河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性

利用激发发射矩阵荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC),研究了九龙江口有色溶解有机物(CDOM)的荧光组分特征及其河口动力学行为,并探讨其作为河口区有机污染示踪指标的可行性.利用PARAFAC模型识别出九龙江口CDOM由2类4个荧光组分组成,即类腐殖质荧光组分C1(240,310/382nm)、C2(230,250,340/422nm)、C4(260,390/482nm)及类蛋白质荧光组分C3(225,275/342nm).模型结果表明,传统寻峰法指认的短波类腐殖质A峰区域(240～290/380～480nm)实际上并非一个单独的荧光峰,而是若干荧光组分的组合,并且它与传统上指认的长波区海源类腐殖质M峰、陆源类腐殖质C峰之间存在内在联系.包含M峰的C1组分在河口区随盐度增加呈稀释降低趋势,表明M峰并不能被认为是海洋来源的专有特征峰.类腐殖质组分C1和C2在盐度6的河口最大浑浊带区表现出一定的添加行为,之后在河口混合过程中呈保守行为,而类腐殖质荧光组分C4则在整个河口混合过程中都呈保守行为.类蛋白质荧光组分C3在河口混合过程中呈不保守行为,并且在总荧光组分中所占比例在高盐度区呈上升趋势.EEM-PARAFAC不仅可示踪九龙江不同支流DOM的特征,并且还可很好地示踪九龙江口的有机污染程度.     

三维荧光光谱法分析巢湖CDOM的空间分布及其来源

利用三维荧光光谱法研究了巢湖有色溶解有机物(CDOM)及其相关组分的空间分布特征,并对CDOM来源进行了分析.结果表明,巢湖西半湖CDOM平均相对荧光强度为927.1,显著高于东半湖的平均相对荧光强度544.9;CDOM组分腐殖酸(HA)和类蛋白物质浓度空间变化特征类似于CDOM;南淝河和丰乐河是西半湖CDOM的重要污染源;巢湖西北区域和中部湖区CDOM分别主要来源于南淝河和白石山河排放源.三维荧光光谱法在大型湖泊和河流水质监测中具有潜在的应用前景.     

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.     

西北内陆河城区段入河水体CDOM三维荧光光谱特征

于2017年8月现场采集并测定了西北某内陆河城区段16个入河排放口水体的有色溶解性有机物（CDOM）三维荧光光谱（EEMs）,深入探讨和分析了其CDOM荧光光谱特征、组成成分、类型和可能来源,探讨了荧光组分对研究河段溶解性有机物的示踪特征.结果表明,污染物产生途径不同,入河水体CDOM的EEMs特征差异显著,除了工业、城镇生活等受人为处理影响的水体外,同类排放源的EEMs具有类似性,大多数入河水体中都包含有类腐殖质荧光A峰.平行因子分析方法（PARAFAC）解析出入河水体CDOM由3个荧光组分组成,即类腐殖质组分C₁（272,437/545nm）和C₃（281,368/437nm）,类蛋白组分C₂（<2150,281/366nm）,其中C₁和C₃具有同源性,且其A峰、C峰的位置发生老化红移现象,C₂组分的类蛋白荧光T峰则较为稳定,可以作为研究河段溶解性有机物来源的指示参数.入河排放水体CDOM的荧光指数（FI、HIX、BIX）在反映人类活动对水质的干扰方面较为敏感,工业企业、城镇生活废水排放源的荧光指数、生源指数与其他排放源有所差异,可以敏感指示人为污染的存在.入河水体CODM的光学参数（a（280）、a（350）、a（355））及荧光峰强度均与TOC、CODcr有一定的线性关系,可用于指示有机污染程度.三个荧光组分与TOC、TN的线性拟合关系相对较好,表明可以用荧光组分值对各入河排放源的TOC、TN等指标进行有效示踪.     

博斯腾湖有色可溶性有机物来源及季节变化特征

博斯腾湖是中国西北地区最大的外流湖,近年来随着湖区周边废水排入量的增加,严重威胁到湖泊周边地区居民的饮用水安全.对博斯腾湖开展有色可溶性有机物（CDOM）的来源及季节变化研究对该湖水质保护具有非常重要的意义.通过平行因子分析法解析博斯腾湖CDOM三维荧光光谱,得到类腐殖酸组分C1（255 nm/420 nm）,类酪氨酸组分C2（270 nm/324 nm）和类色氨酸组分C3（230 nm/340 nm）.2018年夏季盐度与C1呈显著负相关（r=－0.64,p<0.01）,与C2呈显著正相关（r=0.65,p<0.01）,这表明河流等外界输入是夏季湖水中类蛋白质和类腐殖质荧光组分的主要来源,夏季强烈的蒸发作用使得微生物活性增强.而2019年秋季盐度与C3呈显著正相关（r=0.70,p<0.01）,与C2呈显著负相关（r=－0.51,p<0.05）,意味着淡水输入直接稀释河口区CDOM中的类蛋白组分.整体上,博斯腾湖CDOM浓度在黄水区附近最大,且夏季CDOM浓度较秋季更大（t-test,p<0.001）,意味着夏季水质更差.河口区各指标的变异程度较大,受淡水输入影响较其他湖区大,这在2018年夏季表现得尤为显著.博斯腾湖CDOM具有高度空间异质性,2018年夏季该湖西部入湖河口区C1组分的贡献较大且该组分贡献率向东部水体交换弱的湖区方向逐渐减小,相应C2组分的贡献率逐步增大.2019年秋季各荧光组分占比表现为由黄水沟河口区以C1为主向东部湖区快速转变为以C2为主.     

黄渤海海域秋季营养盐及有色溶解有机物分布特征

本文利用2013年11月黄渤海海域航次采集的海水样品,对该海域有色溶解有机物(CDOM)、营养盐等的组成、来源、分布特征和主要环境影响因子进行了分析研究.通过三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)对CDOM进行分析,共鉴别出2类4种荧光组分:类腐殖质组分C1(325/410 nm)、C2(275,370/435 nm)、C3(270,395/495 nm)和类蛋白质组分C4(290/340 nm).3种类腐殖质组分在黄渤海海域各层的平面分布均为由近岸向远岸逐渐递减.黄海表层和渤海中层类蛋白质组分荧光强度在近岸和远岸海域均出现极大值,而其在渤海表底层及黄海中底层的分布呈现由近岸到远岸逐渐降低的趋势.各层CDOM高值区主要分布在近岸海域.渤海表层溶解无机氮(DIN)和溶解有机氮(DON)浓度高于底层浓度,底层溶解无机磷(DIP)浓度高于表层浓度.渤海DIN呈现由近岸到远岸逐渐降低的趋势,DIP由曹妃甸近岸海域及中部海域的高值区向北部、东部和南部海域逐渐降低的趋势,DON则呈现由渤海中部偏南海域的高值区向四周逐渐递减的趋势.黄海底层DIN和DIP浓度高于表层,而表层DON浓度最高.黄海表中层DIN和DIP呈现由近岸到远岸逐渐降低的趋势,底层DIN和DIP则呈现由近岸到远岸逐渐增加的趋势,DON呈现由近岸到远岸逐渐降低的趋势.渤海DIN、DON和DIP的总体浓度均高于黄海.将4种荧光组分(C1~C4)、吸收系数(a_(355))、溶解有机碳(DOC)与叶绿素a(Chl-a)、盐度(S)、溶解氧(DO)、DIN、DON、DIP进行冗余分析,结果表明黄渤海各荧光组分(C1~C4)主要受陆源输入的影响,DOC受陆源与海源的共同影响,但陆源影响较大.渤海DIN受陆源输入的影响较大,而DON受海源影响较大;黄海DIN受陆源和海源共同影响,而DON主要受陆源输入影响.黄渤海DIP均受陆源和海源共同影响.     

基于有色溶解性有机质(CDOM)解析陆源污染物在东海区域的分布特征

随着"陆海统筹"海洋保护战略的提出,近海水质修复越来越依靠对污染源数据的准确掌握,而活性磷酸盐和总无机氮等常规水质指标不能对海洋中陆源污染物进行有效指示.因此,本研究利用三维荧光光谱结合平行因子分析（EEM-PARAFAC）等技术分析了象山港和东海不同深度有色溶解性有机质（CDOM）的组成和分布特征,探讨基于CDOM快速分析技术的近海水质评价方法.结果表明,象山港水质受沿岸排放影响显著,其氮磷营养盐、陆源腐殖质（EEM-PARAFAC组分C1和C4）和生活源类蛋白质（C3和C5）物质显著高于东海表层水体.在东海水体中,5个荧光组分的高值区主要分布在北部近岸表层海域,与盐度分布相反,清晰表明长江冲淡水等陆源输入对CDOM的显著影响.相关性分析表明,陆源物质输入是东海表层水体中污染物的重要来源,而底层污染物的来源则更为复杂.总体上,污水类物质较大程度地改变了东海北部表层CDOM的组成.本研究表明,利用EEM-PARAFAC等技术可快速有效地识别海洋中CDOM的来源,深刻揭示了陆源排放对海洋水质的影响程度,可为"陆海统筹"海洋保护策略提供技术支撑.     

基于支持向量机的黄东海富营养化快速评价技术

以发展黄东海富营养化现场快速监测技术为目的,选取有色溶解有机物(CDOM)特征吸收系数a_CDOM(255)、a_CDOM(355)、a_CDOM(455)及能现场实时监测的浊度(Tur)、叶绿素a(Chl a)、溶氧(DO)等水质参数,以TRIX值为参照,利用支持向量机建立了近海富营养化快速评价技术.建立的支持向量机模型最优惩罚参数C=45.3,最优核函数参数g=0.7,对训练集分类准确率为92.5%,交叉验证准确率为91.8%,验证集分类准确率为85.0%.结果表明:基于CDOM吸收系数及DO、Chl a、Tur建立的近海富营养化快速评价技术能够准确的对近海富营养化状态进行评估,可为近海富营养化的现场快速监测提供技术支持.     

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.     

巢湖二氧化碳排放特征及其潜在影响因素

为探讨浅水湖泊CO₂排放的时空格局及与CDOM来源组成潜在关联机制, 于1月(枯水期)、4月(平水期)、7月(丰水期)不同水文情景下富营养浅水巢湖进行野外观测, 采用扩散系数—顶空瓶法观测表层水体CO₂浓度(c_CO2)和通量(F_CO2), 并探讨CO₂排放的潜在驱动因素, 尤其是对CDOM来源组成的响应机制.结果表明, 巢湖全湖区c_CO2均值表现为丰水期((51.9±71.8)μmol/L)>平水期((48.9±29.0)μmol/L)>枯水期((35.2±15.6)μmol/L), 对应F_CO2均值丰水期((219.3±275.5)mg/(m²·d))与平水期((219.9±157.8)mg/(m²·d))无显著差异, 枯水期通量最低((-98.8 ±20.1) mg/(m²·d)).丰水期c_CO2与F_CO2空间上均表现为西部>中部>东部湖区, 这与丰水季节巢湖西部十五里河与南淝河等主要入湖河口区外源有机质大量输入在此堆积并快速降解息息相关.DO与c_CO2(P<0.05)、F_CO2(P<0.001)在西部湖区均呈显著负相关; 全湖DOC、Chl-a浓度与c_CO2(P<0.01)、F_CO2(P<0.001)均呈显著正相关.平行因子分析得出了四个荧光组分, 其中陆源性腐殖质组分C1、C4与c_CO2(P<0.01)、F_CO2(P<0.001)均呈显著正相关; 全湖范围内类色氨酸组分C2及类酪氨酸组分C3与c_CO2、F_CO2均无显著相关.上述结果意味着水体营养水平对巢湖CO₂产生有显著的促进作用, 而CDOM的来源和组成, 尤其是陆源类腐殖酸输入与积累在一定程度上也加剧CO₂的排放.