潮汐对闽江感潮河段水体DOM含量及其光谱特征的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月出版亚热带资源与环境学报 林晓皓 陈瑶 朱贵青 等.潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响.亚热带资源与环境学报 ():.():.:/.潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:林晓皓()男 福建莆田人 硕士研究生 研究方向为生态与环境 通信作者:吴福忠()男 四川乐山人 教授 博士 研究方向为自然地理学、森林生态学、森林土壤学 林晓皓 陈瑶 朱贵青 吴福忠(福建师范大学.地理研究所.湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室 福州)摘要:可溶性有机质()虽然只占生态系统中有机质的一小部分 但易被微生物利用在河流生态系统的养分供应与物质循环中具有关键作用 感潮河段的水体可溶性有机质极易受到潮汐作用引起的径流变化影响 但目前对其仍缺乏必要认识 以闽江感潮河段()为研究对象 在巨潮日分析涨、落潮过程中水体可溶性有机质的含量及其光谱特征变化 结果表明 潮汐作用显著影响距河口 范围水体可溶性有机质的含量、结构、组成以及来源涨潮阶段水体 含量的上升程度较落潮增加 水体 浓度下降程度较落潮增加 涨潮期近河口可溶性有机质的分子量增加 而芳香化程度降低 内源性增强 综合分析表明 潮汐主要通过促进河水与海水混合的物理过程 影响水体环境、可溶性有机质含量及其稳定性 增强、电导率、盐度和溶解氧与可溶性有机质的相关性 但减弱水体温度与可溶性有机质的相关性 这些结果对于深入认识潮汐过程对河流生态系统的影响 了解感潮河段的物质循环规律具有一定的科学意义关键词:潮汐作用 闽江 感潮河段 可溶性有机质 紫外可见光谱中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):().().第 期林晓皓等:潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响.:引言可溶性有机质()通常指能通过 滤膜 且可溶解于水、酸或碱溶液的有机混合物 组成结构复杂 主要包括氨基酸、蛋白质、木质素及腐殖质(胡敏酸、富里酸)等 由于较高的生物可利用性 对生态系统结构和功能的维持具有重要意义 河流作为连接陆地与海洋的纽带 也是 向海洋转移的主要动脉 在生物圈的物质循环中发挥关键作用 河流 通常具有内外两种来源 内源主要由自然界产生 包括藻类、水生植物和细菌等微生物的降解、代谢产物 外源主要包括人类生产活动产生的废弃物 生物残体、粪便与代谢物 在河流生态系统中扮演重要角色 一方面 作为代谢活动的基础 为异养生物提供碳源和能源 异养生物通过降解和生成作用同时影响着 的多样性 包括其含量与生物可利用性 另一方面 广泛参与水环境中的光化学过程 在一定程度上促进河流温室气体 如、的排放 同时 河流的河口至潮区界被称为感潮河段 受近海潮波与上游径流的影响 该河段水流量及水位波动较大 水体特性不稳定 落潮时河流上游陆源性 的输入会引起感潮河段有机质组成与数量的变化 涨潮时的咸潮上溯也会造成该河段的有机质富集 进而影响水体生态系统的群落结构和功能 因此 感潮河段 的含量及其稳定性是反映河流生态环境与地化特征的有效指标 对流域可持续发展具有重要意义目前 已有的相关研究主要是基于时空条件差异 对河流及河口的水体 结构特性、组分特征、含量分布以及光谱性质进行分析 并从多元化视角探讨其影响因素 包括潮汐、径流、人类活动等作用 而对感潮河段 受潮汐作用影响的过程及其距离效应仍缺乏必要的认识闽江是福建省最大独流入海的河流 发源于三明市建宁县 自西向东注入东海 承担着为流域内上中下游提供生态产品的重任 闽江口属于强潮河口 潮汐为正规半日潮型 潮差大、潮流强 平均潮差达 感潮河段受到径流和潮流的共同作用 河流的水位、流速和流量呈周期性变化 周期约为 近 年来 受下切侵蚀、航道整治以及海平面上升等影响 闽江下游感潮河段的高潮位缓慢上升 低潮位显著下降 潮差不断增大 涨潮历时增长 落潮历时减短 潮汐特征变化复杂 因此 选择闽江感潮河段作为研究区 以涨、落潮期间水体 为研究对象 结合紫外可见光谱技术 通过双因素方差分析与 相关性分析 研究潮汐作用下感潮河段水体 含量及其光谱特征 并探索其影响机制 为揭示河流生态系统在感潮河段的物质循环规律提供有益参考 研究区与研究方法 研究区概况选择闽江水口大坝下游至入海口的感潮河段()为研究区(图)全长约 流域面积约 流经福州市主城区 且被南台岛分为南北两支 至马尾港复合 受地形影响 感潮河段的河水流速缓慢 是典型的河漫滩曲流型河流 研究区位于亚热带季风气候区 多年平均气温为 年平均降水量低于 降水集中在 月 另外 研究区同时具有城市、乡村的不同环境压力 为探讨复杂情形下河流 含量及其光谱特征提供了理想实验区 样品采集与处理本研究在闽江感潮河段共设置 个采样点(表)包括在感潮河段上游的非中心城区段设置 亚热带资源与环境学报第 卷图 研究区采样点 采样点 在中心城区段设置 采样点 其中 由于闽江被南台岛分为南北两支 在分汊前的侯官处与汇合后的马尾港处分别设置 和 采样点 在北支设置 采样点在南支设置 和 采样点在近河口设置 采样点各相邻采样点的河段间距相近 采样时间选择 年 月 日与 日(大潮)根据潮汐的变化规律在上午 时 时随涨潮进行采样 在下午 时 时随落潮进行采样 采样时 分别在涨、落潮时段对每个采样点水深 位置进行 次表层水采集表 采样点基本信息 采样点地理坐标距河口()距离/():():():():():():():():():():()每次采集 水样并收集于 洁净塑料桶中 及时使用便携式水质检测仪()测定基本水质参数 包括水体温度、值、电导率和溶解氧 并根据水体温度和电导率计算出盐度 运回实验室后 使用 滤膜将样品过滤至离心管中在 内 完 成 可 溶 性 有 机 碳()的测定 并将其余样品置于 冰箱内保存以备可溶性有机质光谱特征的分析 样品分析根据钱伟等对河流 的研究 以 含量表示 采用总有机碳分析仪(/)进行测定 使用(岛津)紫外可见分光光度计 测量样品紫外吸收波长 扫描波长范围为 间隔设置为 采用 石英比色皿 以实验室 超纯水为参比 并对测定波长的吸光度进行 零点校正以去除仪器基线漂移、散射和折射效应所造成的影响有色可溶性有机质()是 中显著吸收紫外光的有机物 ()是波长 下的吸收系数 ()可用于表示 的相对浓度 波长 处的紫外可见光谱特征吸收值 可用于表征 的芳香性 波长、处的吸光度比值/能够反映 的相对分子大小 光谱斜率 可以表征 的分子量大小与光化学反应活性 其与斜率 的比值 能够反映水体中 的来源 并有助于区分水体类型 数据处理采用单因素方差()分析比较闽江感潮河段水体可溶性有机质在同一采样点涨、落潮间的差异 采用双因素方差()分析感潮距离、潮汐作用以及两者的交互作用对水体可溶性有机质含量及其光谱特征的影响 并采用最小显著差异法()进行差异显著性检验 显著性水平设为 采用 法分析涨、落潮水体可溶性有机质含量及其光谱特征与环境因子的相关性 结果与分析 第 期林晓皓等:潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响 潮汐对水体、浓度及紫外可见光谱特征吸收值的影响涨、落潮期间 闽江感潮河段水体 含量在上、中游河段()变化不明显 在下游河段()呈持续上升趋势 同时在 断面达到最大值(图)感潮距离、潮汐作用对研究区水体 含量的变化具有显著影响()靠近河口的水体 含量变化幅度较大 随感潮距离的增加 水体 含量的变化幅度在研究区范围内逐渐减小(图)涨潮阶段下游河段()的水体 含量明显高于落潮阶段 相较于落潮期 涨潮期水体 含量对感潮距离变化的响应更明显 注:图中数值为平均值标准误 表示相同采样点涨、落潮之间差异的显著性水平(表示 表示 表示 )但不同感潮距离间的水体 浓度变化幅度存在显著差异()在距河口 范围内 随感潮距离的增加 水体 浓度的变化幅度逐渐增大 而后 范围内变化幅度逐渐减小(图)虽然涨、落潮水体 浓度变化幅度的趋势相近 但是涨潮时水体 浓度在近河口的变化幅度更大与水体 含量相近 闽江感潮河段水体 的紫外可见光谱特征吸收值 在上、中游河段()较平稳 在下游河段()表现出减少的动态特征 在 断面达到最低(图)感潮距离对 值的变化有显著的影响()近河口的 值变化幅度较大 随感潮距离的增加 值变化幅度在研究区范围内不断减小(图)值变化对潮汐作用的响应主要发生在下游河段()该河段 值的变化幅度在涨潮阶段更稳定 潮汐对水体 紫外可见光谱特征的影响闽江感潮河段水体 的吸光度比值/在上游河段()具有涨、落潮差异 涨潮期 亚热带资源与环境学报第 卷图 涨、落潮不同感潮距离的水体可溶性有机质含量()与光谱特征()差异 ()()呈先升高后降低的特征 落潮期则相反/值在中、下游河段()整体表现为降低升高降低的动态趋势(图)感潮距离显著影响水体 的/值变化()距河口 范围内/值变化幅度随感潮距离的增加而减小 不同潮汐过程的/值存在显著差异()相较于落潮 涨潮在一定程度上加剧了/值在研究区内的变化幅度 该现象在距河口 范围内尤为显著(图)研究区水体 的光谱斜率 在上、中游河段()变化较小 在下游河段()波动较大 落潮期 断面的 值最大 涨潮期峰值则出现在 断面(图)在感潮距离、潮汐作用以及两者的交互效应下 水体 的 值存在显著差异()但不同潮汐过程的值变化幅度有显著差异()涨潮时更明显 潮汐作用下 值变化幅度的差别主要发生在距河口 范围内(图)影响因素相关性分析结果显示(图)值、值与、电导率和盐度等环境因子存在显著的正相关关系 潮汐作用对促进各因子间的相关关系具有积极作用 其不仅显著影响水体 含量、值、/值与、电导率和盐度等环境因子的相关性 而且增强了 值、值与溶解氧的负相关关系 但对 值、值与水体温度的正相关性有所减弱 同时 非环境因子内部同样存在联系()与 值间存在显著的正相关关系 与/值间存在显著的负相关关系 含量与值呈显著负相关 值与 值呈显著正相关 第 期林晓皓等:潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响 图 涨、落潮水体可溶性有机质含量及其光谱特征与环境因子的相关关系 讨论 作为河流生态系统中物质迁移和转化的重要角色 含量能够表征水体的环境特征 紫外可见光谱特性能够反映其来源、组成和结构 本研究中 闽江感潮河段水体 平均含量为 与长江、珠江等国内大型河流的下游河口段相近 但相较于国外河流的近河口更低 如密西西比河 说明研究区水生态环境总体良好 这可能与国内在城市化进程中倡导绿色发展 控制污染物向河流的排放有关 涨、落潮期间 水体 含量在下游河段()不断增加 说明有机物质在下游河段出现积聚 而且越临近河口的积聚程度越高 原因可能是近河口的有机质受到上游径流的输入与海水顶托共同作用 同时 涨潮期水体 含量的变化幅度更显著 下游河段()含量的上升程度较落潮期增加 表明潮汐对有机质的积聚具有正向作用 可能与涨潮时的海水上溯有关 相关性分析发现(图)涨潮期 含量与、电导率、盐度等环境因子呈显著正相关 潮汐作用促进近河口的河水、海水混合 一方面使水体的、电导率和盐度升高另一方面加剧 的积聚 不难发现尽管潮汐作用对于上、中游河段 含量影响不显著 但对于下游河段表 不同感潮距离、潮汐作用对水体可溶性有机质含量及其光谱特征的双因素方差分析 因子()感潮距离 潮汐作用 感潮距离潮汐作用 因子/感潮距离 潮汐作用 感潮距离潮汐作用 注:表示 表示 表示 意味着样本更具内源特征 反之则以外源为主 研究结果表明 闽江感潮河段水体 来源较为复杂 整体更具外源特征 但越靠近河口的水体 内源特征越明显 可能与河水向下 第 期林晓皓等:潮汐对闽江感潮河段水体 含量及其光谱特征的影响流动过程中微生物降解、光化学降解有关 值从 断面开始降低 可能是近河口的湿地、沼泽向河流输入具有陆源特征的 所导致 涨、落潮 值在 断面(距河口 范围内)出现明显差异 涨潮期的海水上溯促进内源性 的输入 使近河口的水体 来源具有更强烈的混合特征 相关性分析发现(图)落潮期 值、值与水体温度的正相关关系显著 推测是在适宜的水热条件下 微生物活性提高 促进了自身的代谢、降解 而涨潮时的潮汐扰动会削弱该相关性值、值与溶解氧存在负相关关系 可能的原因是内源性 含量升高会促进微生物的耗氧分解 造成溶解氧含量降低 而潮汐作用增加了近河口的内源性 占比 会使负相关性更加显著 结论研究结果表明 涨潮过程一方面增加了距河口 范围内水体 的含量 促进了分子量较大的有机质在近河口积聚 另一方面延长了 受光降解、微生物降解的时间 使近河口水体 浓度降低 提高了低芳香性结构的内源 占比 同时 潮汐对水体 含量及其光谱特征的影响主要基于河流与海洋的动力作用 即海水上溯增强了近河口的咸淡水混合 河段各水质指标同样受到潮汐作用的影响 如、电导率和盐度升高 表现出与 强烈的相关性 与已有认识不同 潮汐作用的影响并不局限于河口区 而是包括近河口 范围内的部分感潮河段 这些发现为深入了解感潮河段水体 的迁移与循环过程提供一定的科学依据参考文献():郑国航 邢明飞 郝智能 等.固相萃取法分离富集环境水体中溶解性有机质的研究进展.环境化学 ():.():.:.:.:.():.():.:.:.袁博 郭梦京 郑兴 等.灞河流域溶解性有机质分子量分级表征及其与水质的相关性.应用生态学报 ():.():.倪茂飞 刘睿 王志康 等.典型喀斯特河流汛期溶解性有机质空间变化及其光学参数的耦合关系.生态学报 ():.():.姜德刚 李建华 徐金燕 等.崇明岛富营养化河道溶解有机质的三维荧光光谱特征.水生态学杂志 ():.():.:.():.兰紫橙 贾岚 程煜.闽江流域生态系统服务价值评估及权衡协同关系.生态学报 ():.亚热带资源与环境学报第 卷 .():.郑小平.闽江口潮汐潮流特性的初步分析.水利科技 ():.():.温宛隽.闽江下游潮汐时空变化特征分析.陕西水利 ():.():.张章新.闽江流域水文特性分析.水文 ():.():.钱伟 江淼华 黄佳芳 等.闽江下游有机碳及 的季节动态.亚热带资源与环境学报 ():.():.张文浩 赵铎霖 王晓毓 等.太白山自然保护区水体 吸收与三维荧光特征.环境科学 ():.():.朱玲 魏文涛 吴若冰 等.马尾松和杉木人工林凋落叶水溶性碳氮磷的季节动态.亚热带资源与环境学报 ():.():.杨炫 陈乐 李凯迪 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