上海市河网水体溶存氧化亚氮和甲烷的时空分布及排放通量

【摘要】：氧化亚氮(N20)和甲烷(CH4)是大气中重要的温室气体,其对未来全球气候变化可能会产生巨大的直接和间接影响,然而目前全球N2O、CH4源汇通量清单中还存在很大不确定性。随着全球范围内城市化进程的推进,人类的生存与发展极大地影响了全球的碳、氮循环,使得河流生态系统碳、氮负荷加倍增长,河流富营养化和黑臭等水质污染现象频发,增加了河流生态系统产生和排放N2O、CH4的潜能。 在国家自然科学基金青年科学基金项目：“长江三角洲河网水体氧化亚氮产生机制及其排放通量”和国家重大水专项课题：“城市黑臭河道外源阻断、工程修复与原位多级生态净化关键技术研究与示范”等的支持下,本论文选取上海市河网作为研究对象,运用环境地球化学、生物地球化学、自然地理学等多学科综合研究手段,采用野外采样与实验室分析相结合、现场试验与室内培养试验相结合的方法,系统研究上海市河网水体溶存N2O、CH4浓度和饱和度的时空变化特征,探讨环境因子的控制作用和影响,采集市区(SQ)和郊区(QP)典型河流河底沉积物来考察N2O、CH4在沉积物—界面的产生与释放,并最终初步估算出上海市河网水—气界面N2O、CH4排放总量。主要结论包括以下几个方面： (1)河网水体N20和CH4浓度的总体变化范围分别在0.26±0.01～89.91±45.50μg N·L-1和0.74±0.64～1367.68±186.69μg C·L-1之间,溶解饱和度的变化范围分别在108.74+5.75-21355.11±10808.41%和95.95±49.70-64704.78±13886.65%之间,总体均处于饱和至高度过饱和状态；2月和4月水中N20和CH4浓度及饱和度显著高于其他月份；河网内水中N20和CH4浓度及饱和度的高值均出现在SQ、BS、JD等市区或工业集中区域。 (2)水体中N20和CH4浓度之间存在显著的正相关；N20和CH4均分别与水温、气温、pH值、ORP和DO含量存在显著负相关,而与NH4+-N、TP、DOC和DIC存在显著正相关；N20与NH4+-N浓度在各个DO含量范围内整体存在一致的正相关关系,其关系可用回归方程：y=0.713015*e0.298754*x (R2=0.430, P0.001)来描述,而N03-N与N20浓度仅在DO含量处于O～1.2 mg·L-1范围时N20浓度随着N0_3--N浓度的增加显著升高。 (3) CART模型分类结果表明,NH4+-N、水温、DO、NO3--N、TP和pH是水中N20浓度的主要分类因子,而NH4+-N、NO3--N、DO、ORP和S042-是cH4浓度的主要分类因子。CART模型在水质较差、N2O、CH4浓度较高区域对N2O、CH4浓度的分类预测效果较好。GAM模型对水中N20总偏差解释率为72.31%,其中NH4+-N贡献率达42.99%,表层水体环境因子通过GAM模型拟合后对水中N20浓度的整体拟合效果较好；GAM模型对CH4浓度总偏差解释率为51.20%,预测效果总体较差。GAM模型在郊区水体较清洁区域可以得到较好的预测效果。 (4)QP和SQ水体内部N20产生速率分别为O.10±0.67和0.97±0.65 ng N·h-1,远低于QP和SQ沉积物—水界面N20释放速率的3.86±1.93和12.49±6.25 ngN·h-1；两地沉积物—水界面CH4释放速率分别为0.079±0.0084和7.04±0.48μgC·h-1,上覆水体的氧化作用使得两地水体内部CH4产生速率极低；沉积物是两地表层水体N20和C出的主要来源；QP和SQ沉积物—水界面N20和CH4的释放通量分别为4.02±2.01和13.01±6.51μg N·m-2·h-1以及83.66±11.22和7335.48±495.79μg C·m-2·h-1,沉积物—水界面N20和CH4释放通量的较大差异是造成表层水体N20和CH4浓度空间分异的主要原因之一 (5)富氧状态下QP和SQ沉积物的耗氧量均大于贫氧状态；由于沉积物中有机碳含量较高,SQ沉积物在富氧和贫氧状态下的耗氧量均高于QP沉积物,使得上覆水体总体处于缺氧状态；添加了NH4+-N或NH4+-N/NO3--N条件下,QP和SQ沉积物耗氧量明显增加,且随物质添加梯度出现上升趋势；上覆水体中的NH4+-N扩散进入沉积物表层加快了硝化反应速率可能是沉积物—水界面DO消耗加速的主要原因。 (6)贫氧条件下QP和SQ沉积物—水界面N20的释放通量总体高于富氧状态；添加NH4+-N和NH4+-N/NO3--N显著增加了QP和SQ沉积物—水界面N20释放通量,其中尤以SQ沉积物更为显著,上覆水体中的DO和NH4+-N浓度是影响沉积物—水界面N20释放最为主要的因素；而上覆水体DO浓度是唯一显著影响QP和SQ沉积物—水界面CH4释放的决定性因素。 (7)自然条件下QP和SQ表层O～1cm沉积物孔隙水N20浓度分别在1.02±0.64-2.04±1.45和2.23±0.85～3.40±1.07μg N·L-1之间,高于两地原位表层水体中的N20浓度；贫氧状态以及NH_4+-N和NH4+-N/NO3--N添加明显促进了表层0～1cm内孔隙水中N20的产生；在上覆水体较高的NH4+-N浓度和较低的DO浓度条件下,沉积物表层的硝化作用是N20的主要产生机制。自然条件下QP和SQ表层0～1cm沉积物孔隙水CH4浓度分别在49.48±12.94-54.14±21.48和6941.25±2647.55～7465.17±1234.68μg C·L-1;沉积物表层0～1cm内氧化作用显著降低了孔隙水CH4浓度；QP和SQ沉积物中极高的有机碳含量使得N03--N和S042-添加对CH4的抑制作用并不明显,并使沉积物成为水体中CH4的主要来源。 (8)河网水—气界N20和CH4排放通量的总体变化范围分别在0.05±0.003～48.12±6.42 mg N·h-1·m-2和-0.04±0.01～579.25±86.20 mg N·h-1·m-2之间,河网水体总体是大气N20和CH4的源；较高的水温条件对水体N20和CH4排放存在一定的促进作用；SQ、BS和JD等市中心区域以及工业生产区域内水体N20和CH4排放通量显著较高；河网水体N20排放通量略低于长江口海域水体N20排放通量,而CH4排放通量与典型湿地生态系统CH4排放水平相当。 (9)上海市河网水体N2O、CH4的年排放总量分别为7.23 Gg N·yr-1和58.22Gg C·yr-1;上海市河网水体N20年排放总量可占全球河流水体N20排放估算量的0.66%,现今对全球河流N20源效应的认识可能存在较大误差；上海市河网水体CH4的年排放量可占全国淡水湿地CH4排放估算量的6.62%,佐证了河流生态系统作为大气CH4排放源的重要性；城市化地区河网是大气N2O、CH4潜在的重要排放源,应当引起更多的关注与重视。 【关键词】：上海市河网 氧化亚氮 甲烷 时空变化特征 环境影响因子 沉积物—水界面交换通量 排放总量
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P342
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.2 国内外研究进展17-23
• 1.2.1 河流水体中N_2O和CH_4的浓度、饱和度及其水—气界面通量17-18
• 1.2.2 河流水体中N_2O、CH_4的产生机制18-21
• 1.2.3 环境因子对河流系统N_2O、CH_4产生的影响21-23
• 1.3 研究思路与框架23-26
• 1.3.1 研究目标23-24
• 1.3.2 研究内容24
• 1.3.3 研究方法与技术路线24
• 1.3.4 本研究的特色和创新之处24-26
• 第二章 研究区域概况26-35
• 2.1 上海市自然环境概况26-31
• 2.1.1 气候和土壤26-27
• 2.1.2 大气质量概况27
• 2.1.3 土地利用概况27-29
• 2.1.4 河网自然地理特征29-30
• 2.1.5 河网水质概况30-31
• 2.2 河网采样点位设置概况31-35
• 2.2.1 河网表层水采样点位设置31-33
• 2.2.2 河网底层水样的采集33-34
• 2.2.3 沉积物柱样采样点位设置34-35
• 第三章 样品采集与分析35-42
• 3.1 野外采样和现场观测35-37
• 3.1.1 河网表层水样、大气样品的采集35-36
• 3.1.2 河网底层水样的采集36
• 3.1.3 沉积物原位柱样的采集36-37
• 3.2 实验室样品处理与培养37-39
• 3.2.1 样品的预处理37
• 3.2.2 室内模拟培养试验37-39
• 3.3 样品分析方法39-40
• 3.4 数据计算40-42
• 3.4.1 水体N_2O和CH_4浓度和饱和度的计算40
• 3.4.2 水—气界面N_2O和CH_4交换通量的计算40-41
• 3.4.3 水—气界面添加物物质交换通量的计算41
• 3.4.4 沉积物孔隙水N_2O和CH_4浓度的计算41-42
• 第四章 上海市河网水体N_2O、CH_4浓度、饱和度水平及其时空变化特征42-75
• 4.1 河网表层水体主要环境因子的时空变化特征42-48
• 4.2 河网表层水体N_2O、CH_4浓度、饱和度的时空变化特征48-53
• 4.2.1 河网表层水体N_2O浓度、饱和度的时空变化特征48-50
• 4.2.2 河网表层水体CH_4浓度、饱和度的时空变化特征50-52
• 4.2.3 河网水体N_2O、CH_4浓度及饱和度与其他典型研究区域的对比分析52-53
• 4.3 河网表层水体N_2O、CH_4浓度与环境因子的相关性分析53-59
• 4.4 基于分类与回归树模型(CART)的环境影响因子分析59-62
• 4.4.1 模型概述59-60
• 4.4.2 CART模型对水中N_2O浓度的回归分类60-61
• 4.4.3 CART模型对水中CH_4浓度的回归分类61-62
• 4.5 基于广义可加模型(GAM)的环境影响因子分析62-67
• 4.5.1 模型概述63
• 4.5.2 GAM模型对水中N_2O浓度的拟合与预测63-65
• 4.5.3 GAM模型对水中CH_4浓度的拟合与预测65-67
• 4.6 河网底层水体N_2O、CH_4浓度水平及主要环境影响因子67-72
• 4.6.1 表层和底层水体主要环境参数的对比分析67-69
• 4.6.2 表层和底层水体N_2O、CH_4浓度水平的对比分析69-71
• 4.6.3 底层水体N_2O、CH_4浓度与环境因子的相关性71-72
• 4.7 本章小结72-75
• 第五章 河流沉积物—水界面N_2O、CH_4交换通量及其主要产生机制75-91
• 5.1 原位表层水体和沉积物的基本理化性质75-79
• 5.1.1 原位表层水体中N_2O、CH_4浓度与主要环境参数75-76
• 5.1.2 沉积物的基本理化性质76-79
• 5.2 水体内部N_2O、CH_4产生速率与沉积物—水界面N_2O、CH_4自然交换速率79-81
• 5.3 因子控制条件下沉积物—水界面DO的变化特征81-82
• 5.4 因子控制条件下沉积物—水界面N_2O、CH_4的交换通量82-85
• 5.5 因子控制条件下沉积物孔隙水N_2O、CH_4的垂直变化特征85-89
• 5.6 本章小结89-91
• 第六章 河网水体N_2O、CH_4排放通量的时空变化特征及排放总量估算91-103
• 6.1 上海市近地表风速的年变化特征91-92
• 6.2 河网水体N_2O、CH_4排放通量水平及其时空变化特征92-97
• 6.2.1 河网水体N_2O、CH_4排放通量的季节变化特征92-93
• 6.2.2 河网水体N_2O、CH_4排放通量的空间变化特征93-95
• 6.2.3 河网水体N_2O、CH_4排放通量水平与其他研究区域的对比分析95-97
• 6.3 河网水体N_2O、CH_4排放总量的初步估算97-101
• 6.3.1 排放总量的计算方法97-99
• 6.3.2 河网水体N_2O、CH_4排放总量及对大气N_2O、CH_4的贡献99-101
• 6.4 本章小结101-103
• 第七章 结论与展望103-107
• 7.1 主要结论103-106
• 7.2 研究展望106-107
• 参考文献107-117
• 附录117-118
• 致谢118

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