长江干流氮素的时空变化特征及其定量溯源研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张军 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 郭庆军 |
| 关键词 | 硝酸盐 悬浮颗粒态氮 氮稳定同位素 源解析 长江干流 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 河流不仅是人类重要的水资源，而且是陆地和海洋的物质运输通道。维持河流生态系统的平衡与健康对人类的生存与发展至关重要。改革开放以来，长江流域的经济快速发展，城市化水平不断提高，已成为我国重要的经济重心。然而，随着人类活动加剧，长江流域的活性氮排放量持续增加，诱发了水体富营养化等一系列环境问题，威胁着动物的生存及人类的健康。因此，解决长江流域水体氮素富集问题对于实现我国社会经济可持续发展具有重要的意义。识别氮素含量的时空变化特征及其关键驱动因素、确定河流系统中氮的来源并阐明其迁移转化规律，是合理有效解决河流氮素富集的重要前提。本研究通过收集整理长江流域水文站、水质监测站和统计年鉴中的氮含量、径流量和社会经济发展等数据，分析了2004-2020 年氮素含量和通量的时空变化特征；利用相关分析、冗余分析和方差分解等方法识别并定量区分了自然因素和人类活动对氮素含量和通量的影响。此外，本研究在2019 年丰水期和枯水期系统采集了长江干流沿程的水体、悬浮颗粒物、表层沉积物、雨水和岸边土壤等样品，分析测定了水体中硝酸盐（NO3−）的浓度及硝酸盐氮氧同位素组成、悬浮颗粒物和表层沉积物中有机氮含量及氮同位素组成，揭示了其沿程和季节变化规律。同时，结合贝叶斯稳定同位素混合模型，定量解析了不同介质中氮的来源，并阐明了氮在水体-悬浮颗粒物-表层沉积物系统中的迁移转化规律。主要取得以下研究结果： （1）明确了长江干流氮素含量的时空变化特征，定量区分了自然因素和人类活动对氮素含量的影响。长江干流的溶解性无机氮（DIN）浓度相对于支流较低，但由于干流的径流量较大，其DIN 通量相对支流较高。相关分析表明，降雨量和DIN 浓度无显著相关关系，但和DIN 通量呈显著正相关关系（P < 0.001）；水体温度和DIN 浓度呈显著负相关关系（P < 0.001），但和DIN 通量呈显著正相关关系（P < 0.001）。在整个流域水平上，人类活动和水体中DIN 浓度、DIN 通量均呈显著正相关关系（P < 0.01）。冗余分析和方差分解表明，人类活动是长江流域氮素含量时空变化的主要驱动因子，而自然因素的影响相对较小。 （2）分析了长江干流NO3−的浓度及同位素组成特征并揭示了其沿程和季节变化规律，定量解析了NO3−的来源，阐明了硝酸盐的关键生物地球化学过程。NO3−浓度及丰水期的δ15N-NO3−值沿河流的方向呈显著增加趋势（P < 0.05）。δ18ONO3−值在高原区逐渐降低，上游区域逐渐增加，而在中下游趋于稳定。NO3−浓度和δ15N-NO3−值无显著性季节差异（P > 0.05），丰水期的δ18O-NO3−值（2.1 ± 2.3‰）显著高于枯水期（0.5 ± 1.9‰）（P < 0.001）。贝叶斯稳定同位素混合模型结果显示，土壤氮是硝酸盐的主要来源（32.5-44.1%），NH4+肥料、粪肥和污水的贡献相对较小（16.7-29.6%）。相关分析结果显示，δ15N-NO3−和δ18O-NO3−值具有显著的正相关关系（P < 0.05），且溶解氧浓度较高（8.5 ± 1.4 mg L-1），这表明NO3−的同化作用较强。δ18O-H2O 值和δ18O-NO3−值均分布在硝化作用理论线附近，表明大量的硝酸盐是由硝化作用转化而来。（3）分析了长江干流悬浮颗粒物和表层沉积物中有机氮的含量及同位素组成特征并揭示了其沿程和季节变化规律，定量解析了颗粒态有机氮的来源，阐明了颗粒态有机氮在悬浮颗粒物-表层沉积物中的迁移转化规律。在丰水期，悬浮颗粒物的有机氮含量和δ15Norg 值沿河流方向逐渐增加，而在枯水期无显著的沿程变化。贝叶斯稳定同位素混合模型结果显示，悬浮颗粒态有机氮的主要来源为浮游植物（44.1-56.9%），而表层沉积物中的有机氮主要来源为陆地土壤（34.5-49.8%）。悬浮颗粒物的δ15Norg 值与NO3−浓度呈显著正相关关系（P < 0.05），而与NH4+浓度无显著性关系（P > 0.05），且悬浮颗粒物的δ15Norg 值略低于δ15NNO3−值，表明硝酸盐可能是浮游植物重要的氮源。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 125 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199743]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张军. 长江干流氮素的时空变化特征及其定量溯源研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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