河流生态系统代谢对溶解有机碳和硝酸盐的截留作用及温室气体排放影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张培培 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 晏维金 ; 王芳 |
| 关键词 | 长江水系 溶解性有机碳 生态系统代谢 碳基温室气体 溶解态有机碳-硝酸盐耦合作用 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 溶解性有机碳（DOC）是水体中最具生物地球化学活性的碳组分，也是评估 地球系统自然碳汇的关键组分。DOC 进入河流系统后容易转化为二氧化碳（CO2） 和甲烷（CH4），从而促进水-气界面碳排放，成为大气碳基温室气体的“源”。然 而，河流水系 CO2、CH4 的来源以及源贡献仍然不清楚。因此，河流水系 DOC 迁 移转化过程是揭示河流系统碳基温室气体排放变化与机制的重要内容。此外，河 流系统 DOC 转化过程可以与硝酸盐（NO3 -）耦合，并影响氮（N）转化过程。研 究河流系统 DOC-NO3 -耦合作用，对 N 循环的认识具有重要理论意义。 本研究以长江水系为主要研究对象，同时选取 4 个源头流域的典型河流、水 库为对照，开展河流、水库生态系统代谢过程与 DOC 转化过程的相互作用、碳 基温室气体排放与分子形成机制、DOC 输出通量时空特征以及 DOC-NO3 -截留耦 合作用等方面的研究。在微观尺度上，基于溶解氧高频次在线监测与野外原位观 测结果评估了河流系统生态系统代谢（初级生产力，GPP；生态系统呼吸，ER； 异养呼吸，HR）时空特征；研究碳基温室气体排放时空特征；利用三维荧光、傅 立叶变换离子回旋共振质谱，研究 DOC 分子组成、识别产 CH4 的 DOC 分子标 志物；研究生态系统代谢过程与反硝化过程的耦合关系。在宏观尺度上，研究了 长江水系 DOC 输出通量时空格局；模拟了长江水系（河流与水库群）对 DOC、 NO3 -的截留作用；量化了长江水系 DOC 截留对水气界面 CO2 排放贡献。论文主 要结果如下： （1）源头水库 CO2 排放存在显著的昼夜差异，生态系统代谢过程控制了 CO2的动态变化。水库夜间 CO2 排放速率为 0.84 ± 0.43 g C m-2 d -1，约是白天排放速 率的 2 倍。8~10 月水库表层 GPP、ER、HR 变化范围分别是 0.52 ~1.18、-0.84 ~ -1.14、-0.42~ -0.66 g C m-2 d -1。水库表层平均 DOC 吸收速率为 0.13 m d -1，呼吸 作用导致的 DOC 截留率约为 12.0%。在净自养期间，水库夜间 CO2 排放主要由 生态系统呼吸供给，水库 DOC 呼吸对夜间 CO2 排放的贡献率高达 72.0%。长江河流生态系统代谢空间变异性大，受到土地利用类型和河流大小的影响。 1~12 月长江河流 GPP、ER 和 HR 的变化范围分别是 0.45~2.46、-0.72 ~ -4.27、- 0.57 ~ -3.70 g C m-2 d -1，大部分河流处于净异养状态。农业、城市河流的 ER 和 HR 显著高于林地河流，且随着河流级别的增加而降低。长江河流的 DOC 截留 率随着河流级别的增加而降低。长江源头河流（1~4 级）DOC 截留率为 46.6 ± 21.7%；长江干流（5~8 级河流）截留率为 29.8 ± 14.2%；整个长江河流对 DOC的截留率约为 88.0%，对水-气 CO2 排放贡献约为 56.0%。位于长江干流的 135 个 水库群对 DOC 截留率约为 38.5%，对水-气界面 CO2 排放贡献约为 77.0%。 （2）河流溶存 CH4 净产量、饱和度、河道内 CH4 产生速率均受到土地利用 类型和河流大小的影响，呈现出城市河流>农业河流>林地河流；源头河流>长江 干流。所有河流呈现 CH4 过饱和状态（142.0~6555.4%）。源头河流的 CH4 净产 量和排放速率存在显著的昼夜差异，白天 CH4 排放量高于夜间约 37.8%。河流 GPP 影响了河道内 CH4的产生。在河段尺度 CH4 收支评估中，源头河流内源 CH4 产生占总输入的 21.66 ± 12.37%，长江干流内源 CH4产生占总输入的 1.81 ± 0.34%。 河流 DOC 分子组成受到土地利用类型和河流大小的影响。相比农业、林地 河流，城市河流中脂肪族、蛋白质等生物不稳定分子含量偏高；相比源头河流， 长江干流难降解 DOC 分子（例如：富含羧基的脂环分子和稳定岛分子）含量偏 高。DOC 分子组成控制了河流 CH4 净产量变化。含硫的特征分子，特别是含硫 的脂肪族和蛋白类化合物被识别为河流有氧产 CH4 的分子标志物。 （3）长江水系年均化学需氧量（CODMn）和生物需氧量（BOD5）输出通量 分别为 1.02 ± 0.22 和 0.53 ± 0.12 t km-2 yr -1 ；从长江上游到河口，城市点源对 CODMn 和 BOD5 的贡献比分别从 19%增加到 79%和从 18%增加到 76%。城市化 发展控制了长江有机物的入河，城市点源输入的 CODMn 和 BOD5 随着城市干扰 指数的增加而增加。长江水系 2016~2018 年 DOC 输出通量范围是 0.29~7.12 t C km-2 yr -1，从上游到下游呈现增加的趋势。河口 DOC 输出总量为 1.38 ± 0.10 Tg C yr -1，长江流域 DOC 入河总量约为 11.5 Tg C yr -1。 （4）典型河流反硝化速率在 5~12 月期间的变化范围是 0.047~0.425 g N m-2 d -1，巢湖流域河流反硝化速率最高，其次是淮河流域、长江干流；春季和夏季的 反硝化速率高于秋季和冬季。HR 与反硝化速率（DR）之间耦合关系呈非线性响 应关系（模型：???? = 0.53×(−????) 12.63−???? ）。基于 HR 与反硝化速率之间的耦合模型，模 拟了长江水系不同河流级别的反硝化速率（0.0~0.31 g N m-2 d -1），其随着河流级 别的增加而降低。长江水系 NO3 -吸收速率变化范围是 0.0~7.31 m d -1，整个长江 河流对 NO3 -的截留率为 71.3%；位于长江干流的 135 个水库群对 NO3 -的截留率 为 43.2%；整个长江河网对 NO3 -的截留率约为 84.0%。 本研究在河流系统碳的生物地球循环和碳收支等领域研究具有重要理论意 义。为协调流域社会经济发展与生态环境建设、支撑国家长江大保护发展战略、 长江水质规划与管理、温室气体减排等提供科学依据。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 144 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209236]  |
| 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 | 张培培. 河流生态系统代谢对溶解有机碳和硝酸盐的截留作用及温室气体排放影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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