西南河流源区溶解性有机碳的时空分布特征与环境效应

作     者：孟玥廷 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：倪晋仁

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：青藏高原 溶解有机碳 碳同位素 三维荧光 冻土 温室气体 

摘      要：西南河流源区是长江、黄河、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江等亚洲主要大河的发源地,是我国水资源的战略储备区。该区域生态单一脆弱敏感,近年来人为活动和全球变暖影响加剧,导致冰川退缩、冻土融化、径流变化显著,影响河流生态系统的稳定性。溶解有机碳是水环境中重要的生源物质,也是水体中最大的生物可利用碳库,目前水库运行和气候变化对高原河流有机碳带来的长远影响有待深入探究。本文以澜沧江和雅鲁藏布江为研究对象,基于2017年、2018年6月和11月的实测数据,综合运用光谱技术和同位素技术等方法研究有机碳的分布、来源和组分特征,揭示梯级水库建设和冻土碳输入对高原河流有机碳的影响和产生的环境效应,主要结论如下: (1)揭示了西南河流源区不同介质有机碳的时空分布格局。澜沧江自然河段DOC浓度(均值为1.69 mg/L)高于梯级水库(均值为1.57 mg/L);而梯级水库沉积物有机碳(均值为14.60 mg/g)显著高于自然河段(均值为5.70 mg/g)。雅鲁藏布江水体DOC浓度范围在1.25 mg/L～1.97mg/L;沉积物有机碳浓度范围在1.80mg/g～14.45mg/g;雅鲁藏布江有机碳相较于长江源更加老化,Δ14C范围为-315.07‰～-889.85‰(均值-587.24‰);年龄范围在 4870～17650 years BP(均值为 8078 years BP)。 (2)分析了西南河流源区 DOM的光谱特征和来源。利用稳定同位素技术发现,澜沧江沉积物有机碳来源于土壤有机质、浮游植物和C3植物:从自然河段到梯级水库段藻源碳的贡献率增加了 7.6%。澜沧江DOM的谱学参数空间差异显著,通过EEM-PARAFAC在澜沧江梯级水库段识别出了不同于自然河段的组分C5;DOM光谱指数(E2/E3、SUVA254、F1、BIX和HIX)分析表明,澜沧江以陆源有机碳为主,梯级水库内源代谢活动分解有机质使河流腐殖化程度降低,表现出更高的自生源特征,这与同位素分析结果一致。雅江DOM光谱指数(E2/E3、SUVA254、FI、BIX和HIX)季节差异显著,以陆源碳贡献为主,中上游自生源程度较高而腐殖质化程度较低;下游自生源程度低而腐殖化。芳香化特征明显。雅鲁藏布江沉积物中存在老化土壤有机碳的贡献,占比为43.3%(其中冻土贡献为25%,活动层土壤有机碳贡献为18.4%)。 (3)揭示了梯级水库影响下,澜沧江DOM荧光组分与温室气体的响应关系。梯级水库的累积效应改变了澜沧江DOM组分和光谱特征,DOC含量、BIX与水库特征参数存在显著线性关系。水库河段温室气体则与水温、DOM荧光组分、谱学参数关联紧密,尤其是水库河段C5组分与CO2产生有关。 (4)分析了冻土有机碳释放下,雅鲁藏布江DOM组分与温室气体的潜在关系。雅鲁藏布江春季温室气体(CO2、CH4和N2O)含量高于秋季。相比于CH4和N2O,CO2与DOM的相关关系更强,尤其是C3组分与CO2显著正相关。冻土有机碳的输入使DOM更易被生物分解利用;有机碳年龄越大,DOM的自生源特征越强、腐殖化程度越低,生物可利用性越高,对高原河流CO2的产生起到了促进作用。 本文研究了雅鲁藏布江和澜沧江有机碳的来源及归宿,能够弥补青藏高原河流碳循环研究的不足,同时为高原河流可持续开发、利用和保护,尤其是高原水电开发战略的实施奠定基础。