天津地表水體、表層沉積物與植物有機氮同位素特征及其環(huán)境意義.pdf

1、氮素循環(huán)是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生源要素循環(huán)之一。河流是濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,也是地球表層各個圈層的紐帶。作為全球生源要素循環(huán)中陸地生態(tài)系統(tǒng)向海洋生態(tài)系統(tǒng)輸送物質(zhì)的一個重要通道,河流在很大程度上影響了河口及近海海域的初級生產(chǎn)力以及氮負荷程度。氮素是河流重要的初級生產(chǎn)力限制性營養(yǎng)元素,隨著工業(yè)文明的深入,人類活動造成的外源氮輸入顯著增加導致了水生生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化進程的加劇。氮素在河流生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的遷移轉(zhuǎn)化是整個生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要過

2、程,有一部分以有機氮的形式保存成為河流生態(tài)系統(tǒng)的氮源或匯。本文在借鑒前人研究的基礎上,試圖借助氮穩(wěn)定同位素技術(shù)研究天津海河流域的環(huán)境變化及其影響因素,探討天津海河流域環(huán)境變化過程和有機氮同位素特征值之間的關系,從而揭示本流域中短時間尺度上的氮素遷移過程以及環(huán)境演變規(guī)律,為區(qū)域內(nèi)河流濕地環(huán)境的保護與治理提供科學依據(jù)。由于河流懸浮物、表層沉積物、典型植物的氮同位素組成及其特征差異包含著流域重要的環(huán)境變化信息,所以揭示氮素生物地球化學循環(huán)的過

3、程并在區(qū)域尺度上闡明其分布特征及環(huán)境意義具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。氮同位素組成不僅反映了不同物源的貢獻,而且無機氮在吸收過程中的同位素分餾也會反饋到有機質(zhì)的同位素組成中,體現(xiàn)的是物源信息和生物地球化學過程的綜合。河流顆粒有機氮研究不但提供了氮循環(huán)的重要信息,也提供了流域內(nèi)自然及人類活動的記錄。河流顆粒有機質(zhì)以及表層沉積物、植物的有機氮含量與河流氮穩(wěn)定同位素分布特征可以揭示流域內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀與未來的變化趨勢。本論文以穩(wěn)定有機氮同位素(δ1

4、5N)技術(shù)為基礎,對天津海河流域有機氮的同位素特征及其環(huán)境意義進行了研究。確立了一套完整的有機氮穩(wěn)定同位素預處理與分析方法,運用該方法對2011年夏季天津地表水體表層懸浮顆粒物的δ15N特征、表層沉積物與植物的δ15N特征進行分析,根據(jù)不同采樣區(qū)域內(nèi)其δ15N值的變化研究河流生態(tài)系統(tǒng)中氮的遷移、轉(zhuǎn)化等生物地球化學過程,闡明氮同位素分布特征所指示的氮素循環(huán)機制及環(huán)境意義。本次研究工作分析了天津地表水體59個懸浮顆粒物樣品、44個植物樣品和

5、41個表層沉積物樣品的有機氮穩(wěn)定同位素組成及C/N比值的分布特征。研究發(fā)現(xiàn)樣品有機質(zhì)穩(wěn)定氮同位素組成受一系列復雜的生物地球化學過程影響,并不能直接指示有機氮素的來源與組成,δ15N值的特征分布體現(xiàn)的是物源信息和生物地球化學過程的綜合。從天津地表水體有機氮同位素分布特征來看,離散程度很高,該流域內(nèi)δ15NPON與C/N的相關性不高(R2=0.016),這說明河流濕地水體有機氮的多源性明顯,可能受到人為擾動的強烈作用。濕地的表層沉積物中含有

6、大量的有機質(zhì),有機氮素是該部分有機質(zhì)的重要組成成分。研究表明,表層沉積物中的有機氮主要受外源輸入影響。水體中顆粒有機氮與浮水植物、表層沉積物中有機氮同位素相結(jié)合考慮將更加有效的反映水體中有機物質(zhì)來源、遷移和變化的信息。植物體中的有機氮則受到水體、沉積物的疊加影響。以下列出本論文主要的研究結(jié)論:(1)天津地表水顆粒態(tài)有機質(zhì)氮同位素均值較高:受外源人為活動產(chǎn)生的污水影響較為明顯。天津地表水體δ15NPON值與C/N比值具有低度相關性(R2=

7、0.016)。說明δ15PON受到強烈微生物活動的影響發(fā)生改變。河流有機C/N比值特征范圍(C/N:3.7~10.2)基本介于微生物與浮游植物特征范圍內(nèi),說明浮游生物有機體是懸浮顆粒有機氮主要組成成分,河流濕地有機氮素循環(huán)過程受生物活動影響深刻。(2)市區(qū)樣品δ15NPON多數(shù)大于20‰,受城市生活污水排放的影響深刻;大部分農(nóng)業(yè)區(qū)樣品δ15NPON較低,δ15NPON均值低于10‰,此類低δ15NPON樣品可能受農(nóng)業(yè)活動影響,主要受外源

8、輸入和硝化作用影響;水庫δ15NPON值均低于15‰,體現(xiàn)了一定的內(nèi)源性特征,即藻類、浮游生物、微生物的貢獻明顯。(3)有機顆粒物進行硝化反應引起的δ15N降低比礦化作用引起的δ15N升高作用下更加明顯,因此表現(xiàn)為δ15NPON降低,但并不影響C/N值。本次研究中農(nóng)業(yè)區(qū)域水體有機顆粒氮樣品低δ15NPON值的主要原因可能由于硝化作用與外源輸入造成δ15NPON值較低的重要原因。(4)有機氮主要來源于水體自身的浮游植物和城市污水排放有機顆

9、粒物,流域內(nèi)土壤侵蝕釋放的有機氮貢獻比例較小。天津地表水端元大致分為污水端元和富營養(yǎng)靜水水體兩大類。(5)天津地表水體δ15NPON值與TN含量相關性極低(R2=0.0073);δ15NPON與NO3-含量具有一定弱正相關關系(R2=0.077),說明有機體的δ15N值傾向于水體中無機氮的同位素值。δ15NPON與δ13POC含量間具有低度的正相關關系,說明懸浮顆粒有機質(zhì)受微生物活動轉(zhuǎn)化的影響顯著。(6)天津河流濕地挺水植物(主要為蘆葦

10、)有機氮δ15N值介于3.32‰~19.89‰之間,平均11.03‰;挺水植物C/N比值范圍為:5.55~23.06,平均為14.93。挺水植物有機質(zhì)高δ15N值主要原因可能為挺水植物對DIN的同化吸收作用,與水體環(huán)境中高δ15N值的本底濃度關系密切,外源氮輸入的貢獻占優(yōu)勢且主要受物源影響。(7)天津河流濕地浮水植物(主要為水草)有機氮δ15N值介于4.77‰~22.55‰之間,平均14.2‰;浮水植物C/N比值范圍為:5.60~14.

11、54,平均為9.45。浮水植物δ15N值與δ15NPON值高度正相關,R2=0.54。浮水植物具有較高的δ15N值原因是來自水體的高δ15N值,通過植物體的同化吸收作用在有機體中積累。(8)天津地表水體表層沉積物有機氮δ15N值介于2.25‰~12.92‰之間,平均7.42‰。表層沉積物有機C/N比值:6.43~22.04。天津河流表層沉積物基本上是保守的土壤有機質(zhì)與陸源有機質(zhì)二元混合過程的結(jié)果,區(qū)域內(nèi)植物的貢獻較小。天津河流表層沉積物