首页 > 学术论文

太湖及玄武湖甲烷气体产生、释放及影响机制研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 20:59:16
热度:

太湖及玄武湖甲烷气体产生、释放及影响机制研究【摘要】:湖泊等湿地系统是大气甲烷的主要自然释放源。受人类活动的影响,外源营养物质的输入导致湖泊出现不同程度的富营养化。富营养化不仅改变

【摘要】:湖泊等湿地系统是大气甲烷的主要自然释放源。受人类活动的影响,外源营养物质的输入导致湖泊出现不同程度的富营养化。富营养化不仅改变营养物质的循环、引起藻类爆发和沉积物中有机物的累积、还导致厌氧环境的形成及加剧甲烷的释放。我国湖泊大都属于浅水湖泊,目前都遭受到不同程度的富营养化。近年来,我国对这些湖泊进行了综合治理,除削减外源营养物质输入外,还进行了蓝藻打捞及生态清淤等工程。目前对湖泊底泥、水、气介质中甲烷产生及释放整体机制的研究还不清楚,尤其是在上述工程治理的背景下更是缺乏系统的研究。 本研究以流域性富营养化浅水湖泊太湖和城市浅水湖泊玄武湖为研究对象,从多角度分析了甲烷的水-气界面交换通量及甲烷在空气、水体及沉积物中的含量,探讨了环境工程手段、水体(沉积物)理化性质和生物因素对水体中甲烷含量和分布的影响,主要包括以下内容: 对太湖和玄武湖湖面空气中甲烷浓度进行了分析,发现太湖不同区域空气中甲烷含量的差异性比玄武湖的要大,玄武湖上空甲烷浓度的平均含量比太湖表面空气中甲烷含量要高。太湖清淤区域的甲烷空气浓度要比未清淤区域的显著较低,太湖北部未清淤区域较东南部未清淤区域甲烷空气浓度略高。甲烷在水-气界面的交换通量与季节变化有关,其中冬季和春季的通量低于夏季和秋季。沉积物的分布和厚度对上覆水体中甲烷的垂向分布浓度变化有影响,沉积物含量多的地方呈现梯度效应,且含量通常比无沉积物区的要高。 对太湖和玄武湖水体中各项理化指标变化与表层水体中甲烷含量间的关系进行主成分分析,甲烷在太湖上覆水体中与氮组分相关性大,而在玄武湖上覆水体中与磷组分相关性大,说明水体中甲烷的含量变化在两种湖泊中的影响机制有所差异。另外太湖水体的pH、溶解氧、总有机碳和藻类等指标对同一组分具有较大的贡献,并且指标间能够进行合理解释,表明主成分分析法的结果具有较高的可靠性,而甲烷的含量与其他指标的变化间存在差异,表明水体中甲烷的含量受多种因素的影响。 本研究对表层沉积物中的甲烷含量及多种理化指标进行了分析,发现两个湖泊的表层沉积物的粒径、pH、总氮和含水率等指标变化不大;主成分分析结果显示两个湖泊中甲烷的含量与其他指标间的关系有一定的差异。对表层沉积物中总氮、氨氮、总磷、正磷酸盐和金属离子如Mn、Zn、Fe、Ni、Cu和Mg等指标进行了主成分分析,发现这些指标中玄武湖表层沉积物间隙水各指标总体分为三个组分,氨、正磷酸盐、镍和甲烷主要在第二组分上、铁和水-气界面间甲烷通量在第三组分上;太湖的各指标中,Mn、Mg和甲烷主要在在第二组分,Ni和水-气界面甲烷通量主要在第三组分。 对垂向沉积物中甲烷和理化指标进行了分析,结果表明甲烷浓度在表层(0-6cm)比深层(6-21cm)的明显要低。pH值、TP、TN和OM等指标也随着深度变化有所降低。主成分分析结果显示,玄武湖的水分含量、pH值、总氮和总有机质含量主要在第一组分上,而甲烷和总磷主要在第二组分上;然而太湖的各个指标间均在同一组分上。 玄武湖沉积物中过氧化氢酶的活性在表层低于底层,而在太湖沉积物中则表现出先升高后降低的趋势,其底层沉积物的活性显著低于表层;纤维素酶的活性在玄武湖和太湖梅梁湾的沉积物中变化趋势相同,都呈下降趋势;玄武湖沉积物中蔗糖酶的活性在3-6cm处最高,其他层间变化不大,而太湖沉积物中蔗糖酶的活性呈现下降趋势;玄武湖沉积物中脲酶的活性在垂直方向上变化不大,而在太湖沉积物中其活性在垂直方向上在增加,但增加的趋势在统计学上差异不大。 玄武湖沉积物中细菌的16S rRNA基因的拷贝数在2.44-15.86x109g-1干重沉积物之内,而太湖梅梁湾的细菌16S rRNA基因的拷贝数在不同沉积物内变化相对较大;玄武湖古细菌的16S rRNA基因拷贝数在4.84-17.71×108之内,而太湖沉积物中古细菌的16S rRNA基因拷贝数变化在0.11×108-17.44×108拷贝数每克沉积物湿重内。 甲烷菌甲烷杆菌目Methanobacteriales, MBT),甲烷微菌目Methanomicrobiales, MMB)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales, MSL)属及甲烷八叠球菌属(Methanosarcinaceae)和甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)种的甲烷菌在玄武湖和太湖沉积物中各层中得到检出,并且MMB和MSL的丰度通常高于MBT的丰度。甲基辅酶M还原酶alpha亚基(mrcA)基因在玄武湖和太湖沉积物中都有分布,但是在玄武湖垂向沉积物的0-3cm处和太湖垂向沉积物的0-6cm处该基因低于检出限。通过利用基因文库构建技术克隆了2个mrcA基因,与Genbank中已有基因具有很高的相似性。 拟合估算太湖甲烷释放量为2.28万吨/年,太湖流域主要湖泊甲烷释放量为2.64万吨/年,江苏省主要湖泊甲烷量释放为5.52万吨/年,江苏省淡水水域甲烷释放量为16.3万吨/年:太湖甲烷年释放量占目前已普查全省甲烷释放量的1.8%,全省主要湖泊甲烷年释放量占4.3%,全省淡水水域甲烷释放量占12.75%。太湖生态清淤工程对清淤区域空气甲烷浓度的影响显著,清淤区域比未清淤区域空气甲烷浓度均值浓度削减了23.3%。近五年来太湖流域生态清淤工程从流域湖泊、河道水体中削减甲烷含量约157.36万吨,约占我省2010年甲烷释放量的123%;其中太湖湖体生态清淤工程削减甲烷含量约52.2万吨,对削减流域水体内源甲烷含量,减少江苏省温室气体排放贡献显著。 研究工作对将江苏省湖泊水体甲烷释放纳入IPCC温室气体排放清单,核算生态清淤工程对水体内源甲烷含量的削减贡献,引入温室气体减排交易资金,具有前瞻性意义。 【关键词】:太湖 玄武湖 甲烷 通量 内源释放 沉积物 影响机制 甲烷菌 生态清淤工程 IPCC
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X524
【目录】:
  • 摘要7-10
  • Abstract10-14
  • 第一章 绪论14-31
  • 1.1 大气中甲烷的主要来源14-15
  • 1.2 产甲烷菌的一般特征与生存环境15-16
  • 1.3 甲烷菌的主要类型与产甲烷机制16-20
  • 1.3.1 基于温度的甲烷菌分类16
  • 1.3.2 基于系统发育的甲烷菌分类及特点16-17
  • 1.3.3 产甲烷菌的产生机理17-20
  • 1.4 沉积物环境甲烷的产生释放特征及检测技术20-28
  • 1.4.1 海洋水体甲烷产生及释放机制21-22
  • 1.4.2 淡水水体甲烷产生及释放特征22-23
  • 1.4.3 水体中甲烷产生及释放影响因素研究23-26
  • 1.4.4 自然释放的甲烷采集和分析技术26-28
  • 1.5 本研究的目的与内容28-30
  • 1.6 本研究技术路线30-31
  • 第二章 湖泊水-气界面甲烷通量和水体甲烷含量与水质水文特征分析31-51
  • 2.1 引言31-32
  • 2.2 材料与方法32-37
  • 2.2.1 太湖和玄武湖湖面空气中甲烷普查点设置32-33
  • 2.2.2 湖体沉积物样品采集布点33-34
  • 2.2.3 水-气界面样品采集点设置34-35
  • 2.2.4 水体垂直样品采集与分析35-36
  • 2.2.5 上覆水体营养盐含量及理化性质36-37
  • 2.2.6 甲烷气体含量分析方法37
  • 2.2.7 统计与分析37
  • 2.3 结果与分析37-45
  • 2.3.1 玄武湖和太湖空气中甲烷含量分布特征37-39
  • 2.3.2 水-气界面甲烷释放通量季节变化特征39-41
  • 2.3.3 甲烷气体在水体中垂直方向的分布特征41-42
  • 2.3.4 表层水体理化及营养指标特征42-44
  • 2.3.5 上覆水体内甲烷含量与水质和理化指标间潜在关系分析44-45
  • 2.4 讨论45-49
  • 2.4.1 空气中甲烷含量与水-气界面甲烷通量变化特征45-47
  • 2.4.2 水体中甲烷分布特征47-48
  • 2.4.3 水体中甲烷与水体理化和水质因素间的关系48-49
  • 2.5 本章小结49-51
  • 第三章 沉积中甲烷含量与其他理化性质关系51-73
  • 3.1 引言51-52
  • 3.2 材料与方法52-53
  • 3.2.1 湖泊沉积物样品采集52
  • 3.2.2 甲烷气体采集与分析52
  • 3.2.3 沉积物理化性质52
  • 3.2.4 表层沉积物间隙水理化性质与营养物质含量52-53
  • 3.2.5 数据处理53
  • 3.3 结果与分析53-67
  • 3.3.1 玄武湖表层沉积物甲烷含量特征及理化性质变化特征53-56
  • 3.3.2 太湖表层沉积物甲烷含量特征及理化性质变化特征56
  • 3.3.3 玄武湖沉积物间隙水水质情况56-57
  • 3.3.4 太湖沉积物间隙水水质情况57-60
  • 3.3.5 玄武湖垂直沉积物中甲烷含量和理化性质变化特征60
  • 3.3.6 太湖垂直沉积物中甲烷含量和理化性质变化特征60-62
  • 3.3.7 甲烷含量与表层沉积物理化指标间的潜在关系分析62-64
  • 3.3.8 甲烷含量与间隙水理化指标间的潜在关系分析64-65
  • 3.3.9 甲烷含量与垂向沉积物理化指标间的潜在关系分析65-67
  • 3.4 讨论67-71
  • 3.4.1 表层沉积物甲烷含量及其与沉积物的营养物质关系67-69
  • 3.4.2 表层沉积物中甲烷含量与间隙水中其它指标间的潜在关系69-70
  • 3.4.3 垂向沉积物中甲烷含量与沉积物中其它指标间的潜在关系70-71
  • 3.5 本章小结71-73
  • 第四章 沉积物中酶活性、细菌及产甲烷细菌的垂向分布特征73-94
  • 4.1 引言73
  • 4.2 材料与方法73-80
  • 4.2.1 沉积物取样点73
  • 4.2.2 沉积物中代谢相关酶类物质的活性变化特征73-76
  • 4.2.3 沉积物的处理及DNA提取与纯化76
  • 4.2.4 实时定量PCR条件优化与分析76-77
  • 4.2.5 甲基辅酶M还原酶alpha亚基(McrA)的克隆及进化树分析77-79
  • 4.2.6 数据处理79-80
  • 4.3 结果与分析80-88
  • 4.3.1 沉积物中相关酶酶活性变化规律80-82
  • 4.3.2 实时定量PCR效果分析82-83
  • 4.3.3 沉积物中细菌和古细菌的垂直变化规律83-84
  • 4.3.4 不同甲烷类型的分布规律84-87
  • 4.3.5 mcrA分布特征与基因片段的进化分析87-88
  • 4.4 讨论88-92
  • 4.4.1 沉积物中代表性酶变化规律88-89
  • 4.4.2 沉积物中细菌与古细菌的垂向分布规律89-90
  • 4.4.3 沉积物中产甲烷古细菌的垂向分布规律90-91
  • 4.4.4 甲烷基因的变化规律91-92
  • 4.5 本章小结92-94
  • 第五章 生态清淤工程对太湖流域水体甲烷释放的影响94-104
  • 5.1 引言94-95
  • 5.2 评估内容与方法95
  • 5.3 结果95-101
  • 5.3.1 太湖及江苏省淡水水域甲烷年释放量估算95-100
  • 5.3.2 生态清淤工程对清淤区域甲烷释放浓度的影响100
  • 5.3.3 生态清淤工程对太湖流域水体内源甲烷含量的削减100-101
  • 5.4 讨论101-103
  • 5.5 本章小结103-104
  • 第六章 结论与展望104-107
  • 6.1 结论104-105
  • 6.2 展望105-106
  • 6.3 创新点106-107
  • 参考文献107-122
  • 附录 在校期间成果122-123
  • 致谢123-124


您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

产甲烷菌的研究进展    郝鲜俊;洪坚平;高文俊;

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH_4浓度    汪世美;刘文清;刘建国;涂兴华;杨立书;

氟苯尼考对海洋沉积物中胞外酶活性的影响    宗虎民;马德毅;王菊英;户江涛;

可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用    董凤忠,阚瑞峰,刘文清,刘建国,张玉钧,高山虎,王铁栋,王敏,陈东,魏庆农

产甲烷菌的研究进展    李美群;邓洁红;熊兴耀;谭兴和;周红丽;李清明;苏小军;张喻;唐艳红;彭丹;张艳艳;

可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量    阚瑞峰,刘文清,张玉钧,刘建国,董凤忠,高山虎,王敏,陈军

Fe~(2+)对太湖蓝藻厌氧发酵产甲烷过程中关键酶的影响    马素丽;刘浩;严群;

秋茄红树林土壤酶活性时空动态    张银龙,林鹏

产甲烷菌的一般特征探讨    张国政;

不同经营模式土壤性质比较及其肥力评价    程鹏;

药剂拌种对小麦苗期根际微生物的影响    陈厚德,赵卫华,王彰明,袁树忠,夏慧

海藻酸钠包埋保藏对食药用菌种活性的影响    邓百万,陈文强

链霉菌9911发酵条件的研究    刘灵芝;胡江春;陈锡时;

质粒pMC73A从催娩克氏菌到相思根瘤菌的接合转移    王小东;康丽华;毛慧玲;江业根;马海滨;张希涛;

植物病原真菌的拮抗放线菌筛选    朱薇玲;王继刚;刘晓红;

二苯胺对土壤生物活性的影响    魏丽萍;孟会生;李瑞蕊;洪坚平;

不同土壤利用类型对微生物的影响    周海霞;周向军;许褆森;

1株鸡肠源益生芽孢杆菌的分离·鉴定及其耐受特性研究    王焕;郭晓军;张伟;朱宝成;

牛源肠道益生菌的筛选与3株芽孢杆菌益生菌株的鉴定    姜军坡;范会兰;张冬冬;雷白时;王世英;朱宝成;

不同类型河滨湿地甲烷和二氧化碳排放的研究    沙晨燕

污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究    许科伟

超高效螺旋式厌氧反应器三相流动特性的研究    陈小光

渭北旱作苹果园保护性耕作技术土壤水分养分效应研究    高茂盛

免耕方式对燕麦田温室气体排放与土壤性状的影响    张志栋

我国黄、东海典型生态过程中的微生物群落结构    刘敏

毒死蜱降解细菌的筛选、降解特性及其固定化研究    段海明

烟草内生细菌Itb57生物学性状及其对黑胫病的控制研究    马冠华

氢气生物学效应系列研究    孙强

南极苔原温室气体通量时空变化规律与产生机理研究    刘雅淑

腐植酸复合肥对土壤养分转化和土壤酶活性的影响    彭正萍,门明新,薛世川,孙旭霞,薛宝民,毕淑芹

基于遥感技术的植被净初级生产力研究进展    崔霞;冯琦胜;梁天刚;

水平和垂直尺度乔、灌、草覆盖度遥感提取研究进展    黄健熙,吴炳方,曾源,田亦陈

激光频率调制吸收光谱测量钻井气样中甲烷~(13)C/~(12)C同位素比    张佳民,张向辉,陈金海,马万云,陈瓞延

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH_4浓度    汪世美;刘文清;刘建国;涂兴华;杨立书;

Start-up performances of dry anaerobic mesophilic and thermophilic digestions of organic solid wastes    IMAI Tsuyoshi;UKITA Masao;SEKINE Masahiko;

Shallow groundwater nitrogen responses to different land use managements in the riparian zone of Yuqiao Reservoir in North China    

活性污泥活性参数指标的选评    许晓路,申秀英

太湖水-气界面CO_2交换通量观测研究    嵇晓燕;崔广柏;杨龙元;王跃思;

贵州喀斯特水库红枫湖、百花湖p(CO_2)季节变化研究    吕迎春;刘丛强;王仕禄;徐刚;刘芳;

转化气中甲烷含量高的原因分析    杨宝龙;

大气甲烷研究现状及进展    许惠青;

半水煤气和补气中甲烷含量与气耗    张森保;

利用火焰颜色判断沼气中甲烷含量    江蕴华;余晓华;

提高氨产量的最佳氢氮比探讨    胡秋芳;

浅谈爆炸箱的密闭材料    马志钢;

气相色谱法测定沼气中甲烷含量    张锐,常毅

我厂控制氨平衡提高氨利用率的作法    李同亮;

厌氧消化中甲烷产量及沼气中甲烷含量的理论探讨    赵剑强,朱浚黄

厌氧消化中甲烷产量及沼气中甲烷含量的理论探讨    赵剑强;朱浚黄;

沼气中甲烷含量测量的不确定度计算    贺莉;王超;陈子爱;文志宁;

底物浓度对产甲烷菌群产气性能的影响    刘杰;王大蔚;裴占江;

马铃薯、红薯、木薯酒糟制取沼气的对比分析    周红丽;谭兴和;熊兴耀;李美群;苏小军;杨晓军;

陆上油田具备尾气提纯能力    郑水平 杨惠娟

俄提出防矿难措施    陈勇 魏忠杰 米立公

地球气温升速加快前所未有    郑晓春

南极冰样证实气温升速加快    郑晓春

准备沼气池发酵菌种    周军

车用沼气:绿色环保新能源    本报记者 崔晓利 通讯员 彭国奇

沼气常识问答    宋张尹

欧洲:城市有志用垃圾“沼气”供电    郇公弟

沼气灶具安全使用法    孔令文

太阳能沼气发生器    江苏 崔恩仲

太湖及玄武湖甲烷气体产生、释放及影响机制研究    祝栋林