河流生物地球化学昼夜变化特征 ——以桂林漓江为例

论文摘要

随着大量研究的深入开展和地球系统科学岩溶观认识的不断进步,“水-岩-土-气-生”相互作用已经成为岩溶作用碳循环新的研究方向。其中岩溶作用与水生植物光合作用相互联系在全球碳循环中扮演着重要的角色,引起了国内外的关注。而碳酸盐岩风化能否形成稳定持久的碳汇在很大程度上取决于风化产生的溶解无机碳（DIC）能否被水生光合生物利用及其利用程度。后者可通过地表水水化学、水中溶解无机碳同位素(δ13CDIC)和溶解有机碳（DOC）的昼夜变化进行探讨。论文以漓江流域为研究对象,对不同断面进行每月一次的取样工作并在不同季节进行高分辨率昼夜监测,以获得不同断面水化学昼夜变化情况,同时测定δ13CDIC组成变化,以揭示水生植物生理活动对不同断面、不同季节水化学和δ13CDIC时空变化的影响及控制机理。此外,还测定了不同断面DOC和颗粒有机碳（POC）在不同季节的变化,以揭示水生生态系统有机质生成的控制机制。最后,通过计算水体溶解氧（DO）的净生产量来估算所选取的不同断面在不同季节因“生物碳泵”产生的岩溶碳汇量。月取样时间为2017年8月至2018年7月,昼夜监测取样时间分为夏季时段（2017年9月1416日）和秋季时段（2016年10月30日11月1日）。结合样品采集及室内试验数据分析和相关计算,获得了以下认识:（1）漓江流域水化学类型为HCO3-Ca型,阳离子以Ca2+为主,Mg2+次之,阴离子以HCO3–为主,SO42–和NO3–次之。受流域岩溶作用和人类活动强度的影响,水体中Ca2+、Mg2+、HCO3–、SO42–和NO3–质量浓度呈现从上游至下游逐渐增加的趋势。受降水稀释效应和水岩作用时间长短的影响,HCO3–和Ca2+离子质量浓度均表现出雨季低,旱季高的变化特征。峡背断面、省里断面和阳朔断面Cl–/Na+的比值分别为1.10、1.12和1.46,表明随着流程的增加人类活动对漓江水体的影响增强。流域水化学参数受水岩作用、降水季节变化和水生植物生理活动共同影响,表现出明显的时空变化。pH、Ec（电导率）、TDS（溶解性总固体）和DO平均值表现出上游至下游逐渐增大的趋势;受降雨稀释效应的影响,Ec和TDS表现为雨季低于旱季的变化趋势;受水生植物生理活动强度的控制,DO质量浓度表现为春季和秋季高,夏季和冬季低的变化规律。DOC质量浓度在空间上呈现从上游非岩溶区到下游岩溶区增加的趋势,在季节上表现为秋季最高、夏季最低。POC浓度从上游至下游随流程的变化不显著,在时间上表现出夏季最高、冬季最低的变化规律。（2）受岩性和水生植物生理活动的影响,非岩溶区的峡背断面昼夜变化规律不明显,而岩溶区的省里断面和阳朔断面的物理化学参数表现出显著的昼夜变化过程:T、DO、pH、SIC白天升高、夜晚下降,而pCO2（二氧化碳分压）、Ec、DIC、Ca2+白天降低、夜晚升高。水生植物光合作用将水体DIC以有机碳的形式存储,同时减少水气界面CO2逸出量;水生植物呼吸作用产生的CO2使监测断面pCO2上升,SIC下降,并且处于不饱和状态,发生脱气作用的可能性增加。阳朔断面水体pCO2始终处于与大气平衡的临界线附近,表明随着流程的增加,水体产生脱气的可能性降低,提高了岩溶碳汇的稳定性。（3）TOC（总有机碳）和DOC含量白天上升夜间下降并表现出一定的波动性。秋季峡背断面、省里断面和阳朔断面内源有机碳的比例分别为88.39%、91.99%和93.33%,水生植物利用HCO3–作为无机碳源的比例分别为63.13%、79.54%和68.48%。省里断面和阳朔断面TOC和DOC含量、内源有机碳占总有机碳的比例以及水生植物利用HCO3–作无机碳源的比例均高于峡背断面,说明岩溶区河段具有更高的碳汇效应。夏季省里断面和阳朔断面内源有机碳比例分别为72%和67%,表明夏季地表径流侵蚀能力增加,导致水体中内源有机碳的比例降低。（4）夏秋季节省里和阳朔断面NO3–质量浓度昼夜变化受水生植物代谢过程（同化作用）控制,表现出白天降低夜间升高的变化规律。受洪水和水体浊度的影响,夏季漓江水体NO3–消耗量明显小于秋季。受监测河段水生植物生物量的影响,阳朔断面NO3–消耗量低于省里断面。（5）δ13CDIC昼夜变化主要受水生植物生理活动的影响,表现出晚上偏轻,白天偏重的变化规律。由于夏季洪水对水生植物群落的破坏、较高的水体浊度和流速削弱水生植物光合作用,加之较强的土壤根系和土壤微生物呼吸作用的影响,夏季δ13CDIC较秋季偏负。秋季和夏季阳朔断面δ13CDIC都偏正于省里断面,说明随着流程的增加,漓江水体δ13CDIC可能存在逐渐偏正的趋势,一方面说明上游水生植物通过光合作用利用水体DIC,将DIC转化为有机碳形成碳汇,优先利用同位素偏轻的12C,使得δ13CDIC逐步偏正;另一方面漓江中游和下游流速减缓,河流DIC与大气CO2建立同位素平衡,也使得δ13CDIC沿流程逐渐偏正。（6）通过计算,秋季省里和阳朔断面“生物碳泵效应”产生的岩溶碳汇量日平均值分别为:2.13 mmol·L-1和0.59 mmol·L-1,夏季分别为:0.95 mmol·L-1和0.32mmol·L-1。阳朔断面和省里断面水生生态系统在夏秋季节均为碳汇,且秋季岩溶碳汇量大于夏季,省里断面大于阳朔断面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•     1.1.1 全球碳循环中的遗失碳汇最有可能存在于陆地生态系统中
•     1.1.2 岩溶作用是造成碳酸盐岩风化并形成“碳汇”的重要途经
•     1.1.3 岩溶水生植物拥有强大的“生物碳泵效应”
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩溶作用与碳循环研究现状
•     1.2.2 岩溶地表水生生态系统碳泵效应
•     1.2.3 高分辨率昼夜监测在岩溶地表水水生生态系统中的应用
•     1.2.4 稳定碳同位素及水化学方法在碳循环中的应用
•     1.2.5 漓江流域研究进展
•   1.3 科学问题
•   1.4 研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线图
• 第2章 研究区概况和研究方法
•   2.1 自然地理概况
•   2.2 采样点基本情况
•   2.3 样品采集和测试
•     2.3.1 野外监测
•     2.3.2 阴阳离子采样及测试方法
•     2.3.3 同位素采样及分析方法
• 第3章 典型断面水化学特征分析
•   3.1 T、Ec、pH、DO等参数变化特征
•   3.2 主要离子特征分析
•   3.3 有机碳变化特征分析
•   3.4 人类活动的影响
•   3.5 小结
• 第4章 秋季不同断面昼夜变化特征及原因分析
•   4.1 不同断面水化学昼夜变化特征
• 2昼夜变化特征'>    4.1.1 T、Ec、pH、SIC、pCO₂昼夜变化特征
•     4.1.2 主要离子昼夜变化特征
•     4.1.3 原因分析
• 13CDIC昼夜变化特征'>  4.2 DIC和δ¹³CDIC昼夜变化特征
•   4.3 有机碳变化特征
•     4.3.1 不同断面有机碳变化特征
•     4.3.2 不同断面内源有机碳比例
•   4.4 小结
• 第5章 夏季生物地球化学昼夜变化特征
•   5.1 不同断面水化学昼夜动态变化
• 2昼夜变化特征'>    5.1.1 T、Ec、pH、SIC、pCO₂昼夜变化特征
•     5.1.2 主要离子特征
•     5.1.3 原因分析
• 13CDIC昼夜变化特征'>  5.2 DIC和δ¹³CDIC昼夜变化特征
•   5.3 有机碳变化特征
•     5.3.1 不同断面有机碳变化特征
•     5.3.2 不同断面内源有机碳比例
•   5.4 小结
• 第6章 水生光合生物碳泵效应对比分析
•   6.1 水生光合生物控制下的水化学特征分析
• 13CDIC控制效应的对比分析'>  6.2 水生植物对DIC和δ¹³CDIC控制效应的对比分析
• 3^–参与水生植物光合作用'>  6.3 NO₃^–参与水生植物光合作用
•   6.4 不同季节碳泵效应
•   6.5 小结
• 第7章 结论与不足
•   7.1 主要结论
•   7.2 不足
•   7.3 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王奇岗

导师: 杨平恒,肖琼

关键词: 漓江,生物地球化学,昼夜变化,岩溶碳汇

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 西南大学

分类号: P593

总页数: 91

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