中国科学院海洋研究所机构知识库

本文以山东省东营近海养殖池塘为研究对象，利用三维荧光光谱技术
（Three–dimensional Excitation–Emission Matrix Fluorescence Spectra，EEMs）结合平行因子分析法（Parallel Factor Analysis，PARAFAC），揭示了典型养殖水体及沉积物中有机质的三维荧光光谱特性，结合总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）、溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、总氮（Total Nitrogen，TN）等环境参数的分析，综合分析了养殖水体和沉积物中有机质的含量及组分特征。在此基础上，通过室内模拟培养实验，开展了不同环境因素对沉积物有机质分解过程的影响研究，定量估算了沉积物中有机质的分解速率和沉积物—水界面间营养盐、TN 和总磷（Total Phosphorus，TP）交换通量的变化情况，相关研究结果旨在揭示不同影响因素对沉积物中有机质分解的影响，对深入了解养殖环境沉积物中有机质的生物地球化学循环过程具有一定的科学意义。主要结论如下：
（1）池塘养殖活动产生和积累大量有机质，导致水体和沉积物中有机质含量显著高于其他天然海域。养殖环境水体中有机质的荧光组分主要包括 4 种：3种类腐殖酸（C1-3、C1-4 与 C1-5）与 1 种类蛋白质（C3-1）；沉积物中有机质的荧光组分主要包括 3 种： 2 种类腐殖酸（C1-6 与 C1-7）和 1 种类富里酸（C2-2）。类腐殖酸在该养殖环境有机质中占比最高，主要来源于大量微生物、养殖生物（凡纳滨对虾）等生物残骸、浮游藻类等有机质的原位分解，且随着有机质分解时间越长，其腐殖化程度越高，导致养殖环境有机质污染加重。荧光指数分析结果表明，水体有机质来自内源输入与外源输入，而沉积物中有机质则主要来源于生物内源输入。结合沉积物有机质的 C/N 值分析及养殖现场环境的同步监测表明，沉积物中有机质大部分来源于残饵、动植物残体、生物排泄物及其分解产物等。 
（2）溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）含量与有机质的分解速率呈正相关，本文实验所设置的低、中和高 DO 组的 TOC 平均分解速率分别为 4.00、5.47 和6.34 mg·g·d^–1。高 DO 含量提升了细菌化能异养、硝酸盐还原和细菌发酵功能，从而对有机质分解产生促进作用。由于一些易分解有机质组分的优先被分解利用，实验初期沉积物 TOC 含量与溶解有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）各组分荧光强度下降较快。不同实验组沉积物—水界面的营养盐、TN 和 TP 通量总体呈现高 DO 组>中 DO 组>低 DO 组的特点。在沉积物反硝化、有机质分解等过程的作用下，高 DO 组沉积物—水界面 NO₃^– 通量由沉积物净释放（0 – 6h 最高，为 94.58 μmol·m^–2·d^–1）转变为沉积物净吸附（6 – 12h 最大，为 39.67 μmol·m^–2·d^–1）； NH₄⁺ 通量表现为沉积物净释放（0 – 6h 最大，为 720.00 μmol·m^–2·d^–1）； PO₄^3– 通量表现为沉积物的释放—吸附—释放的循环过程。低、中 DO 组沉积物—水界面营养盐、TN 和 TP 通量的变化趋势与高 DO 组基本一致。 
（3）温度与有机质的分解速率呈正相关，实验设置的低温、中温和高温组的 TOC 平均分解速率分别为 4.12、5.05、5.68 mg·g·d^–1。温度升高可导致具有化能异养和硝酸盐还原功能菌属 Exiguobacterium 丰度增大，促进其对有机质的分解。沉积物 TOC 含量及 DOM 组分随时间变化趋势与 DO 组相似。不同实验组沉积物—水界面的营养盐、TN 和 TP 通量总体呈现高温组>中温组>低温组的特点。在沉积物的反硝化作用下，高温组沉积物—水界面 NO₃^– 和 NO₂^–通量均表 现为由沉积物净吸附（0 – 6h 最大，分别为 179.25 和 37.46 μmol·m^–2·d^–1）； 高温对有机质矿化分解的促进作用使 NH₄⁺通量表现为沉积物净释放（0 – 6h 最大， 为 1196.40 μmol·m^–2·d^–1）； PO₄^3– 与 TN、TP 通量在大部分时间均表现为沉积物净释放。低、中温组沉积物—水界面营养盐、TN 和 TP 通量的变化趋势与高温组基本一致。 
（4）改性粘土（Modified Clay，MC）浓度与有机质的分解速率呈负相关，实验设置的无 MC、低 MC 和高 MC 组的 TOC 平均分解速率分别为 5.19、4.96和 4.40 mg·g·d^–1。高 MC 浓度抑制了细菌化能异养功能，从而降低有机质分解速 率。不同实验组沉积物—水界面 NO₂^–、NH₄⁺、TN 和 TP 通量呈现出 MC 组>低 MC 组>高 MC 组的特点。高 MC 组沉积物—水界面 NO₃^– 和 NO₂^– 通量总体表现 为沉积物净吸附（0 – 6h 最大，分别为 55.11 和 10.64 μmol·m^–2·d^–1）， 而 NH₄⁺ 通量表现为沉积物净释放（0 – 6h 最大，为 834.59 μmol·m^–2·d^–1）。 无 MC 组和低 MC 组沉积物—水界面 NO₃^–、 NO₂^– 和 NH₄⁺ 通量变化趋势与高 MC 组基本一致。 此外，实验过程中，高 MC 组沉积物—水界面 PO₄^3– 释放通量较低，且存在沉积物的净吸附，而无 MC 组和低 MC 组 PO₄^3– 通量表现为沉积物净释放（低 MC 组 12h – 1d 时存在沉积物对 PO₄^3– 净吸附）且通量较大，表明高 MC 浓度对有机质 分解具有一定抑制作用；同时，由于 MC 表面所带正电荷特性而对 PO₄^3– 具有较好的吸附作用。

目  录

第1章       绪论.... 1

1.1 近海养殖环境中有机质的含量组成及来源... 1

1.1.1 有机质的定义... 1

1.1.2 有机质的含量、组成... 1

1.1.3 有机质的来源... 4

1.2 近海养殖环境沉积物中有机质的分解特征... 5

1.2.1 有机质主要分解过程... 5

1.2.2 有机质分解速率常数... 6

1.3 影响沉积物中有机质分解的关键因素... 6

1.3.1 有机质含量及组成... 7

1.3.2 温度... 8

1.3.3 溶解氧... 8

1.3.4 粘土矿物... 9

1.3.5 微生物... 9

1.4 本论文的研究意义、目标和内容... 11

1.4.1 研究意义... 11

1.4.2 研究目标与内容... 12

1.4.3 技术路线图... 12

第2章       山东近海池塘养殖环境中有机质的含量组成特征.... 15

2.1 前言... 15

2.2 材料与方法... 16

2.2.1 研究区域概况... 16

2.2.2 样品采集... 17

2.2.3 样品测定... 18

2.2.4 数据处理与统计分析... 19

2.3 结果... 19

2.3.1 水体DOC和TOC含量... 19

2.3.2 水体DOM三维荧光光谱特征... 21

2.3.3 沉积物及主要组分的TOC、TN及C/N.. 24

2.3.4 沉积物DOM三维荧光光谱特征... 25

2.4 讨论... 27

2.4.1 水体和沉积物有机质的含量及组成分析... 27

2.4.2 水体和沉积物中有机质的来源初探... 30

2.5 小结... 33

第3章       沉积物中有机质的分解以及主要环境因素的影响作用.... 35

3.1 前言... 35

3.2 材料与方法... 35

3.2.1 研究区域概况... 36

3.2.2 实验设计... 36

3.2.3 样品采集... 37

3.2.4 样品测定... 37

3.2.5 数据处理与统计分析... 38

3.3 结果... 39

3.3.1 不同DO含量条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 39

3.3.2 不同温度条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 44

3.3.3 不同改性粘土浓度条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 49

3.4 讨论... 54

3.4.1 不同DO含量对沉积物有机质分解的影响... 54

3.4.2 不同温度对沉积物有机质分解的影响... 58

3.4.3 不同改性粘土浓度对沉积物有机质分解的影响... 61

3.4.4 微生物群落结构对沉积物有机质分解的影响... 67

3.5 小结... 67

第4章       结论与展望.... 71

4.1 结论... 71

4.2 创新点... 73

4.3 不足与展望... 73

参考文献.... 75

致  谢.... 91

目  录

第1章       绪论.... 1

1.1 近海养殖环境中有机质的含量组成及来源... 1

1.1.1 有机质的定义... 1

1.1.2 有机质的含量、组成... 1

1.1.3 有机质的来源... 4

1.2 近海养殖环境沉积物中有机质的分解特征... 5

1.2.1 有机质主要分解过程... 5

1.2.2 有机质分解速率常数... 6

1.3 影响沉积物中有机质分解的关键因素... 6

1.3.1 有机质含量及组成... 7

1.3.2 温度... 8

1.3.3 溶解氧... 8

1.3.4 粘土矿物... 9

1.3.5 微生物... 9

1.4 本论文的研究意义、目标和内容... 11

1.4.1 研究意义... 11

1.4.2 研究目标与内容... 12

1.4.3 技术路线图... 12

第2章       山东近海池塘养殖环境中有机质的含量组成特征.... 15

2.1 前言... 15

2.2 材料与方法... 16

2.2.1 研究区域概况... 16

2.2.2 样品采集... 17

2.2.3 样品测定... 18

2.2.4 数据处理与统计分析... 19

2.3 结果... 19

2.3.1 水体DOC和TOC含量... 19

2.3.2 水体DOM三维荧光光谱特征... 21

2.3.3 沉积物及主要组分的TOC、TN及C/N.. 24

2.3.4 沉积物DOM三维荧光光谱特征... 25

2.4 讨论... 27

2.4.1 水体和沉积物有机质的含量及组成分析... 27

2.4.2 水体和沉积物中有机质的来源初探... 30

2.5 小结... 33

第3章       沉积物中有机质的分解以及主要环境因素的影响作用.... 35

3.1 前言... 35

3.2 材料与方法... 35

3.2.1 研究区域概况... 36

3.2.2 实验设计... 36

3.2.3 样品采集... 37

3.2.4 样品测定... 37

3.2.5 数据处理与统计分析... 38

3.3 结果... 39

3.3.1 不同DO含量条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 39

3.3.2 不同温度条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 44

3.3.3 不同改性粘土浓度条件下主要沉积物及水质参数变化特征... 49

3.4 讨论... 54

3.4.1 不同DO含量对沉积物有机质分解的影响... 54

3.4.2 不同温度对沉积物有机质分解的影响... 58

3.4.3 不同改性粘土浓度对沉积物有机质分解的影响... 61

3.4.4 微生物群落结构对沉积物有机质分解的影响... 67

3.5 小结... 67

第4章       结论与展望.... 71

4.1 结论... 71

4.2 创新点... 73

4.3 不足与展望... 73

参考文献.... 75

致  谢.... 91

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.... 93

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.... 93