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

1、溶解有機物(DOM)在水環(huán)境的生物地球化學循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)動力學中起著重要作用。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,暴風雨和干旱事件的發(fā)生強度和頻率可能增加,而人為活動的干擾已經(jīng)并且正在繼續(xù)加劇,因此,開展河流.河口系統(tǒng)DOM的動態(tài)變化及其生物地球化學調(diào)控因素的研究具有重要意義。但對于處于東亞季風區(qū)、近幾十年來人為干擾顯著加強的中國東部入海河流,將河流.河口系統(tǒng)耦合起來開展DOM動態(tài)變化

2、及其影響因素的研究還鮮見報道。本論文選取位于亞熱帶的臺灣海峽兩岸河流.河口系統(tǒng)(九龍江及其河口區(qū)、臺灣西部河流.河口系統(tǒng))作為典型研究區(qū)域,應用溶解有機碳(DOC)、紫外-可見吸收光譜測定以及國際上先進的三維熒光光譜(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的動態(tài)變化、DOM在河口區(qū)的動態(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過程,探討DOM從河流

3、向海洋輸運的關(guān)鍵影響因素。得出以下主要結(jié)果:
　　 (1)極端天氣事件對九龍江DOM動力學的影響
　　 對比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均能顯著影響河流DOM的含量與化學組成。暴雨過后,河流中DOC濃度和有色溶解有機物(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,西溪的熒光強度總體升高,而DOC濃度和α280沒有類似的趨勢,指示DOM的熒光產(chǎn)率升高,可能是因為居民區(qū)和工業(yè)活動來源DOM輸入的增加。在長時期的干旱背景下,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)嚴重的甲藻水華事件,導致受影響站位的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、小的自生源有機質(zhì)的增加。
　　 2011年6月在九龍江北溪下游定點站對一個暴雨事件過程進行了高頻率的連續(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和熒光組分對暴雨的響應存在一定差異,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九龍江支流DOM的影響
　　 2009年8月對九龍江15個支流的調(diào)查結(jié)果表明,DOM含量與化學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個熒光組分強度的變化趨勢與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DOM具有重要貢獻;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。總體上,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),而與建設用地面積和比例均呈負相關(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,可能是因為人為污染帶來大量的類蛋白質(zhì)DOM,且人類來源的營養(yǎng)鹽也能促進富含類蛋白質(zhì)的自生源DOM的生產(chǎn)。
　　 (3)九龍江口DOM的時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個枯季航次中,類色氨酸組分C3的熒光強度在中低鹽度區(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,可能是因為洪季的河流徑流量變大、河口水體停留時間變短、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和各個熒光組分的熒光強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的熒光強度存在快速變化,可能是因為在這個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。總體上,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應關(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)果對應。
　　 (4)臺灣西部河口DOM的動態(tài)變化及其與流域背景的耦合關(guān)系
　　 2010年7月和11月對臺灣西部河口的調(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)負相關(guān),并且在人口密度低的高山河流最低,可能是因為這類河流的污染較低且沖刷和稀釋作用較強。各熒光組分的熒光強度也與流域背景存在類似的相關(guān)關(guān)系。DOM在臺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、水體停留時間短等有關(guān)。但在個別河口,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月對九龍江口DOM進行的微生物降解實驗表明,微生物降解不僅是DOM的一個去除途徑,也通過選擇性利用DOM中的活潑組分而改變DOM的化學組成。多數(shù)實驗組的DOC濃度和α280在28天后分別下降了6.8％～25.3％和22.8％～38.4％,并且以淡水端細菌對淡

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個熒光組分中,類色氨酸組分C3的降解最顯著,而兩個類腐殖質(zhì)組分在部分實驗組都呈現(xiàn)凈生產(chǎn),微生物的選擇性利用使多數(shù)實驗組中類蛋白質(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.吸附實驗結(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物(WSOM),相當于水體DOC濃度的1.4％～19.7％,也相當于水體CDOM的4.6％～45.9％(除8月最大渾濁帶底層高達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,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DOM的吸附作用是一個較快的過程,經(jīng)過2小時的吸附.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。在停留時間短、濁度高的九龍江河流.河口界面,相對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