季节性降雨事件对河流溶解性有机碳的影响——以农业用地为例

摘要

溶解性有机碳Dissolved Organic Carbon(DOC)是水体中最大的有机碳库，是碳循环中最活跃、最敏感的指标，在水体碳循环和源汇转换中起到重要作用。河流是链接陆地生态系统和海洋生态系统的重要纽带。河流碳循环反映了流域内地表各种自然过程以及人类活动的影响，河流有机碳含量及通量变化规律及影响因素是目前河流碳循环研究的主要内容，对于全球碳循环的认识与研究具有重要意义。从农业残留物转化而来的土壤中DOC，被认为是气候变化的媒介，能够影响碳循环和径流到人类居住的水环境中。
　　本文于2013年3月至2015年10月在美国中密执安大学访学期间完成。本研究通过选取美国密执安州以农业用地为特征的芒特普莱森特Chippewa River流域为实验点，以美国地质调查局依据陆地卫星（Landsat）获取的土地利用与土地覆被数据为参考，在春秋季降雨事件中进行连续、高频率采样，选取其中六次降雨径流事件为研究数据，并结合相关水文要素径流量和降雨量同步观测记录数据和资料，探讨了研究区DOC含量在不同季节和不同降雨尺度上变化特征，并对其影响因素进行了分析，同时利用拟合分析模型估算了基流及降雨径流事件的DOC通量，得出主要结论如下：
　　（1）对比分析研究区域DOC浓度在不同季节的差异性。发现春季DOC浓度要高于秋季，在研究时段内DOC浓度变化范围是4.0～9.48mg/L，其中春季河流DOC浓度变化范围是5.0-9.48mg/L，秋季DOC浓度值变化范围4.0-7.0mg/L。研究认为DOC含量除与流量相关外，与地表农作物残留物，秸秆还田免耕措施以及大量的阔叶落叶密切相关。
　　（2）在降雨径流事件中，DOC浓度随流量变化呈现显著的季节性。春季，DOC浓度早于洪峰达到其最高值，而在秋季呈现相反趋势。在这个过程中，融雪是主导陆源DOC变化的主要水文特征。
　　（3）本研究建立一个半经验半分析模型用来估测在降雨事件中DOC浓度动态变化，该模型已经通过已有野外采样数据进行了验证，其R2变化范围是0.56～0.9。研究结果揭示所研究的农业用地流域实验点70％的年际DOC是在降雨事件中输出的。其中78.9%发生在春季降雨径流事件中，74.2%发生在秋季。DOC通量表现出明显的季节性：在相似的降雨尺度上，春季DOC通量是秋季的二倍，随着降雨强度的增大，二者间的差距呈增大趋势。如果该区域近十年历史最大降雨事件（当地时间2010年8月11日）重新发生，春季河流DOC通量将会是秋季的2.3倍。

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1 绪 论

1.1 全球碳循环

1.2 河流碳循环的重要性

1.3 河流有机碳循环的研究综述

1.4 河流溶解性有机碳浓度及通量的研究现状

1.5 选题意义

1.6 研究内容和技术路线

本章小结

2 研究区概况、数据来源和分析

2.1 Chippewa River

2.2 研究区植被特征

2.3 数据来源

2.4 数据处理

本章小结

3 DOC浓度变化特征

3.1 不同季节DOC浓度变化特征

3.2 DOC浓度随流量变化特征

3.3 融雪对于DOC浓度及DOC随流量变化的影响

本章小结

4 DOC通量变化特征

4.1 DOC通量建模拟合

4.2 DOC建模拟合精度验证

4.3 不同季节基流和降雨径流情况下DOC通量变化

4.4 不同季节不同降雨尺度DOC通量变化

本章小结

5 结论

参考文献

致谢

在读期间公开发表论文（著）及科研情况