基于三维荧光光谱——平行因子分析技术的蠡湖CDOM分布特征

利用三维荧光光谱(EMMs),并结合平行因子分析法,研究了蠡湖水体中有色可溶性有机物(CDOM)的分布特征及其来源,并探讨了不同组分荧光强度与其他水质因子间的相关性.结果表明,蠡湖水体中CDOM主要由2个荧光组分组成,分别为类色氨酸荧光组分C1(225,280/335)和类腐殖质荧光组分C2(250,300/435),并且C1和C2对总荧光强度的贡献率分别75.70%和24.30%.空间上C1和C2荧光强度自东向西依次递减,呈现东蠡湖高于西蠡湖、沿岸区高于湖心区的趋势.荧光指数(FI)、生物源指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)都显示蠡湖水体CDOM来源于自生微生物、藻类等新近自生源,整体呈现弱腐殖质特征.相关性分析表明,CDOM与N、P元素的迁移转化密切相关,并且对透明度有重要影响.     

基于TM/ETM+影响分析巢湖叶绿素a浓度变化趋势

对1995~2007年6景巢湖地区TM/ETM+数据利用多暗像元法进行大气校正并利用修正归一化水体指数(MNDWI)进行水体信息提取,在此基础上,使用(TM2+TM4-TM3)/ln[TM3]模型提取了巢湖水体叶绿素a相对浓度信息.结果表明:高浓度区域主要分布在巢湖西半湖;南淝河水质情况对巢湖蓝藻暴发的贡献较大;1995~2006年间高浓度区域扩大了1.82倍,并有向巢湖东部扩展的趋势,富营养化程度仍在加剧.     

大型通江湖泊有色可溶性有机物对不同水文情景的响应

鄱阳湖和洞庭湖作为我国面积最大的两个通江湖泊,其湖体水质变化对长江干流水质以及湖区周围居民用水安全至关重要.通过三维荧光-平行因子分析得到4个荧光组分,研究两个湖泊的有色可溶性有机物(CDOM)光谱组成在丰、平和枯这3种水文情景下的变化规律,试图揭示鄱阳湖和洞庭湖CDOM来源及组成对不同丰枯情景的响应机制.结果表明:不同水文情景对鄱阳湖CDOM水质参数影响更为显著,CDOM吸收系数a(254)和溶解性有机碳(DOC)浓度表现为丰水期平水期枯水期(t-test,P0.01),CDOM光谱吸收斜率S_(275-295)表现为枯水期平水期丰水期(t-test,P0.01),洞庭湖a(254)在不同水文情景下差异不显著,比紫外吸收系数SUVA_(254)最大值出现在平水期.平行因子分析法解析三维荧光光谱得到4个荧光组分,枯水期两湖CDOM类蛋白组分贡献率较大,平水期类蛋白组分及类腐殖酸组分贡献率大致相当,丰水期两个湖泊类腐殖酸贡献率占主要部分.在空间分布上,枯水期鄱阳湖4个组分的荧光强度在上游南部湖区偏小,北部偏大,丰水期反之,东洞庭湖4个组分的荧光强度在空间差异上表现为枯水期大于丰水期.鄱阳湖DOC浓度对水位的响应更明显(r~2=0.99,P0.01),东洞庭湖类色氨酸组分C2与水位呈显著性负相关关系(r~2=0.99,P0.05).鉴于此,应根据鄱阳湖、洞庭湖CDOM在不同水文情景下的响应特征,有针对性地对湖区水质进行管理.     

巢湖水体氮磷营养盐时空分布特征

在不同汛期对巢湖水体进行了网格化样品采集,研究了巢湖水体中氮磷营养盐的含量与时空分布规律,确定了巢湖水体的主要污染因子.结果表明,巢湖入湖河流中TP、TN和NO-3-N指标均超过了Ⅴ类水标准,南淝河和十五里河中TP、TN、NH+4-N和NO-3-N表现出丰水期低于平水期、枯水期的季节性变化特征,在其他河流则呈现出丰水期高于枯水期、平水期的特征;巢湖湖体氮磷营养盐浓度的分布存在时空差异,西部湖区中氮磷营养盐含量远高于东部湖区;TP、TN和NH+4-N表现出在枯水期高于平水期和丰水期的变化特征,而NO-3-N在丰水期的含量较高;巢湖水体的主要污染因子为TN和NH+4-N,这些污染物从西往东质量浓度不断减少.     

夏季巢湖入湖河流溶解性有机质来源及其空间变化

使用紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）和三维荧光光谱-平行因子分析法（EEM-PARAFAC）,分析了2019年夏季巢湖流域丰乐河、杭埠河、岐阳河、兆河和南淝河水体溶解性有机质（dissolved organic matter,DOM）的来源及其空间变化.结果表明,南淝河DOM吸收特征参数SUVA₂₅₄显著低于其它河流,而光谱斜率比S_R显著高于杭埠河,表明城市污染物径流排入降低了南淝河水体DOM的芳香性,但对其分子量影响较低.南淝河DOM荧光指数（FI）和生物源指数（BIX）大于其它河流,而腐殖化指数（HIX）低于其它河流,指示其DOM自生源高于其它河流.使用EEM-PARAFAC从河流DOM中提取出4种类腐殖质组分（C1~C4）和2种内源类蛋白荧光组分（C5、C6）,其中,类腐殖质组分包括陆源有机质（C1、C3和C4）和微生物降解产物（C2）.沿河流方向,5条河流河水溶解性有机碳（dissolved organic carbon,DOC）、 a（355）和DOM荧光组分呈不同的空间变化特征,其中丰乐河、杭埠河、岐阳河和兆河DOM受农田土壤径流输入影响明显,而南淝河DOM主要受城市污染物径流和污水处理厂出水影响.     

岗南水库沉积物间隙水有色溶解有机物的时空分布特征及差异分析

有色可溶性有机物(CDOM)作为溶解性有机物的重要组分,影响着水体中污染物质的形态特征和迁移转化过程.本研究运用紫外-可见光谱技术(UV-vis)以及三维荧光光谱(EEMs)技术结合平行因子分析法(PARAFAC),对岗南水库自入库河口到坝前主库区四季演变过程中沉积物间隙水CDOM的分布、光谱特征以及来源进行解析.结果表明,岗南水库沉积物间隙水CDOM的相对浓度a_(254)、a_(260)、a_(280)和a_(355)存在显著的季节差异,并且相对浓度大小为夏季春季秋季冬季;沉积物间隙水CDOM的E2/E3、E3/E4、E4/E6以及S_R存在显著的季节差异,呈现冬季高夏季低的特征;秋冬季的E2/E3以及E3/E4明显高于春夏季,并且秋冬季的E3/E4大部分均大于3.5,表明秋冬季沉积物间隙水CDOM具有更小的分子量和更低的腐殖化程度;三维荧光光谱通过PARAFAC解析出3种组分,分别为类酪氨酸(C1)、短波类富里酸(C2)和降解的腐殖类物质(C3),并且3种荧光组分间具有显著的正相关性(P0.001);岗南水库沉积物间隙水的CDOM总荧光强度和各荧光组分荧光强度呈现显著的季节差异,总荧光强度以及各组分的荧光强度呈现春季的最高、秋冬季次之、夏季最低的分布特征;秋冬季各个荧光组分占比不存在显著差异,春夏季各个荧光组分占比不存在显著差异,秋冬季与春夏季各个荧光组分占比存在显著差异;秋冬季沉积物间隙水CDOM生物源指数(BIX)和荧光指数(FI)均高于春夏季,表明秋冬季CDOM的自生源强于春夏季,与腐殖程度指标(HIX)的结果相吻合;PCA结合Adonis分析显示沉积物间隙水CDOM的光谱特征呈现显著的季节差异(P0.001);并且组分C1、C2、C3以及水质参数[氨氮、硝氮、亚硝氮、溶解性总氮以及溶解性总磷]均有很好的线性回归方程.综上,通过对岗南水库沉积物间隙水CDOM光谱特征进行研究,可以为分析岗南水库有机物污染特征和水质管理提供技术支持.     

巢湖表层沉积物重金属生物有效性与生态风险评价

以巢湖表层沉积物为对象,对重金属(Cd、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb)总量及形态进行分析并运用潜在风险指数法和风险评价编码两种方法对巢湖表层沉积物重金属的生态风险进行了评价.结果表明,巢湖表层沉积物中的重金属含量表现为西部湖区高,东部湖区低的特征,其中南淝河入湖区重金属含量是全湖的1.09~1.21倍.BCR形态分析表明,巢湖表层沉积物中Cr、Ni和Cu以残渣态为主(分别占总量82.99%、63.63%和54.25%),Cd和Zn以弱酸提取态为主(分别占总量55.96%和35.84%),Pb以可还原态和可氧化态为主(分别占总量39.66%和24.56%).潜在生态风险危害指数(RI)表明,南淝河入湖河口区域具有较大生态风险(RI值范围为351.54~381.17).风险评价编码方法(RAC) 的结果显示,Cd处于极高风险水平,Zn基本处于高风险水平,Cu 和Ni处于中低风险,Pb处于低风险水平,Cr各采样点均处于无风险.因此, 对需着重考虑对南淝河入湖湖区的Cd和Zn元素的重点治理.     

巢湖周边地区表层土壤总氮有机质空间分布特征

采用网格分区法在巢湖周边地区设置了60个采样单元,采取表层土样分析了总氮(TN)、有机质(OM)的空间分布特征。结果表明:(1)表层土壤w(TN)平均值为1 027 mg/kg,变化范围253 mg/kg~2 273 mg/kg,变异系数为46.3%;w(OM)平均值为1.95%,变化范围0.291%~5.48%,变异系数为49.3%。(2)表层土壤w(TN)、w(OM)高浓度地区主要集中在东部的柘皋河、兆河区域,低浓度地区主要集中在西部的派河、南淝河—店埠河区域。(3)巢湖周边地区土壤总氮、有机质空间分布与区域内入湖河流、巢湖水质、巢湖沉积物污染空间分布不一致。     

中国南海CDOM三维荧光光谱特征研究

利用三维荧光光谱技术,分析了中国南海有色溶解有机物(CDOM)荧光组分的垂直分布特征.结果表明,中国南海CDOM含有类腐殖质荧光峰M和类蛋白质荧光峰T;CDOM的荧光强度(λEx/λE m:350 nm/450 nm)在表层较低,垂直分布呈现随深度增加而增加,在300 m处达到峰值,然后逐渐下降,在500~600 m间达最小峰值,而后保持相对稳定的分布规律.荧光指数FI均在1.4~2.0间,腐殖化指数HIX值偏低,生物源指数BIX在0.7~1.1之间,T峰为主要贡献者,说明南海CDOM主要为海洋自生来源,受海洋微生物作用过程影响较大.M峰和T峰的荧光强度在垂直分布上具有相似的变化趋势,表层荧光强度都最小,说明南海表层CDOM丰度分布受光降解影响较大.研究表明,南海CDOM的垂直分布受光化学反应、海洋微生物活动及颗粒有机物再矿化的共同影响.     

西北内陆城市河段水体CDOM三维荧光指纹特征研究

文章采用三维荧光光谱技术(3DEEM),研究西北内陆某城市河段南北侧断面水体有色溶解性有机质(CDOM)三维荧光指纹特征。结果表明:河段南北侧断面CDOM均存在3类明显荧光峰:峰A(λ_(Ex)/λ_(Em)=239/430)为紫外光区类腐殖质荧光峰,峰B(λ_(Ex)/λ_(Em)=284/340)为类蛋白荧光峰,峰C(λ_(Ex)/λ_(Em)=296/340)为类色氨酸荧光峰。北侧断面荧光强度高于南侧,变化起伏较大,吸收系数a355可表征河段CDOM浓度,综合认为北侧断面CDOM浓度更高。南北侧荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)和生物源指数(BIX)的对比结果表明,北侧断面2、断面6、断面8和南侧断面7、断面8荧光指纹变化主要受外源或陆源输入影响,其他断面荧光指纹特征受内源影响较大。总体上,外源(陆源)输入是研究河段水体溶解性有机质主要来源,是该河段水污染防治的关键。     

Composition analysis of colored dissolved organic matter in Taihu Lake based on three dimension excitation-emission fluorescence matrix and PARAFAC model, and the potential application in water quality monitoring

Taihu Lake is one of the five biggest lakes in China. Surface water samples from 26 sampling sites of Taihu Lake were collected. Furthermore wet chemical analysis （CODCr and BOD5） and measurement of three dimensional excitation-emission matrix （3DEEM） spectra in the laboratory have been conducted. Using parallel factor analysis （PARAFAC） model, three components of colored dissolved organic matter （CDOM） have been identified successfully, based on the analysis of 3DEEM data. The characteristics of the three components also have been described by comparing them to some components of CDOM, identified in earlier researches. Meanwhile, spatial variations of concentration for the three components in Taihu Lake have been analyzed, and the result indicates that the concentration of component 1 depends more on the situation of wastewater pollution and can be used as the indicator of wastewater pollution. The relationship between the concentrations of the three components and results of the wet chemical analysis show that none of the three components can be used as indicators of gross organic matter in water. However, the concentrations of all the three components have obvious linear relationships with the BOD5 value, especially for component 1 （r = 0.72878）. Finally, the potential applications of the composition analysis based on 3DEEM and PARAFAC model in water quality monitoring have been illuminated.     

Composition analysis of colored dissolved organic matter in Taihu Lake based on three dimension excitation-emission fuorescence matrix and PARAFAC model, and the potential application in water quality monitoring

Taihu Lake is one of the five biggest lakes in China. Surface water samples from 26 sampling sites of Taihu Lake were collected. Furthermore wet chemical analysis (CODCr and BOD5) and measurement of three dimensional excitation-emission matrix (3DEEM) spectra in the laboratory have been conducted. Using parallel factor analysis (PARAFAC) model, three components of colored dissolved organic matter (CDOM) have been identified successfully, based on the analysis of 3DEEM data. The characteristics of the three components also have been described by comparing them to some components of CDOM, identified in earlier researches. Meanwhile, spatial variations of concentration for the three components in Taihu Lake have been analyzed, and the result indicates that the concentration of component 1 depends more on the situation of wastewater pollution and can be used as the indicator of wastewater pollution. The relationship between the concentrations of the three components and results of the wet chemical analysis show that none of the three components can be used as indicators of gross organic matter in water. However, the concentrations of all the three components have obvious linear relationships with the BOD5 value, especially for component 1 (r=0.72878). Finally, the potential applications of the composition analysis based on 3DEEM and PARAFAC model in water quality monitoring have been illuminated.     

咸水藻水华期溶解有机质光谱特征变化的模拟

以崇明北湖湖水培养长江口常见的中肋骨条藻为研究对象,模拟了其在咸水湖中的水华暴发过程,利用分子光谱学技术分析了中肋骨条藻培养过程中溶解有机质(DOM)的光学吸收系数(a355)和三维荧光光谱(3DEEM)的变化.结果表明,中肋骨条藻增殖过程a355逐渐增加,并且出现7种荧光团,代表DOM中的类蛋白荧光物质和类腐殖酸荧光物质.在藻类进入衰亡期后,各荧光峰强度大幅度增加;类腐殖酸荧光强度、溶解有机碳(DOC)含量和a355之间均存在着良好的相关性,高、低激发波长的类蛋白荧光物质具有同源性.荧光指数的增大与类蛋白荧光的产生,显示微生物在有色溶解有机质(CDOM)的生产上起着重要的作用.无菌条件下培养的藻液中各荧光峰强度均很弱,说明细菌可能将源于藻类的非荧光物质转化为CDOM.     

重要饮用水源地天目湖水库有色可溶性有机物来源与组成特征

天目湖作为重要集中式饮用水源地,水体水质变化会影响其生态系统服务功能.有色可溶性有机物（CDOM）是溶解性有机物的重要组成部分,其来源与组成直接影响水处理工艺与出水品质,因而研究天目湖CDOM来源及时空分异规律对其水质供应安全及生态系统功能维护有着重要的作用.基于2017年逐月野外采样数据,运用平行因子分析法（PARAFAC）等对CDOM光谱数据进行分析,揭示了天目湖CDOM来源和组成的空间及季节变化特征.PARAFAC结果表明,天目湖CDOM库中微生物作用类腐殖酸组分C1相对丰度最高（44.2%±9.8%）,其次为类色氨酸组分C2（29.2%±4.3%）和类酪氨酸组分C3（17.2%±13.1%）,陆源类腐殖酸组分C4相对丰度最低（9.4%±2.4%）.时空分布特征及主成分分析结果表明天目湖河口区CDOM丰度a（254）、C1和C2组分显著高于下游湖区,而光谱斜率S_275-295则显著低于下游湖区（t-test,P<0.05）,意味着入湖河流输入造成天目湖河口区CDOM腐殖质化程度及相对分子量的升高.夏、秋季节的a（254）、C1、C2和C4组分荧光强度显著高于冬、春季节（t-test,P<0.05）.结果表明不同季节对CDOM组成的影响不仅要考虑降雨量和径流输入的差异,还应综合考虑水体温度、热分层和浮游植物生物量以及光和微生物降解对CDOM的矿化作用.     

鄱阳湖CDOM三维荧光光谱的平行因子分析

利用三维荧光光谱（3DEEM）结合平行因子分析法（PARAFAC）,对鄱阳湖水样的荧光光谱进行研究,探讨了有色溶解有机物（CDOM）荧光组分与氮磷营养盐之间的关系.结果表明,鄱阳湖水体CDOM由2类3个荧光组分组成,即类腐殖荧光组分C1（245/391nm）和C2（255,340/453nm）,及类酪氨酸组分C3（275/304nm）.在CDOM组成中,微生物作用类腐殖质C1占40.8%,陆源类腐殖质C2占30.8%,类酪氨酸物质占28.4%.类腐殖质和类酪氨酸在两个极端水文条件下表现出截然不同规律,即类腐殖质在枯水期荧光强度和贡献都为最低,在丰水期贡献率最大,而类酪氨酸在丰水期,荧光强度和贡献为最低,在枯水期贡献率最大.CDOM各荧光组分强度分布因水文条件不同具有差异性.各荧光组分在同一水文条件下,荧光强度变化趋势相似.荧光光谱参数结果表明,鄱阳湖水中CDOM呈现外源和内源的特征,其中枯水期以外源输入为主.各荧光组分都与水体中总氮（TN）和溶解性总氮（DTN）呈现显著正相关,类酪氨酸组分与总磷（TP）呈现显著正相关.     

夏季太湖CDOM光学特性空间差异及其来源解析

为进一步探究夏季太湖CDOM（有色溶解性有机质）光学特性在空间分布上的差异性与其来源的关系,对其紫外-可见吸收及三维荧光光谱特性进行了分析研究,在此基础上进一步分析了CDOM吸尘系数及其荧光组分（C1、C2、C3、C4）强度和各水质参数间的相关性.结合主成分分析法探讨了CDOM的来源以及与各参数指标[ρ（DOC）除外]之间的来源关系.结果表明:CDOM吸收系数α（355）、S值（光谱斜率）变化范围分别为3.27~8.27 m-1和0.011~0.021 nm-1;太湖西部、北部及南部湖区CDOM丰度较大,S值较低,受陆源输入的影响较为明显.CDOM的三维荧光光谱揭示其中含有两种类蛋白质组分C1和C2以及类腐殖质组分C3和C4,并且以类蛋白质组分为主.此外,大部分采样点的荧光指数（FI）为1.70~2.01,自生源指数（BIX）大于1,腐殖化指数（HIX）小于0.6,r_（T/C）（荧光峰T与荧光峰C荧光强度比值）小于2,表明夏季太湖CDOM内源特性相对强烈.研究显示,除ρ（DOC）外,CDOM与其他水质参数在第一主成分上（贡献率为90.8%）均存在显著相关关系,说明各水质参数的来源存在相似性,并且受生物自生源影响更为显著.      

千岛湖有色可溶性有机物光谱学特征及环境指示意义

有色可溶性有机物的光谱学特征能在一定程度上揭示湖泊溶解性有机物来源及其迁移转化规律,探究其光谱学特征对水质保护具有重要的现实意义.本文基于2018年10月在国家级水源供给水库千岛湖布设的60个采样点进行样品采集,运用光谱吸收及三维荧光,结合平行因子分析等方法揭示该湖有色可溶性有机物的光谱特征及其在空间上的变化,进而揭示有机物来源和迁移转化规律,探讨荧光光谱在水质监测应用等方面的指示意义.三维荧光矩阵经平行因子分析解析获得4种荧光组分包括陆源类腐殖酸C1、类酪氨酸C2、类色氨酸C3及微生物作用的类腐殖质C4.类腐殖质组分C1和C4与溶解性有机碳、有色可溶性有机物特征波长吸收系数a(350)均呈现出由西北入湖河口至其它湖区递减的分布趋势,并且C1和C4与溶解性有机碳、a(350)具有很好的相关性与之印证,说明上游新安江输入是千岛湖有机物的主要来源,类腐殖酸是主要的荧光组分.两种类蛋白组分包括类酪氨酸C2和类色氨酸C3分布均具有高度的空间异质性,高值均集中分布在靠近淳安县的湖心区及大坝附近的东南湖区,且该两个组分与叶绿素a浓度无显著相关性.从上游新安江河口至下游大坝出水口方向类腐殖酸组分所占比重逐步减小,而类蛋白组分所占比重增大.结合对该湖周边城镇居民用地分析表明湖心区及东南湖区类蛋白组分一定程度上可能来源于淳安县居民区生活污水的排放;同时,来自上游的类腐殖酸不断稀释及光降解转化为类蛋白组分可能是荧光光谱组成空间变化的又一个原因.C1为主要的荧光信号并与溶解性有机碳、a(350)及叶绿素a浓度具有更好的线性拟合优度,说明陆源类腐殖酸C1相比于其他荧光组分对有机物反演更为准确灵敏.由此表明,千岛湖有色可溶性有机物荧光光谱对有机物来源和迁移转化规律及水质监测等方面具有重要的环境指示意义.