河流—河口系統(tǒng)溶解有機(jī)物的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素.pdf

1、溶解有機(jī)物(DOM)在水環(huán)境的生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中起著重要作用。河流向海洋輸送DOM的過程是連接陸地與海洋兩大生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。在全球變化的大背景下,暴風(fēng)雨和干旱事件的發(fā)生強(qiáng)度和頻率可能增加,而人為活動(dòng)的干擾已經(jīng)并且正在繼續(xù)加劇,因此,開展河流.河口系統(tǒng)DOM的動(dòng)態(tài)變化及其生物地球化學(xué)調(diào)控因素的研究具有重要意義。但對(duì)于處于東亞季風(fēng)區(qū)、近幾十年來人為干擾顯著加強(qiáng)的中國東部入海河流,將河流.河口系統(tǒng)耦合起來開展DOM動(dòng)態(tài)變化

2、及其影響因素的研究還鮮見報(bào)道。本論文選取位于亞熱帶的臺(tái)灣海峽兩岸河流.河口系統(tǒng)(九龍江及其河口區(qū)、臺(tái)灣西部河流.河口系統(tǒng))作為典型研究區(qū)域,應(yīng)用溶解有機(jī)碳(DOC)、紫外-可見吸收光譜測定以及國際上先進(jìn)的三維熒光光譜(EEM)測定與平行因子分析(PARAFAC)解譜相結(jié)合的手段,研究氣候變化和人為干擾下河流DOM的動(dòng)態(tài)變化、DOM在河口區(qū)的動(dòng)態(tài)變化及其與河流的耦合關(guān)系、以及影響河口區(qū)DOM非保守行為的生物過程與化學(xué)過程,探討DOM從河流

3、向海洋輸運(yùn)的關(guān)鍵影響因素。得出以下主要結(jié)果:
　　 (1)極端天氣事件對(duì)九龍江DOM動(dòng)力學(xué)的影響
　　 對(duì)比2008年8月～2009年6月期間在九龍江2條干流(北溪、西溪)開展的5次調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),暴雨事件與人類活動(dòng)均能顯著影響河流DOM的含量與化學(xué)組成。暴雨過后,河流中DOC濃度和有色溶解有機(jī)物(CDOM)的吸收系數(shù)(a280)可顯著升高,而吸收光譜斜率比值(SR)和類蛋白質(zhì)熒光組分所占的百分比降低,分別意味著河流DOM

4、平均分子量的升高和生物可利用性的下降。在北溪,污染嚴(yán)重的站位的DOC濃度和α280顯著高于相鄰的站位;從上游往下游,西溪的熒光強(qiáng)度總體升高,而DOC濃度和α280沒有類似的趨勢(shì),指示DOM的熒光產(chǎn)率升高,可能是因?yàn)榫用駞^(qū)和工業(yè)活動(dòng)來源DOM輸入的增加。在長時(shí)期的干旱背景下,河流中污染物累積、水質(zhì)惡化,2009年2月在北溪下游出現(xiàn)嚴(yán)重的甲藻水華事件,導(dǎo)致受影響站位的DOC濃度、α280、SR及類蛋白質(zhì)熒光組分所占比例升高,指示平均分子量較

5、小的自生源有機(jī)質(zhì)的增加。
　　 2011年6月在九龍江北溪下游定點(diǎn)站對(duì)一個(gè)暴雨事件過程進(jìn)行了高頻率的連續(xù)采樣監(jiān)測,結(jié)果表明,暴雨徑流中DOC濃度升高了22％,輸出通量升高了5倍;CDOM和熒光組分的含量和輸出通量也顯著升高。但是,DOC、CDOM和熒光組分對(duì)暴雨的響應(yīng)存在一定差異,CDOM和熒光組分被暴雨沖刷到河道中的速度比DOC慢,但可以持續(xù)更久。此外,暴雨事件中SR值降低,指示DOM的平均分子量升高;長波激發(fā)的類腐殖質(zhì)熒光組

6、分(260,395/458 nm)所占的比例升高。最后,DOM化學(xué)組成的變化滯后于其通量的變化,并且比徑流量變化持續(xù)更久。
　　 (2)土地利用類型變化對(duì)九龍江支流DOM的影響
　　 2009年8月對(duì)九龍江15個(gè)支流的調(diào)查結(jié)果表明,DOM含量與化學(xué)組成受到土地利用類型變化的顯著影響。DOC濃度與子流域的建設(shè)用地面積、水體面積顯著正相關(guān),而與林地所占的比例顯著負(fù)相關(guān),可能與人為污染和水體自生生產(chǎn)均能使水體DOC濃度升高有關(guān)

7、;α280及3個(gè)熒光組分強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與DOC濃度類似。九龍江支流的SR值較低,指示陸源大分子腐殖質(zhì)對(duì)DOM具有重要貢獻(xiàn);SR值與α280顯著正相關(guān),表明隨著α280的升高,DOM的平均分子量降低?？傮w上,九龍江支流中的熒光組分以類腐殖質(zhì)為主,可能與流域的土地利用類型以林地為主(69.4％)有關(guān);短波激發(fā)類腐殖質(zhì)組分C1％與水體比例、未利用土地的面積及比例正相關(guān),說明C1組分可能部分來源于河流自生源;長波激發(fā)類腐殖質(zhì)組分C2％與林地比例

8、顯著正相關(guān),而與建設(shè)用地面積和比例均呈負(fù)相關(guān),與林地土壤和河流的DOM以類腐殖質(zhì)為主一致;類蛋白質(zhì)組分C3％的情況則和C2％相反,可能是因?yàn)槿藶槲廴編泶罅康念惖鞍踪|(zhì)DOM,且人類來源的營養(yǎng)鹽也能促進(jìn)富含類蛋白質(zhì)的自生源DOM的生產(chǎn)。
　　 (3)九龍江口DOM的時(shí)空變化及其與河流的耦合關(guān)系
　　 2008年8月～2011年11月期間開展的8次現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明,九龍江口的DOC濃度、α280和3個(gè)熒光組分(類腐殖質(zhì)組分C

9、1和C2及未知或蛋白質(zhì)組分C4)的熒光強(qiáng)度均大致隨著鹽度的升高而降低,表明該區(qū)域DOM的河口行為以表觀保守行為為主。但是,在3個(gè)枯季航次中,類色氨酸組分C3的熒光強(qiáng)度在中低鹽度區(qū)并不隨著鹽度的升高而降低,可能受到河口自生源的添加;在洪季航次中,C3的添加現(xiàn)象減弱,可能是因?yàn)楹榧镜暮恿鲝搅髁孔兇蟆⒑涌谒w停留時(shí)間變短、濁度也變大,不利于河口區(qū)的自生生產(chǎn)。河流.河口界面是九龍江口DOM表觀非保守行為最顯著的區(qū)域,DOM?？杀憩F(xiàn)出顯著的先清除

10、后添加現(xiàn)象,可能與該區(qū)域的動(dòng)態(tài)環(huán)境有關(guān);但在2011年4月,該界面的鹽度梯度增大,DOC濃度、α280和各個(gè)熒光組分的熒光強(qiáng)度的變化主要受控于咸淡水混合。在河口.近海界面,熒光組分C3和C4的熒光強(qiáng)度存在快速變化,可能是因?yàn)樵谶@個(gè)界面上有閩浙沿岸水等其它DOM來源,使這些組分在近海的混合特征與河口存在差異?？傮w上,SR和類蛋白質(zhì)組分所占百分比都隨著鹽度的升高而升高。由于河流輸入是河口區(qū)DOM的一個(gè)主要來源,河口區(qū)的DOM與河流之間存在密

11、切關(guān)系,表現(xiàn)在:河口的熒光組分與河流的熒光組分存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;河口區(qū)淡水端的DOC濃度表現(xiàn)為洪季高于枯季,與河流.DOC濃度的時(shí)間變化密切相關(guān);河口區(qū)類蛋白質(zhì)組分所占百分比通常表現(xiàn)為枯季較高,與河流的結(jié)果對(duì)應(yīng)。
　　 (4)臺(tái)灣西部河口DOM的動(dòng)態(tài)變化及其與流域背景的耦合關(guān)系
　　 2010年7月和11月對(duì)臺(tái)灣西部河口的調(diào)查結(jié)果表明,不同河口之間的DOM含量差異很大。河口低鹽度區(qū)的α280與流域的人口密度正相關(guān),而與

12、源頭海拔、降水量和Ln(年平均徑流量)負(fù)相關(guān),并且在人口密度低的高山河流最低,可能是因?yàn)檫@類河流的污染較低且沖刷和稀釋作用較強(qiáng)。各熒光組分的熒光強(qiáng)度也與流域背景存在類似的相關(guān)關(guān)系。DOM在臺(tái)灣西部河口和近海大多呈現(xiàn)表觀保守行為,可能與其長度短、水流急、水體停留時(shí)間短等有關(guān)。但在個(gè)別河口,DOM呈現(xiàn)表觀非保守行為:7月份四重溪的低鹽度區(qū)存在自生源的添加,11月份高屏溪近海存在多種水體的混合。SR和類蛋白質(zhì)組分所占百分比隨著鹽度的升高而升高

13、,但后者在二仁溪、鹽水溪、曾文溪、烏溪和北港溪等河口區(qū)的值高于其它河口,可能受到現(xiàn)場生產(chǎn)和污水等的添加。
　　 (5)河口區(qū)DOM的微生物降解過程
　　 2011年4月對(duì)九龍江口DOM進(jìn)行的微生物降解實(shí)驗(yàn)表明,微生物降解不僅是DOM的一個(gè)去除途徑,也通過選擇性利用DOM中的活潑組分而改變DOM的化學(xué)組成。多數(shù)實(shí)驗(yàn)組的DOC濃度和α280在28天后分別下降了6.8％～25.3％和22.8％～38.4％,并且以淡水端細(xì)菌對(duì)淡

14、水DOM的降解比例最高。微生物降解使多數(shù)樣品的SR值下降,表明細(xì)菌可能優(yōu)先降解了低分子量的組分或者生產(chǎn)了較大分子量的組分。在4個(gè)熒光組分中,類色氨酸組分C3的降解最顯著,而兩個(gè)類腐殖質(zhì)組分在部分實(shí)驗(yàn)組都呈現(xiàn)凈生產(chǎn),微生物的選擇性利用使多數(shù)實(shí)驗(yàn)組中類蛋白質(zhì)組分所占百分比顯著下降。
　　 (6)河口區(qū)有機(jī)物在顆粒態(tài)與溶解態(tài)之間的解吸.吸附過程
　　 2011年8月和11月九龍江口解吸.吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,懸浮顆粒物上含有可以解

15、吸到水體中的水溶性有機(jī)物(WSOM),相當(dāng)于水體DOC濃度的1.4％～19.7％,也相當(dāng)于水體CDOM的4.6％～45.9％(除8月最大渾濁帶底層高達(dá)101.4％外);顆粒物的解吸量可能受到顆粒物濃度的影響,呈現(xiàn)洪季高于枯季,從河端向海端降低的趨勢(shì),其中最大渾濁帶的顆粒物解吸作用最顯著;11月WSOM的SR值和類蛋白質(zhì)熒光組分所占比例均與鹽度正相關(guān),指示平均分子量的下降和自生源有機(jī)質(zhì)的增加。河口沉積物也含有WSOM,并且以泥質(zhì)沉積物解吸

16、量最多、粗砂最少。顆粒物和沉積物WSOM的SR值相近,且高于水體CDOM的值,意味著WSOM的平均分子量較低。沉積物對(duì)DOM的吸附作用是一個(gè)較快的過程,經(jīng)過2小時(shí)的吸附.解吸過程,河流.河口界面的水樣中,10.5％～31.9％的DOC、4.1％～26.1％的CDOM和0.7％～15.2％的熒光組分被凈吸附。在停留時(shí)間短、濁度高的九龍江河流.河口界面,相對(duì)于較為緩慢的微生物降解過程和受到光限制的光降解過程,吸附.解吸過程可能是造成DOM快