貴州山區(qū)湖泊水體中溶解有機質(zhì)的時空分布及其生物地球化學(xué)循環(huán)——以紅楓湖、百花湖為例.pdf

1、作為天然水體中的有機部分，天然有機質(zhì)在水生生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程中都有著重要的作用。天然有機質(zhì)可分為顆粒態(tài)和溶解態(tài)，與顆粒態(tài)相比，對溶解態(tài)有機質(zhì)的了解是更為缺乏的。近期的研究顯示溶解有機質(zhì)(DOM)與水體中的營養(yǎng)鹽負(fù)荷和食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)一起決定著水生生態(tài)系統(tǒng)的屬性和動態(tài)。DOM在水環(huán)境中具有許多重要功能：影響水體的酸堿度和溶解氧、碳氮循環(huán)，對水體中的微量金屬離子和有機污染物的形態(tài)毒性、遷移轉(zhuǎn)化和生物有效性有重要影響。同時，DOM也是

2、飲用水消毒過程中生成有毒副產(chǎn)物例如三鹵代甲烷的母質(zhì)。而DOM對污染物的地球化學(xué)行為及環(huán)境效應(yīng)和對水生態(tài)系統(tǒng)的影響程度與DOM的含量、組成和DOM在天然水體中的分布和轉(zhuǎn)化等信息有著密切的關(guān)系?；诖耍斜匾獙μ烊凰w中DOM本身的時空分布和生物地球化學(xué)循環(huán)進行系統(tǒng)的研究。
　　 本論文選擇貴州山區(qū)湖泊—紅楓湖和百花湖為研究對象，對兩湖水體進行了近兩年的采樣，測定了溶解有機碳(DOC)和溶解有機氮(DON)濃度，DOM的熒光光譜特征

3、，營養(yǎng)元素及其他一些水化學(xué)參數(shù)，揭示了DOM的時空分布規(guī)律、遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素，初步總結(jié)了DOM的生物地球化學(xué)循環(huán)模型，并初步分析了DOM與營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程中的相互作用。本論文得到以下結(jié)論：
　　 1.在整個采樣期間，紅楓湖DOC的濃度范圍為1.60～3.08 mg·L-1，百花湖DOC的濃度范圍為1.71～3.96 mg·L-1。紅楓湖兩個采樣點處水體中DOC濃度的垂向分布隨季節(jié)發(fā)生變化。在湖水完全混合期上下層水

4、體DOC的濃度基本一致，而在湖水化學(xué)分層期DOC濃度表現(xiàn)出從上層往下層減小的趨勢。百花湖的情況與紅楓湖相似。
　　 2.在整個采樣期間，紅楓湖DON的濃度范圍為0.10～0.37 mg·L-1，百花湖DON的濃度范圍為0.16～0.66 mg·L-1。在整個采樣期間紅楓湖DON占溶解性總氮(TDN)的比例為5％～22％，平均為12％；百花湖DON占TDN的比例為7％～33％，平均為15％。紅楓湖兩個采樣點處水體中DON濃度的垂向

5、分布隨季節(jié)發(fā)生變化。在湖水完全混合期上下層水體DON的濃度基本一致；而在湖水化學(xué)分層期DON濃度大致表現(xiàn)出從上層往下層減小的趨勢。百花湖的情況與紅楓湖相似。DON的剖面變化比DOC復(fù)雜。
　　 3.紅楓湖表層水體中(0～2m或3 m)DOC濃度在每年的春末夏初或夏季達到最大值。DON濃度在春末夏初稍高于同年的其他月份。Chla含量與DOC濃度的季節(jié)變化有一定的同步性，這暗示著藻類對表層水體DOC庫作出貢獻的可能性。表層水體DOC

6、濃度的最大值正好出現(xiàn)在第一次強降雨之后，這也暗示降雨后形成的地表徑流向紅楓湖輸送大量陸源有機質(zhì)的可能性。兩種貢獻究竟以哪種為主還有待進一步研究。百花湖BH-1處表層水體中DOC和DON濃度的季節(jié)變化與BH-2采樣點一致，DOC和DON濃度均在2003年5月底和2004年2月底出現(xiàn)峰值，花橋處外來DOM的輸入和紅楓湖下泄水的稀釋作用共同控制著百花湖表層水體DOM濃度的季節(jié)變化模式。
　　 4.紅楓湖整體的DOM C/N比值的變化范

7、圍為8～24，百花湖為6～15。在紅楓湖和百花湖水體中DOM的C/N比值和chla濃度并沒有相關(guān)關(guān)系，說明兩湖DOM的C/N比值并不是單純受藻類活動的影響。不能單由DOM的C/N比值判斷出DOM的來源。紅楓湖和百花湖水中DOM的三維熒光峰peak A和peak C指示流域內(nèi)陸源或經(jīng)湖泊內(nèi)部生物改造或生產(chǎn)的DOM所含熒光團，而peak B和peak D則指示人為污染來源水體中DOM所含的熒光團。
　　 5.紅楓湖和百花湖水體中NO

8、2--N、NH4+-N、TDP的濃度一般在分層期的底層有最大值，而NO3--N的濃度則一般在分層期的中上層有最大值。推測營養(yǎng)元素的這種分布與有機質(zhì)(包括POM和DOM)的礦化有較大的關(guān)系。
　　 6.從百花湖和紅楓湖湖泊水體分層期到混合期這段時間DOM以及C/N比值、營養(yǎng)元素等參數(shù)剖面變化演變的過程可以得到以下結(jié)論：在湖泊的熱分層期(7月底)各參數(shù)的變化最大，DOM在下層水柱剖面上有一定的降解，但也可能有其他的來源，例如沉積物來

9、源，水生的顆粒態(tài)有機質(zhì)可能在中下層發(fā)生降解，成為DOM的內(nèi)源，同時也成為營養(yǎng)鹽的內(nèi)源。而在熱分層較弱的夏末秋初(9月底)，DOM主要在水體內(nèi)降解，且降解的強度較大。而在湖泊水體的混合期各個參數(shù)在垂向剖面上沒有多大的變化。由此可以看出湖泊水體分層對DOM和營養(yǎng)元素遷移轉(zhuǎn)化的影響以及POM所起的作為DOM內(nèi)源的作用。DOM的C/N比值在垂向剖面上表現(xiàn)出與DON相反的變化趨勢。
　　 7.以HF-S處為代表說明沉積物與上覆水體的相互作

10、用可能對水體中DOM產(chǎn)生的影響。HF-S處沉積物孔隙水中的DOC和DON以及NH4+-N可能向上覆水體擴散，而上覆水體的NO3--N可能向沉積物擴散。
　　 8.紅楓湖下層水DOM的礦化將對水體中的無機碳和氮有貢獻。DOC和DON的礦化率的比值為4.5，比沉降到湖底的POM的C∶N比(10)低，同時也比下層水DOM C∶N比的平均值要低(HF-S和HF-N分別為17和11)，這說明含氮豐富的DOM優(yōu)先礦化。百花湖由于受外來DOM

11、的影響較大，很難按文中的方法計算DOC和DON的礦化。
　　 9.紅楓湖和百花湖屬貴州山區(qū)湖泊，DOC濃度相對較低。與非山區(qū)的湖泊相比，由于季節(jié)性溫差大和湖水足夠深，水體出現(xiàn)季節(jié)性的分層，這種分層現(xiàn)象對DOM的遷移轉(zhuǎn)化有很大影響。
　　 以上的研究結(jié)果全面揭示了貴州喀斯特山區(qū)湖泊水體中DOM的濃度水平和時空分布，并初步總結(jié)了其生物地球化學(xué)循環(huán)，有助于理解這一類型湖泊水體中DOM的地球化學(xué)行為以及DOM對重金屬和有機污染物