三峡库区消落带土壤溶解性有机质淹水释放行为与结构表征

发布时间：2017-12-25 16:36

本文关键词：三峡库区消落带土壤溶解性有机质淹水释放行为与结构表征　出处：《西南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：三峡水库作为举世瞩目的特大调节型水库,其淹没的陆地面积达632km2,根据水库“蓄清排浊”的调度方案,于每年9月蓄水至175m高程,次年4月水位降至145m,由此在库周形成一个落差30m,面积349km2的水位消落区域。三峡库区消落带作为水生生态系统与陆地生态系统的衔接带,是库区周边两种生态系统能量和物质转化的活跃地带,其具有的缓冲带和植物护岸功能,使其对外界的变化相当敏感。由于陆地土壤有机质(SOM)的巨大含量,它对全球碳循环起着极其重要的作用,而溶解性有机质(DOM)作为土壤有机质中最活跃的部分,对营养元素、重金属、有机污染物等的吸附-解吸与迁移转化,乃至全球碳循环均有重要影响,逐渐成为土壤与环境污染研究中的重点与热点。以“干湿交替”为典型特征的三峡库区消落带,在落干后的淹水过程中土壤DOM将成为上覆水DOM的重要来源,而落干期的植被生长与人类的土地开采和利用,将改变土壤DOM的结构与性质,使其在淹水过程中对上覆水DOM的影响变得更为复杂。土壤DOM在土-水界面间的交换行为深刻地影响着陆生与水生生态系统的碳平衡,同时对各种污染物的迁移转化和生物有效性等也将产生重要影响。因此,三峡库区消落带土壤DOM的淹水释放行为特性与结构特征将深刻地影响着各类物质的环境行为与效应。基于此,本文选取三峡库区消落带4个典型区域土壤DOM为主要研究对象,结合紫外可见、三维荧光等光谱手段,对消落带土壤DOM的淹水释放行为特性与结构特征进行研究,以期有助于进一步认识三峡库区消落带土壤DOM的地化特征及环境角色。研究结果表明:(1)消落带4个区域土壤DOM在淹水过程中均呈现“快速释放-下降-动态平衡”的释放规律;释放速率和通量计算表明,土壤DOM释放呈现出“源-汇动态交换”特征。对比厌氧淹水与正常淹水两种处理上覆水DOM的紫外-可见光谱特征,在整个淹水周期中石宝寨(SB)上覆水DOC和CDOM显著差异,厌氧淹水DOM芳香性(SUVA280)高于正常淹水,而光谱斜率比值(SR)对不同淹水条件不敏感。同时,厌氧淹水的上覆水DOC和CDOM的相关性也明显高于正常淹水。不同区域土壤淹水释放DOM存在差异,以忠县石宝寨土壤释放强度最高,尽管土壤有机质含量是影响各区域土壤淹水释放DOM差异的重要原因之一,但其他地化因素仍需考虑。因此,仅仅关注DOC浓度变化并不足以完全描述DOM的释放特征。结合淹水汞释放和生物富集实验,淹水初期释放DOM的较强芳香性和腐殖化程度,以及较强的陆源特征,有利于我们进一步解释污染物在淹水过程中的环境行为,为了解DOM的环境角色提供数据基础和试验支撑。(2)土壤淹水后向上覆水体释放DOM,上覆水DOM三维荧光光谱特征表明,土壤DOM的释放对上覆水体DOM荧光特征有重要贡献,且淹水后上覆水DOM荧光特性,呈现出和紫外-可见光谱相似特征。淹水初期DOM的快速释放及后期去除机制,是水体DOM荧光组分的动态“源-汇”平衡的关键;其中类腐殖峰(A和C)受无机矿物相的吸附-释放影响明显,而类蛋白峰(B和T)受微生物影响较为明显。另外,所有土壤淹水释放后水体DOM均呈现出“内源+外源”的复合特征。整个淹水周期,除忠县石宝寨(SB)外,其余区域土壤在厌氧和正常淹水条件下,水体DOM荧光特征的差异性不明显,这可能和土壤自身组成(例如无机矿物组成和有机组分)的复杂程度有关。结合可见-紫外光谱,两种技术相互补充,证明了土壤释放(“源”)和无机矿物、微生物、金属氧化物的去除(“汇”)机制是控制上覆水体DOM动态变化的重要因素。(3)土壤DOM的生物可利用性研究表明,在28d的实验中DOM在厌氧处理下降解为33.51~42.91%,正常处理为46.64~59.23%,两种处理下DOM降解量差异显著,其中KX的降解量均为最低。CDOM厌氧处理降解为5.10~16.98%,正常处理为19.92~34.70%,两种处理的差异亦达到显著,非生色组分在降解过程中会被优先利用。双指数模型表明厌氧处理易降解组分比例低于正常处理,而难降解组分比例高于正常处理,两种组分的平均停留时间为1.02~3.45d和58.82~111.11d,水体含氧量是影响微生物降解效率的重要因素。两种处理下降解后DOM芳香化程度均显著提高,而光谱斜率仅在厌氧下降低,体现了微生物对高分子组分降解的差异,S275-295与SUVA254、CDOM的相关性表明降解过程中芳香性结构对DOM分子量具有较大贡献。两类荧光峰降解比例的差异说明类蛋白荧光峰具有较高的生物可利用性,BIX、HIX升高说明体系中产生新DOM的同时低分子量DOM被降解,DOM腐殖化程度增加。SUVA254与类蛋白荧光峰所占比例均可对BDOC进行预测,但类蛋白荧光峰对BDOC的预测具有更广的适用性。(4)不同水-土比提取的土壤DOC拟合曲线表明4个区域土壤溶解性有机碳库容量([DOC])及土壤DOC的吸附常数(Ks)差异较大,其中涂井(TJ)土壤DOC库容量1.634mg·g~(-1)最高,涪陵(FL)为0.612 mg·g~(-1)最低,而石宝(SB)土壤具有最高的吸附常数,开县汉丰湖(KX)最低。不同水-土比提取下有色溶解性有机质(CDOM)与DOC具有显著正相关,说明CDOM占DOC比例较为稳定。紫外-荧光光谱参数表明疏水性组分与芳香性结构关系密切,土壤DOC内源特征明显,受生物来源的影响较大。(5)库区消落带土壤DOM的H/C值为2.13~3.83,脂肪化程度较高,而标准样品的富里酸和胡敏酸H/C为0.75~1.31,具有较高的芳香性;土壤DOM与富里酸、胡敏酸具有相似的红外光谱特征,表明在性质与结构上具有一定的相似性,红外峰值强度表明土壤DOM中含有较多的碳水化合物、有机酸、糖类等物质,而标准样品富里酸与胡敏酸的芳香性结构含量多于土壤DOM;紫外-荧光光谱特征亦表明库区土壤DOM腐殖化程度与芳香性较低。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S153

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