一种淡水河流自源可溶性有机碳汇的估算方法

1.本发明属于环境地球化学技术领域，具体涉及一种淡水河流自源可溶性有 机碳汇的估算方法。


背景技术：

2.全球碳遗漏汇为2.8pg c/yr，占每年co2源的35.4％。岩溶碳汇被认为是十 分重要的“遗漏汇”，使用岩溶水生系统中dic动态平衡估算的岩溶碳汇为 0.2-0.7pg c/yr，占全球遗漏汇的7-25％。但是，有学者认为岩溶水生系统中的 碳酸钙发生沉淀co2仍然会释放出来进入大气，以hco
3-和co
32-存在于岩溶水 生系统中的岩溶碳汇并不稳定。刘再华等认为dic以动态平衡的形态存在于岩 溶水生系统中，其含量随时间和空间上升，是动态平衡的无机碳汇；同时，岩 溶水体中的水生植物也能将dic转换成为有机碳，并以有机碳汇最终埋藏于河 流和湖泊沉积物中。此外，岩溶水体中doc的含量达到水体有机碳含量的60％ 以上，其中难降解的惰性可溶有机碳(refractory dissolved organic carbon,rdoc) 占比为63％-88％，是岩溶有机碳汇的重要组成。但是，岩溶地表水生系统中的 有机碳由土壤有机碳、陆生植物、水生植物以及水体微生物来源等多个来源组 成，因此，岩溶水体中自源/外源有机碳的定量评估较为复杂。
3.已有的研究将水体中的总有机碳(toc)分为固态的颗粒有机碳(poc， 直径大于0.7um)和可溶性有机碳(doc，直径小于0.7um)进行研究。一般认 为，poc形成河流或湖泊沉积物并成为稳定碳汇。基于同位素和地球化学计量 法的端元混合计算发现，增江流域内源poc含量占70-80％以上，而密西西比河 流域的内源poc含量52-61％。水体中，doc和poc的占比与水体浊度相关， 清澈的岩溶水中，doc含量可达80％以上。而岩溶水体中doc以水生植物、 土壤和陆生植物源为混合端元计算的自源doc也达到80％以上。但是，现有的 自源doc估算大部分都以同源poc的组分构成估算，而不是直接分析水体doc 的内外源组分及其含量。因而已有的内源doc的估算需要进一步校正。
4.赵海娟等、sun等运用了有机质的稳定同为素和c/n比值计算有机质的来 源和占比含量。但是由于取样和测试技术的限制，他们使用了同源的颗粒有机 质(poc)计算可溶性有机质(doc)的组分占比，而不是直接运用水体中可 溶性有机质的来源组分标定。不同组分在poc和doc中的含量分异，因而运 用poc组分推算的结果可能存在差异。yang等利用水体脂肪酸的组分计算了 doc组分含量，但是自然界中脂肪酸的含量仅占水体总有机质的20％左右，用 部分物质的特征指代总doc存在误差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种淡水河流自源可溶性有机碳 汇的估算方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.提供一种淡水河流自源可溶性有机碳汇的估算方法，包括以下步骤：
8.s1、采集淡水河流河段下游和上游断面河水样品，扫描分析获得样品水体 三维荧光eem光谱图；运用平行因子分析法建模，获取水样中主要荧光基团；
9.s2、将荧光基团激发和发射光谱与openfluor数据库中的组成部分进行比 较，获得荧光基团的性质和来源，并获得荧光基团的发散荧光强度；
10.s3、根据荧光基团性质，选择相关标准样品测试不同浓度有机质组分的荧 光基团发散强度，线性拟合建模，获得线性拟合模型；
11.s4、根据线性拟合模型，计算淡水河流河段下游和上游断面内源有机质组 分的浓度；
12.s5、结合淡水河流流量数据计算河流河段的自源可溶有机碳汇通量。
13.进一步地，步骤s3中，线性拟合模型为y＝ax+b；其中，y为有机质组分浓 度；x为荧光基团发散强度；a、b为线性拟合常数。
14.进一步地，步骤s5的具体方法包括以下子步骤：
15.根据公式：
16.fi＝qi*ci17.获取不同河流断面的自源可溶有机碳汇通量fi；其中，i为up或down；qi为河流断面i处流量，ci为河流断面i处自源有机质浓度；
18.根据公式：
19.δf＝f
down-f
up
20.获取河段自源可溶有机碳汇通量δf；其中，f
down
和f
up
为别为该河段下游和 上游断面自源可溶有机碳汇通量。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明通过分析水体中有色可溶有机碳的荧光光谱性质反演可溶性有机碳 的组分和性质，并计算自源可溶有机碳组分的浓度，结合河流流量实现自源可 溶有机碳汇的通量估算。本发明所获得的自源可溶性有机碳汇统计计算方法快 捷有效，可以实现淡水河流中自源有机碳组分的辨别，对归纳和估算陆地水生 系统中自源有机碳汇具有重要意义。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的水样eem荧光光谱组分图；其中：a，组分1 光谱位置；b，组分2光谱位置；c，组分3光谱位置；d，组分1折半检验；e， 组分2折半检验；e，组分3折半检验；
24.图2为本发明实施例提供的标准物质荧光组分强度与组分有机碳浓度相关 回归图。
具体实施方式
25.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
26.实施例
27.一种淡水河流自源可溶性有机碳汇的估算方法，具体包括以下步骤：
28.(1)采集漓江河流河段下游和上游断面6个采样点24组水样，扫描分析 获得漓江水样三维荧光eem光谱图，运用平行因子分析法(parafac)建模，获 得漓江水样中三个主要荧光基团(图1)。其折半检验ex和em峰值不重合，检 验通过，说明三个主要荧光基团为独立组分。
29.在本发明实施例中，水样和cdom标准品荧光光谱使用3d-eem荧光光谱 法，水样经灼烧后的滤镜0.7um玻璃纤维膜过滤，上机扫描。荧光光谱使用日 本岛津rf-5301pc荧光分光光度计(150w氙灯)，扫描激发波长220-500nm发 散波长250-600nm，扫描间隔5nm，室温下进行(25℃)。液体瑞利散射使用超纯 水(millipore，超纯水系统)作为对比扣空白去除(激发波长348nm，发散波长 395nm)。发散荧光强度使用特定激发波长强度标准化。
30.采用平行因子分析法(parafac)分析eems，识别dom荧光团的数量、类 型和强度。通过parafac建模获得控制荧光eem的组分的激发和发射光谱以 及与荧光组分浓度成正比的荧光组分浓度分数。浓度分数的动态变化为监测 parafac模型中获得的荧光成分浓度变化提供了定量基础。parafac分析使 用matlab工具箱(matlab 6.5)的n路parafac模型(andersson和bro，2000 年)；该工具箱位于http://www.models.kvl.dk/source/nwaytoolbox/(2010年7月)。
31.(2)将荧光基团激发和发射光谱与openfluor数据库(www.openfluor.org) 中的组成部分进行比较，遵循峰形和峰位置对应原则(murphy，2014)分辨荧 光基团的主要成分和来源(表1)，并获得三个荧光基团的发散荧光强度(表2)。 根据组分来源和性质，确定组分c1和c3为自源有机质组分，组分c2为外源 陆生输入组分。
32.表1 eem-parafac解析出3个荧光组分的特征
[0033][0034]
表2荧光基团的荧光强度和占比
[0035][0036]
(3)根据三个主要荧光基团组分，购置甘氨酸和富里酸标准品，测试不同 浓度有
机质组分的荧光基团发散强度，线性拟合建模，获得线性拟合模型(图2)。 根据线性拟合模型，带入表2荧光基团的发散光谱浓度，计算河流河段下游和 上游断面有机质组分含量(表3)。
[0037]
线性拟合模型为y＝ax+b
[0038]
y为有机质组分浓度；x为荧光基团发散强度；a、b为线性拟合常数。
[0039]
其中水生植物源和微生物源有机质为水体自源有机质。
[0040]
表3 doc组分浓度计算
[0041][0042]
(4)根据不同季节的流量数据计算河段自源碳汇量(表4)。计算方法如下：
[0043]
根据公式：
[0044]fi
＝qi*ci[0045]
获取不同河流断面的自源可溶有机碳汇通量fi；其中，i为up或down；qi为河流断面i处流量，ci为河流断面i处自源有机质浓度。
[0046]
根据公式：
[0047]
δf＝f
down-f
up
[0048]
获取某河段自源可溶有机碳汇通量δf；其中，f
down
和f
up
为别为该河段下 游和上游断面自源可溶有机碳汇通量。
[0049]
表4自源doc碳汇量估算
[0050][0051][0052]
本发明通过分析水体中有色可溶有机碳的荧光光谱性质反演可溶性有机碳 的组分和性质，并计算自源可溶有机碳组分的浓度，结合河流流量实现自源可 溶有机碳汇的通量估算。本发明所获得的自源可溶性有机碳汇统计计算方法快 捷有效，可以实现淡水河流中自源有机碳组分的辨别，对归纳和估算陆地水生 系统中自源有机碳汇具有重要意义。
[0053]
于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不
背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本 发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限 制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在 权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利 要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0054]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。