鄂尔多斯沙漠高原湖泊潜流带中硫的生物地球化学特征及其分带规律研究

【摘要】鄂尔多斯沙漠高原地表水资源极其匮乏，生态系统十分脆弱。区内湖泊湿地广泛分布，不仅是区域地下水重要的排泄基准面，也是鄂尔多斯遗鸥国家级自然保护区的重要组成部分，湖泊湿地的水量和质量状况对于该地区湖泊自然资源及生态系统的维持有着重要的影响。作为控制地表水-地下水潜流带中氧化还原体系的重要元素之一，硫元素广泛参与一系列复杂的生物地球化学过程，如碳元素的循环过程、水体的酸化、铁锰等金属矿物的形成、微量金属元素的氧化还原过程、一些有毒重金属元素及无机物（砷）的迁移转化、微生物群落分布特征、生物生长与繁殖等一系列重要的生态过程。因而硫元素是研究潜流带中生物地球化学活动的理想元素之一。以往关于潜流带生物地球化学的研究大多集中在N、P等营养物质以及重金属等污染物，而对硫元素的研究相对较少。因此系统地研究湖泊潜流带中硫的生物地球化学行为及其主要控制因素显得十分迫切和重要。本文以国家自然科学基金项目《沙漠高原地区Hypolentic带中硫的生物地球化学行为研究》（批准号：41073054）为依托，以鄂尔多斯沙漠高原典型湖泊—大克泊湖为研究对象，在项目前期大量研究工作的基础上，利用原位水位和水温监测技术、环境同位素技术和分子生物学技术，系统研究了大克泊湖泊-地下水的潜流带水动力交换和水化学演化特征，揭示了湖泊潜流带中硫循环及其生物地球化学行为的特点和主要机理。研究成果有望丰富对潜流带中生物地球化学过程的认识，也为保护湖泊湿地生态提供了科学依据。论文通过对潜流带孔隙水不同来源水的氢氧稳定同位素示踪，揭示了湖泊潜流带的孔隙水来源和水动力交换特征，并确定了水动力交替强度的空间分布特征。应用水动力学法、温度示踪法定量估算地下水与湖水之间的交换强度。两种方法估算的春、秋季节交换强度皆为2×10-6m/s左右。潜流带中孔隙水pH、Eh、DO表现出随着孔隙水运移以及不同端元水体交互作用过程中环境性状的分带规律。地下水溶滤作用、蒸发浓缩作用、混合作用控制着潜流带孔隙水的水化学演化。湖泊潜流带中主要发生了硫酸盐还原、硫化物沉积和氧化及含硫矿物的溶解与沉淀。在这些过程中Eh、溶解氧、pH、有机碳、微生物与硫之间有着密切的响应关系。分子生物学研究表明，潜流带中具有丰富的微生物群落结构以及多样性，并且在相对还原区，微生物结构以及多样性更加丰富，个体均匀性更好。同时测序结果证明了潜流带中与硫相关的氧化还原菌的存在。在湖水-地下水交互作用过程中硫的生物地球化学作用具有明显的空间分带特点，根据潜流带中Eh、DO以及硫化物、微生物等指标空间分布特征，可划分出含硫化氢还原带、不含硫化氢还原带、过渡带、氧化带，反映出潜流带中硫的生物地球化学分带规律。
【作者】王璜；
【导师】苏小四；
【作者基本信息】吉林大学，地下水科学与工程，2014，硕士
【关键词】湖泊潜流带；硫；生物地球化学；同位素；分子生物学技术；分带；

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