外源性高含量腐殖酸对草原湖泊的温室气体排放抑制研究开题报告

1. 研究目的与意义

温室气体是指CH₄、CO₂、N₂O等能够吸收和释放红外线辐射的气体。过去10年中，全球温室气体的排放量一直保持增长状态^[1]。大气中CO₂、CH₄和N₂O等温室气体含量不断升高引起的全球变化^[2]，例如温室效应的产生、自然灾害的频发和生态系统的破坏等，严重影响着人类生存与社会经济的可持续发展，现己经成为全球环境问题关注的热点^[3]。湖泊是地球水环境的组成单元之一，虽然全球湖泊面积只占全球陆地面积的2.4%，但目前湖泊生态系统内部循环对温室气体的影响还不明确^[1]。

湖泊水体温室气体的产生过程是一个十分复杂的物理化学生物学过程，该过程的影响因素有很多，包括气温、水深、水体DO、水中有机质、TN、TP、微生物群落等^[6-8]。缺氧条件下，在深水中，CH₄在上升到水面的过程中被氧化成CO₂，而在浅水中，CH₄在到达水面后，在被氧化前被排放到大气中^[9]。水体中氮磷等营养盐浓度增加，会使水体中微生物可利用的NO₃^-增多,促进的N₂O生成^[10]。环境因素作用于微生物，从而间接影响温室气体的排放。有机质是微生物的重要底物，由于腐殖酸是有机物的主要成分^[11]，腐殖酸的数量和性质都对微生物活性有着显著影响，因此腐殖酸是影响温室气体排放的另一重要参数，但目前对于腐殖酸影响湖泊温室气体排放的机制尚不明确。

中国蒙新高原位于干旱半干旱气候区，区内湖泊众多，但多为盐湖和咸水湖，腐殖酸含量较高^[12]。呼伦湖是内蒙古髙原干旱区最典型的草型湖泊，也是全球范围内具有生物多样性和环境保护等多功能的湖泊，是全球最大的淡水湖之一，近年来由于人类活动和经济发展湖体水位持续下降，湿地萎缩，湖区生态环境退化^[13]。有研究表明呼伦湖表层沉积物中有机碳碳库稳定，沉积物中 C/N 值变化幅度较大，揭示了呼伦湖沉积物中腐殖酸的多源性^[14]。然而，有关呼伦湖水体中腐殖酸如何作用于微生物从而影响温室气体排放的研究较少。

本文选择呼伦湖及周边流域为研究对象，比较和探讨呼伦湖与周边流域温室气体排放差异，结合环境因子分析腐殖酸抑制湖泊温室气体排放的机制，进一步认识草原型湖泊温室气体排放特征，并且为我国湖泊生态系统主要温室气体源汇清单的制定提供重要依据。

[1] 李香华. 太湖水—气界面温室气体通量及时空变化特征研究[D]. 河海大学， 2005.

[2] 张华, 张若玉, 何金海, 吴金秀. CH-4和N-2O的辐射强迫与全球增温潜能[J]. 大气科学, 2013, 37(03):745-754.

[3] IPCC: Climate change 2007-the physical science basis: Working groupI contribution to the fourth assessment report of the IPCC [M].CambridgeUniversity Press, 2007.

[4] 张建华, 马怀宁. 我国湿地生态系统温室气体排放的研究现状[J]. 中国林副特产, 2009(4):102-103.

[5] 张淼. 世界气象组织: 全球温室气体浓度再创新高 [J]. 环境监测管理与技术, 2015(6).

[6] Gudasz C, Bastviken D, Steger K, et al. Temperature-controlledorganic carbon mineralization in lake sediments.[J]. Nature, 2010,466(7305):478.

[7] Walter Anthony KM，Vas DA, Brosius L et al. Estimatingmethane emissions from northern lakes using ice-bubble surveys. LimnologyOceanography Methods, 2010, 8(6):592-609.DOI: 10:4319 /lom.2010.8.592．

[8] Marotta H, Pinho L, Gudasz C et al. Greenhouse gas production inlow-latitude lake sediments responds strongly to warming．Nature Climate Change, 2014, 4(6):467-470. DOI: 10.1038/NCLIMATE2222.

[9] Jones J B , Mulholland A P J . Influence of drainage basintopography and elevation on carbon dioxide and methane supersaturation ofstream water[J]. Biogeochemistry, 1998, 40(1):57-72.

[10] 于君宝, 陈小兵, 毛培利. 新生滨海湿地土壤微量营养元素空间分异特征[J]. 湿地科学, 2010, 8(3):213-219.

[11] 郭亚新. 浅水湖泊沉积物中若干氧化还原酶活性的分布及其生态学意义[J]. 2006.

[12] 曾海鳌, 吴敬禄. 蒙新高原湖泊水质状况及变化特征[J].湖泊科学, 2010, 22(06):882-887.

[13] 赵慧颖, 乌力吉, 郝文俊. 气候变化对呼伦湖湿地及其周边地区生态环境演变的影响[J]. 生态学报, 2008(03):1064-1071.

[14] 宋文杰. 呼伦湖有机碳地球化学特征[D].内蒙古大学,2011.

[15] Yiwen Zhou, Xiaoguang Xu, Ruiming Han, Lu Li, Yu Feng, SenbatiYeerken, Kang Song, Qilin Wang. Suspended particles potentially enhance nitrousoxide (N2O) emissions in the oxic estuarine waters of eutrophic lakes: Fieldand experimental evidence[J]. Environmental Pollution,2019,252.

[16] 朱梦圆, 朱广伟, 钱君龙, 顾钊, 俞振飞, 周贝贝, 王国祥. SMT法插标分析沉积物中磷的地球化学形态[J].中国环境科学,2012,32(08):1502-1507.

[17] Jaffe R, Boyer J N, Lu X, et al. 2004. Source characterization ofdissolved organic matter in a subtropical mangrove-dominated estuary byfluorescence analysis[J]. Marine Chemistry，84( 3 /4) :195—210.

[18] David E Booth. Multi-Way Analysis: Applications in the ChemicalSciences[J]. Technometrics,2005,47(4).

[19] Lyes, Lakhal, and, et al. PARAFAC analysis of front-facefluorescence data: Absorption and scattering effects assessed by means of MonteCarlo simulations[J]. Chemometrics Intelligent Laboratory Systems, 2012.

[20] 虞敏达, 何小松, 檀文炳, 等.城市纳污河流有色溶解有机物时空演变特征 [J]. 中国环境科学, 2016,36(1):133-142.

[21] Leenheer J A, Croue J. Peer reviewed: characterizing aquaticdissolved organic matter [J]. Environmental Science Technology,2003,37(1):18A-26A.

[22] Murphy K R, Ruiz G M, Dunsmuir W T, et al. Optimized parameters forfluorescence-based verfication of ballast water exchange by ships [J].Environmental Science Technology,2006,40(7):2357-2362.

[23] 冯伟莹,朱元荣,吴丰昌,等.太湖水体溶解性有机质荧光特征及其来源解析 [J]. 环境科学学报, 2016,36(2):475-482.

[24] 黄昌春, 李云梅, 王桥, 等.基于三维荧光和平行因子分析法的太湖水体 CDOM 组分光学特征 [J]. 湖泊科学, 2010,22(3):375-382.

[25] 郭卫东, 黄建平, 洪华生, 等.河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性 [J]. 环境科学, 2010,31(6):1419-1427.

[26] 汪玲玲.三维荧光光谱技术在溶解性有机物研究中的应用 [J]. 环境科学与管理, 2015,40(1):153-155.

[27] Bridgeman J, Bieroza M, Baker A. The application fluorescencespectroscopy to organic matter characterization in drinking water treatment[J]. Reviews in Environmental Science and Bio Technology, 2011, 10(3):277-290.

[28] Coble P G. Characterization of marine and terrestrial DOM inseawater using excitation-emission matrix spectroscopy [J].Marine Chemistry,1996,51(4):325-346.

[29] 宋晓娜, 于涛, 张远, 等.利用三维荧光技术分析太湖水体溶解性有机质的分布特征及来源 [J]. 环境科学学报, 2010,30(11):2321-2331.

[30] 吴忠伟.乌梁素海湖滨带温室气体交换通量研究[D]. 内蒙古大学, 2015.

[31] 王德宣.若尔盖高原泥炭沼泽二氧化碳、甲烷和氧化亚氮排放通量研究[J]. 湿地科学, 2010, 8 (3):220-224.

[32] 于君宝，刘景双，孙志高，等.中国东北区淡水沼泽湿地N2O和CH4排放通量及主导因子[J].中国科学:地球科学, 2009,39(2):177-187.

[33] Hirota M, Senga Y, Seike Y, et al. Fluxes of carbon dioxide, methaneand nitrous oxide in two contrastive fringing zones of coastal lagoon, LakeNakaumi, Japan[J]. Chemosphere, 2007,68(3):597-603.

[34] Kim J, Verma S B, Billesbach D P. Seasonal variation in methaneemission from a temperatePhragmites-dominated marsh: effect of growth stage and plant-mediatedtransport[J]. Global Change Biology, 1999,5(4):433-440.

[35] TREMBLAY A, VARFALVY L, ROEHM C, et al. Greenhouse gas emissions-fluxesand processes: Hydroelectric reservoirs andnatural environments[M]. New York:Springer, 2005.

[36] SCHRIER-UIJL A P, VERAART A J, LEFFEAAR P A, et al. Release of CO2and CH4 from lakes and drainage ditches in temperate wetlands[J]. Biogeochemistry,2011, 10(1/3):265-279.

[37] CROZIER C R, DELAUNE R D. Methane production by soils fromdifferent Louisiana marsh vegetationtypes[J]. Wetlands,1996, 16(2): 121-126.

[38] DELAUNE R D, SMITH C J, PATRICK W H. Methane release from gulf coastwetlands[J]. Tellus, 2010, 35(1): 8-15.

[39] 姜欢欢, 孙志高, 王玲玲, 等. 秋季黄河口滨岸潮滩湿地系统CH4通量特征及影响因素研究[J]. 环境科学, 2012, 33(2):565-573.

林海, 周刚, 李旭光, 周军, 张彤晴, 王桂民. 夏季池塘养殖中华绒螯蟹生态系统温室气体排放及综合增温潜势. 水产学报, 2013, 37( 3): 417-424.

2. 研究内容和问题

1.外源腐殖质影响下呼伦湖温室气体排放特征；

2.呼伦湖水质指标，主要包括BOD和COD，总氮和总磷；

3.呼伦湖腐殖酸等水质指标与温室气体排放的关系。

3. 设计方案和技术路线

实地调研法：选取典型点位对进行呼伦湖实地调研，原位检测水质理化指标，了解呼伦湖水质状况;

文献研究法：收集有关不同湖泊中温室气体排放规律文章，了解此次研究的现状和趋势；

实验法：在导师的指导下，采回的水样进行指标测试，包括高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、总氮、总磷、氨氮以及dom成分。沉积物部分样品使用smt 法进行磷形态分析。剩余沉积物样品经处理后使用碳氮元素分析仪（multi n/c 3100; analytikjena，德国）测定碳氮含量。温室气体（ch4、co2、n2o）含量使用气相色谱仪（火焰离子化检测器）agilent 7890b测定。

4. 研究的条件和基础

经过系统的专业课程学习和专业技能训练，已具备相关理论知识基础和专业技能储备。

有过做实践训练项目的经验，具备基本实验操作能力和数据处理能力，具有一定科研意识，熟悉科研程序和步骤。

通过参与指导教师相关课题的基础研究工作已基本掌握了本课题研究所具备的技术技能并对本课题的相关文献作了研读，理论上做好了准备工作，且实验室仪器设备满足本课题研究要求。