三峡库区城镇化背景下河流DOM的吸收及荧光光谱特征

研究城镇化对河流溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)组分和化学结构、来源与迁移规律的影响,对水生态系统保护及生物地球化学循环研究具有重要意义.运用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术,研究三峡库区不同城镇化程度的典型河流(桃花溪、南河和普里河)的DOM光谱学特征.结果表明,河流城镇化程度越高,DOM和有色溶解性有机质(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)浓度越大,河流DOM的腐殖化程度和芳构化程度越小,疏水性组分越少,DOM中类蛋白物质相对浓度越高,DOM的新近自生源特性越强.河流DOM均以富里酸类为主(E3/E4均值 3. 5),CDOM浓度与DOM浓度显著正相关(P 0. 01),各河流DOM腐殖化程度(SUVA254)、芳构化程度(SUVA280)和疏水组分(SUVA260)极显著正相关(P 0. 01).桃花溪、南河、普里河的荧光指数均值为1. 715 7～1. 757 1,DOM的腐殖质来源均为外源输入和微生物、藻类生产两种方式混合,且以内源产生为主.     

淹水条件下三峡库区典型消落带土壤释放DOM的光谱特征:紫外-可见吸收光谱

消落带土壤在淹水发生时释放溶解性有机质(DOM),是上覆水体DOM的重要来源.但同时对淹水释放DOM进行定量定性分析的报道并不多见.本文以三峡库区典型消落带为研究对象,通过模拟实验,利用紫外-可见吸收光谱,研究了厌氧淹水和正常淹水条件下,淹水土壤释放DOM的光谱特征.结果表明,消落带4个区域土壤淹水均呈"快速释放-下降-动态平衡"释放规律;释放速率和通量计算表明,DOM释放呈现出"源-汇动态交换"特征.对比两种淹水处理,尽管溶解性有机碳(DOC)和有色溶解性有机质(CDOM)无显著差异,但厌氧淹水DOM芳香性(SUVA280)高于正常淹水,而光谱斜率比值(SR)对不同淹水条件不敏感.同时,厌氧淹水时,DOC和CDOM的相关性也明显高于正常淹水.另外,各区域土壤淹水释放DOM存在差异,以忠县石宝寨土壤释放强度最高,尽管土壤有机质含量是影响各区域土壤淹水释放DOM差异的重要原因之一,但其他地化因素仍需考虑.因此,仅仅关注DOC浓度变化并不足以完全描述DOM的释放特征.     

淹水条件下三峡库区典型消落带土壤释放DOM的光谱特征:荧光光谱

作为水体DOM的重要来源,消落带土壤淹水释放过程十分重要.本文以三峡库区典型消落带土壤为例,通过模拟正常淹水和厌氧淹水的两种条件,利用荧光光谱,着重定性地分析并讨论了土壤向上覆水体释放DOM的动态特征.结果表明,消落带4个区域土壤淹水后产生的DOM荧光特性,呈现出和可见-紫外光谱相似特征,对上覆水体DOM荧光特征有重要贡献.淹水初期的快速释放及后期去除机制,是水体DOM荧光组分的动态"源-汇"平衡的关键;其中类腐殖峰(A和C)受无机矿物相的吸附-释放影响明显,而类蛋白峰(B和T)受微生物影响较为明显.另外,所有土壤淹水释放后水体DOM均呈现出"内源+外源"的复合特征.除忠县石宝寨(SB)外,整个淹水周期,其余区域土壤在厌氧和正常淹水条件下,水体DOM荧光特征的差异性不明显,这可能和土壤自身组成(例如无机矿物组成和有机组分)的复杂程度有关.结合可见-紫外光谱,两种技术相互补充,证明了土壤释放("源")和去除("汇")机制是控制DOM动态变化的重要因素;而淹水初期的较强芳香性和腐殖化程度,以及较强的陆源特征,无疑有利于进一步解释污染物在淹水过程中的环境行为,为进一步了解DOM的环境角色提供数据基础和实验支撑.     

三峡库区消落带水体CDOM中电荷转移配合物对其紫外-可见吸收光谱的影响

以三峡库区消落带水体CDOM为研究对象,基于"双生色系统"模型,采用Na BH4还原法,研究了DOM还原前后光谱曲线及特征参数变化,探究了电荷转移配合物对DOM吸收光谱的影响.结果表明,Na BH4还原处理后,可以将原来无特征峰的指数型吸光曲线分为两套具有特征吸收带的吸光曲线.4个采样点中,超过35%的DOM吸光度来自于电荷转移(chargetransfer,CT)配合物,忠县石宝寨和涪陵珍溪DOM中CT配合物作所占比例最高(50%).因此不能忽略CT配合物对CDOM吸光能力的贡献.经Na BH4还原去除CT结构后,吸光曲线出现蓝移,CDOM浓度[a(355)]降低;而断键导致DOM结构分散,分子尺寸减小,光谱斜率(S)值降低.同时,由于疏水性组分减少,表观芳香程度降低.另外,特征参数SUVA、CDOM和SR在不同DOM样本间对比时,较为稳定,而S275-295受CT影响较明显.同时,在利用短波处CDOM对DOC浓度进行反演时,CT配合物对模型建立影响不大.     

三峡库区典型农业小流域水体中溶解性有机质的光谱特征

溶解性有机质(DOM)作为重要的地球化学因子,在流域水体环境中扮演着重要的作用.本研究以三峡库区消落带典型农业小流域——重庆涪陵区王家沟为研究对象,结合该流域内不同土地利用类型,通过紫外-可见光吸收和荧光光谱,对小流域内水体DOM的光谱特征进行了表征和分析.结果表明,该农业小流域水体DOM空间差异较大,其组成和来源均存在明显不同.CDOM在DOM中所占比例[a*_g(355)]大小顺序为:稻田水沟渠水池塘水井水出口水,其中稻田水和沟渠水的SUVA_(254)较井水和出口水大,芳香性更明显.三维荧光光谱中2类4个荧光峰(A、C和B、T),DOM来源都是内部(微生物、藻类)以及外源(腐殖质)的双重贡献.除自生源微生物活动的影响外,外源生活污水和农业生产用水的影响也是导致DOM组分中类蛋白组分增多的重要原因.对比了不同种植季时相同位置水样DOM光谱特征,类蛋白组分是控制两个种植季水体DOM特征波动的重要因素.土地使用方式变化后水体DOC、CDOM和DOM当中的类蛋白/类腐殖荧光组分[r_(T/C)]比例存在明显差异,而FI、BIX和r_(A/C)差异不显著.     

城镇流域水体-沉积物中溶解性有机质的荧光特性及影响因素:以宁波市小浃江为例

我国快速城镇化过程对流域水体和沉积物的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)含量和成分产生了重要影响,探究水体-沉积物中DOM的分布特性及影响因素具有重要意义.本研究选取长三角典型城镇地区宁波市北仑区小浃江流域为研究对象,利用三维荧光光谱技术,结合PARAFAC(平行因子分析)模型及相关性分析,对小浃江流域水体及沉积物DOM光谱特性进行研究,分析DOM荧光组分特征及来源.结果表明:①小浃江水体-沉积物DOM主要包括4种组分:C1、C2、C3和C4,其中C1为陆源类腐殖质,分子量较大; C2为陆源类腐殖质,由生物降解产生,分子量较小; C3为类蛋白物质,包括类色氨酸,对微环境的变化敏感; C4为陆源类腐殖质.②小浃江水体DOM受新生内源和陆源输入共同影响,腐殖化程度较弱,腐殖质含量较低.沉积物以陆源或土壤源输入为主,内源贡献较小,DOM具有一定的腐殖化特征,腐殖质的浓度水平高于水体中腐殖质含量.③冗余分析(redundancy analysis,RDA)表明,水体DOM各组分相关性较高的环境因子主要为农田、城镇;而沉积物DOM各组分相关性较高的环境因子为城镇、农田、湿地.其中,城镇对沉积物中类腐殖质C4和类腐殖质的浓度参数Fn(355)影响最大.     

川西高海拔河流中溶解性有机质(DOM)紫外-可见光吸收光谱特征

溶解性有机质(DOM)对全球碳循环及气候变化具有重要意义.本文选取川西北4条高海拔河流,即杂谷脑河、抚边河及岷江(高山峡谷河流)与白河(高原河流),对其天然水体中有色溶解性有机质(CDOM)的紫外-可见光吸收光谱特征进行了研究与比较.结果表明,川西高海拔河流DOC变化范围为1.55~5.66 mg·L~(-1),CDOM(以a(355)表征)变化范围为0.96~6.31 m-1,荧光溶解性有机质(FDOM)(以lg Fn(355)表征)变化保持在2.08~2.83之间.与高山峡谷区河流比较,高原河流芳香性、疏水性特征常数SUVA254、SUVA260较高,吸光度之比E2/E3、光谱斜率S275~295及光谱斜率之比SR较低,揭示了高原河流CDOM芳香性较强、疏水性组分丰富、分子结构较为复杂;SUVA254、SUVA260分别与SR、S275~295呈显著负相关,表明白河由于高通量陆源腐殖质输入影响了CDOM特征.川西高原4条高海拔河流中SUVA254、SUVA260存在显著相关关系,表明芳香性结构普遍存在于河流CDOM疏水组分中.川西高原天然河流水体中CDOM与DOM的浓度之间总体上无直接关联,因为不同天然水体在DOM形成过程中,陆源DOC输入组分和强度及转化机制存在差异.研究结果对于揭示高海拔区域在全球变化背景下有机碳循环的区域效应等方面具有重要意义.     

典型水库型湖泊中CDOM吸收及荧光光谱变化特征:基于沿岸生态系统分析

为进一步了解水库型湖泊溶解性有机质(DOM)的地球化学特征,本文以三峡库区典型内陆水库型湖泊——长寿湖为研究对象,利用紫外-可见和三维荧光光谱,并结合湖区周边生态系统分析,讨论了长寿湖水体中CDOM的组成、来源和空间分布特征.结果表明,长寿湖不同采样点DOM浓度(DOC和CDOM)存在一定程度的空间分布差异,但各点FDOM分布较为稳定.回水区出现DOM累积,由于受陆源输入影响有限,水体内源活动主导,具有较明显"内源控制"特征,芳香性和分子量相对较低;而周边陆地以人工林兼旅游开发为主的采样点,陆源输入在带入较多腐殖化(高芳香性)组分的同时,人为活动排放也是导致其类蛋白组分丰富的重要原因;入湖区尽管周边果林和居民生活对水体DOM有一定影响,但上游河流输入的影响也不容忽视.另外,各采样点也出现了不受周边生态系统影响的独立的相关性特征,例如芳香性特征常数(SUVA280)和光谱斜率[S(275~295)]显著负相关、CDOM和FDOM极显著正相关、CDOM和S(275~295)负相关等.同时,长寿湖水体中CDOM的生色团主要由具有芳香性结构的大分子组分构成;至少51%的CDOM波动可以通过FDOM变化来进行解释,其中回水区荧光组分对CDOM变动的影响最为明显.在采用传统FI值无法区分DOM来源差异性时,结合采样点沿岸生态系统,综合紫外-可见和荧光光谱特征,有助于对DOM组成及来源进行解析.     

基于三维荧光及平行因子分析的川西高原河流水体CDOM特征

川西高原草甸和高寒湿地是青藏高原重要土壤碳库之一,高原河流水体溶解性有机碳特征及其与土壤碳库关系研究,对于理解高寒区域土壤碳输出通量及强度具有重要意义.本文对川西高原高山峡谷区河流(岷江上游、杂谷脑河、抚边河)和高原夷平面河流(白河)水体有色溶解性有机质(CDOM)采用三维荧光及平行因子法(EEM-PARAFAC)进行了分析.结果表明:(1)高原河流中CDOM主要有3种组分,即C_1(260/480,UVC类腐殖质)、C_2[310/420(570),UVA类腐殖质]和C_3(280/370,类色氨酸);(2)河流沿程变化特征显示,高山峡谷区河流总荧光强度值较低,变化范围窄,高原夷平面河流(白河)与其相反;同时白河类腐殖质(C_1、C_2)荧光强度远高于其他3条河流,表明白河中源于沿岸草甸和湿地的陆源腐殖质高,而其余高山峡谷区3条河流陆源腐殖质输入相对低;(3)水体荧光特征参数(荧光指数FI、自生源指数BIX、腐殖化系数HIXb、新鲜度指数β:α)表明,高山峡谷区河流CDOM来源具有外源兼内源双重特征,腐殖化程度低;高原夷平面河流CDOM腐殖化程度相对较高且降解程度低;(4)相关性分析发现4条河流中C_1、C_2极显著正相关,且白河C_1、C_2、C_3呈极显著正相关;所有河流β:α与BIX呈极显著正相关,溶解性有机碳(DOC)与355 nm处吸收系数[a(355)]相关性不显著.     

黄浦江溶解有机质光学特性与消毒副产物NDMA生成潜能的关系

对黄浦江表层水样的过滤液进行紫外吸收光谱和荧光光谱扫描,并测定了溶解有机碳(DOC)、N-亚硝基二甲胺(NDMA)及其生成潜能(NDMA-FP),探讨了黄浦江溶解有机质(DOM)的光学特性与消毒副产物NDMA生成潜能的关系.结果表明,黄浦江水中NDMA-FP随DOC浓度增加而增加(r=0.487,P<0.01),但与DOM的比吸收系数(SUVA254)和腐殖化指数(HIX)均呈负相关(r=-0.605,P<0.01;r=-0.396,P<0.01);NDMA-FP还与相对较低分子量的类酪氨酸、类色氨酸等类蛋白物质的荧光强度呈显著正相关(r=0.421,P<0.01;r=0.426,P<0.01),而与类腐殖质的荧光强度则呈显著负相关(r=-0.422,P<0.01).因此,黄浦江水中消毒副产物NDMA的生成潜能随着溶解有机质含量的增加而增加,特别是与DOM中的类蛋白组分含量密切相关,但随着DOM的芳香性和腐殖化程度的增强而减少.     

辽河下游CDOM吸收与荧光特性的季节变化研究

有色溶解有机物(CDOM)是一类广泛分布于水体中的溶解有机物(DOM),是水环境中最大的溶解有机碳贮库.辽河是中国七大河流之一,年径流量为14.8亿m3,因此对于辽河CDOM的研究对辽河有机碳通量的估算具有重要意义.基于吸收光谱和荧光光谱分析了不同季节辽河下游河流中CDOM的光学特性.通过分析CDOM的吸收光谱及斜率(S)得到春季水样CDOM在355 nm的吸收系数[aCDOM(355)]低于秋季和冬季;秋季CDOM的分子量要小于冬季和春季,而春季CDOM的分子量大于秋、冬季.通过对比分析3期荧光强度及各荧光峰(类腐殖酸荧光峰,峰A、峰C;类蛋白质荧光峰,峰B、峰T),发现辽河下游水体CDOM的荧光特性表现明显的季节性,而且都表现出较强的类蛋白质荧光峰(峰B和峰T).春季的两个类腐殖质荧光之间以及秋、冬季两个类蛋白质荧光之间均存在很强的相关性(R2>0.9),说明来源或性质相同.春季CDOM的两个类蛋白质荧光峰的相关性较差(R2=0.21),反映了其组分的复杂性和来源的多样性;春季水体显现出较强的类腐殖酸荧光峰,说明外源输入是春季水体CDOM中类腐殖酸成分的主要来源.另外,本研究将aCDOM(355)和Fn(355)进行分析发现冬季两者相关性最好(R2=0.75),秋季次之(R2=0.48),冬季结果较不理想(R2=0.01).通过荧光峰值与CDOM浓度之间的相关分析可以得到荧光峰B是秋、冬季CDOM荧光的主要控制发光基团(R=0.66;R=0.89),而春季CDOM的类腐殖酸荧光(峰A和峰C)表现比较突出(R=0.74;R=0.82).     

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.     

夏季高原河流CDOM光学特性、组成及来源研究

对高原河流有色溶解有机物(CDOM)光学特性、组成及来源进行研究,有利于更好的了解高原河流水体生态环境,为高原河流生态系统中溶解有机物(DOM)循环过程的研究提供数据参考.利用2017年夏季无定河和湟水流域河流的实测数据对CDOM的吸收特性、荧光特性、水质参数以及它们之间关系进行分析,进而对高原干旱地区河流CDOM光学特性及其组成与来源进行研究.研究结果表明:两流域河流中CDOM吸收系数随波长的增加呈衰减趋势,但吸收光谱曲线差别较大;两流域CDOM在440 nm处的吸收系数[a(440)]与溶解有机碳(DOC)具有显著相关性(p0.01),而与叶绿素a浓度(Chla)不存在相关性.无定河a(440)与Chla浓度的相关性说明其河流现场产生(生物活动)作用较小.通过对比分析S_(275-295)、SUVA_(254)发现,无定河分子量和芳香性程度均大于湟水,且湟水与无定河CDOM的分子量变化要高于其它河流的研究.根据CDOM三维荧光光谱分析发现,类腐殖质荧光峰是两流域河流CDOM荧光的主要贡献者;通过荧光指数FI、腐殖化指数HIX、生物源指数BIX的研究发现,湟水以陆源输入为主,腐殖化程度高,无定河以陆源输入为主的同时存在一定的自生成分,人为生产活动干扰是其陆源输入的主要影响因素.通过冗余分析发现,湟水DOC、Chla、pH对类腐殖质荧光峰及荧光强度影响较大(p0.01);无定河DOC、电导率(EC)、浊度(Tur)与类腐殖质荧光峰及荧光强度显著正相关(p0.01).     

辽河流域河流秋季CDOM光学特性及影响因素研究

了解有色溶解有机物(CDOM)的光学特性有助于对水生生态系统中溶解有机物(DOM)循环过程的研究,而环境要素对CDOM光学特性的影响会进一步影响水环境中的碳循环过程.利用2013年9月和10月辽河水体实测数据对水体反射特性、CDOM的吸收特性、荧光特性及各种水质参数对CDOM光学特性的影响进行研究.结果表明,辽河流域河流总氮(均值4.40 mg·L~(-1))、铬浓度(均值0.0065 mg·L~(-1))超过国家地表水V类标准.悬浮泥沙光谱特征较为明显的水样,其CDOM的吸收曲线非常相近,叶绿素a光谱特征较为明显的水样,其CDOM吸收曲线之间的差别较大.辽河流域水体CDOM的吸收斜率S275-295(0.0163~0.0191 nm-1)高于其他大多数河流,而低于湖泊、水库.对比辽河流域河流发现,东辽河与辽河水体CDOM组成物质的分子量相对较小,东辽河CDOM的芳香性最高,而西辽河最低.根据荧光指数、腐殖化指数及生物源指数分析发现,辽河流域水体主要以陆源的、高等植物DOM为主,太子河、大凌河CDOM具有较为明显的自生源特征.通过荧光峰的分布发现,辽河水体CDOM以类腐殖酸荧光峰(A峰、C峰)为主,部分河流(辽河干流)同时表现出较强的类蛋白质荧光峰(B峰、T峰).通过冗余分析(RDA)发现,水体中溶解有机碳(DOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总碱度(TAlk)、砷(As)及汞(Hg)与表征CDOM光学特性的参数之间存在显著的相关性(p0.05),是CDOM光学特征的主要影响因子.     

三峡库区城镇化影响下河流DOM光谱特征季节变化

三峡库区城镇化进程对河流溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)的组成和输运具有重要影响.本文选取三峡库区高城镇化河流桃花溪和低城镇化河流普里河,于春季(4 月)和夏季(8 月)采集水样,运用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术,分析DOM的季节变化和空间特征.结果表明,桃花溪和普里河的...