沉积物间隙水中CDOM光学特性与河口CDOM光化学反应研究

摘要

海洋有色溶解有机物(CDOM)作为溶解有机物(DOM)的主要成分及海洋碳循环的关键环节，近年来受到海洋学家的广泛重视。本论文围绕海洋CDOM的两个潜在来源——沉积物的再悬浮作用与雨水输入，以及一个关键的去除途径—光化学降解展开研究，利用最新的三维荧光光谱(EEMs)分析手段，结合吸收光谱以及溶解有机碳(DOC)的测定，分析了中国华南地区河口近海沉积物间隙水中CDOM的光学特性及底质再悬浮作用作为海水中CDOM来源的可能性；在国内首次观测了雨水中CDOM的荧光光谱特征，探讨了其对大气化学的意义及对海洋CDOM通量的贡献；开展了河口区CDOM在天然太阳辐照下的光化学降解研究，探讨光化学反应作为CDOM降解转化途径的重要性，以期为进一步研究河口近海溶解有机物的源汇格局、迁移转化及循环机制提供更完整的参考资料。本研究获取的主要结果如下： 1)厦门湾、兴化湾、湄洲湾及北部湾表层沉积物间隙水中CDOM的EEMs大体相似，观测到的主要荧光谱峰有类腐殖质荧光峰(A、C)以及类蛋白质荧光峰(包括类色氨酸荧光峰B、S及类酪氨酸荧光峰T、R)，这些谱峰均成对出现。强类蛋白质荧光的出现，揭示了早期成岩过程中大量含色氨酸和酪氨酸等芳香结构的溶解有机质在表层沉积物中的积累。反映陆源特征的类腐殖质荧光峰C随不同海湾和不同站点而变化，而代表海洋来源的荧光峰M在上述海域间隙水中均不明显。 2)沉积物间隙水中CDOM的平均浓度(以λex/λem=350nm/450nm的荧光强度表示)以湄洲湾最大，兴化湾次之，厦门湾和北部湾最低，表明陆源有机物质的输入对湄洲湾和兴化湾中的沉积物影响较大，而对厦门湾和北部湾的影响较小。不同海域各荧光谱峰之间的荧光强度比值差别大，说明其来源或组成存在差异。4个海域沉积物间隙水CDOM的荧光指数均大于1.5，接近1.9，指示这些海域沉积物中溶解有机物的性质受微生物活动的影响较大，尤其是兴化湾表层沉积物中微生物活动更强。 3)对九龙江口沉积物样品进行的室内再悬浮模拟实验表明，对给定的站位，CDOM的相对荧光强度和DOC含量分布变化均表现为间隙水最高，再悬浮样次之，底层水最低。不同站位之间，底层水和再悬浮水样中CDOM相对荧光强度随盐度的降低而增加，从海端向河端增加的趋势明显。EEMs分析表明，再悬浮作用可释放类腐殖质与类蛋白质荧光物质到底层水中，表明底质再悬浮将是近岸水体中CDOM的一个重要来源。再悬浮样品中EEMs的荧光团同时表现出相应底层水和间隙水的特征，但是荧光峰(峰A和峰C)的最大激发和发射波长更接近底层水中相应荧光团。与间隙水相比，则发生谱峰位置的蓝移。近海端样品中海源荧光峰M明显，随着由海端向河端盐度逐渐降低，峰M逐渐消失，表明峰M属于海洋自生来源。DOM的荧光指数在1.61—1.93之间变化，表明近海端样品DOM主要为生物来源，而近河端样品DOM主要为陆源输入，或者为陆源与生物活动的共同作用。 4)2007年夏、秋季，对取自九龙江口的CDOM水样进行了为期约一周的天然日光辐照下的光化学降解实验，在这些水样中观测到的类腐殖质荧光及类蛋白质荧光等均在日光照射下发生明显的光化学降解，到实验结束时，荧光损失最大可达90％，而相应的对照组中各荧光谱峰的荧光几乎不变化。陆源特征的荧光峰C较峰A更易受太阳辐射的影响而更易发生光化学降解。随辐照时间增加，CDOM的吸收系数a(250)及a(280)也呈不断降低的趋势，至辐照实验结束时，吸收损失最大约1/2，吸收损失的速率明显慢于荧光。荧光和吸收损失主要发生在＜320 nm的短紫外波段。 5)与对照组相比，反映CDOM分子组成和平均分子量的A250/A350比值经过日光辐照后变大，表明光化学反应可把大分子的CDOM降解为小分子的CDOM，其平均分子粒径变小，表明光降解可能是陆源CDOM入海后的一个重要“归宿”。但与荧光和吸收特性相比，DOC光化学降解的程度较小，说明吸光的大分子DOC只是转变为不(弱)吸光的小分子DOC。低盐度站位CDOM水样的光化学降解速率高于中盐度站位样品。 6)雨水中CDOM的光学特征表明，在厦门湾采集的所有雨水样都观测到CDOM，其吸收光谱随波长增加呈指数衰减。多雨期间雨水中CDOM的相对含量高。雨水样的EEMs光谱揭示有3类荧光峰(2个类腐殖质荧光和3个类蛋白质荧光)存在，其中2个类腐殖质荧光均与吸收系数a(300)之间具很强的正相关关系，表明控制其吸收特性的基团可能与控制其荧光特性的基团具有相同性质。人为活动或陆源可能是雨水中CDOM的主要贡献者。pH在5—7范围内几乎不影响CDOM中荧光峰所处的位置，但是，随pH值从5增加到9，各荧光峰荧光强度及吸收系数均有增加。雨水样中较高浓度CDOM的存在，在受大气水体影响的太阳辐射的光谱衰减中可能起着潜在的重要作用，同时也是海域CDOM不可忽视的一个源通量。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 CDOM概述

1.1.1 CDOM与FDOM的定义

1.1.2 DOM、CDOM和FDOM之间的关系

1.1.3 CDOM的组成

1.1.4 CDOM的光学性质

1.1.5 CDOM的来源

1.1.6 CDOM的去除和转化

1.1.7本论文总体研究目标和主要内容

1.2海洋沉积物间隙水中的CDOM

1.2.1间隙水和成岩作用概念

1.2.2间隙水的采集和制备

1.2.3国外关于间隙水中CDOM的研究现状

1.3近岸河口区CDOM的光化学反应

1.3.1有关CDOM的光化学反应的基本概念

1.3.2CDOM发生光化学反应的原理

1.3.3CDOM光化学反应的特征

1.3.4影响CDOM光化学降解的因素

1.3.5CDOM光化学反应的生物地球化学及其生态环境意义

参考文献

第二章沉积物间隙水中CDOM的光学特性研究

2.1引言

2.2研究海区和海湾的生态环境特征

2.2.1九龙江口

2.2.2兴化湾

2.2.3湄洲湾

2.2.4厦门湾

2.2.5北部湾

2.3材料与方法

2.3.1站位布设

2.3.2样品采集和预处理

2.3.3河口再悬浮实验

2.3.4样品测定

2.4结果与讨论

2.4.1沉积物间隙水中CDOM的光学性质

2.4.2再悬浮实验

2.5小结

2.5.1表层沉积物间隙水

2.5.2再悬浮实验

参考文献

第三章河口区CDOM的光化学反应

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1样品采集

3.2.2样品预处理

3.2.3辐照培养实验

3.2.4样品测定

3.3结果

3.3.1CDOM荧光性质变化

3.3.2CDOM吸收性质变化

3.4讨论

3.4.1紫外辐射的UV-B为光化学反应的最有效辐射

3.4.2 CDOM吸收、荧光和碳损失

3.4.3 CDOM光吸收和荧光性质之间的关系

3.4.4类色氨酸荧光的光漂白

3.4.5光降解过程中A250/A350比值变化的意义

3.4 6类腐殖质荧光峰A与C的荧光比值变化的意义

3.5小结

参考文献

第四章雨水中CDOM的光学特性

4.1材料与方法

4.1.1样品采集和预处理

4.1.2样品测定

4.2结果与讨论

4.2.1 CDOM吸收性质变化

4.2.2 CDOM荧光特征

4.2.3 CDOM荧光与吸收之间的关系

4.2.4 DOC含量变化

4.2.5 pH值对EEMs的影响

4.2.6雨水CDOM的影响因素

4.3小结

参考文献

第五章结语

5.1主要研究结果

5.1.1沉积物间隙水中的CDOM及再悬浮作用

5.1.2河口区CDOM的光化学降解

5.1.3雨水中的CDOM

5.2本研究的创新点

5.3存在问题和研究展望

在学期间主要研究成果

致谢