2. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004
2. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources & Guangxi, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004
溶解有机质(DOM)主要是指能够溶于水、酸或碱溶液中的有机质, 通常是指能通过0.45 μm微孔滤膜, 结构和组分十分复杂且物理上不均匀的有机混合物, 其具有重要的生态和环境意义(Landry et al., 2012;Srinivasan et al., 2015).DOM存在于整个自然界中(Al-Reasi et al., 2013), 是全球碳循环的重要组成部分, 既是CO2的潜在源也是底层土壤的稳定碳(Kalbitz et al., 2010).IPCC第5次评估报告指出, 自工业革命以来, 全球CO2浓度持续增加, 1850年为522 mL·m-3, 2005年上升至709 mL·m-3(Pearman et al., 1986), 至2017年11月高达761.59 mL·m-3(ESRLGMD, 2017), 已超工业化前的40%.因此, 对碳循环过程、机制的研究, 特别是关于碳汇和CO2封存技术的研究仍是本世纪全球变暖研究的核心问题.
全球岩溶区面积约2000万km2(袁道先等, 1994), 岩溶区具有独特的二元结构, 含水介质不均一, 地表水与地下水之间转化迅速, 是全球碳循环的重要环节.岩溶作用对于碳循环的促进始终与生物有机过程紧密结合(蒋忠诚等, 2013), 水生植物通过光合作用将岩溶水无机碳固定为有机碳(刘再华等, 2007), 自然环境的无机与有机相互转化加强了碳汇效应, 其中一部分便以DOM的形式存在(Yang et al., 2016), 因此, 区分DOM的来源便尤为重要.但由于DOM的来源和成分十分复杂(Chen et al., 2013), 通常研究者们利用脂类生物标志物来追踪有机质的来源、迁移和转化过程, 并取得了显著的成就(Greenwood et al., 2012;He et al., 2014;Jung et al., 2015).
生物标志物是指水或颗粒物中可用有机溶剂萃取获得的碳氢组分, 包括正构烷烃、脂肪酸等, 其含有母源先质的信息, 能够追踪环境中有机质的来源(Sojinu et al., 2012).国内对正构烷烃和脂肪酸的研究多集中在河口和海湾地带, 且多集中于沉积物(段毅等, 1995;欧杰等, 2013)、土壤(张枝焕等, 2005;姚鹏等, 2012)、植物(段毅等, 2011;2008)方面, 近年来也开展了对大气颗粒物(胡冬梅等, 2013;刘刚等, 2012)方面的研究, 而对于典型岩溶区水体的研究开展较晚(梁作兵等, 2015;张媚等, 2016), 关于岩溶泉的研究尚未深入.因此, 本文以重庆市南川区金佛山表层岩溶泉为研究对象, 分析表层岩溶泉中正构烷烃、脂肪酸两种有机质的含量组成、分布特征, 探讨不同高程的表层岩溶泉在入春期间正构烷烃、脂肪酸的来源和变化过程, 以期为DOM在岩溶区的来源和迁移过程提供借鉴, 同时也为岩溶区表层岩溶泉的开发与保护提供科学支撑.
2 研究区概况(General situation of study area)金佛山自然保护区(28°50′~29°20′N, 107°00′~107°20′E)位于重庆市南川区, 在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.金佛山属亚热带季风气候, 降水集中于4—10月, 主峰风吹岭海拔2251.1 m, 山顶和盆地间相对高差多达1600 m, 形成了垂直气候分带(Wu et al., 2008).
本文选取金佛山碧潭泉(BTQ)和水房泉(SFQ)2个不同高度的岩溶泉作对比监测分析.图 1为研究区地质剖面图(左太安等, 2014), 碧潭泉代表山体下部亚热带岩溶生态环境(袁道先等, 1988), 属典型的低山峡谷岩溶地貌, 是接触式溢流泉, 海拔730 m, 泉区年平均气温16.6 ℃, 年平均降水量1286.5 mm, 降水集中于夏季, 大气降水为泉水的主要补给源, 岩性为寒武系上统毛田组灰质白云岩, 土壤厚度50~80 cm, 植被覆盖度约70%, 主要次生灌丛, 水热与植被条件较好.水房泉代表高原面上温带岩溶生态环境(袁道先等, 1988), 海拔约2045 m, 泉区年平均气温8.2 ℃, 年平均降水量1434.5 mm, 降水集中在12月—次年3月, 多以降雪形式出现, 大气降水(雪)为泉水的主要补给源, 岩性为二叠系灰岩, 土壤厚度20~30 cm, 有较厚的腐质落叶层, 植被覆盖度约60%, 为成片的竹林、灌丛和乔木(左太安等, 2014).
于2017年1月6日、2月27日和4月21日按月分别于两处泉水进行取样, 进行野外采样之前, 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, 并在一周之内完成前处理.
3.2 试剂和材料样品分析所用的正己烷、二氯甲烷、甲醇均为农残级, 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, 微孔滤膜(有效孔径0.45 μm)备用.无水硫酸钠(分析纯)于550 ℃马弗炉中灼烧8 h, 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.
3.3 样品处理与分析 3.3.1 水样中溶解态正构烷烃和脂肪酸提取取经过玻璃纤维滤膜(有效孔径0.7 μm)和微孔滤膜(有效孔径0.45 μm)依次过滤的水样4 L, 装入棕色瓶中, 用净化后的盐酸酸化至pH < 2, 摇匀, 使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, 提取液依次经过皂化、甲基化后, 用正己烷萃取其中的正构烷烃和脂肪酸, 然后经干燥、浓缩后, 氮吹至0.2 mL, 加入内标物, 放入-26 ℃冰箱中待测.
3.3.2 正构烷烃和脂肪酸分析正构烷烃和脂肪酸采用GC-MS分析(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280 ℃, 升温程序为初始温度50 ℃, 保持1 min后以20 ℃·min-1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.
4 结果与讨论(Results and discussion) 4.1 溶解态正构烷烃、脂肪酸的含量变化表 1为金佛山水房泉和碧潭泉溶解态正构烷烃组分及含量.由表 1可知, 水房泉和碧潭泉溶解态正构烷烃碳数分布范围为14~39, 1、2和4月样品中水房泉和碧潭泉溶解态正构烷烃的含量范围分别为1547~19314和1089~12235 ng·L-1, 平均值分别为8036和5553 ng·L-1.4月样品中溶解态正构烷烃的含量均比1、2月高.据图 2a可知, 1、2月样品中正构烷烃含量较低, 且2月样品含量最低, 4月样品中正构烷烃含量剧烈上涨, 增幅很大.表 2为样品中溶解态脂肪酸的含量分布, 水房泉和碧潭泉的脂肪酸含量分别是4163~13048和5520~10080 ng·L-1, 平均值分别为8039和8421 ng·L-1.据图 2b显示, 样品中溶解态脂肪酸与上述溶解态正构烷烃的含量变化相似, 相对于1月, 2月脂肪酸含量降低, 4月脂肪酸含量回涨, 其中, 水房泉剧烈上涨, 含量超出前两月含量总和, 碧潭泉脂肪酸含量回涨至1月含量水平.
金佛山1、2月气温差异不大, 水温起伏较小, 区域降水依然偏低, 新的外源有机质输入量少, 有机质的自然降解程度高于输入量, 造成正构烷烃和脂肪酸含量微降.4月进入春季, 气温回暖, 植物复苏和微生物活性增强, 输入更多有机质;雨季的到来也使降水量增多, 降水冲刷地表土壤也会带来土壤中的有机质(Yang et al., 2016), 有机质的大量输入便表现为4月的正构烷烃和脂肪酸含量增大.水房泉和碧潭泉海拔高差达1315 m, 水房泉位于山顶风口位置, 气温随外界环境变化幅度大, 碧潭泉位于山谷, 气温整体变幅较小, 两泉域气温差值约达10 ℃.水房泉12月—次年3月泉口及补水区积雪覆盖, 而碧潭泉雪量较少, 无积雪覆盖.4月水房泉区域积雪融化, 补水区融雪本身含有的大量有机质进入地下水系统, 使得4月进入春季的水房泉有机质含量远高于低海拔无积雪覆盖的碧潭泉.
4.2 溶解态正构烷烃、脂肪酸的组成特征由表 1可知, 水房泉样品中各月主碳峰(Cmax)分别为:1月C30(1582 ng·L-1)和C34(975 ng·L-1), 2月C27(305 ng·L-1)、C28(237 ng·L-1)和C29(196 ng·L-1), 4月C24(2357 ng·L-1)、C25(2339 ng·L-1)、C27(2119 ng·L-1), 各月样品中正构烷烃主碳峰总体从高碳向中碳转移.碧潭泉主碳峰分别为:1月C17(952 ng·L-1)、C16(831 ng·L-1)和C15(516 ng·L-1), 2月C19(167 ng·L-1)和C15(155 ng·L-1), 4月C24(1611 ng·L-1)、C25(1594 ng·L-1)和C27(1424 ng·L-1).与水房泉相反, 碧潭泉各月样品中正构烷烃主碳峰总体从低碳向中碳转移.正构烷烃不同的碳数所指示的有机质来源不同, 通常高碳数长链正构烷烃指示高等植物源, 中等碳数指示水生植物源, 低碳数短链正构烷烃指示藻类等低等生物源.根据主碳峰可初步判别水房泉和碧潭泉水较突出的有机质来源, 显示两泉的水生植物贡献都在增加, 不同的是水房泉1、2月主碳峰贡献来源为高等植物, 碧潭泉为藻类等低等生物.水房泉域有较厚的腐质落叶层, 植被为成片的竹林、乔木、灌丛, 为主碳峰的突出贡献者.而碧潭泉多次生灌丛, 气温相较于水房泉高约10 ℃, 微生物活性相对较强, 藻类为主碳峰的突出贡献者.
图 3为水房泉和碧潭泉溶解态脂肪酸组成的动态变化特征.对比发现, 水房泉和碧潭泉各月脂肪酸均以饱和直链脂肪酸(SSFA)为主, 约占总溶解态脂肪酸的44.17%~79.89%, 1、2月均占76%以上, 相对于单不饱和脂肪酸(MUFA)、多不饱和脂肪酸(PUFA)和饱和支链脂肪酸(BSFA)占有绝对优势.4月水房泉和碧潭泉各种脂肪酸含量大小均依次为SSFA>MUFA>PUFA>BSFA, 相对于1、2月, 水房泉各种脂肪酸含量均有不同幅度的升高, 碧潭泉MUFA和PUFA含量高于1、2月, SSFA、BSFA含量略低于1月.4月水房泉的不饱和脂肪酸(Unsaturated Fatty Acid, UFA)含量在总脂肪酸中的比重由2月的9.99%增至49.21%, 其中, MUFA含量增幅最大, 占比37.54%;而SSFA的贡献由2月的78.72%降至44.17%.碧潭泉的不饱和脂肪酸比例由2月的12.05%增大至43.67%, 其中, MUFA比例增至28.54%, 而SSFA所占比例由2月的79.89%降至52.02%.
不饱和脂肪酸相对于饱和脂肪酸(Saturated Fatty Acid, SFA)更容易在环境中降解, 用UFA/SFA的比值可以指示有机质的降解程度(Marzi et al., 1993).研究区水房泉和碧潭泉在2月UFA/SFA略有减小, 不饱和脂肪酸相较于饱和脂肪酸含量下降, 表明DOM在2月出现降解.4月UFA/SFA显著升高, 显示DOM的输入量高于自然降解的量.1、2月整体属于冬季, 气温、降水情况差异不大, 均少雨干旱, 而旱季岩溶泉以地表下渗的裂隙水为主要来源(贺秋芳等, 2009), 新的有机质输入较少, 因此, 2月脂肪酸含量相对于1月出现自然降解.4月UFA/SFA上升是由于研究区进入春季后气温回升, 降雨增多, 一方面雨水带来新的有机质输入, 且雨水冲刷地表会将土壤中贮存的有机质带入水体;另一方面, 气温的升高使得微生物和细菌活性增大, 也会带来新的有机质.
4.3 溶解态正构烷烃、脂肪酸的来源解析地理环境的改变会对不同地点的正构烷烃部分参数造成一定的干扰, 因此, 在进行正构烷烃来源解析时需要用多个参数互相矫正进行交叉分析(梁作兵等, 2015).碳优势指数(CPI)和奇偶优势指数(OEP)是判断正构烷烃来源的常用参数, 二者有各自的来源判别范围.CPI和OEP的高值都指示陆地高等植物来源, CPI的低值指示细菌、藻类或石油来源, OEP的低值指示细菌、藻类低等生物来源, 也可能指示陆源高等植物残骸输入(欧杰等, 2013;Wang et al., 2013;Meyers et al., 1993).TAR(水陆相对贡献)用以反映内外源有机质的相对贡献比例, TAR < 1表示以内源有机质输入为主, TAR>1表示以外源有机质为主, 常代表陆生高等植物输入优势(Bourbonniere et al., 1996;Meyers, 1997).
图 4显示, CPI与OEP的变化趋势在1、2月一致, 4月出现偏差, 水房泉和碧潭泉的CPI值月季变化均表现为上升, OEP在1、2月与CPI保持同步变化, 4月出现下降.水房泉和碧潭泉的CPI分别为0.07~1.60、0.69~1.58, CPI值均较小但总体呈上升趋势, 水房泉OEP在1月为0.03, 碧潭泉为0.97, 可知水房泉和碧潭泉在1月均以细菌源输入为主.TAR趋势与CPI类似, 故4月异常值可以用TAR值进行二次判别.水房泉和碧潭泉的TAR分别为0.33~2.74、0.10~10.10, 均逐月上升.水房泉和碧潭泉1月TAR值均小于1, 指示内源有机质输入, 与之前CPI、OEP判别来源一致, 再次表明可用TAR值矫正4月的OEP异常值.4月水房泉和碧潭泉的TAR分别为2.74、10.10, 指示高等植物来源.综上说明, OEP在4月的异常值可能是由于高等植物残骸输入量较多, 与Meyers等(1993)指出的OEP低值也可能指示陆源维管植物相似.
通常认为短链正构烷烃(Cn≤C20)主要来源于细菌、藻类, 而长链正构烷烃(Cn≥C21)主要来源于高等植物, 常利用二者的比值即L/H值, 也可判断不同类别正构烷烃的主要来源(Ficken et al., 2000).图 4显示, 2、3月水房泉和碧潭泉L/H值分别为0.13~0.33、0.04~0.65, 都小于1且2—4月均处于下降趋势, 表明水房泉和碧潭泉2、4月正构烷烃均来源于高等植物, 并且高等植物源输入比例逐渐增大, 与前文研究一致.1月水房泉和碧潭泉的L/H值分别为0.14、2.32, 碧潭泉1月L/H>1显示细菌源输入, 符合前文研究推论, 但根据前文可知水房泉1月正构烷烃属细菌来源, 此处L/H值却显示小于1, 推测是因为1月水房泉泉域积雪覆盖, 产生的水洗作用首先淋滤掉低分子量正构烷烃, 致使L/H值偏低(王志远等, 2003).综上分析, 水房泉和碧潭泉1月正构烷烃主要来源于细菌;2月高等植物源正构烷烃输入比例逐渐增多, 为细菌源和高等植物源混合输入;4月进入春季后雨量增多, 气温升高, 以高等植物源正构烷烃为主.即水房泉和碧潭泉随着入春月度的变化, 逐渐由细菌源正构烷烃向高等植物源正构烷烃过渡.
脂肪酸是脂类物质的重要组成部分, 常被用于示踪水生生态系统的DOM来源(Dalsgaard et al., 2003).表 3为金佛山两处泉水的溶解态脂肪酸的组成特征.由表可知, 饱和短链脂肪酸(C12:0~C18:0)的含量占总脂肪酸的比重较高, 在自然界水体中普遍存在, 为藻类和微生物等水生源.样品中短饱和直链脂肪酸以C16:0和C18:0比重最高, 占总脂肪酸的22.07%~57.55%, C16:0和C18:0脂肪酸广泛存在于各种生物体中, 包括细菌、真菌、藻类、浮游植物等(Mcintosh et al., 2003).C21:0~C24:0的脂肪酸主要指示沉水或挺水植物的输入, 而碳链长度>24的饱和直链脂肪酸通常指示陆地高等植物来源(Ishiwatari et al., 2006).表 3显示, 水房泉C21:0的比重由1月到4月从19.36%降至2.54%, 碧潭泉从5.38%降至3.16%, 同时水房泉和碧潭泉的高碳链脂肪酸(C25:0~C29:0)比重总体都在上升, 表明研究区域4月水生植物来源比例逐渐下降, 陆地高等植物输入比例逐渐增多, 且水房泉1月水生植物比重高于碧潭泉, 同时月度变化幅度也高于碧潭泉.碧潭泉水生植物的输入比例较稳定, 推测是与海拔高度差异导致的气温随季节变化的升降幅度有关.
饱和支链脂肪酸整体所占比重较小, 以MeC13:0、MeC15:0、MeC16:0、7MeC16:0为代表, 其只在细菌中合成, 故常用以指示细菌来源(Viso et al., 1993;Tolosa et al., 2004;Najdek et al., 2002).不饱和脂肪酸常被认为是真核藻和细菌的输入标志(Camacho-Ibar et al., 2003).样品中单不饱和脂肪酸的检出量较多, 仅次于饱和直链脂肪酸, 以C14:1ω5、C17:1ω7(c)、C18:1ω7(t)和C18:1ω9(t)为主要检出物.C18:1ω7(t)来自革兰氏阴性细菌, C18:1ω9(t)来自放线菌(陈振翔等, 2005;吕现福等, 2017).藻类为生态系统的初级生产者, 是能合成多不饱和脂肪酸的极少数类群之一(游江涛等, 2005).样品中多不饱和脂肪酸以C18:3ω5, 7, 9、C18:2ω6, 9(c)、C20:5ω3, 9, 12, 15为主, C20:5ω3, 9, 12, 15被认为是藻类源输入(Wang et al., 2012), C18:2ω6, 9(c)被认为是真菌输入的标志(Abdulla et al., 2013).
为进一步探究各种脂肪酸的来源比例, 根据已有研究利用以下公式进行计算(张媚等, 2016;Wang et al., 2012;谢正兰等, 2016):细菌源=BSFA+C15:0+C11:0, 浮游植物源=C16:1ω9(c)+C16:1ω9(t)+C18:1ω9(t)+ C20:5ω3, 9, 12, 15, 高等植物源=C24:0+C26:0+C28:0, 真菌源=C18:2ω6, 9(c).通过计算, 得出不同脂肪酸的含量变化及其所占比重的变化(表 4).水房泉和碧潭泉来源于细菌的脂肪酸含量分别为185.5~1082.7 ng·L-1和573.5~749.7 ng·L-1, 水房泉1—4月不同来源的脂肪酸含量变化为逐月上升, 碧潭泉则逐月下降.从所占比重来看, 水房泉和碧潭泉细菌源脂肪酸的比重均为2月微升, 4月剧降(水房泉为36.47%~82.12%, 碧潭泉为26.99%~67.50%), 但水房泉的细菌源脂肪酸比重始终高于碧潭泉, 1、2月都以细菌源脂肪酸占主导, 4月虽有所下降但所占比重依然很大.浮游植物源脂肪酸与细菌源脂肪酸在水房泉和碧潭泉的含量和比重变化类似, 在水房泉和碧潭泉的含量分别为37.94~66.33 ng·L-1和160.85~488.19 ng·L-1, 水房泉1—4月变化为逐月上升, 碧潭泉为逐月下降, 而比重均为逐月下降(水房泉为2.23%~14.99%, 碧潭泉为7.57%~36.31%), 不同的是碧潭泉的浮游植物源脂肪酸比重始终高于水房泉.因碧潭泉处于山体下部, 属亚热带岩溶生态环境, 水房泉代表高原面上温带岩溶生态环境(袁道先等, 1988), 水房泉12月—次年3月泉口及补水区冬季积雪覆盖, 而碧潭泉降雪量远小于水房泉, 气温高于水房泉, 更适合浮游植物的生长.高等植物源脂肪酸在水房泉和碧潭泉的含量分别为3.08~633.64 ng·L-1和13.73~376.07 ng·L-1, 比重分别为0.50%~21.34%和1.56%~17.70%, 均为先微降后剧升, 且水房泉变化幅度更大.真菌来源的脂肪酸在水房泉和碧潭泉的含量分别为24.41~1186.19和80.61~1014.26 ng·L-1, 比重分别为9.08%~39.95%和5.99%~47.74%, 含量和比重均在4月猛增并成为脂肪酸的主要贡献者.
水房泉相对于碧潭泉海拔更高, 水房泉和碧潭泉在冬季气温虽都较低, 但高海拔的藻类等水生浮游植物活性更低, 使得含量本身就较高的细菌源脂肪酸比重更高, 而浮游植物源脂肪酸含量在水房泉各月的变化范围不大.金佛山属亚热带季风性气候, 4月入春的同时进入雨季, 雨水增多且气温升高, 带来大量的高等植物源和真菌源脂肪酸的输入, 导致脂肪酸总量升高, 才致使浮游植物源和细菌源脂肪酸比重相对下降.
5 结论(Conclusions)1) 金佛山水房泉和碧潭泉1、2和4月样品中溶解态正构烷烃和脂肪酸含量差异较大, 随着春季气温升高和降水增多, 有机质含量显著增多.
2) 水房泉和碧潭泉溶解态正构烷烃1月以细菌源为主, 随着进入春季的月度变化, 高等植物源正构烷烃逐渐增多并成为主要贡献者, 因低海拔处气温和雨量增幅较大, 使得低海拔处碧潭泉的高等植物源正构烷烃输入增幅高于高海拔处水房泉.
3) 各溶解态脂肪酸在水房泉和碧潭泉月度变化过程中均发生不同程度的变化, 相对于1、2月, 4月饱和脂肪酸比重显著降低, 不饱和脂肪酸比重明显升高;指示来源的细菌源和浮游植物源脂肪酸比重均降低, 真菌源和高等植物源脂肪酸比重均显著升高.
致谢: 衷心感谢西南大学地理科学学院王正雄、段世辉、王奇岗、陈朝军、张媚、谢正兰等在野外采样和样品前处理过程中提供的帮助!
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