三峽庫區(qū)消落帶土壤溶解性有機質淹水釋放行為與結構表征.pdf

1、三峽水庫作為舉世矚目的特大調節(jié)型水庫，其淹沒的陸地面積達632km2，根據(jù)水庫“蓄清排濁”的調度方案，于每年9月蓄水至175m高程，次年4月水位降至145m，由此在庫周形成一個落差30m，面積349km2的水位消落區(qū)域。三峽庫區(qū)消落帶作為水生生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的銜接帶，是庫區(qū)周邊兩種生態(tài)系統(tǒng)能量和物質轉化的活躍地帶，其具有的緩沖帶和植物護岸功能，使其對外界的變化相當敏感。由于陸地土壤有機質(SOM)的巨大含量，它對全球碳循環(huán)起著極其

2、重要的作用，而溶解性有機質(DOM)作為土壤有機質中最活躍的部分，對營養(yǎng)元素、重金屬、有機污染物等的吸附-解吸與遷移轉化，乃至全球碳循環(huán)均有重要影響，逐漸成為土壤與環(huán)境污染研究中的重點與熱點。以“干濕交替”為典型特征的三峽庫區(qū)消落帶，在落干后的淹水過程中土壤DOM將成為上覆水DOM的重要來源，而落干期的植被生長與人類的土地開采和利用，將改變土壤DOM的結構與性質，使其在淹水過程中對上覆水 DOM的影響變得更為復雜。土壤 DOM在土-水界

3、面間的交換行為深刻地影響著陸生與水生生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡，同時對各種污染物的遷移轉化和生物有效性等也將產(chǎn)生重要影響。因此，三峽庫區(qū)消落帶土壤DOM的淹水釋放行為特性與結構特征將深刻地影響著各類物質的環(huán)境行為與效應?；诖?，本文選取三峽庫區(qū)消落帶4個典型區(qū)域土壤DOM為主要研究對象，結合紫外可見、三維熒光等光譜手段，對消落帶土壤DOM的淹水釋放行為特性與結構特征進行研究，以期有助于進一步認識三峽庫區(qū)消落帶土壤 DOM的地化特征及環(huán)境角色。研究

4、結果表明：
　　（1）消落帶4個區(qū)域土壤DOM在淹水過程中均呈現(xiàn)“快速釋放-下降-動態(tài)平衡”的釋放規(guī)律；釋放速率和通量計算表明，土壤DOM釋放呈現(xiàn)出“源-匯動態(tài)交換”特征。對比厭氧淹水與正常淹水兩種處理上覆水DOM的紫外-可見光譜特征，在整個淹水周期中石寶寨(SB)上覆水DOC和CDOM顯著差異，厭氧淹水 DOM芳香性(SUVA280)高于正常淹水，而光譜斜率比值(SR)對不同淹水條件不敏感。同時，厭氧淹水的上覆水DOC和CDOM

5、的相關性也明顯高于正常淹水。不同區(qū)域土壤淹水釋放DOM存在差異，以忠縣石寶寨土壤釋放強度最高，盡管土壤有機質含量是影響各區(qū)域土壤淹水釋放DOM差異的重要原因之一，但其他地化因素仍需考慮。因此，僅僅關注DOC濃度變化并不足以完全描述DOM的釋放特征。結合淹水汞釋放和生物富集實驗，淹水初期釋放DOM的較強芳香性和腐殖化程度，以及較強的陸源特征，有利于我們進一步解釋污染物在淹水過程中的環(huán)境行為，為了解DOM的環(huán)境角色提供數(shù)據(jù)基礎和試驗支撐。<

6、br>　?。?）土壤淹水后向上覆水體釋放DOM，上覆水DOM三維熒光光譜特征表明，土壤DOM的釋放對上覆水體DOM熒光特征有重要貢獻，且淹水后上覆水DOM熒光特性，呈現(xiàn)出和紫外-可見光譜相似特征。淹水初期DOM的快速釋放及后期去除機制，是水體DOM熒光組分的動態(tài)“源-匯”平衡的關鍵；其中類腐殖峰(A和C)受無機礦物相的吸附-釋放影響明顯，而類蛋白峰(B和T)受微生物影響較為明顯。另外，所有土壤淹水釋放后水體DOM均呈現(xiàn)出“內源+外源”的

7、復合特征。整個淹水周期，除忠縣石寶寨(SB)外，其余區(qū)域土壤在厭氧和正常淹水條件下，水體DOM熒光特征的差異性不明顯，這可能和土壤自身組成(例如無機礦物組成和有機組分)的復雜程度有關。結合可見-紫外光譜，兩種技術相互補充，證明了土壤釋放(“源”)和無機礦物、微生物、金屬氧化物的去除(“匯”)機制是控制上覆水體DOM動態(tài)變化的重要因素。
　?。?）土壤DOM的生物可利用性研究表明，在28d的實驗中DOM在厭氧處理下降解為33.51~

8、42.91％，正常處理為46.64~59.23%，兩種處理下DOM降解量差異顯著，其中KX的降解量均為最低。CDOM厭氧處理降解為5.10~16.98%，正常處理為19.92~34.70%，兩種處理的差異亦達到顯著，非生色組分在降解過程中會被優(yōu)先利用。雙指數(shù)模型表明厭氧處理易降解組分比例低于正常處理，而難降解組分比例高于正常處理，兩種組分的平均停留時間為1.02~3.45d和58.82~111.11d，水體含氧量是影響微生物降解效率的重

9、要因素。兩種處理下降解后DOM芳香化程度均顯著提高，而光譜斜率僅在厭氧下降低，體現(xiàn)了微生物對高分子組分降解的差異，S275-295與SUVA254、CDOM的相關性表明降解過程中芳香性結構對DOM分子量具有較大貢獻。兩類熒光峰降解比例的差異說明類蛋白熒光峰具有較高的生物可利用性，BIX、HIX升高說明體系中產(chǎn)生新 DOM的同時低分子量DOM被降解，DOM腐殖化程度增加。SUVA254與類蛋白熒光峰所占比例均可對 BDOC進行預測，但類蛋

10、白熒光峰對 BDOC的預測具有更廣的適用性。
　　（4）不同水-土比提取的土壤DOC擬合曲線表明4個區(qū)域土壤溶解性有機碳庫容量([DOC])及土壤DOC的吸附常數(shù)(Ks)差異較大，其中涂井(TJ)土壤DOC庫容量1.634mg·g-1最高，涪陵(FL)為0.612 mg·g-1最低，而石寶(SB)土壤具有最高的吸附常數(shù)，開縣漢豐湖(KX)最低。不同水-土比提取下有色溶解性有機質(CDOM)與DOC具有顯著正相關，說明CDOM占DO

11、C比例較為穩(wěn)定。紫外-熒光光譜參數(shù)表明疏水性組分與芳香性結構關系密切，土壤 DOC內源特征明顯，受生物來源的影響較大。
　?。?）庫區(qū)消落帶土壤DOM的H/C值為2.13~3.83，脂肪化程度較高，而標準樣品的富里酸和胡敏酸H/C為0.75~1.31，具有較高的芳香性；土壤DOM與富里酸、胡敏酸具有相似的紅外光譜特征，表明在性質與結構上具有一定的相似性，紅外峰值強度表明土壤DOM中含有較多的碳水化合物、有機酸、糖類等物質，而標準樣