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.     

三峡库区消落带土壤中溶解性有机质(DOM)吸收及荧光光谱特征

利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术,结合荧光区域积分法,分析了三峡库区消落带土壤DOM的地化特征.结果表明,各区县消落带土壤CDOM平均浓度大小顺序为:忠县丰都涪陵万州巫山云阳奉节开县,其中,忠县、丰都和涪陵土壤CDOM浓度[a(355)]、芳香性(SUVA254)和疏水组分(SUVA260)明显高于其它区县,而其腐殖化程度(HIX)均低于其它区县.三峡库区消落带土壤DOM中含有类腐殖质荧光团A、C、M和类色氨酸荧光团T,其中紫外区类腐殖质荧光团A的荧光区域积分比例最大.另外,类色氨酸荧光团T与a(355)呈极显著相关(r=0.674,P0.01),影响CDOM浓度变化的主要因素是类蛋白荧光峰T.3D-EEM总荧光强度(TOT)可作为表征三峡库区消落带土壤CDOM荧光团浓度的指标.消落带土壤DOM腐殖化程度较低,生物可利用性较高.另外,消落带干湿交替作用对不同高程土壤DOM地化特征影响的差异较小,这可能与当地农业活动、沿岸植物生长以及DOM矿化过程有关.     

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.     

天目湖流域DOM和CDOM光学特性的对比

对2011年1—12月天目湖流域河流及湖体中DOM(可溶性有机物)、CDOM(有色可溶性有机物)的光学特性进行了研究,对比分析了河流和湖体DOM、CDOM的a₃₅₀(350 nm处的吸收系数)、S280~500(280~500 nm波段指数函数拟合曲线斜率)、S_R(光谱斜率比)以及M(a₂₅₀/a₃₆₅)值. 结果表明,天目湖流域a₃₅₀(CDOM)/a₃₅₀(DOM)的年均值为0.856 4,说明CDOM对光的吸收占主导. 河流DOM、CDOM的a₃₅₀年均值分别为(4.24±1.89)、(3.40±1.48)m-1,明显大于湖体的(2.42±0.84)、(2.22±0.83)m-1,表明外源河流输入是天目湖中DOM的主要来源. 河流DOM、CDOM的S280~500年均值分别为(15.98±0.83)、(17.96±0.81)μm-1,湖体的分别为(19.20±1.65)、(20.34±1.73)μm-1;河流的S280~500及S_R均显著低于湖体,表明天目湖流域河流和湖体中CDOM的组成存在明显差异. 天目湖流域DOM与CDOM的M值与S280~500呈显著线性相关,河流DOM与CDOM的M值年均值分别为(5.54±0.81)、(6.54±0.95),显著小于湖体的(7.54±0.98)、(8.28±1.23),表明湖体中的DOM分子较小. 受人类活动、土地利用、降雨径流等因素影响,天目湖流域DOM、CDOM的丰度及光学特性均呈明显的季节性差异,a₃₅₀与S_R在DOM与CDOM中表现的季节性差异较为一致,可以相互参考.      

三峡库区典型消落带土壤及沉积物中溶解性有机质(DOM)的紫外-可见光谱特征

溶解性有机质(DOM)是陆地生态系统的重要组成部分,在环境地球化学中扮演着重要角色.在测定三峡库区典型消落带土壤及沉积物DOM的紫外-可见光谱基础上,通过特征参数及光谱模型来获取DOM的地化特征和信息.紫外-可见光谱特征参数表明土壤DOM的芳香性、疏水组分及腐殖化程度都明显低于上层沉积物,与高程和土地利用类型无关;而所选择的4种吸收光谱模型中以模型2为最优.同时,不同模型和不同拟合波段均对DOM光谱曲线斜率(S)有影响:S值随波长增加而减小;而不同波段S值相关性存在差异,表明各波段S值仅反映DOM部分信息,而非全部.此外,特征斜率之比(SR)反映出表层沉积物所受降解程度(光漂白或生物降解)小于土壤和往年沉积物,其芳香性更高,分子量更大,参与降解的反应活性也更大;这表明DOM越新鲜,其受到的光照和生物作用相对较小,降解潜力越大.     

利用紫外-可见吸收光谱估算三峡库区消落带水体、土壤和沉积物溶解性有机质(DOM)浓度

溶解性有机质(DOM)是陆地和水生生态系统的重要物质,有色溶解性有机质(CDOM)是可用光谱测定的DOM组分.基于2012年7月采集的土壤和沉积物样品以及2012年11月采集的水体样品,通过单波长、双波长、吸收光谱斜率(S值)和三波长模型建立CDOM与DOM浓度之间的关系.结果表明,4种模型中三波长模型效果最佳,水体数据模型的决定系数为0.788,土壤数据模型的决定系数为0.933,沉积物模型的决定系数为0.856.同时,利用2013年随机采集的32个土壤样品和36个水体样品对模型精度进行检验,结果表明,土壤DOM浓度的相对均方根误差(RRMSE)和平均相对误差(MRE)分别为16.5%和16.9%,水体分别为10.32%和9.06%,相比土壤DOM而言,三波长模型对水体DOM的预测精度更高.     

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.     

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.     

太白山自然保护区水体CDOM吸收与三维荧光特征

研究有色溶解有机物（CDOM）组成、光谱特征与影响因素,对了解水体溶解性有机物（DOM）来源、水生态及碳循环过程具有重要意义.2019年夏季在太白山自然保护区山顶湖泊以及霸王河、黑河、石头河与湑水河等5个水体中共采集了71个水样,采用紫外-可见吸收光谱与三维荧光光谱,结合平行因子分析模型与冗余分析进行CDOM光学特性、组成及来源解析.结果表明,保护区湖泊中溶解性有机物含量较少,DOC与CDOM浓度均显著低于4条河流（P<0.05）;水体中CDOM包含2类4种荧光组分,其中类腐殖质组分C1与C2是水体中CDOM主要组成部分,4条河流中类腐殖质组分相对贡献率高达82%~96%,远大于湖泊;所有水体荧光指数FI均大于1.8,自生源指数BIX与新鲜度指数β：α,均为0.6左右;河流水体腐殖化指数HIX显著大于湖泊（P<0.01）;河流DOM主要由保护区林地土壤输入,较少受人类活动影响,而湖泊水体水质受人类活动影响相对较多.冗余分析表明EC对高山湖泊水体CDOM光谱特征参数影响较大（P<0.05）,EC、DTN和DOC对4条河流水体CDOM光谱特征参数影响较大（P<0.01）.     

长江口CDOM的光谱吸收特征以及DOC物源示踪意义

通过测定2009年冬季长江口芦潮港至嵊泗海域表层水中有色可溶性有机物(CDOM)的光谱吸收和溶解有机碳(DOC)的浓度,分析CDOM的吸收系数α(355)和光谱斜率s值的空间分布特征,并探讨其来源及其与DOC的关系。结果表明:CDOM光学属性随盐度逐渐降低,18.96～28.00的盐度范围内,α(355)为0.268 9～1.183 1 m-1,均值为0.824 9 m-1,低于丰水期,与国内外研究相比偏低,表明长江口CDOM受控于陆源径流输入,CDOM浓度可能和长江流域植被覆盖率和以及径流量有关。光谱斜率s值的范围为0.011 3～0.017 4 nm-1,均值为0.015 3 nm-1,略低于丰水期。DOC浓度与盐度的负相关关系(R2=0.882)表明该研究区域的溶解有机质(DOM)输入主要来自陆源,CDOM与DOC的相关关系为CDOMα(355)=0.371DOC+1.012(R2=0.48),表明研究区域内CDOM对DOC具有一定的物源指示意义。     

水体有色溶解有机质的研究进展

有色溶解有机质（CDOM）是溶解有机质（DOM）的重要组成部分,它影响着碳的生物地球化学循环,为水生微生物提供重要的碳源和能源。文章介绍了国内外CDOM的研究进展和动态．主要包括CDOM的紫外吸收光谱研究,荧光光谱研究,并对CDOM中主要成分的荧光峰位置及峰值变化、来源进行论述．最后对CDOM的研究重点作了展望。     

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.     

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.     

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).     

UV-C辐照对河水溶解有机质降解及微生物可利用性的影响

从黄浦江及其上游支流采集表层水样,进行了微生物培养、UV-C辐照和微生物再培养等处理过程,测定水样ρ(DOC)(DOC为溶解有机碳)、紫外可见吸收光谱和荧光光谱,探讨河水DOM(溶解有机质)的光化学降解和微生物可利用性特征. 结果表明:不同处理过程对DOM不同组分去除的贡献率不同,黄浦江河水经微生物培养后,ρ(DOC)和CDOM(有色溶解有机质)含量〔以a₃₃₅(335nm处的吸收系数)计〕分别下降了5%~27%和5%左右,而FDOM(荧光溶解性有机质)含量(以最大荧光强度表示)稍有增加;继续经UV-C辐照24h后,ρ(DOC)和CDOM含量分别下降了7%~36%和79%~96%,而FDOM含量下降了95%以上,说明水体中大部分CDOM和FDOM可通过UV-C辐照去除,并且去除率显著高于微生物降解. UV-C辐照不仅可以降解DOM,而且可以改变DOM的微生物可利用性,其中一部分SLDOM(半活性溶解有机质)经UV-C辐照后能够再次被微生物利用,其中4%~28%的DOC和5%~14%的CDOM可再次被微生物降解.      

Selective elimination of chromophoric and fluorescent dissolved organic matter in a full-scale municipal wastewater treatment plant

Effluent organic matter (EfOM) from municipal wastewater treatment plants potentially has a detrimental effect on both aquatic organisms and humans. This study evaluated the removal and transformation of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) and fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in a full-scale wastewater treatment plant under different seasons. The results showed that bio-treatment was found to be more efficient in removing bulk DOM (in terms of dissolved organic carbon, DOC) than CDOM and FDOM, which was contrary to the disinfection process. CDOM and FDOM were selectively removed at various stages during the treatment. Typically, the low molecular weight (MW) fractions of CDOM and protein-like FDOM were more efficiently removed during bio-treatment process, whereas the humic-like FDOM exhibited comparable decreases in both bio-treatment and disinfection processes. Overall, the performance of the WWTP was weak in terms of CDOM and FDOM removal, resulting in enrichment of CDOM and FDOM in effluent. Moreover, the total removal of the bulk DOM (P < 0.05) and the protein-like FDOM (P < 0.05) displayed a significant seasonal variation, with higher removal efficiencies in summer, whereas removal of CDOM and the humic-like FDOM showed little differences between summer and winter. In all, the results provide useful information for understanding the fate and transformation of DOM, illustrating that sub-fractions of DOM could be selectively removed depending on treatment processes and seasonality.