1 引言(Introduction)

近年来, 关于岩溶碳汇的讨论成为全球碳循环的热点问题之一(Curl, 2012；Groves et al., 2012), 尤其是在全球气候变化的大背景下, 寻找遗漏碳汇更凸显其重要性(刘再华等, 2007).全球岩溶面积约为2000万km², 占全球陆地面积的15%, 我国岩溶面积约为344万km²(袁道先等, 1994), 占我国陆地面积的35%.岩溶作用产生的无机碳在水生植物、微生物等作用下转化为有机质(Organic Matter, OM), 其中一部分形成较稳定的内源有机碳, 即生物碳泵理论(Yang et al., 2016).而传统风化碳汇计算未将内外源进行区分, 导致风化碳汇被低估, 因此, 有机碳的溯源研究是寻找遗漏碳汇的关键.有机质成分复杂多样, 主要以溶解态、颗粒态和沉积物等形式存在于河流生态系统中.进行岩溶地表河有机质的组分判别、来源解析, 以及对内外源有机质进行详细区分, 是深入了解岩溶区碳的源汇特征和时空变化的重要途径(姚鹏等, 2012).

正构烷烃作为一种直链饱和碳氢化合物(结构式：C_nH_2n+2), 碳链结构稳定, 较难降解, 在自然界中广泛存在, 并保持着原始生物化学成分的部分骨架(Baas et al., 2000), 记载了原始生物母质的某些特征分子结构信息, 其组成和分布特征可以有效地指示有机质的来源(Rielley et al., 1991；Volkman et al., 1992).目前, 有关正构烷烃的研究多集中在城市的气相(Wang et al., 2017；Chen et al., 2011), 以及河海、极地地区的溶解态(丁慧平等, 2018；张倩等, 2017)、颗粒态(戚艳平等, 2006)和沉积物(Musbacher et al., 2008；Tahir et al., 2015)中, 尤其是以沉积物正构烷烃的指标推演古气候变化的研究较为深入(Nott et al., 2000).但总体仍多为单项指标的纵向分析.近年来也有学者开始将其中的部分相态进行结合, 例如, 梁波等(2012)将珠江的溶解态和颗粒态正构烷烃进行整合分析发现, 珠江三角洲上游区域的石油烃源对珠江下游的影响增大；戚艳平等(2006)、冯精兰等(2016)分别对长江口和黄河河南段的溶解态和颗粒态正构烷烃进行对比, 发现溶解态正构烷烃浓度低于颗粒态, 而颗粒态正构烷烃浓度可能受沉积物再悬浮的影响, 但这些研究并未进行延伸；巫承洲等(2014)探究了海湾沉积物与悬浮颗粒物的分布特点, 发现水流作用与颗粒物粒径大小是影响沉积物再悬浮的重要参数.

目前将三相结合进行分析的研究报道较少, 且上述研究多集中于非岩溶区, 有关岩溶区的研究近年来才逐渐展开, 但也只是集中于岩溶地下河和岩溶泉(廖昱等, 2016；梁作兵等, 2015a；2015b), 仅以溶解态为切入点, 对于岩溶地表河的颗粒态和沉积物研究未能展开.基于此, 本研究以重庆市南川区金佛山石钟溪为研究对象, 对比分析岩溶地表河溶解态、颗粒态和沉积物正构烷烃的含量组成、分布特征和三相迁移转化规律, 探讨旱雨季间不同河段的正构烷烃来源和变化特征, 以期为有机质在岩溶区的分布和运移规律研究提供借鉴, 并为生物碳泵理论和岩溶碳汇研究提供思路.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 采样点位

本研究选取重庆市南川区金佛山自然保护区石钟溪进行采样分析.金佛山自然保护区(28°50′~29°20′N, 107°00′~107°20′E)地处四川盆地与云贵高原北缘交接带, 属大娄山东段, 总面积约1300 km².金佛山在地质构造上处于宽缓向斜的轴部, 上部由二叠系灰岩构成；中部由志留系的页岩、粉砂岩构成, 出露标高为1000~1500 m；下部由寒武系白云岩和奥陶系石灰岩构成.气候上属亚热带季风气候, 降水集中于每年4—10月, 主峰风吹岭海拔2251.1 m, 山顶和盆地间相对高差达1600多米, 形成了垂直气候分带(Wu et al., 2008；袁道先等, 1988).山体上部为温带岩溶生态环境, 云雾多, 日照少, 年平均气温为8.2 ℃, 年平均降水量为1434.5 mm, 下部为亚热带岩溶生态环境, 年平均气温为16.6 ℃, 年平均降水量为1286.5 mm.

石钟溪为典型的岩溶地表水, 发源于二叠系上统长兴组灰岩区, 流域内碳酸盐岩广布, 水化学类型为HCO₃-Ca型和Ca(Mg)-HCO₃型, 平均流量约376 L·s^-1, 采样点跨度约10 km, 作为凤咀江上游干流, 流经约55 km后并入大溪河, 约110 km后流入乌江, 最终汇入长江.根据石钟溪的流向特点, 在10 km内分别于上游(海拔788~1031 m)、中游(海拔720~728 m)和下游(海拔615~681 m)设置了7个采样点(图 1), 分别为禅音林(CYL)、串珠潭(CZT)、碧潭湖(BTH)、水渠口(SQK)、停车场(TCC)、酒店(JD)、三汇场汇流口(HLK).

2.2 样品采集

于2017年3月20日和9月26日分别进行采样分析.溶解态和颗粒态采样：用事先清洗干净(用去离子水清洗3遍, 放入450 ℃烘箱灼烧6 h)并现场润洗多次的4 L棕色玻璃瓶(带聚四氟乙烯衬垫的螺旋盖)收集水样, 加入1 mL饱和HgCl₂抑制微生物生长, 将水样置于便携式冰箱中避光冷藏运输, 尽快送达实验室, 放入冰箱于3 ℃冷藏保存, 并在1周之内完成前处理.沉积物采样：每处采样前用采样点河水现场清洗干净采样铲, 拂去最外层沉积物, 除去明显的植物残体, 采集3处表层约2 cm的沉积物进行混合, 并用锡箔纸包裹, 置于塑封袋进行密封, 利用便携式冰箱冷藏运输, 尽快送达实验室, 放入超低温冰箱于-45 ℃冷冻保存, 并在1周之内放入冻干机内进行48 h真空冷冻干燥, 并完成后续处理, 以避免后期人为有机质的加入或微生物意外生长产生新的有机质.

2.3 试剂和材料

样品分析所用的正己烷、二氯甲烷、甲醇均为高效液相色谱纯, 购自美国Fisher公司；玻璃纤维膜(WhatmanGF/F, 有效孔径0.7 μm)于450 ℃马弗炉中灼烧6 h, 无水硫酸钠(分析纯)于550 ℃马弗炉中灼烧8 h, 分别置于干燥器中冷却密封备用；脱脂棉经二氯甲烷抽提72 h后风干, 密封干燥备用, 盐酸用二氯甲烷萃取6次后备用.

2.4 样品处理与分析 2.4.1 样品处理与提取

溶解态正构烷烃：取4 L水样先过玻璃纤维膜(有效孔径0.7 μm)收集悬浮颗粒物, 再过微孔滤膜(有效孔径0.45 μm), 过滤后的水样装入棕色瓶中, 加入C₂₄D₅₀作为内标, 并用全自动固相萃取系统(美国Horizon公司, SPE-DEX4790)萃取(C18膜, 直径47 mm, 3M公司), 提取液用50 mL鸡心瓶收集.

颗粒态正构烷烃：需将已收集并经冷冻干燥的带有颗粒物的玻璃纤维膜填入34 mL萃取池(底部放置灼烧过的直径为30 mm的玻璃纤维膜), 并用灼烧处理后的无水硫酸钠进行完全包裹式填充, 加入C₂₄D₅₀作为内标, 使用快速溶剂萃取系统(美国Thermo Fisher Scientific公司, ASE350)进行萃取, 提取液用棕色收集瓶收集.

沉积物正构烷烃：将冻干后的沉积物过100目筛后, 称取10 g, 装入34 mL萃取池, 用处理过的无水硫酸钠混匀后, 使用快速溶剂萃取系统进行萃取, 提取液用棕色收集瓶收集.提取液经二氯甲烷萃取后, 再依次经干燥、浓缩, 氮吹至0.2 mL, 放入-26 ℃冰箱中待测.

2.4.2 正构烷烃分析

正构烷烃采用GC-MS分析检测(Agilent, 7890A/5975C), 色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30.0 m×0.32 mm×0.25 μm).载气为高纯氦气, 流速为1 mL·min^-1, 进样口温度为280 ℃, 升温程序为：初始温度50 ℃, 保持1 min后以20 ℃·min^-1的速度升温至200 ℃, 然后再以10 ℃·min^-1的速度升温至290 ℃, 保持15 min, 无分流进样, 进样量1 μL.EI电离源70 eV, 离子源温度230 ℃, 采集全扫描数据, 使用内标法进行定量分析.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 正构烷烃的含量特征

表 1为石钟溪研究点各相态正构烷烃的含量和分子特征指标.石钟溪各相态正构烷烃的碳数分布范围为14~39, 旱季和雨季溶解态正构烷烃的含量范围分别为422~1029和4749~8012 ng·L^-1, 平均值分别为737、7129 ng·L^-1；颗粒态正构烷烃含量范围分别为1592~10174和3057~26330 ng·L^-1, 平均值分别为6108、8146 ng·L^-1；沉积物正构烷烃含量范围分别为1105~16399和3043~16345 ng·g^-1, 平均值分别为7149、6213 ng·g^-1.

结合图 2可知, 溶解态正构烷烃在旱季处于低值且变幅小, 含量远低于雨季, 而雨季除中游BTH样点突降外, 其余各点含量基本持平.颗粒态正构烷烃含量旱季时呈现上游微升、中游微降、下游微升的变化趋势；而雨季除BTH样点突升外, 其余各点变幅相对较小.沉积物正构烷烃含量在旱季大致保持上升的趋势, 雨季除BTH样点突升外, 其余各点变幅相对较小.整体而言, 除BTH样点外, 雨季全河正构烷烃含量变幅较小, 差异较低, 且三相态的含量呈现近似一致的变化趋势, 初步推断雨季有比旱季更强的主控因子.

图 3为两次采样前各3个月的气温、降水分布, 旱季降水少、温度低, 石钟溪自上而下的常态流动致使各相态正构烷烃运移到下游, 不同河段正构烷烃含量呈现差异变化, 大致表现为自上而下正构烷烃含量升高的趋势, 以沉积物中更为突出.雨季除BTH样点外, 各相态正构烷烃在不同河段的含量相近, 变幅相对较小.据图 3可知, 雨季强降雨天气增多, 地表河接受无差别降水覆盖, 一方面, 降水冲刷地表带来的土壤有机质和高等植物残体进入河流, 新的有机质均匀增多, 以及温度升高使得河流自身有机质含量整体升高, 这些新的有机质增量远大于河流运移过程迁移的绝对量(张媚等, 2016)；另一方面, 强降雨带来水动力条件的变化, 造成沉积物再悬浮, 沉积物正构烷烃含量的变化可能影响到颗粒态和溶解态正构烷烃含量的变化, 二者可能是导致雨季三相态变化趋势基本保持一致的原因.而对上述分析的验证则需要进行具体的来源解析.

3.2 正构烷烃的来源解析

正构烷烃的来源复杂, 多利用源解析指数进行分析.常用的特征参数为水陆相对贡献(TAR)、轻重烃比值(L/H)、碳优势指数(CPI)等, 而代用指标具有限制性和一定的适用范围(谢树成等, 2018), 因此, 在解析过程中需要运用多参数指标协作交叉分析, 以避免单一指标突变造成误判(李胜勇等, 2017).表 1列出了选取的部分参数指标及其计算结果.其中, 水陆相对贡献(TAR)反映内外源有机质的贡献比例, TAR值大于1指示以外源有机质输入为主, 小于1指示内源有机质输入占优势(Bourbonniere et al., 1996).与此判别方式类似的还有L/H值, 一般认为碳数小于22的正构烷烃(nC21^-)来自细菌、藻类等低等生物, 无奇偶优势, 大于21的正构烷烃(nC22⁺)来自高等植物(Ficken et al., 2000), 故利用L/H比值可以反映正构烷烃来源的输入类型.将二者结合可以更客观地判断来源, 用TAR的内生源与L/H的低等生物源或TAR的外来源与L/H的高等植物源进行区间重合判定, 剔除单一指标异常值, 验证区间重合度.图 4分别为各相态正构烷烃旱季和雨季的TAR、L/H分子特征参数图.

由图 4可知, 旱季和雨季的异常值主要出现在沉积物中, 其余点位来源的判别基本符合交叉区间, 无自相矛盾的情况.通过解析图 4, 将除沉积物外的各点指标判别结果列入表 2.就旱季而言, 溶解态正构烷烃除CYL样点主要来源于外来高等植物外, 其余样点主要源自内生低等生物.整体上, 旱季降水少, 外源输入量少, 因此, 多以内源为主.但判别显示, 溶解态正构烷烃在上游CYL样点与石钟溪中、下游均不同, 以外来高等植物输入为主, 可能是由于高海拔处的水温过低(CYL样点水温7.2 ℃, 其余点位水温均为10 ℃以上), 限制了细菌藻类等低等生物的生长, 低等生物的活性较低, 使得相对贡献低于外来高等植物.

颗粒态正构烷烃在下游与溶解态正构烷烃类似, 以内生低等生物输入为主；而中、上游却与溶解态正构烷烃不同, 多以外来高等植物输入为主.结合图 2可知, 旱季颗粒态与另外两相态不同, 没有呈现含量自上而下整体升高的空间变化趋势, 而是中、上游高于下游.通过来源解析发现, 这是因为外来高等植物的输入比例超过内生低等生物, 外源比例的进一步增大导致了含量的升高.而颗粒态正构烷烃在中、上游出现外源为主的原因, 可能是尽管旱季整体降水少, 外源输入量低, 但中、上游海拔高, 树木繁多, 地表存在较厚的枯枝落叶层, 通过外力(风力或水力等)部分进入水体, 但由于中、上游流速小, 水动力条件不足, 温度较低, 未完全在水中溶解, 而是吸附于颗粒物中, 甚至有可能沉降到沉积物, 最终中、上游区别于下游, 呈现以外源为主的特点.

雨季与旱季差别较大, 溶解态正构烷烃除中游BTH和下游HLK样点为内生源外, 其余皆以外来高等植物输入为主, 颗粒态正构烷烃与此相反, 除中游BTH样点主要为外来高等植物输入外, 其余全部以内生低等生物输入为主.

在不考虑BTH样点的情况下, 就岩溶地表河整体而言, 一方面, 由于雨季降水增多, 河流冲刷侵蚀, 会带来大量的外源有机质；另一方面, 大量的冲刷物质造成水体浑浊, 遮挡太阳光并减弱光合作用, 造成水生光合产物(内源)减少(杨明星等, 2017).据Mahler等(2000)的研究, 适量的颗粒物可为水生植物生长繁殖提供一定的空间附着物质, 增加水生生物量, 但同时也对水生植物生长存在双向作用, 颗粒物较少时, 可促进水生植物生长, 颗粒物过多时, 浊度上升, 反而会抑制水生植物生长.因此, 关于颗粒物对水生植物光合作用的影响需要综合考虑水流冲刷和水生光合作用两方面因素.石钟溪雨季降水较多, 输入地表的冲刷物质增多, 河流浊度增高后遮挡太阳光并减弱光合作用, 两者分别导致外源有机质的增加和内源有机质的减少, 二者的综合作用使得河流溶解态正构烷烃整体呈现以外源为主.结合前文关于溶解态正构烷烃含量的比较, 发现这也是造成雨季其含量猛增的原因.

另外, 雨季气温和水温较高, 细菌、藻类和水生植物等在温度适宜的情况下活性更强, 造成内生源的升高, 据来源解析发现, 内生源输入的升高在本研究区主要体现在颗粒态上, 进而推断, 雨季新增的内生源可能更容易输入到颗粒物上, 同时也可能是溶解态中的内生源在雨季高温情况下发生了相态迁移, 即内源低等生物在高温情况下更容易吸附在颗粒物表面, 从而引起正构烷烃组分结构发生变化.

雨季沉积物指标异常增多, 可能是由于温度升高后微生物降解能力增强(Xie et al., 2003)和短期内降水增量过大导致水洗效应(王志远等, 2003), 从而影响判别.为此引入碳优势指数(CPI), 以主要解析受影响较大的沉积物烃类物质.一般CPI大于5为典型的陆地高等植物源输入, 1~4的低值指示混合源输入, 小于1一般表示来源于细菌、藻类等微生物(Wang et al., 2013).由表 3可知, 旱季沉积物CPI在1.98~11.15之间, 均值为6.56, 雨季在2.67~9.27之间, 均值为6.33.CPI跨度范围大, 混合源和高等植物源的输入比重高.为进一步探明沉积物混合源中的植物分布类型, 引入Paq指数区分不同类别植物对正构烷烃的相对贡献比例.若0.4 < Paq < 1, 表明沉水、浮水植物为主要来源, 0.1 < Paq < 0.4, 指示以挺水植物贡献为主, Paq < 0.1时, 则主要来源于陆地高等植物(Xing et al., 2011；Ficken et al., 2000).

结合图 5可知, 旱季沉积物正构烷烃Paq值介于0.03~0.49之间, 均值为0.15, 中、上游样点的Paq < 0.1, 表明中、上游样品的正构烷烃主要来源于陆地高等植物.下游TCC样点的Paq>0.4, 指示此处植物源正构烷烃多来自于沉水、浮水植物, 而JD和HLK样点的Paq值分别为0.10和0.27, 多指示植物源中以高等植物和挺水植物贡献较为突出.相较于旱季Paq值, 雨季整体有所升高, 介于0.08~0.45之间, 均值为0.19.除BTH样点的Paq < 0.1外, 其余各点的Paq值皆大于0.1, 指示植物源中挺水植物的贡献率较高, HLK样点的Paq值又高于0.4, 表明此处植物源中的沉水、浮水植物占据主导.

由表 4对比发现, 旱季沉积物正构烷烃的高等植物贡献更高, 尤其是以中、上游表现得最为突出, 验证了前文关于旱季中、上游水量小, 水动力条件不足, 温度较低, 部分外来高等植物源正构烷烃未完全在溶解态中溶解, 并吸附于颗粒物中, 进而有可能沉降到沉积物的猜想.雨季时, 相对于高等植物而言, 水生植物贡献度明显增多, 且以挺水植物贡献较为突出.挺水植物的根茎生长在河流底泥中, 茎、叶挺出水面, 一般直接利用大气CO₂进行光合作用.沉水植物为整体没在水面下的大型水生植物, 主要利用水体中的HCO₃^-作为碳源进行光合作用.浮水植物一般指浮游藻类, 是水体中以浮游方式生活的微小植物, 包括硅藻门、蓝藻门、绿藻门、金藻门、黄藻门、甲藻门、隐藻门和裸藻门8个门类.浮水植物可以利用与大气保持平衡的水体中溶解的CO₂作为光合作用的碳源, 如果水体中溶解的CO₂严重亏损, 浮水植物将主要利用水体中的HCO₃^-作为碳源(Meyers et al., 1993；苗忠英等, 2014).受控于水温的影响, 雨季水温均温为25.2 ℃, 比旱季均温高13 ℃以上, 处于适宜温度范围, 挺水、沉水及浮水等水生植物的繁殖能力增强, 因此, 雨季对沉积物的影响较高, 进而反馈到正构烷烃的组分变化.

整体上, 溶解态正构烷烃旱季以内源低等生物输入为主, 雨季以外源高等植物输入为主；颗粒态正构烷烃旱季中、上游以外源高等植物输入为主, 下游以内源低等生物输入为主, 雨季以内源低等生物输入为主；沉积物正构烷烃旱季以外源高等植物输入为主, 雨季以内源水生植物输入为主.就空间变化而言, 上游多以高等植物源为主, 中游高等植物与低等生物混合, 下游高等生物的输入比例逐渐降低, 低等生物或水生植物的比例升高.

3.3 岩溶地表湖与地表河的差异

前文多次阐述中, BTH样点常与同背景下的其他采样点出现偏差.就正构烷烃含量而言, 如图 2所示, 雨季各相态变化与沉积物出现相似的变化趋势, BTH样点沉积物和颗粒态正构烷烃含量皆出现突升, 而溶解态正构烷烃含量却出现突降, 是整条河流溶解态正构烷烃含量的最低点.

出现极值的BTH样点为岩溶地表小型湖泊, 部分上游运移物质在此堆积, 加之湖内水动力条件不足, 泥质易于沉降, 浊度降低, 水体透光性增加, 浮游植物的光合作用增强, 此条件下浮游植物等更易于吸附到颗粒物上, 使得包括浮游植物源的溶解态正构烷烃逐渐吸附于颗粒态上(Brassel et al., 1981), 从而造成溶解态正构烷烃的浓度稀释, 产生稀释效应；而颗粒态正构烷烃呈现富集现象, 部分颗粒态正构烷烃进而沉降到沉积物中, 与生物固碳效应机制基本吻合(Yang et al., 2016), 因而BTH样点出现溶解态正构烷烃的极小值、颗粒态和沉积物正构烷烃的极大值分布现象.

就来源而言, 表 2显示, 雨季溶解态正构烷烃, 河流多为外源, 而BTH样点却以内源为主, 颗粒态与此相反, 河流皆为内源, 而BTH样点却以外源为主.由3.2节中关于雨季河流来源解析可知, 冲刷物质和浊度上升是导致溶解态正构烷烃以外源为主的原因, 而BTH样点溶解态正构烷烃却呈现内源为主.原因在于采样点为岩溶地表湖, 一方面, 尽管输入了外源物质, 但由于地表湖相对于地表河而言, 水体更稳定, 湖面与湖底之间缓冲带较大, 调节作用使得浊度增加不明显, 对水生植物的抑制作用微弱, 仍然以促进作用为主, 产出的内源有机质相对较高；另一方面, 就颗粒态来源解析发现, 不同于其他点位以内源为主的特点, BTH样点呈现以外源为主的情况, 正是因为BTH样点水动力条件不足时可能出现溶解态至颗粒态的自然沉降, 输入的外源有机质主要吸附于颗粒态上, 即显示出BTH样点颗粒态正构烷烃以外源为主.这些对于溶解态而言, 内源有机质贡献的增多和外源有机质吸附颗粒态后的相对减少, 共同造成了岩溶地表湖区别于岩溶地表河的情况.同样, 下游HLK样点溶解态正构烷烃显示以内源输入为主, 这是因下游流量增大, 坡度降低, 流速趋缓, 水体浊度升高不明显, 最终呈现出与BTH样点类似的情况.

综上, 水动力条件较弱和浊度较低时, 有利于内源溶解有机质输入比例的升高, 同时会出现溶解态至颗粒态乃至沉积物的缓慢沉降迁移.

4 结论(Conclusions)

1) 金佛山石钟溪各相态正构烷烃含量旱季低于雨季, 以溶解态正构烷烃表现得最明显.各相态正构烷烃含量在旱季表现为自上而下整体保持微升的态势, 以沉积物中最显著；雨季除岩溶地表湖外, 各点正构烷烃含量变幅较小, 差异性减弱.

2) 不同季节降雨和气温的变化导致水动力条件、浊度及水温的不同, 进而深刻影响着不同相态、不同河段正构烷烃的来源.溶解态正构烷烃旱季以内源低等生物输入为主, 雨季以外源高等植物输入为主；颗粒态正构烷烃旱季中、上游以外源高等植物输入为主, 下游以内源低等生物输入为主, 雨季以内源低等生物输入为主；沉积物正构烷烃旱季以外源高等植物输入为主, 雨季以内源水生植物输入为主.就空间变化而言, 上游大体多以高等植物源为主, 中游高等植物与低等生物混合, 下游高等生物的输入比例逐渐降低, 低等生物或水生植物比例升高.整体上, 随着海拔降低, 高等植物的贡献度降低, 水生植物和低等生物的贡献度升高.

3) 水动力条件较弱和浊度较低时, 有利于内源溶解有机质输入比例的升高, 同时会出现溶解态至颗粒态乃至沉积物的缓慢沉降迁移.

致谢: 衷心感谢西南大学地理科学学院曹敏、王正雄、段世辉、王奇岗、陈朝军、张媚同学和中山大学谢正兰同学在野外采样和样品前处理过程中提供的帮助, 在此一并表示感谢！