CN112875869A - 一种水生态演化过程的重建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水生态演化过程的重建方法。首先获取河流、河口或湖泊的连续沉积记录，通过210Pb/137Cs相结合的定年方法，得到沉积柱的年代学特征；对沉积柱从底到顶均匀取得样品，进行总有机碳、总氮、有机碳同位素、氮同位素等测试，从而得到沉积柱的总生产力变化特征；对样品进行生物标志物的提取、测试、鉴定和定量分析，从而得到不同物种生物生产力的变化过程；综合以上分析，与其它历史资料结合，最终重建河流或湖泊水生态的演化过程。重建结果可以为生态修复的方向和目标提供重要依据，有较大的科学和实用价值。

Description

一种水生态演化过程的重建方法
技术领域
本发明涉及一种水生态演化过程的重建方法，主要适用于生态环境工程技术领域。
背景技术
在日益增多的水生态修复项目中，不同水体修复目标和修复方向的确定是一大难点。修复目标的确定需要依据自然规律，修复方案的制定也依赖对水生态演化过程和演化阶段的研判。因此，特定水体的生态本底及其演化过程是重要的参考依据。
目前对河流、湖泊等水体水生态本底及其演化过程的揭示和重建仍然没有系统、完善的方法。通常采用的方法主要包括连续的人工观测、历史遥感影像的解译和反演等。其中，水生态的人为观测起步较晚，一般开展于近10-20年，此时水生态系统一般已经处于被破坏的阶段，人类活动前的生态本底及其完整的演化规律常常不得而知。另一方面，历史遥感影像的解译和反演，虽然能将水生态演化重建的时间尺度扩展到1950年代，但受限于其空间分辨率和光谱精度，对于水体的营养化程度、生产力乃至生物物种组成等，难以有效揭示。
由于对生态本底和演化过程认识的缺乏，水生态变化的驱动因子难以识别，常常导致水生态修复工程的目标与策略制定具有一定的主观性和局限性。因此，针对特定水体，提出一种重建其长期、完整的生态演化过程的方法，可以帮助水生态修复工程制定明确的目标和科学的方案，具有重要的现实意义和科学价值。
发明内容
为了克服以上背景中所存在的现实问题，本发明提出一种水生态演化过程的重建方法，主要通过210Pb/137Cs定年法、总有机质分析和生物标志物分析等地球化学手段，提取水体连续沉积记录中的生态信息，进而揭示水生态的本底和演化过程。为此，本发明采用的技术方案是：
一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：通过获取水体中连续的沉积记录，基于地球化学手段，构建目标水生态系统(河流、湖泊、滨海湿地等)的几十年乃至上百年的生态演化过程，揭示有人类观测以及人类活动影响之前的目标水生态系统本底特征；所述地球化学手段包括总有机质分析和生物标志物分析；通过综合分析总有机质和生物标志物浓度在剖面上的变化，实现生态演化过程的重建；其中，总有机质的变化反映水体总生产力的变化，与物种对应的生物标志物浓度的变化则反映对应物种的生产力变化。
进一步地，所述连续的沉积记录，主要包括在湖泊、河流、河口等水动力较为稳定的区域，利用重力柱采集器等装置获得的沉积柱，并通过210Pb/137Cs定年法获得不同层位的年代。
进一步地，通过总有机质分析法获取水体总生产力特征，检测对象包括总有机碳、总氮、有机碳同位素、氮同位素，其中，总有机碳用于表征水体总生产力，总有机碳与总氮之比用于表征总生产力中藻类与高等植物的相对贡献占比，有机碳同位素用于表征碳的来源和利用方式，氮同位素用于表征食物链层级与水生动物的生物量。
所述生物标志物，其内涵是沉积物中具有明确生物来源特征，且分子结构相对稳定，可以长期保存在沉积物中的一种分子，通过生物标志物分析获取水体中物种的历史变化；进一步地，检测的生物标志物包括以下的一种或任意数种：正构烷烃、萜类化合物、甾类化合物、酸类化合物、醇类化合物。其相对含量反应其对应物种的相对丰度。在进行生物标志物分析时，一般使用有机溶剂进行萃取，用气相色谱质谱联用仪、液相色谱质谱联用仪等进行检测、识别来源和定量分析。
本发明具有的有益效果是：
(1)揭示生态本底。本发明揭示水体未经人类活动影响时的生态状况，可以作为生态修复的目标的重要参考。
(2)重建水生态演化过程及演化阶段。水生态修复强调遵循自然规律。水生态演化有不同的阶段，针对水生态演化不同阶段的不同特点应采用不同的方案。本发明揭示水体演化过程，可以帮助研判其演化阶段，为水生态修复方向和方案的制定提供重要依据。
附图说明
图1是本发明技术路线图。
图2是本发明连续沉积记录及定年结果图。
图3是本发明中生物标志物分析实验流程图。
图4是通过本发明重建的水生态演化过程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例的水生态演化过程的重建方法，以黄河中上游乌梁素海水生态重建为例，包括四大步骤：
(1)、在研究水体中获取连续的沉积记录；
(2)、针对获取的沉积记录进行高精度定年；
(3)针对定年的沉积记录进行地球化学分析，主要包括有机质总体特征分析和生物标志物分析；
(4)针对地球化学分析结果进行综合分析研判，揭示水体水生态演化的过程。
所述步骤(1)中，柱状样的采集通过聚氯乙烯圆柱体(其末端尖锐，直径和长度分别为9cm和1m)扭转到河沉积物方式完成。获得一根50cm长的柱状沉积物样品。现场将圆柱体剖面分成两半，将沉积物剖面的两半分别以1cm的间隔分样。返回实验室后，将沉积物样品冷冻干燥，研磨至100目以内。一半用于高精度定年和有机质总体特征分析，一半用于生物标志物分析。
如图2所示，所述步骤(2)中，高精度定年一般采用采用210Pb法和137Cs法结合的方式进行。具体做法如下：
210Pb法是用配备有低背景噪音铅室(堪培拉，型号777A)的锗光谱检测器(堪培拉，型号BEGe3830)对干燥后的样品进行γ计数，确定每个部分中210Pb和226Ra的活性。根据核心中过量的210Pb活性并使用恒定初始浓度(CIC)模型估算沉积物垂直积聚，如下所示：
Ad＝As×e–k·d/s
其中Ad-深度d处的210Pb活性(Bq)；
As-表面处的210Pb活性(Bq)；
k-是210Pb的衰减常数(0.03114yr-1)；
d-深度(cm)；
s-沉积物积聚率(SAR)(cm yr-1)。
将过量的210Pb活性相对于深度以对数标度绘制，则会得到线性的210Pb轮廓，SAR等于k除以斜率的绝对值。
137Cs法利用沉积物柱状样中137Cs的3个峰值深度位置(分别对应1963、1974和1986年)及检测到明显的137Cs出现的层位(对应于1954年)为时间标记，可以计算1963年以来各时期的沉积厚度和平均沉积速率.计算方法如下:
Qx＝(Ax/A0)×(M0/Mx)×(Tx/T0)×Q0
Ri＝Dij/(Ti－Tj)
其中Qx-样品137Cs的比活度；
Ax-测量的净面积(cm2)；
A0-标准源的净面积(cm2)；
M0-标准源的质量(g)；
Mx-样品质量(g)；
Tx、T0-测量样品和测量标准源的时间(yr)；
Q0-标准源比活度(Bq g-1)；
Ri-第i和第j特征值之间的沉积速率(cm yr-1)；
Dij-第i和第j两个沉降峰值之间的沉积物厚度(cm)；
Ti、Tj-分别为第i和第j沉降峰值所对应的时间(yr)，当i＝0时，T0表示采样时间。
综合二者结果，通过内插法得到连续沉积记录的定年结果。如图2所示，该沉积记录样品的年代范围为1700-2007年。
所述步骤(3)中，对水体水生态演化过程的重建依赖于总有机质指标和生物标志物指标在沉积剖面上的综合分析。
总有机质指标主要包括总有机碳(TOC)、总氮、总有机碳同位素(δ13C)等。用于TOC和δ13C分析的样品在60℃下用6N HCl处理24小时以除去碳酸盐，使用去离子水冲洗至中性后冷冻干燥，之后使用Thermo Scientific FLASH EA1200系列CNS元素分析仪进行TOC测量，同时，使用该元素分析仪对未去除碳酸盐的冷冻干燥后的原始样品进行TN测量。使用Thermo Fisher MAT-253质谱仪联用的FLASH2000有机元素分析仪进行去碳酸盐样品的δ13C测量。
如图3所示，生物标志物指标分析主要将沉积物样品冷冻干燥后，采用有机溶剂进行索氏抽提。将抽提液皂化和酸化萃取后，分别得到中性组分和酸性组分。进一步柱层析分离后，得到各类不同极性的生物标志物。进而采用合适的仪器，针对特定的生物标志物进行定量分析，得到各生物标志物浓度在沉积剖面上的变化趋势；
如图4所示，所述步骤(4)中，综合总有机质和生物标志物分析结果，得到水体水生态演化过程。其中TOC、TN等为总体生产力指标，数值越高代表生产力越高，δ13C为总体生产力类型指标，其数值越高代表利用空气中二氧化碳的生产力(如高等植物或浮游藻类)的比例越高，其数值越低代表利用水体中二氧化碳的生产力(如沉水植物)的比例越高。
Paq(沉水植物相对含量指标)和TAR(陆生/水生植物生产力比值)等为通过生物标志物比值计算得到的指标，反映具体物种的相对生产力大小。
Paq＝(nC23+nC25)/(nC23+nC25+nC29+nC31)
TAR＝(nC27+nC29+nC31)/(nC15+nC17+nC19)
其中，nCi-链长为i的正构烷烃在沉积物干重中的含量(mg/g)。
由于nC23+nC25在沉水植物，尤其是乌梁素海的本地植物小叶眼子菜和龙须眼子菜中尤其丰富，因此Paq可代表小叶眼子菜和龙须眼子菜的生产力相对强度变化。而nC15+nC17+nC19在维管束植物，尤其是乌梁素海本地的芦苇中尤其丰富，因此TAR可代表芦苇生产力的相对强度。
综合沉积物中总氮、总磷等营养盐因子，该结果反映了乌梁素海在过去从外源型湖泊(低生产力，总有机碳水平与河流沉积物相近)到草型湖泊(以沉水植物生产力为主)再到富营养化的以藻类和芦苇为主要生产力的藻型湖泊的演化过程，为生态修复目标和方向的制定提供了依据。

Claims (5)

1.一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：通过获取水体中连续的沉积记录，基于地球化学手段，构建目标水生态系统的生态演化过程，揭示有人类观测以及人类活动影响之前的目标水生态系统本底特征；所述地球化学手段包括总有机质分析和生物标志物分析；通过综合分析总有机质和生物标志物浓度在剖面上的变化，实现生态演化过程的重建；其中，总有机质的变化反映水体总生产力的变化，与物种对应的生物标志物浓度的变化则反映对应物种的生产力变化。
2.根据权利要求1所述的一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：所述连续的沉积记录的获取方式包括：在水动力稳定的区域获得沉积柱，并通过210Pb/137Cs定年法获得不同层位的年代。
3.根据权利要求1所述的一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：通过总有机质分析法获取水体总生产力特征，检测对象包括总有机碳、总氮、有机碳同位素、氮同位素，其中，总有机碳用于表征水体总生产力，总有机碳与总氮之比用于表征总生产力中藻类与高等植物的相对贡献占比，有机碳同位素用于表征碳的来源和利用方式，氮同位素用于表征食物链层级。
4.根据权利要求1所述的一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：通过生物标志物分析获取水体中物种的历史变化；检测的生物标志物包括以下的一种或任意数种：正构烷烃、萜类化合物、甾类化合物、酸类化合物、醇类化合物。
5.根据权利要求4所述的一种水生态演化过程的重建方法，其特征在于：在进行生物标志物分析时，使用有机溶剂进行萃取，用气相色谱质谱联用仪或液相色谱质谱联用仪进行检测、识别来源和定量分析。
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Title
孙大洋: "黄河流域古老有机质的搬运沉积历史及其控制因素", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)基础科学辑》 *

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