重庆金佛山石钟河DOM组成、来源及微生物降解特征研究

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在岩溶动力系统中,大气或者土壤中的CO2、水与碳酸盐岩反应,生成溶解无机碳(DIC)。同时,水体中的DIC在一定条件下发生沉淀,同时释放CO2,因此岩溶碳汇的稳定性一度遭遇质疑。然而一个被忽略的事实是:岩溶水体中的DIC会受水生光合作用的影响,其中一部分便以溶解有机碳(DOC)的形式保存下来,实现从无机碳到有机碳的转变。而溶解有机碳是溶解有机质(DOM)的重要组成部分,近些年海洋碳汇的研究表明,某些光合细菌能够将活性溶解有机质(LDOM)高效地转化为惰性溶解有机质(RDOM),其循环尺度甚至达到千年以上,构成稳定的海洋碳储。加之DOM广泛存在于全球各种环境介质中,且自身的组成和结构十分复杂,是水环境中重要的配位体和吸附载体,对重金属和有机污染物等在水环境中的迁移具有重要影响。因此,研究水环境中DOM的组成特征、来源及稳定性对于认识生物圈营养循环、环境污染物迁移,乃至全球碳循环都具有重要意义。近年来光谱方法因其在DOM分析中具有成本低、操作简单、信息量大、灵敏度高等优点得到广泛应用。本研究以亚热带岩溶地表河——石钟河为研究对象,于2016年9月2017年8月开展从上游至下游9个点位的调查,利用三维荧光光谱结合紫外-可见吸收光谱以及常规水化学指标,分析石钟河DOM组成、来源及微生物降解特征,为岩溶有机碳汇稳定性研究提供科学论据。分析结果表明:(1)石钟河水中HCO3-的质量分数>70%,Ca2++Mg2+的质量分数>80%,为主要的阴阳离子,上游水体流经地区以页岩和灰岩为主,中下游流经地区以灰岩和白云岩为主,水化学性质主要受控于岩性;河水DOC约占TOC质量浓度的90%,是TOC最主要的组成部分,且在温度、pH、DIC质量浓度、水生生物量以及人为活动等环境因子的共同影响下,DOC的质量浓度表现出下游大于上游,雨季大于旱季的分布规律。(2)石钟河水体DOM包括类富里酸、类酪氨酸和类色氨酸3个组分。在旱季3个组分所占比重平均值分别为38%、26%、36%,内源DOM(类酪氨酸和类色氨酸)所占比重表现出由上游至下游递增的趋势,平均值约为62%;在雨季3个组分所占比重约为52%、29%、19%,内源DOM所占比重约为48%。(3)水体DOM的吸收光谱参数SUVA254、S250290、E253/E203、M值在旱季的平均值分别为1.37、0.021、0.015和8.01;在雨季的平均值分别为1.72、0.013、0.028和8.47,较高的S250290和M值以及较低的SUVA254和E253/E203表明石钟河水DOM的分子量较小,富里酸比重大于腐殖酸,且芳香性弱,疏水性强;水体DOM的FI、BIX、HIX、β:α等荧光光谱参数在旱季的平均值分别为2.06、0.87、4.35和0.66,在雨季的平均值分别为1.51、0.76、4.50和0.66,较高的FI、BIX、β:α以及较低的HIX显示石钟河水体DOM整体而言具有较强的自生源特征。(4)通过微生物降解实验发现,2个类蛋白组分C2(类酪氨酸)和C3(类色氨酸)消失,类腐殖质组分C1得到保存,并产生了1个新的类腐殖质组分C5(类富里酸),表明微生物活动及藻类分解产生的内源DOM具有较强的活性,可在短期内被微生物利用,但此过程中新产生的DOM其活性较弱,可以较稳定地存在于水体中,周转周期介于515个月,平均约为9个月。
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