沉积物—水界面氧通量产生机制及其影响因素研究
发布时间：2020-08-02 12:47
【摘要】：溶解氧是水生态系统中最基础的元素,与其他参数相比,溶解氧更能反映水生态系统中新陈代谢的情况。沉积物是水体中物质与能量代谢的重要场所,它包含众多的微生物种群以及各种化合物,氧环境决定了物质在沉积物中的赋存形态与最终归趋。沉积物中的溶解氧主要来源于上覆水体的传递,而沉积物-水界面(sediment-water interface,SWI)是氧传递发生的重要区域。论文采用涡度相关法,测试了不同水体水动力条件下SWI氧通量,探索了水动力条件对SWI氧通量的影响。基于测得的通量结果,结合沉积物氧剖面分析和沉积物氧利用速率以及实验前后Fe~(2+)、Mn~(2+)、有机质质量分数的变化,计算了沉积物生物耗氧量与化学耗氧量,探究了沉积物耗氧机制,建立了水体水动力条件对SWI氧通量与沉积物耗氧量之间的响应关系,获得了SWI氧通量产生机制。同时利用高通量测序技术对装置内沉积物进行测试,从微生物分子生物学的角度分析了沉积物中可能消耗溶解氧的相关功能菌的信息。论文的研究结论如下:(1)不同水动力条件对SWI溶解氧浓度有影响。当水体平均流速较低(对应平均流速为0.00m/s、0.03m/s)时,SWI溶解氧浓度既可围绕平均值上下波动,也可缓慢上升,或者两者兼有。当水体平均流速较高(对应平均流速为0.07m/s、0.12m/s、0.20 m/s)时,SWI溶解氧浓度随水体平均流速的加快不断上升。(2)SWI氧通量与垂直涡动扩散系数受水体水动力条件的影响明显,随水体平均流速的上升而上升。实验在平均流速为0.00m/s时获得SWI氧通量与垂直涡动扩散系数的最小值,平均值分别为1.197±0.121mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.859×10~(-9)±8.716×10~(-11)m~2·s~(-1);在平均流速为0.20m/s获得SWI氧通量与垂直涡动扩散系数的最大值,平均值分别为43.981±1.326mmol·m~(-2)·h~(-1)、1.137×10~(-6)±7.299×10~(-8)m~2·s~(-1)。(3)SWI氧通量与垂直涡动扩散系数随水体水动力条件改变的变化趋势一致,可划分为三阶段。第一阶段,SWI中的氧传质主要由分子扩散决定,水体由静止开始缓慢流动,氧通量较小。第二阶段,SWI中的氧传质主要由涡动扩散决定,水体流速加快,清晰稳定的泥水界面消失,沉积物开始悬浮,氧通量增长较快。第三阶段,SWI中的氧传质主要由涡动扩散决定,水体流速进一步加快,SWI表层沉积物完全悬浮,上覆水变得浑浊,氧通量达到最高值。(4)沉积物中的溶解氧主要来自大气复氧,运用质量守恒定律,可以建立起单位面积沉积物在计算时段内SWI氧通量与沉积物耗氧量之间的等式关系。实验通过氧通量传输进入沉积物的溶解氧总量平均为0.662mmol,沉积物生物耗氧量平均为0.175mmol,占26.4%;化学耗氧量平均为0.045mmol,占6.8%;氧残存量增加值平均为0.082mmol,占12.4%;其他耗氧量平均为0.360mmol,占54.4%。(5)水体水动力条件通过决定水体大气复氧及复氧向水下扩散的速率,深刻地影响着沉积物所处的氧环境。当水体平均流速较低,沉积物处于缺氧状态时,沉积物耗氧量以生物耗氧量为主。当水体平均流速较高,沉积物由缺氧状态转变为好氧状态时,生物耗氧量减小,化学耗氧量与其他耗氧量中的化学过程耗氧量占沉积物耗氧量的比重逐步提高,且此时发生的沉积物再悬浮对沉积物耗氧量组成影响很大。(6)通过与Greengene数据库进行对比,在L、R两个样品中物种丰度均大于0.5%的物种共有18个。在两个样品中的平均丰度大于3%的有7门,其中变形菌门占比最大,为52.54%;其余依次为拟杆菌门(8.60%)、广古菌门(7.56%)、疣微菌门(5.39%)、绿弯菌门(4.94%)、硝化螺旋菌门(4.32%)、酸杆菌门(3.66%)。(7)变形菌门是实验沉积物中丰度最大的细菌,其功能复杂,营养条件多样,是控制实验沉积物环境、造成沉积物生物过程与化学过程耗氧量的关键菌种。实验在L、R两个样品中检测到变形菌门下的硫酸盐还原菌主要有脱硫盒菌目、脱硫杆菌目、脱硫弧菌目、除硫单胞菌目、互营杆菌目;检测到的具有氨氧化能力的细菌主要有产碱杆菌科、亚硝化单胞菌科;除产碱杆菌科与亚硝化单胞菌科以外,未检测到属于变形菌门且具有亚硝态氮氧化能力的细菌,硝化螺旋菌门下的硝化螺旋菌纲在硝化反应中占主导地位。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52;X171.1
【图文】：
①水体水动力条件对 SWI 氧通量大小的影响基于涡度相关法，利用声学多普勒剖面仪和溶解氧微电极测试并计算不同水动力条件下 SWI 氧通量与垂直涡动扩散系数，探究水体水动力条件对 SWI 氧通量大小的影响。②SWI 氧通量产生机制结合沉积物氧剖面分析和沉积物氧利用速率以及实验前后 Fe2+、Mn2+、有机质质量分数的变化，计算沉积物生物耗氧量与化学耗氧量，探究沉积物耗氧机制。由氧的质量守恒，建立 SWI 氧通量与沉积物耗氧量之间的响应关系，获得 SWI 氧通量产生机制。③沉积物微生物分子生物学机理利用高通量测序技术对装置内沉积物进行测试，从微生物多样性方面分析沉积物微生物分子生物学特征，找出沉积物中可能消耗溶解氧的相关功能菌的信息。1.3.3 技术路线研究技术路线如图 1.1 所示。
图 2.1 御临河研究区域及采样点（a）重庆在三峡库区的位置 （b）御临河在三峡库区的位置 （c）御临河采样点位置Fig.2.1 Study area and the sampling sites of Yulin River(a) Location of the Chongqing City in Three Gorges Reservoir (TGR) in China. (b) Location of theYulin River in the TGR. (c) Location of sampling sites in the Yulin River.2.2 采样点及样品处理课题组对御临河水质、水文进行了长期跟踪监测，基本掌握了御临河周期性的水质与水动力条件变化的基本规律。考虑到取样的可行性与样品的代表性，实验选择河口断面设置取样点。其理由是，东河、西河断面上游来水泥沙含量较少，河床沉积物不多且采样不便；梅溪、舒家、排花断面因其河道自然落差较大，流速较快，河床沉积物同样较少；河口断面是御临河回水区域的起始点，相比上游断面流速要缓慢些，沉积效应更加明显，采样相对方便。同时，河口附近消落带受三峡大坝运行调度影响最为明显，底泥中含有的营养盐及重金属更多。实验选择在泄水期水位较低时于河口断面采集实验底泥沉积物和上覆水。使
2.3 实验装置加工实验装置进行模拟实验。实验装置如图 2.2 所示，该装置是尺寸为长×宽×高=1.2m×1.0m×0.8m 的长方体有机玻璃水槽。在装置左右各设置一根铁架，用于在其中心对称设置两台可调转速的搅拌转子，通过调节转子转速，可改变水体平均流速，从而模拟各种水动力条件。装置正中铺设有一根速度可调节的自动往返轨道，并将声学多普勒剖面仪固定在轨道下方。在自动往返轨道中间还设置有可伸缩调节高度的竖杆，并将溶解氧微电极固定于竖杆上，调节竖杆高度使溶解氧微电极探头位于声学多普勒剖面仪正下方。实验过程中所用声学多普勒剖面仪与溶解氧微电极通过电缆各自连接声学多普勒剖面仪主机及溶解氧微电极主机，用于将各自信号输出到计算机并通过相应软件转变为所需数据。将经过预处理过筛的底泥沉积物充分混合均匀，平铺在装置底部，控制底泥厚度 15cm 左右。铺设完毕后，利用虹吸原理将所采上覆水缓慢注入装置以尽可能避免再次扰动底泥沉积物，控制水深 50cm，静置三天，待水样澄清后，开始实验。实验开始前对上覆水进行测试，结果为高锰酸盐指数 12mg/L，总氮 1.8mg/L，氨氮 1.6mg/L，总磷 0.1mg/L。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X52;X171.1
【图文】：
①水体水动力条件对 SWI 氧通量大小的影响基于涡度相关法，利用声学多普勒剖面仪和溶解氧微电极测试并计算不同水动力条件下 SWI 氧通量与垂直涡动扩散系数，探究水体水动力条件对 SWI 氧通量大小的影响。②SWI 氧通量产生机制结合沉积物氧剖面分析和沉积物氧利用速率以及实验前后 Fe2+、Mn2+、有机质质量分数的变化，计算沉积物生物耗氧量与化学耗氧量，探究沉积物耗氧机制。由氧的质量守恒，建立 SWI 氧通量与沉积物耗氧量之间的响应关系，获得 SWI 氧通量产生机制。③沉积物微生物分子生物学机理利用高通量测序技术对装置内沉积物进行测试，从微生物多样性方面分析沉积物微生物分子生物学特征，找出沉积物中可能消耗溶解氧的相关功能菌的信息。1.3.3 技术路线研究技术路线如图 1.1 所示。
图 2.1 御临河研究区域及采样点（a）重庆在三峡库区的位置 （b）御临河在三峡库区的位置 （c）御临河采样点位置Fig.2.1 Study area and the sampling sites of Yulin River(a) Location of the Chongqing City in Three Gorges Reservoir (TGR) in China. (b) Location of theYulin River in the TGR. (c) Location of sampling sites in the Yulin River.2.2 采样点及样品处理课题组对御临河水质、水文进行了长期跟踪监测，基本掌握了御临河周期性的水质与水动力条件变化的基本规律。考虑到取样的可行性与样品的代表性，实验选择河口断面设置取样点。其理由是，东河、西河断面上游来水泥沙含量较少，河床沉积物不多且采样不便；梅溪、舒家、排花断面因其河道自然落差较大，流速较快，河床沉积物同样较少；河口断面是御临河回水区域的起始点，相比上游断面流速要缓慢些，沉积效应更加明显，采样相对方便。同时，河口附近消落带受三峡大坝运行调度影响最为明显，底泥中含有的营养盐及重金属更多。实验选择在泄水期水位较低时于河口断面采集实验底泥沉积物和上覆水。使
2.3 实验装置加工实验装置进行模拟实验。实验装置如图 2.2 所示，该装置是尺寸为长×宽×高=1.2m×1.0m×0.8m 的长方体有机玻璃水槽。在装置左右各设置一根铁架，用于在其中心对称设置两台可调转速的搅拌转子，通过调节转子转速，可改变水体平均流速，从而模拟各种水动力条件。装置正中铺设有一根速度可调节的自动往返轨道，并将声学多普勒剖面仪固定在轨道下方。在自动往返轨道中间还设置有可伸缩调节高度的竖杆，并将溶解氧微电极固定于竖杆上，调节竖杆高度使溶解氧微电极探头位于声学多普勒剖面仪正下方。实验过程中所用声学多普勒剖面仪与溶解氧微电极通过电缆各自连接声学多普勒剖面仪主机及溶解氧微电极主机，用于将各自信号输出到计算机并通过相应软件转变为所需数据。将经过预处理过筛的底泥沉积物充分混合均匀，平铺在装置底部，控制底泥厚度 15cm 左右。铺设完毕后，利用虹吸原理将所采上覆水缓慢注入装置以尽可能避免再次扰动底泥沉积物，控制水深 50cm，静置三天，待水样澄清后，开始实验。实验开始前对上覆水进行测试，结果为高锰酸盐指数 12mg/L，总氮 1.8mg/L，氨氮 1.6mg/L，总磷 0.1mg/L。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 李旭光;齐占会;林琳;张U
本文编号：2778532
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