三峡水库不同运行状态下碳氮分布特征与来源解析研究

发布时间：2017-07-07 04:11

  本文关键词：三峡水库不同运行状态下碳氮分布特征与来源解析研究

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【摘要】：三峡水库蓄水后,库区内干流的水文特性发生了重大变化。对水体中生源要素输运的影响主要体现在4个方面:(1)强动力条件下的“河流侵蚀搬运作用”逐渐变成“湖泊沉积作用”。(2)水库初级生产能力提高,自源有机物的贡献增加。(3)水体分层等“湖沼学反应”。(4)水库的调度运行使得库区水域呈现一定的周期性时空变化。尽管自2010年达到正常蓄水水位以来三峡水库已完成了数个完整的周年水位变化过程,但三峡水库目前仍处于生态系统重建过程,碳氮迁移转化规律仍具有不确定性。为进一步揭示三峡水库碳氮迁移转化特征及其对水库运行的响应,本论文对夏季低水位运行期、冬季高水位运行期三峡水库水体C、N(颗粒态和溶解态)赋存形态与沉降通量开展野外原位研究工作,结合稳定同位素源解析技术(Stable Isotopes Analysis in R模型),对不同形态C、N来源进行分析。论文获得以下主要结论:(1)三峡水库水体中悬浮颗粒物浓度及其沉降通量夏季高,冬季低,自入库断面向下游呈现出逐渐降低的趋势。夏季,颗粒态碳(PC)、颗粒态氮(PN)平均浓度分别为2.30±0.63 mg/L,0.52±0.39 mg/L,它们的沉降通量分别为102.2±75.6g?m2?d-1,9.8±6.7 g?m2?d-1。冬季,PC、PN浓度分别为0.35±0.35 mg/L,0.04±0.02mg/L,该期间它们的沉降通量分别为2.91±4.50 g?m2?d-1,0.15±0.20 g?m2?d-1。(2)夏季三峡水库溶解态碳(DTC)的浓度均值为50.72±2.24 mg/L,低于冬季的61.84±3.09mg/L,各点位并未呈现出显著差异。溶解态氮(DTN)以硝态氮(NO3-)为主要赋存形态,夏季DTN和NO3-的浓度分别为1.75±0.33 mg/L和1.23±0.65mg/L,冬季DTN和NO3-的浓度分别为1.59±0.13 mg/L和1.34±0.15 mg/L。(3)根据水库纵向分区特点,湖泊区(奉节以下河段)PC、PN以细颗粒(10μm)为主要赋存形态,而库区中段(涪陵至万州段)PC、PN以粗颗粒(50μm)为主要存在形态。冬季,PC在朱沱和寸滩集中于30μm的粒径范围;而在过渡区和湖泊区(忠县以下河段)集中于10μm的粒径范围。PN在全河段集中于10μm的粒径范围。降雨径流条件改变是上述变化的主要原因。结合流式细胞术对水体中浮游植物、异养菌的分析结果发现,夏季外源营养物质充足,有利于异养细菌直接利用大量繁殖。而冬季外源物质输入较少,需要依靠浮游植物自源产生营养物质,异养细菌的繁殖受到制约。浮游植物、异养细菌相对变化对PC、PN的粒径分布亦有显著影响。(4)对颗粒态有机质(POM)的C、N稳定同位素分析发现,夏季水体δ13CPOM和δ15NPOM的变化范围分别是-28.22‰~-25.12‰和-0.38‰~9.04‰,冬季则分别为-27.43‰~-20.14‰和0.21‰~10.91‰。源解析分析,对于多数点位,陆源C3植物的土壤是POM的主要来源。不同水库运行状态下并无显著差异。对于4种不同来源,多数点位呈现了统一变化特征,C3植物藻类大型水生植物C4植物。夏季,上游大流量的来水和干燥陡峭的河岸有利于三峡水库的岸边土壤侵蚀发生。冬季水位上升使得消落带被淹没,生源要素以消落带释放的溶解态为主。(5)不同水库运行期,硝态氮中的15N稳定同位素含量比重(δ15N-NO3-)变化范围较小,仅为4.82‰~6.61‰;且同其他水体相比,硝态氮中的18O稳定同位素含量比重(δ18O-NO3-),也相对维持在较低的水平(-4.88‰~4.74‰),尤其是冬季。源解析表明,不同水库运行状态下,硝态氮来源并未呈现出显著区别,土壤氮是硝酸盐氮的主要来源,大气沉降贡献最少。对表层水体δ15N-NO3-和底层沉降物δ15NPOM的相关性分析表明,夏季表层水体的δ15N-NO3-直接转移至底层沉降物的δ15NPOM,这可能是因为水位低、水力停留时间短、流态复杂等因素。而相关性分析表明,冬季水体的δ15N-NO3-只能转移至同一水层沉降物的δ15NPOM,在进一步的沉降过程中,氮素特征会发生转变,这可能是因为水位高、水力停留时间长和水环境稳定等因素。
【关键词】：三峡水库 运行状态 稳定同位素 碳氮 源解析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X524;TV697.1
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 水库水体碳氮稳定同位素源解析研究进展9-14
• 1.2 研究目的14-16
• 1.3 研究内容和技术路线16-19
• 2 研究区域与研究方法19-27
• 2.1 研究方案设计19-25
• 2.1.1 采样点位布设19-22
• 2.1.2 现场采样方案22
• 2.1.3 测试分析方法22-25
• 2.2 数据处理25-27
• 2.2.1 常规数据处理25
• 2.2.2 同位素溯源分析方法25-27
• 3 三峡水库颗粒态碳、氮分布特征及其来源解析27-61
• 3.1 三峡水库颗粒态碳氮分布与沉降通量27-40
• 3.1.1 颗粒态碳素27-29
• 3.1.2 颗粒态氮素29-30
• 3.1.3 TSM和POM30-33
• 3.1.4 颗粒态碳氮的沉降特性33-40
• 3.2 影响三峡水库颗粒态碳氮时空分布的主要环境因素40-45
• 3.2.1 流速40-41
• 3.2.2 悬浮颗粒物粒径分布41-43
• 3.2.3 叶绿素a43
• 3.2.4 温度、DO、pH分布43-45
• 3.3 生源要素间及同浮游植物和异养细菌相对关系分析45-54
• 3.3.1 C、N、P相对丰度变化45-47
• 3.3.2 分级浮游植物和异养细菌47-54
• 3.4 三峡水库颗粒态碳氮的来源分析与讨论54-59
• 3.4.1 颗粒态有机碳同位素组分54-56
• 3.4.2 溯源解析56-59
• 3.5 小结59-61
• 4 三峡水库溶解态碳、氮分布与硝态氮来源解析61-73
• 4.1 三峡水库氮的赋存形态与时空分布61-64
• 4.1.1 溶解态碳素61-62
• 4.1.2 溶解态氮素62-64
• 4.2 基于氮氧同位素的硝态氮来源解析研究64-69
• 4.2.1 硝态氮的氮、氧稳定同位素64-65
• 4.2.2 溯源解析65-67
• 4.2.3 氧素的迁移转化67-69
• 4.3 水库宏观氮收支的初步估计及不确定性69-70
• 4.4 小结70-73
• 5 结论与建议73-75
• 5.1 结论73-74
• 5.2 建议74-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-89
• 附录89
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文89
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的学术交流89

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本文编号：528819