论文部分内容阅读
大坝建设导致的河流湖库化与富营养化是全球共同面临的重要环境问题。富营养化水体(包括湖泊、水库、河口、海洋)易出现低氧(DO<2.0 mg·L-1)甚至无氧现象,同时产生大量的CO2等温室气体,进而加剧全球气候变暖。本研究选取闽江下游水口电站深水型水库(湖泊区)为研究对象,开展沿程调查、剖面测量与原位培养实验,从季节、月、日不同时间尺度分析水库低氧区的形成、耗氧过程和二氧化碳排放特征,初步揭示富营养化水体的碳氧耦合作用机制。主要研究结论如下:(1)深水型水库双层层化结构抑制垂向混合、亚热带雨季通过径流输入大量外源有机质和库区初级生产形成内源有机质的分解耗氧,是水库低氧持续时间长(4个月)、低氧深度大(5m以下深度)的主要原因。基于重点站位逐月剖面精细测量,以及表底水质多参数的同步监测,捕捉水库层化、低氧区形成和消失的动态变化过程。水口水库的水温分层开始于七月中旬,结束于十一月中旬,底层水体低氧状态长达4个月之久。低氧区由底层(60 m)逐步扩大至表层水体(5 m),冬季降温后分层消失,随后1个月溶解氧恢复为正常水平(5 mg·L-1)。分层期水柱中自上而下出现了两个温跃层:位于5 m左右的表层温跃层和位于40 m左右的中层温跃层。两个温跃层抑制富氧的表层水与缺氧底层水交换。雨季4～9月(占全年降雨的80.6%)大量颗粒物通过河流进入库区,约占全年总悬浮颗粒物(TSM)通量的62.8%。夏季整个水柱的积分总初级生产力(GPP,240μmolO2·m-2·d-1)高于冬季(147 μmolO2·m-2·d-1),夏季表层沉积物C/N 比值(9.40)低于春季(13.07)。外源输入有机物和夏季初级生产合成有机质(富营养化过程)是库区低氧的主要成因。(2)水库水中耗氧过程以细菌呼吸为主,硝化作用耗氧贡献较小。基于季节性现场表底层原位培养实验,我们发现水口水库总耗氧速率(TOD)的变化范围为:夏季10.6～68.1 μmolO2·L-1·d-1,冬季2.98～30.99μmolO2·L-1·d-1,与夏季水温较高有关。水口水库硝化过程的耗氧速率(NOD)处于较低的水平(夏季为0.41～1.44μmolO2·L-1·d-1,冬季为0.11～0.90μmolO2·L-1·d-1),夏季中层水体硝化速率最高,冬季底层水体硝化速率最高。夏季细菌呼吸速率(MOD)的变化范围为10.20～68.04μmolO2·L-1.d-1,冬季为2.01～30.40 μmolO2·L-1.d-1。夏季MOD占TOD的96%以上,冬季则占67%以上。(3)水中碳氧比值反映水库夏季低氧抑制了当季有机碳循环,秋冬季底层水泄流是大气二氧化碳“源”的热点时区(hot spots)。假设有机物分解产生的CO2与消耗的O2符合Redfield比值的化学计量范围(即△CO2/△02比值为0.62～0.90),夏季△CO2/△02比值低于正常范围,秋冬季高于正常范围。推测主要机理为:夏季层化底层缺氧,径流带来的大量颗粒物和生源有机物沉积到底部,分解受抑制(碳氧比值偏低);秋冬季降温,层化减弱,垂向混合加强,以及支流富氧水的汇入,使湖泊区底层水供氧增强,前期累积的有机质分解形成大量的盈余二氧化碳(碳氧比值偏高)。四个季节湖泊区CO2的水-气交换通量-20.1～346 mmol.m-2.d-1(平均203 mmol.m-2.d-1)。除夏季表层水表现为大气CO2的“汇,,以外(5 m以深CO2过饱和),其余季节均为CO2“源”。冬季(1 1月)观测到坝下河段的水-气通量为279～372 mmol·m-2·d-1,高于同期的水库内湖泊区通量(299.86 mmol·m-2·d-1)。层化和富营养化导致底层水积累大量的CO2,通过大坝下泄至下游后快速释放。因此,水库泄流是河流系统向大气释放CO2的重要途径。