基于脂类生物标志物的金佛山地表河溶解有机质时空变化特征

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岩溶动力系统具有高度的开放性,对外界环境的变化十分敏感。表层岩溶系统与外界不断的进行物质、能量的传递,碳元素得以在水-岩-气相互作用的过程中积极交换,碳酸盐岩的风化将CO2以HCO3-的形式输送到海洋中,每年通过岩溶作用可以固定大约6亿t的碳,进而影响全球气候。但是岩溶作用产生的“碳汇效应”依然受到学者的质疑,近年来通过对生物光合作用的深入研究,发现水生光合生物可以利用溶解无机碳,一部分转化为有机质,从而形成了内源有机碳,逐渐发展成为一种考虑水-岩-气-生相互作用的碳酸盐风化碳汇新模式。其中溶解有机质(dissolved organic matter,DOM)是地球重要的有机碳库,是全球碳循环过程中的关键环节,加强岩溶地表河DOM的研究,更有助于深刻认识岩溶碳汇的稳定性。DOM自身具有多样的结构和复杂的组分,但脂类生物标志化合物在演化过程中却能够保持原始生物组分的碳骨架,记录母源先质的基本信息,可以在有机质的演化过程中重现其输送途径和转化过程,因此常利用最稳定的正构烷烃和脂肪酸进行DOM的物源解析。本研究以重庆金佛山地表河为研究对象,利用气相色谱-质谱联用仪为分析手段,以岩溶地表河正构烷烃和脂肪酸的时空变化为研究主线,旨在研究重庆金佛山石钟河水体中DOM的含量、组成、来源及迁移变化特征。结果表明:(1)石钟河正构烷烃浓度的变化范围为36913719 ng·L-1,脂肪酸浓度的变化范围为202333773 ng·L-1,跨幅区间均较大,存在显著的时间和空间变化差异。就时间变化而言,正构烷烃和脂肪酸浓度均呈现雨季高于旱季的变化特点,气温和降水是地表河DOM浓度变化的主要影响因素。空间变化上,旱季上下游河段正构烷烃和脂肪酸的浓度差异均较小,雨季河段差异增大,下游浓度高于上游。DOM的含量积极响应强降雨天气的变化,高强度降水会造成正构烷烃和脂肪酸浓度的突升,对其进行源解析,发现原因多为高等植物和成熟有机质的大量输入。(2)石钟河各脂肪酸组分含量总体表现为:饱和直链脂肪酸(SSFA)>单不饱和脂肪酸(MUFA)>多不饱和脂肪酸(PUFA)>饱和支链脂肪酸(BSFA)。各组分也出现时空变化,饱和直链脂肪酸比重最高,饱和支链脂肪酸比重最小,单不饱和脂肪酸的季节变化最显著,多不饱和脂肪酸的全年变幅最小。且各河段旱雨季变化特点明显,饱和直链脂肪酸和饱和支链脂肪酸的比重在雨季微降,单不饱和脂肪酸比重雨季上升,多不饱和脂肪酸中游微升,上游和下游微降。不同来源的DOM贡献不同组分的脂肪酸,细菌、藻类等微生物和高等植物的贡献差异是引起DOM含量和组成不同的原因,季节变化和上下游不同的土地利用方式影响河水来源,进而影响河水DOM的含量和组成的变化。(3)气温降水的季节变化影响有机质的新鲜程度,整体上随着河流的运移,有机质出现吸附、分解和转化,自上而下呈降解作用,区别在于旱季作用稍强,雨季作用稍弱。旱季降水相对偏少,外源物质输入较少,对河流的扰动影响偏弱,自然运移表现为自上而下易降解的不饱和脂肪酸的降解过程;雨季河流输入大量的新鲜有机质,外界环境对河流的影响阻碍河流自然运移的降解过程,弱化各河段的差异性。(4)利用特征参数对正构烷烃和脂肪酸指示的DOM进行来源解析,发现二者具有相似的物源指示。旱季全河段DOM受细菌和浮游植物控制明显,其中细菌源DOM比重超过50%,有机质成熟度偏低,来源种类单一,上下游差异较小。随着雨季到来,尤其是5月出现强降水天气后,高等植物输入增多,以下游区输入量最大,但整体上高等植物源DOM始终没有占据主导优势。雨季有机质的成熟度也出现增高,自上游至下游整体呈递增趋势,以人类工农业活动更频繁、水土流失现象更严重的下游区成熟度更高。雨季细菌源DOM虽受到降水稀释作用影响,各河段的细菌源比重出现下降,但仍占优势地位;浮游植物源DOM与高等植物源DOM类似,随着气温和降水的增加,贡献增多,但比重始终偏低;真菌源下游贡献的比例更高,土壤的侵蚀问题更严重。
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