發(fā)布時間：2020-04-02 21:44

【摘要】：季節(jié)性冰蓋是我國北方湖泊重要的物候特征。相比于夏季,冰蓋的存在改變了湖泊的物理特征和化學(xué)特征,進(jìn)而改變了湖泊冬季生態(tài)條件。在富營養(yǎng)化淺水湖泊中,伴隨冰蓋生長污染物由冰層向冰下水層遷移,造成湖泊液態(tài)水體積減少及水層污染物富集,對冬季湖泊水環(huán)境狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響。在冬季淺水湖泊中,冰蓋結(jié)構(gòu)及冰厚很大程度上決定了冬季湖泊水環(huán)境與外界的物質(zhì)能量交換過程及其內(nèi)部營養(yǎng)鹽運(yùn)移過程。冰封期累積于冰下的營養(yǎng)鹽在非冰封期將向上覆水體釋放,具有引發(fā)春季“水華”爆發(fā)的風(fēng)險。然而,目前關(guān)于覆冰條件對富營養(yǎng)化淺水湖泊水環(huán)境的影響尚不明確。隨著全球氣候變暖,尤其在極地和北方高緯度地區(qū),冬季冰蓋的生長和消融、冰-水能量交換、湖泊冰封期環(huán)境、極地生態(tài)系統(tǒng)等方面的問題等越來越受到關(guān)注�；诖�,本研究通過原位實驗及室內(nèi)模擬實驗對我國北方典型季節(jié)性冰封湖泊(烏梁素海)冰蓋的結(jié)構(gòu)特征、冰蓋生長過程中營養(yǎng)鹽及污染物的運(yùn)移規(guī)律、冰封期與非冰封期湖泊與大氣間的熱能交換過程進(jìn)行研究,利用HIGHTSI模型及度日法經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ρ芯繀^(qū)多年冰厚進(jìn)行估算并對冰下水體污染物負(fù)荷進(jìn)行了定量研究,以期為湖泊冰封期研究、水環(huán)境保護(hù)及富營養(yǎng)化控制提供理論依據(jù)�；诒疚牡难芯恐饕贸鲆韵陆Y(jié)論:(1)通過對烏梁素海進(jìn)行全年水環(huán)境原位調(diào)查實驗發(fā)現(xiàn),烏梁素海水體營養(yǎng)鹽及污染物具有顯著的季節(jié)性分布特征,冬季冰下水體的氮(N,冰封期TN均值為9.07 mg/L)、磷(P,TP均值為0.61 mg/L)和化學(xué)需氧量(COD_(Cr),均值為131.3 mg/L)都遠(yuǎn)高于其他季節(jié),且冰封期N、P及COD_(Cr)的空間分布特征與冰蓋厚度呈正相關(guān)關(guān)系。冰下水體溶解氧隨水深減小而降低,致使湖泊冰下大部分區(qū)域處于缺氧狀況。(2)對湖泊冰封期水環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示,冰蓋中的污染物沿冰厚方向上呈C型或I型分布,但總體較純凈(TN平均含量為1.006 mg/L,TP平均含量為0.163 mg/L,COD_(Cr)含量為32.2 mg/L),冰蓋形成過程中其中大部分營養(yǎng)鹽向冰下水體遷移,初始濃度及冰凍溫度是影響冰層營養(yǎng)鹽含量的主要影響因素,且隨著初始濃度的升高和冰凍溫度的降低,冰層營養(yǎng)鹽增多,冰-水分配系數(shù)減小。(3)對沉積物的調(diào)查表明,烏梁素海沉積物中營養(yǎng)鹽含量具有明顯的季節(jié)性變化特征,且在冰封期,沉積物為湖泊營養(yǎng)鹽的“匯”,當(dāng)冰蓋融化,氣溫和外界擾動增加的條件下,沉積物則成為湖泊營養(yǎng)鹽的“源”,其高濃度營養(yǎng)鹽負(fù)荷將在冰蓋融化季節(jié)擴(kuò)散進(jìn)入上覆水體,具有引發(fā)春季“水華”爆發(fā)的風(fēng)險。(4)為了提高湖冰微結(jié)構(gòu)特征信息提取效率,采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)采集冰切片圖片及偏光鏡下圖像,基于MATLAB圖像分析工具結(jié)合醫(yī)學(xué)細(xì)胞識別技術(shù)對冰層氣泡信息和冰層晶體信息進(jìn)行提取,通過探索和嘗試獲得成功批量提取冰晶體和氣泡信息的方法。(5)通過對烏梁素海湖泊冰蓋冰芯物理結(jié)構(gòu)及污染物濃度分布分析得出:冰蓋中冰晶體形式主要是柱狀晶體,說明冰蓋以熱力生長為主;冰蓋晶體C-軸主要呈現(xiàn)隨機(jī)分布,因此,冰蓋總體上為各向同性材料。冰蓋結(jié)構(gòu)在垂向上呈現(xiàn)表層冰晶體顆粒較小,氣泡和污染物含量較多的特征;冰蓋中間層晶體以柱狀冰為主,晶體顆粒較大,氣泡和污染物含量較少;冰蓋底層的晶體顆粒較大,氣泡尺寸較大且成層狀分布,污染物含量較多。(6)根據(jù)冰蓋晶體結(jié)構(gòu)分析及冰層營養(yǎng)鹽及污染物分布分析得出,冰蓋結(jié)構(gòu)決定了污染物在冰生長過程中從冰層向冰下水體遷移的特征,通過冰蓋密度及氣泡含量與污染物的面相關(guān)分析得出了冰芯密度及氣泡分布與總磷(TP),總氮(TN)及有機(jī)污染物(COD_(Cr))間的多元回歸方程,經(jīng)檢驗,方程合理,能夠較好地反映污染物含量與密度及氣泡含量間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。(7)以2012年和2013年作為典型年,對烏梁素海年內(nèi)熱能收支情況及各熱能分量進(jìn)行了估算,結(jié)果顯示,烏梁素海每年約有280天處于吸收熱能的狀態(tài),太陽輻射能較高,湖泊年內(nèi)熱能收支狀況在冰封期與非冰封期呈現(xiàn)出較大差異,且春季的太陽輻射增加速度是影響冰蓋融化速度的重要因素;2012年和2013年的年平均凈太陽輻射通量分別為210 W/m~2和179 W/m~2,長波輻射通量的變化區(qū)間分別為-68~81 W/m~2和-71~139 W/m~2,冰封期凈熱通量平均值分別為-48.6 W/m~2和-43.5W/m~2,非冰封期平均值分別為318.9 W/m~2和269.8 W/m~2。(8)最后,采用度日法經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃虷IGHTSI模型對烏梁素海多年冰厚及冰蓋生消過程進(jìn)行估算,與實測值對比可知,兩者在冰生長過程中都能給出較準(zhǔn)確的冰厚估算結(jié)果,但在冰蓋消融期HIGHTSI模型的結(jié)果更準(zhǔn)確,度日法經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷谋窆浪憬Y(jié)果偏高,冰封期估算結(jié)果與實際情況有較大出入。(9)將冰厚估算模型與不同控制條件下冰-水分配規(guī)律進(jìn)行耦合,建立非動力條件下冰封期水環(huán)境營養(yǎng)鹽負(fù)荷估算模型,對冰蓋生長消融過程中冰下水環(huán)境營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)行實時預(yù)測,為冰封污染治理提供理論依據(jù)。綜上所述,冰封期對富營養(yǎng)化淺水湖泊的生態(tài)過程具有重要影響,從機(jī)理上明確冰蓋生長與消融過程對湖泊環(huán)境的影響效應(yīng),為研究寒旱區(qū)水環(huán)境污染控制與治理措施提供理論依據(jù)。
【圖文】：

[29]。在自然狀態(tài)下，水是唯一能以氣、液、固三種相態(tài)存在可以不間斷地發(fā)生。水的物理性使得它既是地球表面能量及生物體生命正常進(jìn)行的必要條件。其中，水最不同尋常的物式—冰的密度小于他的液態(tài)時的密度[30]。這一重要特征造就泊、河流和海洋的表面。如果像大多數(shù)液體一樣，固態(tài)密度層將被完全固結(jié)，溫帶及極地的水生生命體將難以存活[31]�，F(xiàn)的特別的物理、化學(xué)特性質(zhì)取決于水分子在各相態(tài)下特殊的，水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的，是一種堅固-O-H 的鍵角為 104.5°，從氫原子的中心到氧原子的中心大約是極與氫原子的正極結(jié)合，氫原子的不對稱位置，，使水分子成偶極結(jié)構(gòu)使得水分子以四面體構(gòu)型存在且能夠從 4 個方向與使它具有了一些奇異的宏觀物理、化學(xué)特征，例如水是一個絕中的營養(yǎng)鹽可以被動植物吸收；水在 3.94℃時密度最大，0℃時以漂浮在湖水表面，從而保護(hù)有機(jī)體避開嚴(yán)冬；水的比熱較）能夠有效緩和氣溫變化，使有機(jī)體生活在較穩(wěn)定而溫暖的

本文研究技術(shù)路線
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X524;P343.6

【參考文獻(xiàn)】

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2 李興;李建茹;徐效清;白旭亮;;烏梁素海浮游植物功能群季節(jié)演替規(guī)律及影響因子[J];生態(tài)環(huán)境學(xué)報;2015年10期

3 張林;李春花;柴先明;魏立新;李明;孫啟振;李志強(qiáng);趙杰臣;趙彪;劉富彬;田忠翔;孟上;孫虎林;馬靜;蘇博;于海鵬;劉洋;;2014年初雪龍船在南極被海冰圍困期間海洋氣象環(huán)境分析[J];極地研究;2014年04期

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本文編號：2612481