CN106124723A - 一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的方法 - Google Patents

一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，属于水生植物岩溶碳汇效应监测技术领域。本发明共包括6个步骤，本发明针对水生植物光合作用的特点，通过对光合作用密切相关的溶解氧为监测指标，利用植物光合作用方程式，计算水生植物光合作用对岩溶水体中无机碳的固定量，实现对水生植物岩溶碳汇效应的准确、实时在线监测。

Description

一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的方法
技术领域
本发明涉及一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，属于水生植物岩溶碳汇效应监测技术领域。
背景技术
目前，针对水生植物岩溶碳汇监测主要采取水化学——流量法，即通过研究河段上、下游HCO3 -浓度变化差值，计算水生植物对岩溶碳汇的转化率。其主要缺陷有以下几点：(1)岩溶水体中存在大量游离CO2，水生植物光合作用优先利用游离CO2，然后再利用HCO3 -。因此，仅通过计算上、下游HCO3 -浓度变化并不能完全代表水生植物对岩溶碳汇的转化率。(2)HCO3 -在水体中存在迁移与转化，河段上、下游HCO3 -浓度变化并非完全由水生植物光合作用利用引起。(3)水生植物对HCO3 -的利用需通过胞内、胞外的一系列转化。一部分HCO3 -在胞外被转化为CaCO3，释放出的CO2被水生植物利用。(4)HCO3 -受环境影响较大，测量存在一定误差，且不能实时在线监测，只能利用自动采样器采取水样，再手动滴定。但是人为测定有一定的误差，而且需要人在场昼夜测定(测定的间隔越短数据越准确)，而且岩溶水体中HCO3 -不稳定，容易分解，因此通过计算上下河段HCO3 -的变化来估算水生植物的岩溶碳汇效应的值误差极大。
鉴于此，亟需开发一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，以弥补现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法。本发明针对水生植物光合作用的特点，通过对光合作用密切相关的溶解氧为监测指标，利用植物光合作用方程式，计算水生植物光合作用对岩溶水体中无机碳的固定量，实现对水生植物岩溶碳汇效应的准确、实时在线监测。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，包括如下步骤：
步骤1：选取岩溶地下河补给的地表河段，将多参数水质分析仪分别放置于地下河出口处及地表河段的下游，分别自动记录水体的温度T、电导率Ec、溶解氧C，记录间隔为5min，昼夜连续监测，并分别记录上述两监测点高程h；
步骤2：饱和溶解氧计算：首先，利用溶解氧监测时对应时刻的水温计算水体的饱和溶解氧浓度C*，如式(1)；其次，利用电导率校正饱和溶解氧浓度，如式(2)；最后，利用大气压校正水体中饱和溶解氧浓度，如式(3)-(6)：
θ＝9.672×10-3-4.942×10-5×T+6.436×10-8×T2 式(6)
式(1)中，C*为饱和溶解氧浓度，mg/L；T为水温，℃；式(2)中，Ec为电导率，μs/cm；式(3)中，Cp为校正后的饱和溶解氧浓度；P为大气压强，KPa；Pwv为水汽分压，KPa；w为水体；v为水蒸气；式(4)中，P为非标准大气压，KPa；h为高程，m；式(6)中，θ为水汽参数；
步骤3：通过连续监测水体中溶解氧浓度数值计算获得dC/dt和D，然后利用式(7)，作ER夜间与K(O2)的线性关系，得到河段夜间的呼吸作用ER夜间及复氧系数K(O2)夜间：
dC/dt＝ER夜间-K(O2)夜间×D 式(7)
式(7)中，C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；ER夜间为水生植物的呼吸作用；K(O2)夜间为夜间的复氧系数，/min；D为氧亏，mg/L，即水体中溶解氧饱和时的浓度与监测值之差；
步骤4：利用步骤3得到的夜间水生植物的呼吸作用ER夜间及复氧系数K(O2)与温度之间的关系，计算得出白天水生植物的呼吸作用ER白天、生态系统总呼吸作用ER总、复氧系数K(O2)白天，如式(8)-(11)：
ER总＝ER白天±ER夜间 式(9)
K(O2)(Ti)＝K(O2)(Tn)×1.0241(Ti-Tn) 式(10)
式(8)中，Ti为第i时间点的水温，℃；T夜间为夜间水温，℃；式(9)中，ER总为水生植物的呼吸作用；式(10)中，K(O2)白天为白天的复氧系数，/min；Tn为第n时间点的水温，℃；式(11)中，为K(O2)白天的平均值，/min；
步骤5：根据式(12)及白天水生植物的呼吸作用，利用步骤1监测的溶解氧浓度C，计算水生植物的初级生产力GPP：
dC/dt＝GPP-ER±E 式(12)
E＝K(O2)白天×D 式(13)
GPP＝ER白天±E+ΔC 式(14)
式(12)中，dC/dt表示水体中溶解对时间的变化量；C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER为水生植物的呼吸作用；E为大气复氧；式(13)中，K(O2)白天为复氧系数，/min；式(14)中，ER白天为白天水生植物的呼吸作用；ΔC为监测点上、下游水体的溶解氧差值；
步骤6：一天内水生植物对岩溶碳汇的固定量，如式(15)，即得所述实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应：
NPP＝GPP-ER总 式(15)
式(15)中，NPP为水生植物对岩溶碳汇的固定量；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER总为水生植物总呼吸作用。
本发明的原理是：水生植物光合作用利用水环境中无机碳，同时释放出氧气。在白天，水环境中溶解氧的变化主要来自于水生植物光合作用放氧、呼吸作用耗氧及与大气的氧交换；在夜间，水环境中溶解氧的变化主要来自于呼吸作用耗氧及与大气的氧交换。
本发明全过程无需人测，均为仪器自动监测误差很小，而且溶解氧的量与水生植物光合作用消耗的CO2的量是等摩尔量的，因此避免了计算过程中因HCO3 -分解而导致的计算误差。其中，步骤3中，在夜间，监测河段中溶解氧变化主要来自于水生植物的呼吸作用及大气复氧。步骤5中，当水体中溶解氧含量高于100％时，水体将向大气释放氧；当水体中溶解氧含量低于100％时，水体将从大气中吸收氧气。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤1中，所述两监测点高程用手持式GPS仪记录。
采用上述进一步的有益效果是：可以大大简化野外水生植物碳汇效应调查方法，极大地提高岩溶水生态系统中水生植物对岩溶碳汇固定量的计算精度。
本发明的有益效果是：
1.本发明的方法，能直接如实反映水生植物对岩溶水中无机碳的固定量，无需考虑岩溶水中无机碳之间的形态转化及水生植物对无机碳利用的形态。岩溶水的脱气作用不会对利用本方法的计算结果有任何干扰作用。
2.与传统的水化学——流量法相比，本发明方法无需考虑因岩溶水因CaCO3沉淀而消耗的水体中一部分无机碳量，避免在河道中通过放置有机板来计算CaCO3的沉积速率及沉积量。
3.本发明的方法能实现对水生植物碳汇效应的实时在线监测，且操作简单、误差小，无需专人值守，结合远程数据传输技术能实现对特定河段水生植物岩溶碳汇效应的实时查询与存储。
4.本发明的方法简单，使用方便，市场前景广阔，适合规模化推广应用。
附图说明
图1为实施例中两监测点水温变化曲线。
图中，实线表示地下河出口处的变化曲线；虚线表示地表河下游的变化曲线。
图2为实施例中两监测点水体电导率变化曲线。
图中，实线表示地下河出口处的变化曲线；虚线表示地表河下游的变化曲线。
图3为实施例中两监测点水体溶解氧浓度变化曲线。
图中，实线表示地下河出口处的变化曲线；虚线表示地表河下游的变化曲线。
图4为实施例中两监测点校正后的水体溶解氧浓度变化曲线。
图中，实线表示地下河出口处的变化曲线；虚线表示地表河下游的变化曲线。
图5为实施例ER夜间与K(O2)夜间的线性关系图。
图中，横坐标表示夜间各时间点的氧亏值；纵坐标表示夜间溶解氧浓度变化速率。
具体实施方式
以下结合具体附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
本实施例的实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，包括如下步骤：
步骤1：选取广西桂林海洋乡的海洋——寨底地下河系统补给的岩溶地表河段。于2014年9月10日11时-12日15时，将YSI多参数水质分析仪分别放置于地下河出口处及地表河段的下游，分别自动记录水体的温度T、电导率Ec、溶解氧C，记录间隔为5min，昼夜连续监测，监测结果分别如图1-3所示，并分别用手持式GPS仪记录上述两监测点高程分别为238m和205m。
步骤2：饱和溶解氧计算：首先，利用图1中对应时刻的水温T分别计算两监测点在该时刻的水体饱和溶解氧浓度C*、水汽分压Pwv和水汽参数θ，如式(1)、式(5)和式(6)；其次，利用图2中对应时刻的电导率Ec校正该时刻的饱和溶解氧浓度，如式(2)；利用两监测点的高程计算该点的大气压，如式(4)；最后，利用大气压校正各时刻水体的饱和溶解氧浓度，如式(3)，如图4所示：
θ＝9.672×10-3-4.942×10-5×T+6.436×10-8×T2 式(6)
式(1)中，C*为饱和溶解氧浓度，mg/L；T为水温，℃；式(2)中，Ec为电导率，μs/cm；式(3)中，Cp为校正后的饱和溶解氧浓度；P为大气压强，KPa；Pwv为水汽分压，KPa；w为水体；v为水蒸气；式(4)中，P为非标准大气压，KPa；h为高程，m；式(6)中，θ为水汽参数。
步骤3：两监测点溶解氧浓度变化曲线，如图3所示。可知夜间00:00-次日06:00时，水体中溶解氧浓度大致保持相对稳定。因此，利用此时段dC/dt和D，然后利用式(7)，作ER夜间与K(O2)的线性关系，如图5所示，得到河段此时间段内的呼吸作用ER夜间为9.90mg/L当量氧气，复氧系数K(O2)夜间为-1.15/min：
dC/dt＝ER夜间-K(O2)夜间×D 式(7)
式(7)中，C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；ER夜间为水生植物的呼吸作用；K(O2)夜间为夜间的复氧系数，/min；D为氧亏，mg/L，即水体中溶解氧饱和时的浓度与监测值之差。
步骤4：利用步骤3得到的夜间水生植物的呼吸作用ER夜间及复氧系数K(O2)与温度之间的关系，计算得出白天水生植物的呼吸作用ER白天为1.22mg/L当量氧气、复氧系数K(O2)白天为1.19/min和监测期间一昼夜水生生态系统总呼吸作用ER总平均为21.42mg/L当量氧气，如式(8)-(11)：
ER总＝ER白天±ER夜间 式(9)
K(O2)(Ti)＝K(O2)(Tn)×1.0241(Ti-Tn) 式(10)
式(8)中，Ti为第i时间点的水温，℃；T夜间为夜间水温，℃；式(9)中，ER总为水生植物的呼吸作用；式(10)中，K(O2)白天为白天的复氧系数，/min；Tn为第n时间点的水温，℃；式(11)中，为K(O2)白天的平均值，/min。
步骤5：根据式(12)及白天水生植物的呼吸作用，利用步骤1监测的溶解氧浓度C，计算监测期间一昼夜水生植物的初级生产力GPP平均为32.70mg/L当量氧气：
dC/dt＝GPP-ER±E 式(12)
E＝K(O2)白天×D 式(13)
GPP＝ER白天±E+ΔC 式(14)
式(12)中，dC/dt表示水体中溶解对时间的变化量；C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER为水生植物的呼吸作用；E为大气复氧；式(13)中，K(O2)白天为复氧系数，/min；式(14)中，ER白天为白天水生植物的呼吸作用；ΔC为监测点上、下游水体的溶解氧差值。
步骤6：监测期间一昼夜水生植物对岩溶碳汇的固定量NPP平均为11.27，如式(15)，即得所述实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应：
NPP＝GPP-ER总 式(15)
式(15)中，NPP为水生植物对岩溶碳汇的固定量；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER总为水生植物总呼吸作用。
计算得到K(O2)总、ER总、GPP和NPP，如表1所示。9月10日-12日期间，一昼夜寨底河水生植物光合作用对岩溶碳汇固定量平均为0.35mmol/L当量氧气。
表1监测期间寨底河各指标值
对比试验：水化学流量法
选取广西桂林海洋乡的海洋——寨底地下河系统补给的岩溶地表河段。于2014年9月10日11时-12日15时，分别在地下河出口处和汇入地表河处测定水体HCO3 -浓度变化，测量时间间隔为白昼(5:00-20:00)每小时一次，夜间(20:00-次日5:00)每三小时一次，如表2所示。
表2昼夜监测期间两监测点HCO3 -浓度
利用水化学流量法计算监测期间补给寨底河的HCO3 -一昼夜平均减少量为0.12mmol/L。
根据水生植物光合作用公式，即式(16)可知，水生植物水合作用产物O2与消耗CO2是等摩尔质量的，即每消耗1mol的CO2产生1mol的O2。岩溶水中1mol的HCO3 -分解产生1mol的CO2。因此，在对比水生植物岩溶碳汇效应时，可直接对比本发明的溶解氧法与水化学流量法中产生当量的O2和减少的HCO3 -的量。
通过对比表明，水化学流量法计算的水生植物对岩溶碳汇的固定量仅占本发明的溶解氧法计算结果的34.29％。因此，水化学流量法严重低估了水生植物对岩溶碳汇的固定量。
由此可见，本发明的方法能直接如实反映水生植物对岩溶水中无机碳的固定量，无需考虑岩溶水中无机碳之间的形态转化及水生植物对无机碳利用的形态。岩溶水的脱气作用不会对利用本方法的计算结果有任何干扰作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选取岩溶地下河补给的地表河段，将多参数水质分析仪分别放置于地下河出口处及地表河段的下游，分别自动记录水体的温度T、电导率Ec、溶解氧C，记录间隔为5min，昼夜连续监测，并分别记录上述两监测点高程h；
步骤2：饱和溶解氧计算：首先，利用溶解氧监测时对应时刻的水温计算该水温下水体的饱和溶解氧浓度C*，如式(1)；其次，利用电导率校正饱和溶解氧浓度，如式(2)；最后，利用大气压校正水体中饱和溶解氧浓度，如式(3)-(6)：
θ＝9.672×10-3-4.942×10-5×T+6.436×10-8×T2 式(6)
式(1)中，C*为饱和溶解氧浓度，mg/L；T为水温，℃；式(2)中，Ec为电导率，μs/cm；式(3)中，Cp为利用大气压校正后的饱和溶解氧浓度；P为大气压强，KPa；Pwv为水汽分压，KPa；w为水体；v为水蒸气；式(4)中，P为非标准大气压，KPa；h为高程，m；式(6)中，θ为水汽参数；
步骤3：通过连续监测水体中溶解氧浓度数值计算获得dC/dt和D，然后利用式(7)，作ER夜间与K(O2)的线性关系，得到河段夜间的呼吸作用ER夜间及复氧系数K(O2)夜间：
dC/dt＝ER夜间-K(O2)夜间×D 式(7)
式(7)中，C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；ER夜间为水生植物的呼吸作用；K(O2)夜间为夜间的复氧系数，/min；D为氧亏，mg/L，即水体中溶解氧饱和时的浓度与监测值之差；
步骤4：利用步骤3得到的夜间水生植物的呼吸作用ER夜间及复氧系数K(O2)与温度之间的关系，计算得出白天水生植物的呼吸作用ER白天、生态系统总呼吸作用ER总、复氧系数K(O2)白天，如式(8)-(11)：
ER总＝ER白天±ER夜间 式(9)
式(8)中，Ti为第i时间点的水温，℃；T夜间为夜间水温，℃；式(9)中，ER总为水生植物的呼吸作用；式(10)中，K(O2)白天为白天的复氧系数，/min；Tn为第n时间点的水温，℃；式(11)中，为K(O2)白天的平均值，/min；
步骤5：根据式(12)及白天水生植物的呼吸作用，利用步骤1监测的溶解氧浓度C，计算水生植物的初级生产力GPP：
dC/dt＝GPP-ER±E 式(12)
E＝K(O2)白天×D 式(13)
GPP＝ER白天±E+ΔC 式(14)
式(12)中，dC/dt表示水体中溶解对时间的变化量；C为水体中溶解氧的浓度，mg/L；t为时间，min；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER为水生植物的呼吸作用；E为大气复氧；式(13)中，K(O2)白天为复氧系数，/min；式(14)中，ER白天为白天水生植物的呼吸作用；ΔC为监测点上、下游水体的溶解氧差值；
步骤6：一天内水生植物对岩溶碳汇的固定量，如式(15)，即得所述实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应：
NPP＝GPP-ER总 式(15)
式(15)中，NPP为水生植物对岩溶碳汇的固定量；GPP为生态系统中水生植物初级生产力；ER总为水生植物总呼吸作用。
2.根据权利要求1所述的一种实时在线监测水生植物岩溶碳汇效应的新方法，其特征在于，步骤1中，所述两监测点高程用手持式GPS仪记录。
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