博士学位论文中期考核报告
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博士学位论文中期考核报告. 博  士:邹元春 导  师:吕宪国 研究员 专  业:环境科学 研究方向:湿地生态过程. 不同水文情势下湿地土壤铁 环境过程研究 Environmental Processes of Wetland Soil Iron under the Conditions with Different Hydrological Regimes. 报告提纲. 1. 研究背景及意义. 2. 研究内容. 3. 研究方法与技术路线. 4. 论文研究进展. 报告提纲. 5. 对比国内外研究进展总结创新点. 6. 存在的问题及下一步工作安排.

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博士学位论文中期考核报告

  • 博  士:邹元春

  • 导  师:吕宪国 研究员

  • 专  业:环境科学

  • 研究方向:湿地生态过程

不同水文情势下湿地土壤铁

环境过程研究

Environmental Processes of Wetland Soil Iron under the Conditions with Different Hydrological Regimes


报告提纲

1

研究背景及意义

2

研究内容

3

研究方法与技术路线

4

论文研究进展


报告提纲

5

对比国内外研究进展总结创新点

6

存在的问题及下一步工作安排

7

论文发表情况

8

论文目录


铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为6.71%,仅次于氧、硅、铝(Rudnick, 2004),与地球生命息息相关。

HNLC现象的铁假说、含铁沙尘暴为海洋施肥都证明了铁的全球环境效应(Martin et al., 1988,1994;Jickells, 2005)。

“水循环驱动下的化学元素溶移过程 ”是IGBP/BAHC ,GWSP等国际计划的重要研究方向之一(刘昌明, 1999; GWSP, 2005)。

1. 研究背景


1. 铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为研究意义

  • 从理论上明晰自然条件下湿地土壤中水铁的环境行为,丰富土壤溶质运移研究的实践案例。

  • 对比自然湿地与农业湿地土壤水铁运移的异同,有助于深入认识人类活动对湿地土壤铁循环的影响,指导农田水分管理,以减少铁流失并促进作物子实的富铁化。

  • 实践过程中借鉴其它领域并自主探索具有湿地特色的研究方法和装置都为后续研究提供了参考。


2铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为

典型水文过程湿地土壤铁的迁移转化过程

2. 研究内容

研究短期水文过程(自然降水、蒸发、径流与人工水位调控)对土壤溶液铁元素迁移转化的作用,测定典型湿地斑块内“土壤固相―土壤水―地表水-植物”系统中的铁迁移,估算源、汇及迁移通量。

探索不同水文情势(持续性淹水、周期性淹水或干旱)下,土壤中铁的赋存差异及土壤水势(ψw)、氧化还原态势(Eh)、酸碱度(pH)等相关理化性质的垂直变化规律,分析长期水分对铁的导向作用,建立土壤氧化还原性质与铁种类及其时空分布的关系。

1

3

4

干湿交替下湿地土壤水铁运移的数值模拟

不同水文情势湿地土壤铁的时空分异规律

湿地土壤水铁运移与其它元素的相互关系

结合室内土柱模拟与野外原位验证,测定干湿交替下湿地土壤的水铁运移过程,建立土壤水文参数控制模型,预测周期性水分作用下湿地土壤水铁行为。

分析土壤溶液中营养盐、锰等的时空变化与铁的相关关系,定量水铁运移过程与这些元素循环的相互关系。


3.铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为研究方法

实验设计

分析手段

研究尺度

数据处理

铁总量区分

铁价态区分

铁类群区分

空间:从土体到斑块

时间:从时日到年均

野外原位连续监测

野外微区控制实验

室内土柱溶移模拟

SPSS方差、相关、回归、聚类

统计分析

OriginSurfer环境制图


湿地土壤铁的分析测定 铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为

  • 全量测定以原子吸收光谱法或电感耦合等离子体发射光谱法在准确度、灵敏度和检出时间上优于各类比色法;

  • BPDS-EDTA双络合紫外-可见分光光度法是能稳定铁价态并准确同时测定2种价态铁含量的最有效方法;

  • 鉴于湿地土壤明显的空间异质性,基于重金属分级研究而改进的连续浸提法优于经典的铁氧化物种类的独立区分;

  • 考虑到铁价态与种类的精确刻度对湿地环境变化研究的重要指征价值,价态区分与种类区分采用鲜土即时测定比风干土更能反映土壤的自然实貌。


研究区域概况 铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为

  • 地理位置

  • 地形特点

  • 气候特点

  • 水文特点

  • 植被特点

  • 土壤特点


野外微区控制实验铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为

室内土柱溶移实验

野外原位观测

土壤固相铁

连续浸提

土壤液相铁价态区分

Eh pH ψw

C N P Mn

外源铁+酸沉降

多年平均水文情势

季节性水文过程

干湿交替

封闭

全淹

自然

毛苔草

沼泽

半封闭

半淹

自然

小叶章

湿草甸

半开放

半干

人工

水稻

人工湿地

开放

全干

人工

大豆

湿地农田

垂直渗流

控制机理

物理模型

与其它元素之关系

区域铁素环境归趋

水铁运移

时空分异

影响因素

3. 技术路线


4. 铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为论文研究进展

多年水文

情势

运移

径流过程

水文异质湿地生境

季节水文

过程

库存


4.1 铁是自然环境中最基本的氧化还原性质活泼的变价金属元素之一,在地壳中的丰度为多年水文情势对环形湿地土壤铁赋存的影响

  • 土样采用荷兰泥钻按X、W、M、P每个群落采集一个剖面;

  • 分层钻取0~10 cm、10~20cm、20~40cm、40~60 cm土壤;

  • 挑净、风干、过100目筛;

  • 土壤全铁采用HNO3-HF-HClO4消解0.5 h;

  • 采用原子吸收光度法测定。



4.2 铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。融雪过程中全铁的变化

  • 4个微生境的雪样铁含量均位于检出限附近,可以认为三江站沼泽湿地中的铁通过降雪输入的量微乎其微;

  • 降雪融水通过对湿地土壤表层的冲洗将草根层吸附的铁转移到临近的沟渠中,铁或沉积或随水迁移,造成了土壤铁的流失。


冻融过程土壤溶液全铁的变化 铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。

  • 土壤溶液中的铁含量具有明显的季节变化特征;

  • 土壤铁的溶解性随土壤深度的增加而降低。


冻融过程土壤溶液铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。Fe3+/Fe2+的变化

  • Fe3+/ Fe2+ < 1,还原环境;1 < Fe3+/ Fe2+ < 3,弱氧化环境;Fe3+/ Fe2+ > 3, 强氧化环境;

  • 多数溶液处于还原环境。少数溶液之所以出现“弱氧化”环境,可能与部分Fe3+与土壤溶液有机物络合导致可溶性Fe3+含量的增加有关。


冻融过程中土壤溶液铁的变化 铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。

  • 土壤溶液中的铁具有明显的季节变化特征;

  • 随着春季冻融开始,土壤铁在过饱和的还原条件下不断活化,无论Fe3+、Fe2+ 还是全铁,总量都逐渐增加。


4.3 铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。降水—蒸发过程

  • 7月21日至7月27日晴雨交替,整个观察周期经历了“湿-干-干-湿-干-干-湿”的干湿交替过程;

  • 按10 cm、20 cm、40 cm、60 cm分层连续采集土壤溶液。


小叶章草甸沼泽土铁的平均含量随地表积水深度的增加而降低(左下图);随采样深度增加而增加(右下图)。

  • 可溶性铁在降雨脉冲期间没有显著的层间差异,可溶性铁含量的变化趋势与土壤全铁含量随深度增加而增加的趋势不符,表明草甸沼泽土壤铁的溶解性随深度增加而逐渐降低(右图)。

  • 长期干旱条件下因处于氧化环境而被固定,突然的降雨使得土壤溶液中的可溶性铁含量爆炸性增加,形成一个峰值,而对稍后的短期干湿交替响应敏感性下降(这种敏感性随土层深度的增加而降低),可溶性铁含量逐渐降低并趋于稳定(左图)。


  • 如果以Fe3+/Fe2+为Z坐标,以Eh、pH分别为X、Y坐标,通过Renka-Cline插值,可以得到的Fe3+/Fe2+在Eh-pH图中的等值线分布;

  • 插值的结果表明,Fe3+/Fe2+的动态较为复杂,难以用Eh-pH概括(左图)。


毛苔草沼泽腐殖质沼泽土 cm层波动较大外,其余各层的氧化性减弱还原性都逐渐升高,25日之后几乎都处于还原环境,特别是10 cm表层

  • 可溶性铁在降雨脉冲期间具有显著的层间差异,可溶性铁含量的变化趋势与土壤全铁含量随深度增加而增加的趋势不符,表明腐殖质沼泽土壤铁的溶解性随深度增加而逐渐降低(右图)。

  • 10 cm层的可溶性铁含量波动较大,较大值与较小值分别与积水最浅和最深日期对应或滞后1 d;20 cm、 40 cm、60 cm的可溶性铁含量随深度增加而降低,但对积水变化几乎没有严格的响应,表明影响深层土壤溶液可溶性铁含量的因素更为复杂(左图) 。


  • 沿着左下到右上对角线, Fe3+/Fe2+逐渐升高,与理论值相符(左图) 。


水稻田潜育白浆土多数溶液处于氧化环境。之所以出现“氧化”环境,可能与部分

  • 降雨脉冲期间各层的可溶性铁含量没有显著差异(F = 0.017, p = 0.997)。各层均值的微小差异表明稻田的潜育白浆土由于人工对水位的调控,各层的可溶性铁分布已达到平衡(右图) 。

  • 10 cm层的可溶性铁含量呈M型,2个较大值和3个较小值分别与最小积水深度对应或滞后1 d,呈现出显著的负相关(R = -0.756, p = 0.049);20 cm层可溶性铁的变化趋势与10 cm层基本类似,但与积水波动没有显著的相关性(R = -0.187, p = 0.687);40cm层和60 cm层可溶性铁的变化幅度较小,特别是24日之后基本维持稳定,与积水波动没有显著的相关性(R = -0.327, p = 0.474; R = 0.320, p = 0.485) (左图) 。


  • 非对角线分布的插值结果表明,Fe3+/Fe2+的动态较为复杂,难以用Eh-pH概括(左图) 。


4.4 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe铁在水文异质湿地生境中的分布与库存

  • 典型湿地植物铁含量的季节变化特征:

    按样方采样(50 cm × 50 cm);

    按器官分拣(根、根茎、茎/叶鞘、叶);

    返青(5月)-茂盛(7月)-衰老(9月)。

  • 铁在“基质-植物”系统中迁移——以漂筏苔草为例:

    常年性淹水河水(PW)、常年性淹水沟渠底泥(PSed)、季节性

    淹水沟渠底泥(SSed)和常年性淹水土壤(PS);

    随机采集了10株由同一个分蘖节发育而来的克隆单元;

    形态分析和构件铁全量分析。


小叶章铁含量的季节变化特征 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 小叶章各器官的铁含量呈金字塔构型,从植物顶端到基底逐渐升高;初始值(5月)的铁含量垂直剖面具有完美的logistic拟合,R2可达1;

  • 地下部分的铁含量随着小叶章的生长逐渐降低,且生长季后半季的平均减少率低于前半季;地上部分的铁含量除茎在前半季有所减少外,其余器官都有显著增加,且前半季的增加率高于后半季。


乌拉苔草铁含量的季节变化特征整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 乌拉苔草没有分拣出根茎,除根茎外,各器官的铁含量从顶端到基底逐渐升高,呈金字塔构型,各器官的铁含量相差悬殊。如果以logistic拟合初始值(5月)的铁含量垂直剖面, R2 可达0.9902;

  • 地下部分的铁含量逐渐降低,除地下0~10 cm层外,生长季后半季的平均减少率低于前半季;地上部分的铁含量在前半季有所减少外,而后半季显著增加,尤以叶鞘最为显著,增幅达15.58倍。


毛苔草铁含量的季节变化特征 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 毛苔草地下部分的铁含量各层间差异不大,但仍显著高于地上部分;如果以logistic拟合初始值(5月)的铁含量垂直剖面,R2可达0.9954;

  • 地下部分的铁含量逐渐降低,除地下0~10 cm层外,生长季后半季的平均减少率高于前半季;叶鞘和根茎的铁含量逐渐增加,而叶的铁含量却逐渐降减少,其后半季的减少率高于前半季。


大豆水稻铁含量的季节变化特征整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 大豆植株体内的铁主要分布在地下根系中,且随着大豆的生长而不断富集,整个生长季的平均增长率达50.06%。地上部分的铁含量较低,以叶为最高,成熟期的大豆和豆荚铁含量最低,仅相当于同期根铁含量的5.50%和4.30%。

  • 水稻植株体内的铁绝大部分分布在地下根系中,且随着大豆的生长而不断富集,整个生长季的平均增长率达10.69%。地上部分的铁含量较低,以叶为最高,成熟期的稻米铁含量最低,仅相当于同期根铁含量的0.44%。


铁在漂筏苔草“基质-植物”系统中迁移 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 地下部分的铁含量普遍高于地上部分;连接地上地下的分蘖节作为瓶颈限制了铁从地下向地上的迁移,从而避免了过量铁引起的中毒;针对某一个根系统或茎系统,年龄大的构件的铁含量要高于年龄下的构件。


铁在漂筏苔草“基质-植物”系统中迁移 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 漂筏苔草的铁含量与基质铁含量并不成比例增减,表明铁的生物累积还受到其它因子的影响。

  • 为了找到这些影响因子,利用单因素方差分析得出结论,基质的类型和养分水平(特别是有效钾)是决定漂筏苔草表达的主要因子(13个指标中分别有8个和7个达到显著性水平),而淹水情势的影响并不显著。


4.5 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe湿地土壤铁随径流的运移

  • 选择不同土地利用类型(豆地、稻田、湿地);

  • 不同等级的沟渠系统(毛-农-斗-支-干)。

  • 分层采集0~10 cm,10~20 cm,20~40 cm,40~60 cm深的底泥样品,每个点有3个重复,均匀混合后,测定全铁含量。


多级沟渠系统底泥中铁的均值分布 整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 所有沟渠底泥的平均铁含量介于(2.43~3.71)×104 mg kg-1之间,最高值出现在农田斗渠中,而最低值出现在湿地斗渠中;

  • 铁虽然具有一定的可迁移性,但其随水迁移能力较养分元素小,表现为迁移半径仅能延伸到第三等级的斗渠中;

  • 铁沿多级沟渠系统的运移并非逐级富集,而是受到沟渠构型、径流水文、径流水质和植被覆盖等多种因素共同作用的结果;

  • 依据沟渠底泥铁含量的差异可以确定土壤铁的流失能力大小为:豆地 > 稻田 > 湿地。由此可见疏干有利于土壤铁的活化,排水有利于土壤铁的流失。


多级沟渠系统底泥铁含量的剖面分布整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 8个剖面按形态的不同大致可以分为3类:单峰、单谷、线型;

  • 就不同等级看,PHC与DHC近似;PFC与DFC近似,最小值(谷值)较PHC和DHC因为时间滞后而从40~60 cm层上升到20~40 cm层;

  • FLC基本上承袭了PFC和DFC的规律,只是谷值因为时间滞后而从20~40 cm层上升到10~20 cm层;FBC与FLC的明显不同可能得益于WLC的补充;

  • FBC、FMC自底层而上先增加,到表层后再减少的分布规律可能揭示了现阶段因为湿地保护和气候干热化导致的研究区域含铁径流量的减少,表明目前铁的流失状况有所减轻,从另一方面也表明铁对地表水的污染逐渐降低。


湿地土壤铁随径流的运移整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 沟渠底泥中的0~20 cm层铁含量(右图)明显高于相邻湿地同深度土层的铁含量(下图),0~10 cm层、10~20 cm层分别增加了51.96%、62.22%;

  • 20~60 cm层的铁含量反而略小于同深度湿地土层,表明湿地土壤铁的流失主要来自表层土壤,特别是农田排水;20~40 cm层和40~60 cm层分别减少了3.12%和6.26%,表明40~60 cm层可能更多地代表了沟渠挖掘初期径流对沟床的冲刷作用。


各层底泥铁含量沿沟渠类型和等级的递变整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 10~20 cm层铁含量较0~10 cm层的增加表明过去某个阶段铁的可迁移能力较现阶段更强,可能揭示了当时较为湿润的气候下较大的径流量;

  • 0~10 cm层的单峰曲线的形态与整个系统的均值分布局势完全一致;最大值出现在农田斗渠中,而湿地斗渠的含量最低;


各层底泥铁含量沿沟渠类型和等级的递变整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe

  • 40~60 cm层的最高值出现在农田支渠,且各点的均值较高,可能揭示了又一次降水多径流量大的阶段;湿地斗渠的含量比以上各层都高,可能揭示了沟渠开挖之初同深度湿地土壤的背景值。

  • 20~40 cm的最大值和均值都略低于上面两层,可能揭示了更早期降水少径流量少的阶段,由于经流量较小,铁的迁移半径也随之减小,最大沉积量回到农田斗渠;


5.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe对比国内外相关研究进展

湿地土壤水文

及溶质运移

湿地土壤铁的

氧化还原

湿地土壤铁

湿地土壤铁与

其它元素的关系

湿地土壤铁的

生物效应


5.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe创新点

内容 创新

方法 创新

创新点

湿地土壤水文过程与铁元素循环过程的耦合

湿地土壤铁实用分析测定方法


6.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe存在的问题

研究结果的应用范围

铁价态的固定

?

铁元素随水迁移模型的建立


1整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe篇CSCD

1篇CSCD

1篇CSCD

1篇SCI/EI

土柱淋溶实验

铁环境归趋计算

外源铁和酸沉降实验

6.下一步工作安排

2008

2009

6月

9月

12月

4月

1月

4月

整理资料

撰写学位论文

干湿交替浸提实验


7.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe论文发表情况

  • 1. 邹元春, 吕宪国, 姜明. 湿地克隆植物根茎对变境适应的表型可塑性. 湿地科学, 2007, 5(4).

  • 2. 邹元春, 吕宪国, 姜明, 武海涛. 不同水分处理对湿地土壤游离氧化铁提取量的影响研究. 土壤通报, 2008, 39(1).

  • 3. 邹元春, 吕宪国, 姜明. 不同开垦年限湿地土壤铁变化特征研究. 环境科学, 2008, 28(3)(EI).

  • 4. Yuan-Chun Zou, Xian-Guo Lu, Ming Jiang. Implications of phenotypic plasticity on iron distribution profiles of Carex pseudocuraica Fr. Schm. growing heterogeneous wetland habitat. Plant and Soil.(under reviewed).

  • 5. 邹元春, 吕宪国, 姜明. 湿地土壤铁的分析测定研究. 土壤(外审).


8.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe论文目录

  • 中文摘要

  • 英文摘要

  • 第一章 绪论

  • 第一节 研究背景、目的及意义

  • 第二节 国内外研究进展

  • 第三节 主要研究内容、技术路线及创新点

    第二章 研究区域概况

  • 第一节 环境背景

  • 第二节 样点布设

    第三章 湿地土壤铁的分析测定

  • 第一节 测铁土样的前处理

  • 第二节 总量与价态区分

  • 第三节 种类区分


8.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe论文目录

  • 第四章 多年水文情势对环形湿地土壤铁赋存的影响

  •  第一节 常年性积水毛苔草沼泽

  •  第二节 季节性淹水小叶章湿草甸

  •  第三节 周期性淹水稻田

  •  第四节 周期性干旱豆地

    第五章 典型水文过程中湿地土壤铁的迁移转化过程

  •  第一节 冻-融过程

  •  第二节 降水-蒸发过程

    第六章 湿地土壤铁的分析测定

  •  第一节 室内土柱运移模拟

  •  第二节 野外原位观测验证


8.整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe论文目录

  • 第七章 湿地土壤铁的环境归趋

  • 第一节 铁在异质湿地生境中的分布与库存

  • 第二节 湿地土壤铁随径流的运移

  • 第三节 “土壤-植物”系统铁的质量平衡

    第八章 湿地土壤水铁运移对其它元素的影响

  • 第一节 伴生元素Mn

  • 第二节 营养元素

  • 第九章 结论与展望

  • 致谢

  • 参考文献


谢谢整个观测周期稻田潜育白浆土几乎都处于氧化环境,这是由于对Fe


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