三峡库区城镇化背景下河流溶解性有机质特征及降解规律研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院) | 被引量 : 2次 | 上传用户:zmzsyx
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人类活动正在影响和改变全球水资源和水生生态系统状况。城镇化过程对河流生态系统的物种组成、水体的透明度和生物地球化学过程造成影响。溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)在水生态系统中的重要功能包括:如O2和CO2循环,水体初级生产力,光合作用以及气-水界面交换等。河流DOM的成分和结构特征,不仅可以作为反映城镇化等人类活动对河流生态系统的影响的指标之一,也显著影响河流微生物群落所参与的碳循环过程。近年来水体中DOM的组分来源、时空格局、降解与生物转化等领域得到了广泛关注与大量研究。随着我国城镇化进程不断加快,城镇化对河流水质及河流DOM的组分、结构和来源产生了显著影响。长江为亚洲第一、世界第三大河流,三峡库区的水生态状况对长江中下游地区的生态环境、社会经济具有直接影响。目前关于城镇化对三峡库区河流DOM影响的相关研究,国内鲜有报道。本研究以三峡库区城镇化程度不同的典型河流作为研究对象,通过野外取样、现场监测、实验分析和控制实验等手段,应用生态学、生物地球化学等多学科理论,通过溶解性有机碳含量(DOC)测定、紫外/可见吸收光谱(UV-Vis)和激发-发射三维荧光光谱(EEMs)的测定与多元统计分析等技术手段,研究三峡库区城镇化背景下河流DOM的组成及时空动态变化、DOM的来源及迁移转化规律、以及DOM的生物可利用性,探究河流DOM的时空变化及生物降解的调控因素。主要研究结果如下:(1)三峡库区城镇化背景下河流DOM特征的空间格局三峡库区城镇化背景下河流DOM的空间分布特征受流域城镇化高低的影响。随着流域城镇化程度增加,河流的DOM浓度和有色溶解性有机质(colored dissolved organic matter,CDOM)浓度增大,且河流DOC含量和CDOM浓度的空间变化显著正相关(p<0.05),河流内部DOC含量和CDOM浓度沿水流方向随城镇化升高而增大。流域城镇化程度越高,河流DOM的腐殖化程度(SUVA254)和芳构化程度(SUVA280)越低,疏水性组分(SUVA260)越少,类蛋白物质相对浓度[Fn(280)]越高。DOM的腐殖化程度(SUVA254)和疏水性组分(SUVA260)的空间变化极显著正相关(p<0.01),河流内部DOM的腐殖化程度和疏水性组分均沿水流方向随城镇化水平升高而降低。(2)三峡库区城镇化背景下河流DOM特征的旱、雨季变化三峡库区城镇化背景下河流DOM特征具有显著的旱、雨季时空变化。不同城镇化高低的桃花溪、南河和普里河,河流DOC含量和CDOM浓度(p>0.05)均为雨季(4月和8月)高于旱季(1月和11月),有色DOM的占比(CDOM/DOC)(p>0.05)为旱季高于雨季。流域城镇化高低不同的河流DOM的富里酸比例(E3/E4均值)、有机质的内源性(E2/E4均值)、平均相对分子质量(p<0.05)均为雨季大于旱季。各河流DOM的类蛋白物质丰度[Fn(280)](p>0.05)均为雨季高于旱季。旱、雨两季,三峡库区河流DOC含量、CDOM浓度和类蛋白物质的相对丰度均与流域城镇化高低一致,为桃花溪>南河>普里河,且DOC含量和CDOM浓度沿水流方向随城镇化程度逐渐增大。旱、雨两季,河流CDOM占比(CDOM/DOC均值)、腐殖化程度或芳香族物质含量(SUVA254)和疏水性组分含量(SUVA260)都为普里河>南河>桃花溪,与流域城镇化高低程度相反。桃花溪、南河和普里河河流DOM腐殖质中微生物代谢来源的贡献大小(FI均值)均为旱季高于雨季,各河流DOM的腐殖化程度(HIX)和DOM的自生源特征(BIX)均没有显著的旱、雨季差异(p>0.05)。(3)三峡库区城镇化背景下河流DOM的春、夏季格局三峡库区受光照、流量、浮游生物活性等影响,河流DOM于春、夏季较为活跃,城镇化背景下DOM的含量、组成和来源等特征的春、夏时空格局为:不同城镇化高低河流桃花溪和普里河,DOC含量(p>0.05)、DOM的相对分子质量(p<0.01)均为夏季(8月)大于春季(4月),CDOM浓度(p<0.01)、有色DOM占比(CDOM/DOC)(p<0.01)、DOM的腐殖化或芳香族物质含量(SUVA254)(p<0.01)、疏水性组分含量(SUVA260)(p<0.01)、内源性大小(E2/E4)(p<0.05)、富里酸类占比(E3/E4)(p<0.01)均为春季(4月)大于夏季(8月)。不同城镇化高低的河流DOM的腐殖化程度(HIX)均为春季(4月)高于夏季(8月),DOM的类蛋白物质相对浓度[Fn(280)]、新近自生源特征(BIX)均为夏季(8月)高于春季(4月),季节变化不显著。三峡库区高城镇化桃花溪和低城镇化普里河,春、夏季FI均值为1.69451.7571,DOM腐殖质来源均为陆源输入与浮游生物、藻类产生两种方式混合,且以内源居多。春、夏季河流BIX均值都为0.830.92,DOM均具有中度新近自生源特征。(4)三峡库区城镇化背景下河流DOM的来源三峡库区城镇化背景下的桃花溪、南河和普里河,旱、雨两季FI均值范围为1.72881.8221,腐殖质来源为微生物代谢和陆源贡献混合,且以微生物代谢为主。桃花溪、南河和普里河雨季BIX值范围为0.760.99,旱季BIX值范围为0.790.96,旱、雨两季BIX值均小于1,河流DOM来源为新近自生源与外来源混合。城镇化背景下,旱季和雨季河流HIX值范围为1.586.22,河流DOM均具有弱腐殖质特征。(5)三峡库区城镇化背景下河流DOM的微生物降解流域城镇化进程显著影响三峡库区河流DOM的微生物降解特征。结果表明,三峡库区城镇化背景下,流域高城镇化桃花溪河流DOM的生物可利用度(BDOC均值:1.42利用三峡库区城镇化背景下,流域高mg.L-1)高于流域低城镇化的普里河(BDOC均值:0.96低城镇化的普里河化背景下,流域高mg.L-1)。在相同季节(夏、秋季)同一培养温度(20℃、30℃)下,桃花溪的BDOC均值均大于同培养条件下普里河的BDOC均值。桃花溪和普里河在各季节、各培养温度下,河流内部下游样点BDOC值均高于上游样点。三峡库区城镇化背景下,桃花溪和普里河水样经各条件暗箱培养42day后,CDOM浓度均降低,DOM的平均相对分子质量增大,腐殖化或芳香族物质含量(SUVA254)增大,疏水性组分(SUVA260)增多,DOM的内源性(E2/E4)增强,富里酸所占比例(E3/E4)增大。季节变化和培养温度均对DOM的微生物降解产生影响。三峡库区城镇化背景下河流DOM的生物降解率(%BDOC)为夏季(8月)较秋季(11月)更高。DOM的微生物降解过程中,升高培养温度(30℃)较低温(20℃),三峡库区河流DOM的生物降解率(%BDOC)增强,且使微生物降解中DOM的腐殖化或芳香族物质丰度(SUVA254)增大,疏水性组分含量(SUVA260)增多。
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