滨海湿地潮间带氮循环及大孔隙优先流机制研究

发布时间：2020-05-21 09:35

【摘要】：位于海陆交界带的滨海湿地是全球水文循环最重要的环节之一,然而人们对其中周期性的海水-地下水交换,微生物种类及活性的空间变化和化学物质循环过程之间的关系还认知不足。鉴于此,本文结合湿地水文学和微生物地球化学,探讨了他们之间的相互关系及其对生态环境的潜在影响。主要研究内容与结果概括如下:本文在大亚湾红树林湿地选取了一个由红树林生长区,潮沟区和光滩区组成的潮间带断面,并对断面地下水环境(溶解氧,pH和温度),常规离子(Na~+,K~+,Ca~(2+),Mg~(2+),SO_4~(2-),HCO_3~-和Cl~-),重金属(Cu,Zn,As,Hg,Cd,Pb和Cr)和营养盐(氮磷硅)浓度进行了检测。海水-地下水的交换速率结果表明,最大的交换速率发生在潮沟区,这使得更多的富含氧气的海水进入到沉积物中,促进了氮的硝化作用。对比而言,红树林区的交换速率最低,导致了更长的地下水滞留时间,但那里富含的有机物有益于反硝化和厌氧氨氧化的脱氮作用。反硝化和厌氧氨氧化是红树林湿地沉积物中脱氮的两个主要过程,对脱氮的贡献比分别为90%和10%,反应速率分别为0.23 g d~(-1) m~(-3)和1.84 g d~(-1) m~(-3)。潮间带地下水均略偏碱性,其主要离子与Cl~-的线性关系与当地海水稀释线趋势一致。结果表明潮间带沉积物有很强的重金属富集能力,而且红树林区和潮沟区的富集能力比光滩区更强。在潮间带地下水中,除了Cu之外,其余重金属浓度均低于水质标准。数值模拟结果表明潮沟区会形成局部的水流循环,加速了地下水的流动和化学物质循环。螃蟹洞在滨海湿地中无处不在,他们能形成优先流通道,影响水流和化学物质运输。本研究在美国南卡罗莱纳州的盐沼地分别利用张力取样器(依赖外界吸力从沉积物骨架中吸取孔隙水)和被动扩散式取样器(不依赖于吸力,代表沉积物骨架和螃蟹洞中混合的孔隙水)检测了不同深度孔隙水的盐度。结果表明了利用张力取样器采集孔隙水样的盐度要比由被动式扩散采样器采集孔隙水的盐度高出5-10 g/kg,说明螃蟹洞能稀释沉积物孔隙水盐度。数值模拟结果显示,螃蟹洞在低潮时能扩散稀释盐分,而且螃蟹洞中的盐度要比沉积物骨架中的更低,这与野外监测的盐度结果一致。螃蟹洞通过加强湿地地下水-海水交换量,能大幅度的抬升沉积物的通气状况,间接地提高了滨海湿地的生产力。
【图文】：

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图 1-1 红树林湿地潮间带分区及海水-地下水交换示意图评价海水-地下水交换速率受到了湿地沉积物各向异性非均质特性的挑战，如湿地沉物中常见的由生物扰动造成的大孔隙。土壤渗透系数是水文地质重要的参数，用来表述下水在可渗透性介质中流动能力(Fetter, 2001)。因为湿地中的沉积物的渗透系数空间变很大，很难用均一的数值来代表从潮下带到潮上带的沉积物的渗透系数 (Calderon et al.,014) 。而渗透系数与交换速率往往有很大的正相关性关系 (Ma et al., 2014;chwendenmann et al., 2006)。通常情况下，在固定水压力梯度的情况下，渗透系数越高，交换速率就会越大。原位沉积物降水头法现在被宽广的利用来测定原位的渗透系数 (如hen, 2000; Li et al, 2010; Wang et al., 2014; Burnette et al., 2016; Qu et al., 2017; Hou et al.,016. Xiao et al., 2017; Liu et al., 2018)。早期的研究表明湿地沉积物中富含着大量的重金属(比如 Pb, Zn, Cu, Fe和 Mn)，而且树林区的富集能力要比光滩区和海草更强。比如，Ovalle et al. (1990) 报道称一些地表

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(a) 盐沼地地下水流的概念性模型。箭头仅表示地下水流的方向。正方形表示螃蟹洞垂向构造）表示涨潮时地表水淹没盐沼地，水流优先通过螃蟹洞运送到沉积物中。（c）表示在盐沼地时，螃蟹洞中的滞留水能够支持沉积物骨架中由于蒸散发导致的水分亏损。其中，，图（b）和改自 Harvey and Nuttle (1995)。研究内容与技术路线研究内容文研究的主要目标是对滨海湿地潮间带的海水-地下水交换定量化研究，并对海交换影响下的地下水环境，化学物质和微生物的之间的关系进行探讨。本研究计大亚湾红树林湿地和美国南卡罗莱纳州北入口盐沼地开展相应的野外工作。红树林湿地潮间带中建立海水-地下水监测系统以计算海水-地下水之间的交换量监测期间对海水、监测井附近的地下水和沉积物进行取样。在实验室建立微宇宙
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P339

【参考文献】