长江徐六泾黑碳的季节变化及环境意义

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其中：Xi是BC%（或POC%） ，Yi为输沙量。由于观测期间有部分月份数据缺失，分别采用 枯季或者洪季的BC含量的平均值代替。由于无法获得徐六泾处的流量和输沙量数据，在计 算通量时只能采用相应时间段大通站的检测数据代替。 大通站和南京站的径流量和含沙量可 相差6-31%和20%[20]，因此地域的差异可能对通量的估算造成20%以上的误差。计算结果见 图6 2009年8月至2010年7月期间，徐六泾输送的输送的颗粒POC约有2.14×106t，这与林晶
（1）长江输送的黑碳除来源于各种燃料的燃烧活动外，还包括土壤中的古老黑碳，部分来 源于岩石风化的石墨型黑碳[7]； （2）对来自森林燃烧等生物质燃烧过程中产生的黑碳通量的 估算存在很大的不确定性[29]。此外，水体中溶解态的BC作为BC降解的中间产物，其在水体 中的含量亦不可忽视，在一些区域溶解态BC最高可占到水体DOC中的50%[30, 31]，因此有必 要加强这方面在该长江区域的研究，以加深我们对长江流域碳输送过程的认识。 表1 世界河流输送的黑碳通量 Tab.1 Black carbon fluxes of the world`s rivers 位 置 BC通量（t/yr） 5.0×105 2.0×105 0.24×105 1.26×108 2.60×108 0.2×108 [10] [24] [25] [22] [24] [26]
[13]
等人在2003年及2004年的观测结果和王敏等[15]在2006年6月至2007年的观测结果相近，分
别为2.69×106t/y、1.63×106t/y和1.88×106t/y。另洪季的输送通量占到总量的82.5%，这与长 江流域内水文动力条件密不可分，洪季降水强度大，易形成大面积的流域侵蚀，枯水期蓄积 在河床和冲积平原内的大量可搬运有机质在地表径流的携带下进入河流， 形成有机碳的输送 高峰期[21]。 同期经徐六泾长江输送的颗粒BC通量约有2.77×105t，且BC通量占到总有机碳通量的 12.9%。尽管洪季黑碳的含量较低，但是由于其流量较大，TSM含量较高，因而洪季的输 送通量要明显高于枯季，占到全年总量的80.4%。 2.3 长江黑碳输出的环境意义 对黑碳从陆地向海洋输运过程的了解有助我们认识全球的碳循环过程。有研究表明， 在全球尺度上，通过河流输送到陆架沉积物中的黑碳通量是大气输送的2-3倍[22]。我们的结 果表明，长江输送的颗粒BC通量约为2.77×105t/yr，要低于密西西比河年黑碳输送量（5.0 ×105t/yr）[23]，而高于7条北冰洋附近的河流的黑碳通量（为2.0×105t/yr）[24]，以及经切萨 皮克湾流入大西洋西北部的河流通量（为0.24×105t/yr ）[25]（表1） 。而在全球尺度上河流 黑碳的年输出通量，不同的研究人员得出的的结论各不相同，Druffel认为有0.2×107t/y[26]， Suman等人（1997）认为有1.26×107 t/y，而Elmquist等人（2008）的计算结果高达2.60×107 t/y，这是由于这些结果均是通过采用一条或几条河流颗粒物中黑碳含量外推所得，因而具 有很大的不确定性。为了便于比较，取三个结果的平均值（1.03×107 t/y）作为参考，长江 作为全球最长的河流之一，每年输送的黑碳通量约占全球河流输送总量的2.69%。 据估计，中国河流入海颗粒态总有机碳通量约为10.65×106t/y[27]，假设其中颗粒态黑碳 的含量平均为10%， 则中国河流每年入海颗粒态黑碳通量约为1.07×106t/y； 而每年通过燃烧 活动进入大气的黑碳通量约为1.5×106t/y[28]，二者数值接近，这可能有多方面的原因造成：
河流作为连接陆地和海洋两大碳库的之间的桥梁， 源源不断的将陆地侵蚀排放的含碳物 质输送至海洋，其输运过程是全球碳循环的主要组成部分[1, 2]。据报道，河流每年由陆地向 海洋输送约 0.4Gt 总有机碳（包括颗粒态和溶解态） ，约占全球陆地生态系统净初级生产力 的 1-2%[3]。而黑碳作为总有机碳的一部分，其化学性质非常稳定，难以降解，在环境中可 以长期存在[4]。 通常认为黑碳是生物质及化石燃料的不完全燃烧过程中产生的含碳的难熔物 质的连续体[5]， 包括焦炭/木炭 （char/charcoal） 、 烟炱 （soot） 、 石墨型黑碳 （graphitic black carbon）
观测期间， 徐六径水体中BC含量在0.035-0.096mg/l之间 （图3） ， 其中最高值出现在2010 年1月，最低值出现在2009年9月，平均为0.065±0.020mg/l。 BC%（BC在TSM中的质量百 分含量，BC%=BC/TSM）在0.113-0.247%之间变动，平均值为0.168±0.050%。除2009年10 月外，枯季颗粒物中的BC%要高于洪季，尤其是2010年1月和3月，分别为0.241%和0.247%， 达到观测期间的峰值；而且BC%与随TSM增加呈减小的趋势（图4） 。由于黑碳主要源自生 物燃料及化石燃料的燃烧， 因此其浓度变化与燃烧活动紧密的联系在一起。 长江枯季主要出 现在秋冬季，此时正是居民大规模取暖，以及农村烧荒时段，因此这一时期产生的黑碳数量 往往要高于其他时间[19]。另外，枯季流量较小，冲刷能力弱，进入长江径流的矿物质较少， 也可能增加了黑碳的浓度。 2.2 颗粒机碳通量及黑碳通量的月际变化 根据大通水文站的月平均径流量和输沙量数据，按下式计算BC及POC的年输送通量：
塑料大桶，经自然沉降后，取其底部颗粒物。
图 1 长江徐六泾站位位置示意图 Fig.1 Schematic Diagram of the Xuliujing of the Yangtze River
Fra Baidu bibliotek
1.2 分析方法
BC 测量方法采用 CTO-375 法（Gustafsson et al., 2001; Elmquist et al., 2004） ，具体步骤 如下：取 5-10mg 样品置入银舟（6×9mm，山西新大技术有限公司）中，放入马弗炉中在 充足空气及 375℃下加热 24h 后， 冷却， 加入少许 1M HCl 去除无机碳， 烘干， 包好测定 BC。 另取少量样品，加入少许 1M HCl 去除无机碳后用于测定颗粒有机碳。POC 和 BC 含量测定 均在 Finnigan 生产的 Delta Plus XP 稳定同位素比值质谱计上进行。质量控制采用 vertisol 土 壤标准品（Hammes et al. 2007） ，测定结果与推荐值接近。
2 结果与讨论 2.1 月径流量、月输沙量、POC及BC的变化 如图2所示，采样期间的大通站月平均径流量在（280-1130）×108m3之间，平均值为 （786±438）×108m3，并且呈明显的季节变化，枯季（10月到来年的4月）的流量明显低于 低于洪季（5月-9月）的流量；观测期间的大通站月平均输沙量在（254-3814）×104t之间， 平均值为（1492±1240）×108m3，且与月平均径流量呈显著性正相关（r2=0.97，P<0.01） 。 如图 3 所示，观测期间，徐六径水体中 POC 含量在 0.34-0.92mg/l 之间，其中最高值 出现在 2010 年 5 月，最低值出现在 2010 年 6 月，平均值为 0.57±0.22mg/l，要低于林晶等 于 2003 年 6 月至 2005 年 6 月间在该站位的观测值（0.91±0.42mg/l）[13]。另观测期间水体 中 TSM 在 25.0-64.9mg/l 之间，并且与 POC 之间存在显著的正相关（r2=0.70，P<0.05） （图
5） ，说明悬浮物作为河水中 POC 的主要载体，对 POC 的时空分布有重要作用[14, 15]。POC% （POC 在 TSM 中的质量百分含量，POC%=POC/TSM）在 1.03-1.74%之间变动，洪季小枯 季大，均值为 1.41±0.26%，与长江主流中悬浮颗粒物的 POC%（1.15±0.45%）水稻土的 POC％ (1.25±1.43)％的结果相当[16]，这表明流域内的土壤可能是 POC 的主要来源；另 POC%随颗粒物的浓度增大呈现微弱的下降趋势， 在其他河流如亚马逊河[17]、 西江[18]等也发 现了类似的趋势，林晶（2007）等人认为这是由于季风带来的丰沛降水使长江呈现明显的洪 枯变化，洪季径流量大，冲刷能力强，大量矿物质随地表径流进入长江，导致水体混浊度增 加，降低了现场生产，也稀释了 POC。
1 材料与方法 1.1 样品采集 采样站位如图 1 所示。自 2009 年 8、10 月和 2010 年 1、3-7 月在长江口南北支分流点 徐六径（31°46′N 121°2′E）处采集表层水样。采样器具为潜水泵，容器为 100L 的聚乙烯
基金项目：国家自然科学基金（40830850，41076052） ，国家自然科学基金创新团队（40721004） 作者简介： 黄亮 （1978-） ， 男， 江西九江人， 讲师， 在读博士， 主要从事环境地球化学研究。 E-mail： huangliang2002@hotmail.com
Fig.4 TSM, BC/POC ratio in Xuliujing`water of the Yangtze River during the period of observation
图 5 徐六泾水体中 POC 与 TSM 之间的关系 Fig.5 Relation between POC and TSM in Xuliujing`water
[6]
，另外有研究认为在古老岩石的风化过程中也会产生石墨型黑碳[7]。由于 BC 具有在环境
中难以降解， 可能作为长期的碳库在全球慢速碳循环过程中发挥着潜在的作用， 因此研究其 在不同介质的迁移过程具有重要的环境意义， 比如通过河流向海洋输运， 其在如密西西比河 中的输运等因而受到研究人员广泛的重视[8-10]。 作为世界上最大河流之一的长江每年向海输送的淡水量和沉积物通量分别 900×109t 和 0.25~0.5×109t[11, 12]，随之输出的有机碳通量达到 2~5×106t[12, 13]。其中每年所蕴含的黑碳的 数量及来源还不十分清楚， 由于黑碳的难以降解的特性， 可能会显著改变该区域碳循环的过 程，因此准确计算长江的黑碳输送通量是本研究的主要目标。
长江徐六泾黑碳的季节变化及环境意义
黄亮 1,2，张国森 3，吴莹 3，张经 3
（1.九江学院，化学与环境学院，江西九江 332005；2.华东师范大学，资源与环境科学学院，上海，200062；3.华东师范大学， 河口海岸国家重点实验室，上海 200062）
摘要： 2009 年 8、10 月和 2010 年 1、3-7 月在长江口徐六泾悬浮颗粒物进行了采样，系统分析了悬浮颗 粒物中有机碳及黑碳含量， 研究了季节变化特征，并计算了相应的输送通量。结果显示，水体中 POC 含 量在 0.34-0.92mg/l 之间，BC 含量在 0.035-0.096mg/l 之间；POC 含量与水体中的 TSM 含量有显著的正相 关关系，但 POC％随着 TSM 浓度的增加而减小；此外，水体中 BC 含量与人类的燃烧活动密切相关。观测 期间长江的 POC 通量为 2.14×106t，BC 通量为 2.77×105t，且 BC 通量占到颗粒有机碳通量的 12.9%。 关键词：长江，黑碳，通量
图 3 观测期内长江徐六泾水体中 POC 及 BC 的含量变化 Fig.3 POC, BC contents in Xuliujing`water of the Yangtze River during the period of observation
图 4 研究期内长江徐六泾水体中 TSM 及 BC/POC 中的含量变化
图 2 观测期内长江大通站的径流量及泥沙通量 （数据来自长江泥沙公报，2009，2010） Fig.2 Water discharge, sediment load in Datong station of the Yangtze River during the period of observation