平衡的影響非常有必要. 國內(nèi)外大量研究人員估算了水體有機(jī)碳通量[28-30]，但也存在采樣頻次低、點(diǎn)位少等情況，并且對(duì)于有機(jī)碳賦存量研究主要集中在沉積物碳庫方面[31]，而對(duì)水相碳儲(chǔ)量的研究較少.

千島湖是我國長三角地區(qū)最大的水資源儲(chǔ)存庫，是杭州市的飲用水源地，集發(fā)電、防洪、旅游等多功能的典型清澈深水山谷型水庫[32]，水質(zhì)保護(hù)要求高.但截至目前，有關(guān)千島湖水體有機(jī)碳的研究較少[33-34].1996年特大洪水導(dǎo)致千島湖出現(xiàn)極為突出的“污染峰”[35]，對(duì)水庫水質(zhì)造成了極大的影響，而2020年6-7月千島湖流域又出現(xiàn)了建庫以來(60年)最大的強(qiáng)降雨事件，這更加印證了研究極端降水對(duì)千島湖以及類似水體有機(jī)碳影響研究的必要性. 該研究擬利用2020年5-8月在千島湖布設(shè)的100個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位有機(jī)碳監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期水質(zhì)理化和氣象水文數(shù)據(jù)，分析了千島湖有機(jī)碳時(shí)空分布特征及影響因子，并著重分析強(qiáng)降雨對(duì)大型水庫有機(jī)碳濃度、通量和儲(chǔ)量的影響，以期為類似地理環(huán)境背景下水庫的營養(yǎng)鹽管控和碳效應(yīng)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

千島湖，又名新安江水庫，位于浙江省淳安縣(29°22'N～29°50'N、118°36'E～119°14'E)，是我國長三角地區(qū)最大的戰(zhàn)略水源地及杭州市飲用水水源[36]，具有發(fā)電、防洪、旅游等多種功能，流域植被覆蓋率較高[37]. 千島湖地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛，年均氣溫約17.3 ℃，年均降水量約為1 733 mm[36]，從新安江入口(街口斷面)到大壩縱長150 km，水面最寬處約50 km, 平均水深31.13 m，最大水深100 m，在水位達(dá)到108 m時(shí)，水面面積為573.33 km2，庫容為178.6×108m3. 千島湖的主要入湖河流有25條，包括新安江、東源港、武強(qiáng)溪等，其中最大入流為新安江，約占入庫徑流的2/3. 湖區(qū)徑流集中在5-9月，占全年徑流量的77%[38]. 千島湖雖然全湖平均水質(zhì)良好，但仍面臨水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，入湖河道、局部庫灣出現(xiàn)過藍(lán)藻水華[39]，部分庫灣春季硅藻生物量較高，優(yōu)良水質(zhì)的長期維持面臨挑戰(zhàn).

1.2 樣品采集與分析

在千島湖全湖布設(shè)100個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行采樣(見圖1).采樣時(shí)間分別為2020年5月27-28日、6月24-25日、7月21-22日和8月24-25日. 在100個(gè)點(diǎn)位均分別使用塞氏盤和手持式測深儀(SM-5A, 美國Speedtech公司)現(xiàn)場測量透明度(SD)和水深(WD)；使用重力采水器分別采集表層(0.5 m)、次表層(葉綠素最大層)、中層(溫躍層位置)和底層(距離底泥2 m)各1.5 L水樣(該研究數(shù)據(jù)均使用每個(gè)點(diǎn)位各層濃度的加權(quán)平均濃度值，垂向分布處除外)，低溫避光保存，帶回實(shí)驗(yàn)室用于后續(xù)分析. 5-8月樣品數(shù)分別為326、341、353和344個(gè).

圖 1 2020年5-8月千島湖采樣點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

水樣帶回室內(nèi)，12 h內(nèi)使用Whatman GF/F玻璃纖維膜(直徑45 mm、孔徑0.7 μm)過濾(每個(gè)樣品均通過未稱重和已烘干稱重的濾膜過濾). 原水、濾膜及濾后水立刻冷藏，及時(shí)進(jìn)行測定和分析. 分析指標(biāo)包括TOC、DOC、POC、Chla、CODMn、TN、TP、SS、OSS和ISS濃度.

TOC、DOC濃度采用高溫燃燒氧化法、使用multi N/C 2 100分析儀(德國耶拿公司)測定，即在水樣中添加2 mol/L鹽酸酸化(控制pH＜2)，將無機(jī)碳酸鹽分解成CO2以去除無機(jī)碳，注入高溫燃燒管(最高溫度可達(dá)950 ℃)中，分別對(duì)未過濾和過濾的樣品進(jìn)行TOC和DOC濃度測定，二者之差為POC濃度.

水質(zhì)指標(biāo)測定參考文獻(xiàn)[40]，GF/F濾膜上過濾而得的藻類細(xì)胞中Chla濃度使用熱乙醇提取、分光光度法測定(波長665 nm和750 nm)；CODMn濃度采用高錳酸鉀氧化滴定法測定；TN、TP濃度采取堿性過硫酸鉀消解，分別采用紫外分光光度法(波長210 nm)和鉬銻抗顯色分光光度法(波長700 nm)測定；GF/F濾膜濾得物的SS濃度測定利用105 ℃烘干重量法測得(4 h)，烘干后濾膜再用馬弗爐450 ℃灼燒4 h，稱重，損失部分為OSS濃度，剩余灰分為ISS濃度.

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1湖區(qū)劃分

根據(jù)水庫的水文形態(tài)特征及不同區(qū)域流域土地利用情況，將千島湖劃分為6個(gè)區(qū)域(見圖1)：安徽區(qū)(AH，n=5)、西北區(qū)(NW，n=17)、中心湖區(qū)(C，n=12)、東南區(qū)(SE，n=29)、東北區(qū)(NE，n=12)和西南區(qū)(SW，n=25)，其中AH、SW、NE三個(gè)區(qū)為河流區(qū)，NW為過渡區(qū). 由于流經(jīng)安徽區(qū)的新安江支流占新安江水庫的60%[38]，依次沿AH、NW、C和SE方向變化是新安江主流向.

1.3.2降水類型劃分

為探明降水強(qiáng)度對(duì)千島湖有機(jī)碳的影響，根據(jù)氣象部門關(guān)于降水強(qiáng)度的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將日累計(jì)降水量25～50 mm定義為大雨、50～100 mm定義為暴雨、100～250 mm定義為大暴雨.

1.3.3有機(jī)碳通量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算

為探討千島湖有機(jī)碳收支變化情況，根據(jù)式(1)計(jì)算有機(jī)碳通量(FTOC、FDOC、FPOC)：式中：F為有機(jī)碳通量，t；k為常數(shù)；ci為對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的有機(jī)碳濃度，mg/L；Di為25條主要入庫河流和出庫流的流量，m3/s.

為計(jì)算千島湖全庫水體有機(jī)碳儲(chǔ)量，利用ArcGIS 10.3軟件以全湖100個(gè)點(diǎn)位為中心，將新安江水庫劃分為100個(gè)泰森多邊形，計(jì)算出每個(gè)區(qū)域面積，用式(2)計(jì)算有機(jī)碳儲(chǔ)量(RTOC、RDOC、RPOC).

式中：R為每個(gè)月千島湖全庫的水體有機(jī)碳儲(chǔ)量，t；Si為點(diǎn)位i的泰森多邊形面積，m2；Hi為點(diǎn)位i的水深，m.

1.3.4相關(guān)分析和空間插值

使用SPSS 23.0軟件進(jìn)行有機(jī)碳和各參數(shù)之間的相關(guān)性分析(Spearman)以及非參數(shù)檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis)差異性；使用ArcGIS 10.3軟件進(jìn)行Kriging插值，繪制有機(jī)碳濃度空間分布圖；利用Origin 2018、SPSS 23.0及Excel 2010軟件進(jìn)行制圖和統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 水文氣象及水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)特征

2.1.1水文氣象條件的時(shí)間變化

5月采樣時(shí)間距離第一次大雨(日降雨量43 mm)間隔22 d；6月采樣時(shí)間距離第一次暴雨(84 mm)、大暴雨(123.5 mm)分別間隔22和5 d；7月采樣時(shí)間距離第二次大暴雨(121.9 mm)間隔14 d，且采樣前十余天只有少量降雨；8月幾乎無降雨〔見圖2(a)〕.

入庫流量對(duì)降雨事件響應(yīng)迅速，幾乎同步升高或滯后于降雨事件1～2 d. 受極端強(qiáng)降雨影響，千島湖7月8日平均出庫流量達(dá)7 090 m3/s〔見圖2(b)〕. 如圖2(c)所示，千島湖2020年5-8月的平均氣溫分別為23.0、25.9、26.9和30.1 ℃，總降雨量分別為240.4、528.8、509.7和25.8 mm，6月、7月的總降雨量約占?xì)v史平均全年降雨量的2/3.

2.1.2水質(zhì)參數(shù)的時(shí)間變化

整體上6月后各水質(zhì)參數(shù)(TN和SD除外)濃度都明顯(P＜0.01)升高，7月Chla、SS、OSS、ISS和TP濃度均處于研究期間的最高水平. 其中，5-7月SS和ISS濃度不斷升高(P＜0.05)，8月顯著降低(P＜0.01)；SD則相反，5-7月逐漸降低而8月升高. 此外，與7月相比，8月各水質(zhì)參數(shù)(CODMn和SD除外)濃度都明顯(P＜0.01)降低(見表1).

2.1.3水質(zhì)參數(shù)的空間變化

5-8月TN、TP、SS和ISS濃度具有相似的空間變化趨勢，即安徽區(qū)到東南區(qū)逐漸下降(見圖3). 7月上述參數(shù)濃度下降較快且濃度明顯高于其余3個(gè)月，安徽區(qū)顯著較高，分別是東南區(qū)的2、3、9和17倍. SD相反，安徽區(qū)到東南區(qū)具有上升趨勢，河流區(qū)(東北區(qū)、西南區(qū))開始降低. CODMn濃度在安徽區(qū)到東南區(qū)有一定的下降趨勢，OSS和Chla濃度處于波動(dòng)變化并且變化趨勢相似.

2.2 有機(jī)碳濃度的時(shí)空變化

2.2.1有機(jī)碳濃度的時(shí)間分布特征

圖 2 2020年5—8月千島湖日降雨量、出入庫流量總降雨量和平均氣溫的變化情況Fig.2 Variation of daily rainfall, flow (i.e., inflow and outflow), total rainfall and mean temperature in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

表 1 2020年5—8月千島湖各水質(zhì)參數(shù)的變化Table 1 Variation of water quality parameters in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

研究期間TOC、DOC濃度最大值出現(xiàn)在7月，且顯著高于其余3個(gè)月(P＜0.01)，7月后顯著降低(P＜0.01)，而POC濃度有逐漸升高趨勢(見圖4)；5-7月3種有機(jī)碳雖呈逐漸升高趨勢，但5月、6月濃度相差不大(P＞0.05). 研究期間TOC濃度范圍為1.19～3.94 mg/L，平均值為(2.06±0.48) mg/L；DOC濃度范圍為0.91～3.25 mg/L，平均值為(1.73±0.39) mg/L；POC濃度范圍為0～1.35 mg/L，平均值為(0.33±0.21) mg/L.

千島湖夏季DOC濃度平均值(1.78 mg/L)低于密云水庫(2.61 mg/L)[9]、水布埡水庫(2.22 mg/L)[7]、三峽庫區(qū)(3.86 mg/L)[21]、Tingalpa淺水水庫(暴雨導(dǎo)致雨季月均值為14.3 mg/L)[41]、東湖(7.31 mg/L)[2]等湖泊水庫；POC濃度(0.33 mg/L)也遠(yuǎn)小于博斯騰湖(0.71 mg/L)[17]、巢湖(最低平均濃度1.38 mg/L)[42]等湖泊，這可能與千島湖良好的水質(zhì)狀況和高森林覆蓋率以及高水土保持等條件有關(guān)[37].

2.2.2有機(jī)碳濃度的空間分布特征

垂向分布上，5-8月TOC、DOC、POC濃度的垂直分布都具有表層＞中層＞底層的規(guī)律(見圖5).

圖 3 2020年5—8月千島湖各水質(zhì)參數(shù)的空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of water quality parameters in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

圖 4 2020年5—8月千島湖有機(jī)碳濃度的月變化特征Fig.4 Monthly variation characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

水平分布上，5-7月有機(jī)碳濃度高值沿新安江入庫水流向逐漸降低(見圖6)，整體具有河流區(qū)到湖泊區(qū)逐漸降低趨勢，并且5-7月有機(jī)碳濃度高值在全庫的分布范圍逐漸擴(kuò)大. 其中，5月DOC濃度高值沿新安江主線路輸移到三潭島，6月擴(kuò)散到大壩，7月擴(kuò)散到全庫. 此外，5-7月POC濃度高值的輸移距離始終小于DOC濃度. 8月DOC濃度高值主要集中在東南區(qū)、東北區(qū)和西南入庫區(qū)，POC濃度高值主要集中在中心區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū).

2.3 有機(jī)碳通量和碳儲(chǔ)量

圖 5 2020年5—8月千島湖有機(jī)碳濃度的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

新安江是千島湖全庫25條主要入庫河流有機(jī)碳碳通量的重要貢獻(xiàn)河流，研究期間3種有機(jī)碳通量平均值都約占全庫總?cè)霂焯纪康?9%，并且與總?cè)霂焯纪康淖兓厔輲缀跻恢?，?-7月逐漸升高而8月降低的特征〔見圖7(a)〕. 具體來說，5-8月總?cè)霂霧TOC分別為2 863、9 796、11 122和268 t，5-7月FTOC分別是8月的11、36、41倍，F(xiàn)DOC分別為2 252、8 064、9 300和217 t，F(xiàn)POC分別為610、1 732、1 823和52 t.

全庫水體有機(jī)碳儲(chǔ)量如圖7(b)所示，研究期間3種有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值分別為44 611、38 452和6 159 t，RDOC占RTOC的86%，結(jié)合DOC濃度與POC濃度的比值(約為5)，表明DOC是千島湖水體有機(jī)碳的主要組成部分. 5-8月RTOC分別為37 300、41 724、59 399和40 023 t，RDOC分別為33 089、36 428、52 874和31 419 t，RPOC分 別為4 212、5 296、6 525和8 604 t.5-8月總?cè)霂霧TOC分別占RTOC的7.7%、23.5%、18.7%和0.7%，6月和7月入庫通量均約占當(dāng)月全庫儲(chǔ)量的1/5，分別是8月的35和28倍.

2.4 千島湖有機(jī)碳濃度時(shí)空分布的影響因素

Spearman相關(guān)分析表明，千島湖DOC、POC濃度均與Chla、CODMn、SS、OSS和TP濃度呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01，見表2和圖8)，說明這些水質(zhì)參數(shù)是影響千島湖有機(jī)碳濃度和分布的關(guān)鍵因素. 在千島湖中，Chla和OSS濃度主要表征浮游植物的生物量，因此Chla、OSS濃度均與DOC、POC濃度呈極顯著線性正相關(guān)(P＜0.01)，表明浮游植物內(nèi)源生產(chǎn)是千島湖有機(jī)碳的關(guān)鍵來源[43]. 千島湖的研究結(jié)果符合傳統(tǒng)認(rèn)知，即浮游植物的內(nèi)源釋放是湖庫有機(jī)碳的主要來源之一[9]. 鑒于此，千島湖有機(jī)碳濃度的時(shí)空分布受浮游植物光合作用強(qiáng)度的影響. 因此，可以直接或間接影響浮游植物生物量的環(huán)境條件(如TP)，也會(huì)成為影響千島湖有機(jī)碳濃度時(shí)空分布的顯著因子之一.

另一方面，湖庫水體有機(jī)碳也來自陸源有機(jī)物輸入，即降雨對(duì)流域的沖刷作用也是影響湖庫有機(jī)碳的關(guān)鍵因素[7]. 對(duì)千島湖而言，DOC、POC濃度與ISS濃度均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05) (見表2)，而已有研究[38]發(fā)現(xiàn)，千島湖ISS濃度主要與泥沙含量有關(guān)，這主要受到河流入庫等外源輸入影響. 綜合說明千島湖有機(jī)碳濃度與外源性有機(jī)物輸入具有顯著關(guān)聯(lián)性. 另外，DOC、POC濃度均與SD呈顯著線性負(fù)相關(guān)(P＜0.01)(見圖8). 實(shí)質(zhì)上，SD反應(yīng)了藻類濁度(即Chla濃度)和非藻類濁度(如ISS濃度)的綜合效應(yīng)[44]，因此有機(jī)碳濃度與SD的反相關(guān)，反映出千島湖有機(jī)碳濃度的變化受內(nèi)源藻類生長和外源輸入的綜合影響.

降雨是外源性有機(jī)碳輸入的重要驅(qū)動(dòng)力，尤其是強(qiáng)降雨過程帶來的流域沖刷作用[21,26]. 筆者研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨過程將大量陸源有機(jī)物沖入千島湖，對(duì)有機(jī)碳濃度的時(shí)空分布產(chǎn)生較大影響. 降水對(duì)不同區(qū)域的影響不同，對(duì)入庫河流區(qū)的沖刷影響較大，對(duì)湖泊庫區(qū)影響較小. 具體來說，5-7月千島湖有機(jī)碳濃度的高值都出現(xiàn)在新安江入庫河流附近水域，而遠(yuǎn)離新安江入庫口區(qū)域有機(jī)碳濃度相對(duì)較低(如大壩、中心湖區(qū)等)(見圖6). 相比較而言，POC濃度輸移距離始終小于DOC濃度(見圖6)，主要是由于POC通過坡面流與泥沙耦合運(yùn)移，而DOC通過坡面流和地下流與水耦合運(yùn)移，導(dǎo)致二者有不同的流路[45]. 此外，5-7月有機(jī)碳濃度的高值隨湖流輸移分別到三潭島、大壩和全庫(見圖6)，說明月間高值的輸移距離不同，這可能是由于采樣與降雨事件的時(shí)間間隔及降雨強(qiáng)度存在差異導(dǎo)致的[46].

圖 6 2020年5—8月千島湖有機(jī)碳濃度的空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of organic carbon concentration in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)，距大暴雨事件較近的6月，DOC、POC濃度與Chla濃度的相關(guān)系數(shù)均小于5月(見表2)，這可能與強(qiáng)降水導(dǎo)致水體SD降低，以及水體穩(wěn)定性較差等不利于浮游植物生長有關(guān)[17]. 相對(duì)地，在基本無降雨的8月，遠(yuǎn)離河口的中心區(qū)與東南區(qū)有機(jī)碳濃度相對(duì)較高，這可能與無降雨影響水動(dòng)力條件(如相對(duì)較低的流速)，以及高溫利于藻類生長產(chǎn)生內(nèi)源釋放有關(guān)[22]. 另外，淳安縣居民區(qū)生活污水的排放也可能是促進(jìn)上述區(qū)域藻類生長及有機(jī)碳濃度進(jìn)一步增加的重要原因[34]. 綜上，千島湖有機(jī)碳濃度的時(shí)空分布主要與藻類生長過程和流域外源輸入過程有關(guān). 其中，浮游植物生長過程受營養(yǎng)鹽、透明度、溫度等多種因素的綜合影響，而流域外源輸入主要與降水有關(guān)，尤其是強(qiáng)降雨過程.

2.5 降雨對(duì)千島湖有機(jī)碳濃度和通量的影響

圖 7 2020年5—8月千島湖有機(jī)碳通量和碳儲(chǔ)量隨月份的變化Fig.7 Monthly variation of organic carbon flux and carbon storage in Qiandaohu Reservoir from May to August in 2020

表 2 2020年5—8月有機(jī)碳濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between organic carbon concentration and environmental factors from May to August in 2020

圖 8 2020年5—8月有機(jī)碳濃度與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析(n=400)Fig.8 Correlation analysis between organic carbon concentration and water quality parameters from May to August in 2020(n=400)

調(diào)查期間，5月采樣前發(fā)生了4次大雨、多次小雨，6月臨近采樣前發(fā)生了暴雨和大暴雨，7月采樣前十余天發(fā)生過暴雨和大暴雨，8月幾乎無降雨. 筆者研究表明，有機(jī)碳濃度對(duì)不同降雨強(qiáng)度的響應(yīng)明顯不同. 具體來說，千島湖非雨季時(shí)DOC的背景濃度為1.24 mg/L(筆者所在課題組未發(fā)表的數(shù)據(jù))；相比較而言，5月DOC濃度增幅為28%(1.59 mg/L)，這與千島湖以往研究中30次暴雨事件的DOC濃度平均值相差較小(1.55 mg/L)[33]，說明持續(xù)性大雨將大量外源有機(jī)質(zhì)沖進(jìn)水體[21,26]. 與5月相比，6月千島湖DOC濃度增幅 (1.3%，P＞0.05)較小. 究其原因可能是：①千島湖流域的水土保持率較高[37]；②大量雨水的稀釋作用[47]以及水動(dòng)力條件不利于內(nèi)源生產(chǎn)；③水力停留時(shí)間短，外來有機(jī)碳難以在湖泊中滯留[20]. 值得一提的是，同樣發(fā)生了強(qiáng)降水的7月，DOC濃度卻顯著升高(40%，P＜0.01)，這可能是由于強(qiáng)降雨帶來的地表有機(jī)碳和營養(yǎng)鹽擴(kuò)散到全庫(見圖7)[46]，且采樣前十余天只有少量降雨，水動(dòng)力條件和相對(duì)高溫有利于浮游植物生長，從而引起碳滯留和大量內(nèi)源有機(jī)碳的產(chǎn)生(DOC、POC濃度與Chla濃度的相關(guān)性均大于6月，見表2).此外，該現(xiàn)象可能也與降雨強(qiáng)度和降雨頻次對(duì)流域水土保持的嚴(yán)重破壞存在某個(gè)臨界點(diǎn)有關(guān). 相對(duì)地，幾乎無降雨的8月DOC濃度顯著低于7月(P＜0.01)，這可能是由于降雨后更高的溫度往往會(huì)提高微生物活性，從而導(dǎo)致有機(jī)碳的分解大于累積[17].

分析降雨對(duì)有機(jī)碳通量的影響可能更具有科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義[2,48]. 強(qiáng)降雨期間，來自流域的外來碳會(huì)顯著影響湖泊碳收支[26]. 強(qiáng)降雨及其伴隨的高流量是千島湖有機(jī)碳通量升高的關(guān)鍵控制因子[48]，并且高入庫碳通量會(huì)對(duì)全庫水體碳儲(chǔ)量產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊. 雖然6月有機(jī)碳濃度與5月相比僅略微增加，但6月的總?cè)霂霻OC通量是5月的3.4倍且達(dá)到顯著水平(P＜0.01)，這是由于6月更大的入湖流量所致[18]. 從數(shù)值比例來看，有暴雨及大暴雨的6-7月入庫TOC通量分別是8月的36和41倍，都約占當(dāng)月全庫水體碳儲(chǔ)量的1/5，所占比例分別是未降雨月份(8月)的35和28倍；由于強(qiáng)降雨的影響，月間出庫碳通量差異也較大，7月3種有機(jī)碳的總?cè)霂焱颗c出庫通量差值均為負(fù)值，說明開閘泄洪使水庫階段性表現(xiàn)出有機(jī)碳碳源功能(以往研究中千島湖常作為DOC碳匯)[33]. 相比較而言，7月新安江入庫和出庫DOC通量分別是千島湖以往研究中年入庫和年出庫通量的39%和1.43倍[33]，這與國外一些研究中風(fēng)暴事件導(dǎo)致森林流域、溪流等DOC輸出占全年的24%～50%[49-50]相當(dāng).但是，千島湖有機(jī)碳對(duì)強(qiáng)降雨的響應(yīng)程度遠(yuǎn)超英國泥炭地集水區(qū)[48]、青藏高原泥炭地排水溝[45]、西江[18]等地的有機(jī)碳對(duì)洪水過程的響應(yīng).

氣候變化背景下，極端降雨事件可能會(huì)更加頻發(fā)[51].同樣需要關(guān)注的是，極端降雨帶來的碳、氮、磷是同步輸入的(見表1)，這會(huì)為藻類生長提供大量的生源要素，加之降雨過后的高溫以及平靜的水動(dòng)力條件(一般夏季)，十分有利于藻類異常增殖，這可能導(dǎo)致貧營養(yǎng)水庫發(fā)生水華[27]，從而引起藻毒素、異味物質(zhì)等多種經(jīng)濟(jì)生態(tài)負(fù)面效應(yīng). 此外，強(qiáng)降水會(huì)帶來更多的外源有機(jī)碳，這會(huì)增加水處理成本和消毒副產(chǎn)物的形成風(fēng)險(xiǎn)[10]. 綜上，筆者認(rèn)為，人們需要額外關(guān)注極端氣候事件對(duì)水庫碳循環(huán)和水生態(tài)的影響，同時(shí)需要構(gòu)建相關(guān)應(yīng)急防控體系. 強(qiáng)降雨事件對(duì)千島湖水體有機(jī)碳濃度、分布、通量和儲(chǔ)量均影響較大，探究其變化規(guī)律及影響因素對(duì)于全球碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)與研究具有重要意義.

3 結(jié)論

a) 2020年5-8月千島湖全湖水體TOC、DOC和POC濃度的平均值分別為2.06、1.73和0.33 mg/L，隨著強(qiáng)降雨開始，5-7月TOC、DOC濃度呈逐漸上升趨勢，而雨量急劇下降的8月，其濃度均顯著下降；水平分布上，5-7月有機(jī)碳濃度高值具有河流區(qū)到湖泊區(qū)逐漸降低的趨勢.

b) 新安江入庫碳通量約占全庫25條主要河流總?cè)霂焯纪康?9%；強(qiáng)降雨及其伴隨的高流量是有機(jī)碳通量升高的關(guān)鍵控制因子，并且對(duì)全庫水體碳儲(chǔ)量產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊. 降雨期間5-7月總?cè)霂霧TOC分別是8月的11、36和41倍；6月、7月入庫碳通量都約占當(dāng)月全庫水體碳儲(chǔ)量的1/5，所占比例分別8月的35和28倍；RDOC約占RTOC的86%，DOC是千島湖水體有機(jī)碳的主要儲(chǔ)存形式.

c) 浮游植物內(nèi)源生產(chǎn)及外源輸入均是千島湖有機(jī)碳的重要來源，有機(jī)碳濃度的時(shí)空分布受水文和氣象因素的綜合影響，其中強(qiáng)降雨過程是關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素.