Distribution of labile organic carbon using different extract method in the surface sediments of Pearl River Estuary
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摘要:
活性有机碳是海洋沉积物有机碳的重要组成部分，研究河口区沉积物不同浸提组分的活性有机碳对于认知近海活性有机碳的迁移转化过程具有重要意义，可为全球碳循环研究提供基础。本文于2013年7月采集珠江口表层沉积物样品，通过盐提取（SEC）、水提取（WEC）、氯仿熏蒸提取（MBC）和酸提取（AHC）等方法测定其活性有机碳，研究其分布规律及相互关系。结果表明：（1）珠江口表层沉积物SEC、WEC、MBC和AHC的平均含量分别为（768.0±23.5）×10-6、（688.1±31.2）×10-6、（963.2±26.4）×10-6和（3040.7±18.2）×10-6；（2）沉积物SEC和AHC含量由西北部向东南部逐渐减少，而MBC含量由口外向西北口内逐渐减少，WEC空间分布则相对均匀；（3）陆源输入的较难降解的活性有机碳主要在西部区域沉积，而微生物活性有机碳量则主要在东南部口外处沉积。总体来看，受人类活动的影响，珠江口沉积物中的活性有机碳含量相对较高，不利于其有机碳的埋藏。
Abstract:Labile organic carbon(LOC)is a chief component in marine sediment organic carbon.It is important to study different types of sediment LOC in estuaries for better understanding of its offshore migration and transformation process.The sediment LOC could provide a basis information for the research of global carbon cycle.In this study, we investigated the distribution patterns of the salt extractable carbon (SEC), water extractable carbon (WEC), chloroform fumigation extractable carbon (MBC) and acid hydrolysable carbon (AHC)in the surface sediment in Pearl River Estuary (PRE).The result showed the average content of SEC, WEC, MBC and AHC were 768.0×10-6, 688.1×10-6, 963.2×10-6 and 3040.7×10-6 in the PRE, respectively.The content of SEC and AHC decreased gradually from the northwest to the southeast, while the MBC content decreased gradually from the outside of PRE to the northwest region.The distribution of WEC was relatively homogenous.It suggested that the recalcitrant fraction of LOC from land input was mainly deposited in the western region, while MBC was mainly deposited in the southeastern outlets.In PRE, the high anthropogenic LOC content in the sediment would have the negative impact for the burial of organic carbon.
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河口是陆海相互作用的重要区域，其沉积物接受了径流输入、沿岸侵蚀等大量陆源有机碳[1]，其有机碳的输入、迁移、降解和埋藏过程对近海生态环境及全球碳循环具有重要的意义。研究表明，陆源输入的有机碳主要在河口和三角洲沉积，而海源有机碳更多地向外海输出[2]。沉积在河口的有机碳部分难分解且不易利用，如木质素和腐殖酸等，部分有机碳易于被微生物摄取和同化，如简单糖化合物和有机酸等低分子有机质[3]。根据矿化速率的不同，将有机碳分为活性和惰性两部分。其中，活性有机碳(labile organic carbon，LOC)是沉积物有机碳中活性较高的部分，因其不稳定性，易被微生物分解矿化，是沉积物活性和质量的重要指标[4]。活性有机碳根据其所提取的溶剂不同可分为盐提取量碳(salt extractable carbon，SEC)、水提取量碳(water extractable carbon，WEC)、微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)和酸提取量碳(acid hydrolysable carbon，AHC)，与之相对应所提取的活性有机碳组成也有所不同。SEC提取的是那些极性较强低分子态的活性有机碳[5]；WEC提取的是亲水性的活性有机碳，主要包括氨基态多糖、低分子态的脂肪酸和有机酸等[6]；MBC主要来自于植物的腐化和降解，包括N/O-烷基态碳、羧基态碳和有机酸等，且更易被微生物所利用[7]；AHC提取的活性有机碳相对较难降解，主要包括木质素和芳香族化合物等[6]。而此类活性有机碳埋藏又受盐水入侵、氧化还原反应及水文动力等因素影响，会进一步影响到沉积物中有机碳的分布及其微生物矿化作用等[3]，从而使河口生态系统碳循环过程发生改变。
目前，关于LOC在陆地生态系统的研究相对较多[8-9]，但对于河口的LOC的相关研究尚少，仅在密西西比河口三角洲及其湿地有过相关研究报道[10-11]。随着经济的迅速发展和人口的不断增加，近半个世纪来珠江口沉积物中有机碳输入通量逐渐增大，尤以1990年代以来的上升趋势更加显著，其相关环境问题已成为研究热点[12]。然而，目前关于珠江口活性有机碳的特征尚未报道。本文通过盐提取(SEC)、水提取(WEC)、氯仿熏蒸提取(MBC)和酸提取(AHC)等方法，研究珠江口表层沉积物中的活性有机碳含量，分析珠江口表层沉积物有机碳不同浸提组分的分布规律，可为深入研究人类活动影响下珠江口的碳循环过程提供基础，也可为该河口的生态环境保护提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
珠江口径流经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门等八大口门入海，总径流量约1800亿m3/a。东部深槽区以外海的潮流影响为主，西部浅滩区以珠江径流下泄及低盐的沿岸流影响为主，流入珠江口的物质由于受柯氏力的影响主要沿着西岸沉积[13]。由于人类活动的加剧，如联围筑闸、河道采砂、围海造地及口门导治等工程活动的增多，对河口沉积环境造成了显著影响。同时，珠江三角洲发达的经济和密集的人口产生大量工农业、生活废水通过珠江排放入海，使珠江口接受了大量陆源物质的输入，从而导致珠江口及其邻近海域沉积有机质的化学性质存在较大差异[12]。
1.2 样品采集
2013年7月在珠江口采用沉积物蚌氏表层采泥器，采集24个表层沉积物样(见图 1)。采集0~5 cm沉积物于聚乙烯塑料袋内，样品一部分密封置于冰箱内保存后，带回实验室冷冻干燥，经研磨后用160目(孔径约为0.01 mm)尼龙筛进行筛分，筛下样品用于测定总氮及总有机碳；另一部分放在25℃培养箱内保存，用于测定沉积物有机碳不同浸提组分。
1.3 分析方法
1.3.1 活性有机碳
按照提取方法活性有机碳分为盐提取量碳、水提取量碳、酸提取量碳及微生物量碳。盐提取过程为称取10 g的湿样沉积物，加入30 mL 0.5 mol/L K2SO4于离心管内，震荡30 min，经离心机分离后，取上清液经Whatman GF/F膜(0.7μm，直径47 mm，预先在450℃下灼烧过6 h)过滤后测定其滤液有机碳，方法参考文献[5]；水提取过程为称取10 g的湿样沉积物，加入30 mL超纯水于离心管内，震荡30 min，经离心机分离后，取上清液经Whatman GF/F膜过滤后测定其滤液有机碳，方法参照文献[14]；微生物量碳分析过程为称取一定量湿样沉积物，放置于纯化后密闭抽真空培养箱内进行氯仿熏蒸24 h(温度控制在22.5±0.5℃)，再将熏蒸后沉积物通过纯水提取(参照水提取活性有机碳方法)，方法参考文献[15]；酸提取过程为称取一定量湿样沉积物，放至消解管，并加入6 mol/L HCl的消解回流16 h(HCl溶液与沉积物质量比例为1: 10)，后冷却至室温(温度控制在22.5±0.5℃)，用Whatman GF/F膜过滤去除残留液，再用超纯水清洗后，80℃烘干至衡重，测定其总碳(total carbon，TC)，再根据沉积物原总有机碳(total organic carbon，TOC)与其测定值的差值得出AHC的含量，方法参照文献[16]。滤液有机碳的分析方法详参照HY/T 150-2013[17]，采用双平行样测定，仪器型号为岛津TOC-L有机碳测定仪(测试精度为±2.0%)。
1.3.2 沉积物总有机碳及总氮
称取一定量的沉积物，分别测定其TC和无机碳(inorganic carbon，IC)含量，再根据两者差值得出TOC的含量，方法详参照GB/T 30740-2014[18]。总氮(total nitorgen，TN)测定方法参照GB 17378.5-2007[19]。
1.4 数据处理
实验所有数据通过Excel、Surfer 11.0、SPSS 17.0等软件进行处理，利用Person相关性分析各类型活性有机碳、TOC与TN之间的关系。
2 结果与讨论
2.1 珠江口表层沉积物总氮与总有机碳的空间分布
根据其地理位置的不同，将珠江口划分为3个代表性区域，分别是口外(站位为12、14、15和19)，东部区域(1~7、9、11、18、24)和西部区域(8、10、13、16、17及20~23)。
沉积物中TN的含量范围为0.02%~0.10%，平均值为0.04±0.01%(图 2)。沉积物中TOC的浓度范围为0.36%~1.40%，平均含量为0.66±0.03%(图 2)。东部区域TN含量相对较低，西部区域及各口门处TN含量相对较高。造成这种分布趋势的主要原因除西部各口门人为排污影响外，可能还与沉积物类型有较大关系[20]。东部区域TOC含量相对较低，西部区域及各口门处TOC含量相对较高。因珠江径流入海后形成一股向西南流动的沿岸流，在科氏力和沿岸流的共同作用下，携带大量悬浮物质的河口水主要往西南方向迁移输送，使得西部区域蓄积了较多的陆源物质，且西部沉积物颗粒比东部细[21]，对有机物质的吸附能力更强，也会使沉积物中TOC的含量较高。
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图 2 珠江口表层沉积物总氮和总有机碳的空间分布Fig. 2 Distribution of TN and TOC in the surface sediment of the Pearl River Estuary![]()
图 3 珠江口表层沉积物总氮和总有机碳的相关性Fig. 3 Linear regression between TN and TOC in the surface sediment of the Pearl River EstuaryTN同TOC的空间分布规律较为一致(图 2)，由TOC和TN的相关关系可得，两者具有很好的正相关性(r=0.9380，p < 0.05)，这与黄河口[22]、长江口[23]等流域的研究结果相一致，说明表层沉积物中TOC和TN的来源大致相同。同时，TOC/TN的m(C): m(N)比值通常用于判断有机质的来源，m(C): m(N)小于8为典型的海洋有机质来源，而大于12为陆源有机质。珠江口表层沉积物中m(C): m(N)介于13.7~24.0，说明沉积输入以陆源有机质为主，而口外比值较口内低，部分比值低于12，说明口外沉积物为混合来源。
2.2 沉积物有机碳不同浸提组分的含量及其空间分布特征
珠江口表层沉积物中SEC的含量范围为534×10-6~1760 ×10-6，平均值为(768.0±23.5)×10-6(表 1和图 4)。由图 4可知，西部区域沉积物SEC含量较东部及口外高。由于SEC提取的是那些极性较强的低分子态活性有机碳，其在沉积物中的含量易受到盐度的影响，在高盐水域其沉积物中SEC含量较低[24]。东部及口外区域SEC含量相对较低，可能是由于来自外海高盐度的海水沿东部深水水道上溯[13]，与表层沉积物相互作用，使得易被盐水提取LOC被释放出来。由此可以推断，受珠江口外海高盐水作用下，沉积物中这部分极性强且分子量较低的LOC向其上层水体释放，并输送至口外，而在低盐度区域则SEC含量相对较高。
表 1 珠江口表层沉积物各站位总有机碳和活性有机碳的含量及其占比Tab. 1 The content and proportion of TOC, SEC, WEC, MBC and AHC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
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图 4 珠江口表层沉积物各类型活性有机碳的分布特征Fig. 4 Distribution of SEC, WEC, MBC and AHC in the surface sediment of the Pearl River Estuary沉积物中WEC的含量范围为404×10-6~1075 ×10-6，平均值为(688.1±31.2)×10-6(表 1和图 4)，其空间分布相对较为均匀，高值区出现在深圳湾、珠海近岸和口外附近区域。因WEC提取的是亲水性的LOC，包括氨基态多糖、低分子态的脂肪酸和有机酸等[6]，说明这些区域的有机碳可能同藻类大量生长产生的低分子态亲水性的LOC有关，特别是赤潮多发区的深圳湾区域，其沉积物WEC含量最高。
沉积物中MBC的含量范围为593×10-6~1688 ×10-6，平均值为(963.2±26.4)×10-6(表 1和图 4)。由图 4可知，MBC含量从口外向口内递减，说明口外沉积物中含有更多的能被微生物所利用LOC。相关研究表明，珠江口夏季水体营养盐的大量输入加上口外区域透明度较好，导致藻类过度繁殖[25]，这也意味着大量LOC输入，从而增加了口外的微生物可利用有机碳含量。MBC与N/O-烷基态碳和羧基态碳正相关，其多糖更易被微生物所利用[7]，微生物利用这些LOC的过程中，将进一步消耗水体中的氧，可能导致珠江口外夏季水体底层缺氧，进一步加剧珠江口环境的恶化。
沉积物中AHC的含量范围为1405×10-6~7107 ×10-6，平均值为(3040.7±18.2)×10-6(表 1和图 4)，其高值区出现在虎门口和珠海附近区域。因AHC提取的LOC相对较难降解，包括木质素和芳香族化合物等[6]，表明这些区域受陆源输入的影响，有较多相对难降解LOC沉积。
同时由表 1和表 2可知，珠江口表层沉积物有机碳各浸提组分的含量明显高于密西西比河口等滨海湿地[10, 26-27]，这可能由于珠江口受到较高强度人类活动的影响，导致大量C、N输入并沉积。珠江口沉积物的高LOC含量，导致有机碳埋藏效率降低，不利于其沉积物有机碳的长期埋藏。
表 2 与滨海湿地各类型活性有机碳的含量对比Tab. 2 Comparison of LOC with several coastal wetland
2.3 沉积物中SEC、WEC、MBC、AHC和TOC间的相互关系及其生态环境意义
由表 3可知，SEC、AHC与TOC显著相关(p < 0.01)，且SEC与AHC正相关(p < 0.05)。可见珠江口表层沉积物中AHC与SEC的增加也将伴随着其TOC含量的增加。同时，TN与TOC、SEC和AHC正相关(p < 0.05)，进一步说明珠江口表层沉积物中有机碳与其活性有机碳的SEC及AHC来源大致相同，其分布规律主要与陆源输入及水文动力条件等相关。
表 3 有机碳、总氮及各类活性有机碳的相关性Tab. 3 The Pearson correlation coefficients of TOC, TN, SEC, WEC, MBC and AHC(n=24)
WEC、MBC与TOC相关性不明显，这与密西西比河河口三角洲[10]研究结果有所不同，其WEC、MBC与TOC均有较好的相关性，这可能与区域环境条件有关。珠江口受到富营养化的影响，其浮游植物的大量繁殖，形成了大量亲水性及微生物可利用的LOC，而密西西比河口的营养盐相对较低[10]。
由表 1可知，珠江口表层沉积物有机碳中不同浸提组分占比大小为AHC＞MBC＞SEC＞WEC，说明珠江口表层沉积物LOC主要以较难降解的AHC为主。由图 5可知，SEC/TOC和WEC/TOC占比整体上变化不大，尽管珠江口表层沉积物中SEC和WEC的分布特征有所差异，但其组分占比却大致相同，说明了珠江口低分子态的LOC分布较为均匀。MBC/TOC高值区主要在口外区域，这与口外较高的海源性[12]，有机碳来源丰富，使其沉积物微生物活性增加有关。AHC/TOC高值区主要分布在口门和近岸区域，这可能是受水文动力的影响，那些易降解的有机碳通过水流输出至口外，而较难降解的LOC则沉积下来。同时，在港珠澳大桥附近区域AHC/TOC比值较高，这可能同港珠澳大桥的施工有关。研究认为人为干扰下湿地等生态系统中的SEC、WEC和MBC等活性有机碳含量将降低[28]，而港珠澳大桥的施工分别在东人工岛南北侧、大濠岛北侧、香港机场西侧附近和西人工岛西侧形成了悬沙淤积区[29]，其冲淤过程使得SEC、WEC和MBC等含量进一步降低，而那些较难降解的活性有机碳AHC更易在此沉积。由此可见，珠江口表层沉积物LOC主要以较难降解的AHC为主，而口外沉积物MBC含量及占比均较高，说明了口外沉积物有机碳具有较高的生物活性；西部区域活性有机碳含量较东部区域高，其AHC/TOC占比也相对较高，而较高的占比将不利于有机碳的河口埋藏。
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图 5 珠江口表层沉积物各类型活性有机碳占总有机碳的比例分布特征Fig. 5 Distribution of SEC/TOC, WEC/TOC, MBC/TOC and AHC/TOC in the surface sediment of the Pearl River Estuary由于WEC、SEC和MBC提取的是更易被微生物所利用的活性有机碳，珠江口沉积物中较多的WEC、SEC和MBC，尤其是MBC会影响到水体中DOC的浓度[10]，改变其碳循环过程。同时富营养化下的珠江口，也伴随着沉积物中水生有机碳含量的增加，势必产生更多的微生物可利用的活性有机碳，而这些活性有机碳在被微生物分解过程中，将向水体输出更多的CO2。
3 结论
(1) 珠江口表层沉积物SEC、WEC、MBC和AHC的平均含量分别为(768.0±23.5)×10-6、(688.1±31.2)×10-6、(963.2±26.4)×10-6和(3040.7±18.2)×10-6。
(2) 沉积物SEC和AHC含量由西北部向东南部逐渐减少，西部区域高于东部区域，北部区域高于南部区域；WEC空间分布相对较为均匀，高值区出现在深圳湾、珠海近岸和口外附近区域；MBC含量由口外向西北口内逐渐减少。
(3) 陆源输入较难降解的活性有机碳主要在西部区域沉积，微生物活性有机碳量则主要在东南部口外处沉积。
(4) 受人类活动的影响，珠江口沉积物中活性有机碳含量相对较高，不利于其有机碳的埋藏。
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图 2 珠江口表层沉积物总氮和总有机碳的空间分布
Fig. 2. Distribution of TN and TOC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
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图 3 珠江口表层沉积物总氮和总有机碳的相关性
Fig. 3. Linear regression between TN and TOC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
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图 4 珠江口表层沉积物各类型活性有机碳的分布特征
Fig. 4. Distribution of SEC, WEC, MBC and AHC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
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图 5 珠江口表层沉积物各类型活性有机碳占总有机碳的比例分布特征
Fig. 5. Distribution of SEC/TOC, WEC/TOC, MBC/TOC and AHC/TOC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
表 1 珠江口表层沉积物各站位总有机碳和活性有机碳的含量及其占比
Tab. 1 The content and proportion of TOC, SEC, WEC, MBC and AHC in the surface sediment of the Pearl River Estuary
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表 3 有机碳、总氮及各类活性有机碳的相关性
Tab. 3 The Pearson correlation coefficients of TOC, TN, SEC, WEC, MBC and AHC(n=24)
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