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.     

不同水文情景下高邮湖、南四湖和东平湖有色可溶性有机物的生物可利用性特征

有色可溶性有机物(CDOM)的生物可利用性直接反映其生物可降解潜力,影响水体中污染物质的迁移转化和水质优劣状况.本研究运用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)结合室内微生物培养实验,分析了高邮湖、南四湖和东平湖CDOM光谱组成和荧光组分的生物可利用性特征,并进一步阐述其对丰水和枯水两种水文情景的响应.结果表明:①运用EEMs-PARAFAC方法解析出4种荧光组分,微生物作用类腐殖酸C1和陆源类腐殖酸C4,类色氨酸C2和类酪氨酸C3.②3个湖泊丰水期吸收系数差值Δa(254)(培养前-培养后)均为正值,而枯水期Δa(254)部分为负值,这意味着CDOM生物可利用性对季节的响应存在较大差异.③不同水文情境下,南四湖和东平湖类腐殖酸组分%ΔC1、%ΔC4均为负值,南四湖丰、枯水期和东平湖丰水期类蛋白组分ΔC2～ΔC3为正值(t-test,P0.001,P=0.005).而丰水期高邮湖类蛋白组分ΔC2～ΔC3也为正值(t-test,P=0.008,P=0.005),这意味着不稳定类蛋白组分更容易被微生物矿化,可能生成更稳定的类腐殖酸. 3个湖泊腐殖化指数HIX、荧光峰积分比值I_C∶I_T均大于培养前,同时斜率S_(275-295)均减小进一步证实该结论.④丰、枯水期3个湖泊的类蛋白组分C2～C3的生物可利用性在入湖区域较高,同时该类湖泊入湖口区域类腐殖酸累积也较高,因而需要进一步加强入湖河流水质管理,减少外源CDOM输入以确保上述3个湖泊供水安全.     

有色可溶性有机物在线荧光技术在水质监测中的应用

FDOM（荧光有机物）在线荧光探头是采用激发波长370 nm和发射波长460 nm下荧光强度来计算水体CDOM（有色可溶性有机物）丰度的传感器,为探究该传感器在内陆水体水质监测中的应用和适用性,以水源供给水库千岛湖为案例,通过FDOM荧光探头监测该湖泊不同季节CDOM丰度,结合CDOM光谱吸收、ρ（DOC）（DOC表示溶解性有机碳）、ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（COD_Mn）、ρ（DTN）（DTN表示溶解性总氮）、ρ（DTP）（DTP表示溶解性总磷）和ρ（Chla）等水质参数数据,揭示FDOM荧光强度与其他水质参数的耦合关系,检验FDOM荧光探头对有机物的监测能力.结果表明:①2014年5月千岛湖TLI平均值（38.4±4.4）显著高于2018年10月TLI平均值34.9±3.0（t-test,P < 0.001）,根据TLI及各水质参数平均值判定该湖处于中贫营养状态.②大部分水质参数呈现出由西北入湖河口向下游大坝出水口方向递减的趋势,表明上游新安江对该湖有机物具有较大的贡献.③FDOM荧光强度与CDOM吸收系数a（254）（R2=0.91,P < 0.01）、a（350）（R2=0.90,P < 0.01）均呈极显著正相关且具有较高的线性拟合优度,这意味着FDOM荧光强度可以很好地表征CDOM丰度.④FDOM荧光强度与ρ（DOC）（R2=0.49,P < 0.01）、ρ（TN）（R2=0.61,P < 0.01）、ρ（TP）（R2=0.75,P < 0.01）、ρ（COD_Mn）（R2=0.35,P < 0.01）、ρ（DTN）（R2=0.59,P < 0.01）、ρ（DTP）（R2=0.56,P < 0.01）、ρ（Chla）（R2=0.68,P < 0.01）均呈极显著正相关且与大多数水质参数具有相似的分布特征,并且能很好地识别潜在污染物高值区.研究显示,荧光探头在可见波长下所得陆源类腐殖酸FDOM荧光强度能很好地成为潜在污染物替代指标,并能有效呈现有机物分布特征,因而该技术在饮用水湖泊水质监测中具有潜在广阔的应用前景.      

二龙湖表层水体有色溶解有机物的光学特性及来源

CDOM（colored dissolved organic material,有色溶解有机物）的光学特性可反映水体中内源物质与外源物质的比例,为了解二龙湖受到上游来水所含污染物的影响,利用荧光区域一体化技术和荧光指数分析水体中CDOM的荧光特性,进而判定水体污染状况,并结合CDOM荧光组分与水质参数之间的关系,探讨了不同季节二龙湖水体中CDOM光学特性在时空分布上的差异性以及CDOM的组成与来源.结果表明:①水相中CDOM表现出明显的季节性差异.其中,光谱斜率S_g（275~295 nm）和E_{250 nm:365 nm}〔a_CDOM（250）/a_CDOM（365）〕均表现为丰水期>平水期>枯水期,SUVA_{254 nm}表现为枯水期>平水期>丰水期.②水体中的荧光组分以外源组分R3（富里酸类物质）和R5（腐殖酸类物质）为主,在枯水期、丰水期和平水期分别占总荧光强度的70.0%、60.4%和51.3%.③在丰水期、枯水期、平水期,FI_{310 nm}平均值均大于0.8,FI_{370 nm}平均值均小于1.4,表明在3个水文期,微生物活动带来的内源CDOM在二龙湖南部较为明显.④ρ（DOC）（dissolved organic carbon,溶解性有机碳）与CDOM的荧光组分R2（色氨酸类组分）、R4（可溶性微生物副产物组分）和R5（腐殖酸类组分）均具有较好的相关性,相关系数（R）分别为0.71、0.80、0.73,表明DOC主要源于微生物代谢的可溶性副产物及浮游植物的降解.研究显示:水体中CDOM主要组成为内源的色氨酸与微生物蛋白质类副产物以及外源的富里酸类与腐殖酸类有机物;同时,由于冰冻、降水、生活污水排放、农业废水和水生植物等因素,导致湖泊中的CDOM的组分与来源十分复杂.      

太湖有色可溶性有机物组成结构对不同水文情景的响应

有色可溶性有机物(CDOM)是溶解性有机物中能强烈吸收紫外辐射及蓝光的那部分有机物,并在碳、氮、磷等生源要素生物地球化学循环中起着重要的作用.开展富营养化湖泊CDOM来源、组成结构和空间变化趋势的相关研究,有利于更好地揭示湖泊生源要素循环机制,服务于蓝藻水华控制和湖泊水质改善.本文基于对不同水文情景下太湖和周边连通的51条河流CDOM光谱吸收及三维荧光光谱测定与分析,揭示太湖CDOM光谱组成对不同水文情景的响应机制.结果表明,丰水期溶解有机碳浓度均值(8. 11±1. 26) mg·L~(-1),显著大于枯水期均值(3. 53±1. 19) mg·L~(-1)(t-test,P 0. 01),而丰水期CDOM吸收光谱斜率S_(275～295)均值(19. 09±1. 81)μm~(-1),显著小于枯水期的(20. 89±1. 90)μm~(-1)(t-test,P 0. 001).平行因子分析法对CDOM荧光图谱进行解析得到3个组分,且各组分受到上游来水量的影响较大,丰水期陆源类腐殖酸的荧光强度及占总荧光强度比重较枯水期显著增大.叶绿素a与化学需氧量与陆源腐殖质和类色氨酸均呈显著正相关(P 0. 01),这表明陆源生活污水及藻死亡降解产生的CDOM可能是太湖CDOM库的重要潜在来源.溶解氧浓度与3种荧光组成均呈现显著负相关(P 0. 01),说明CDOM不同组分均为微生物活动的重要基质.本研究结果还发现溶解性有机碳浓度与陆源类腐殖酸组分荧光强度呈极显著线性正相关(r~2=0. 58,P 0. 001),表明太湖溶解性有机碳主要以外源输入为主.     

环胶州湾河流入海口CDOM吸收光谱特征

为深入认识河流对胶州湾水体有机碳的贡献,于2016年4月-2017年2月对环胶州湾河流入海口进行双月采样,通过分析水体中DOC（溶解有机碳）和POC（颗粒有机碳）质量浓度及CDOM（有色溶解有机物）的吸收光谱特征,揭示环胶州湾入海口有机碳的分布特征,辨析CDOM的组成和来源,探讨其与主要环境因素的关系.结果表明:①环胶州湾河流入海口DOC和POC质量浓度范围分别为0.98~32.75和0.13~22.40 mg/L,其中李村河口最高,轮渡和大港相对较小.②a（355）（CDOM的吸收系数）变化范围为0.23~16.35 m-1,存在明显的季节性差异,与盐度成反比,其分布与DOC和POC基本一致.③研究区域水体中,表征CDOM分子组成、来源及芳香化程度的S_R[光谱斜率比,S_g（275~295 nm）/S_g（350~400 nm）]和A_{250 nm}/A_{365 nm}存在显著的时空差异.④夏季、秋季CDOM的整体分子量水平高于春季、冬季;轮渡、大港、板桥坊河和娄山河S_R相对较高,CDOM组成趋向于蛋白类或富里酸类物质.⑤轮渡、大港和镰湾河A_{250 nm}/A_{365 nm}相对较高,类腐殖质的芳香化程度较低,受海源控制;其他河口A_{250 nm}/A_{365 nm}相对较低,CDOM以陆源输入为主,其类腐殖质的芳香化程度较高,结构相对稳定而不易降解.⑥CCA（Canonical Correspond Analysis,典范对应分析）结果表明,DOC与CDOM吸收特性存在较好的相关性,河口CDOM主要来自地表径流,温度和DO是影响CDOM时空分布的主要因素.研究显示,CDOM的组成、降解的难易程度与来源密切相关,秋季生物量丰富,水体中腐殖酸所占比例增大,CDOM芳香度较高,不容易被降解.      

东平湖CDOM吸收光谱特性及其来源解析

为分析东平湖有色可溶性有机物（CDOM）吸收特性、来源和空间分布的季节变化,分别于2013年8、12月以及2014年3月采集了35个表层水样,分析了各基本水质参数、CDOM吸收系数[a（440）]、比吸收系数[a^*（440）]和相对分子量参数M值的分布规律及CDOM吸收系数与水质参数之间的相关关系.结果表明：东平湖CDOM吸收系数a（440）呈现出枯水期 > 丰水期 > 平水期的规律,空间分布与CDOM比吸收系数[a^*（440）]相似.M值呈现出丰水期 < 平水期 < 枯水期的变化趋势.丰水期CDOM吸收系数与叶绿素a（Chla）具有显著相关关系;丰、平水期两季CDOM吸收系数与DOC存在显著相关关系.丰水期CDOM同时受外源和内源输入的影响,但以内源输入为主,主要来源于浮游植物降解产物;老湖镇湖区外源特征明显.平水期CDOM亦受内源和外源输入的双重影响,但浮游植物的腐烂降解不是CDOM的主要来源;北部湖区以外源输入为主.枯水期CDOM整体表现出较强的自生源特征,但相关分析显示,浮游植物降解并不是CDOM的主要来源,自生源特征可能与挖沙活动导致的悬浮物浓度增高有关;东南湖区因大汶河输入的影响呈现出较强的外源特征.利用东平湖丰、平水期两季CDOM浓度反演DOC浓度具有可行性.     

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.     

太湖典型草、藻型湖区有色可溶性有机物的吸收及荧光特性

2004年4月对太湖典型草、藻型湖区东太湖和梅梁湾有色可溶性有机物(CDOM)的吸收和荧光特性进行了研究.通过实验测定方法得到东太湖和梅梁湾CDOM的光谱吸收系数及其荧光值.结果表明,溶解性有机碳(DOC)的浓度在6.3～17.2 mg/L间变化,其均值为9.08±2.66 mg/L;CDOM在280 nm和355 nm的吸收系数分别为11.2～32.6 m^-1(平均值17.46m-1±5.75 m^-1)和2.4m～8.3 m^-1(平均值4.17 m^-1±1.47 m^-1);355 nm波长处CDOM的比吸收系数为0.31～0.64 L·(mg·m)^-1,平均值0.46L·(mg·m)^-1±0.08 L·(mg·m)^-1.355 nm的激发波长、450 nm的发射波长处的荧光值的变化范围0.50～3.91 nm^-1(平均值1.32nm-1±0.84 nm^-1).2类草、藻型湖区的DOC浓度、CDOM吸收系数、355 nm处荧光值均存在显著性差异,但CDOM比吸收系数和指数函数斜率则没有显著性差异,由此则反映了CDOM来源的一致性.CDOM的吸收系数与DOC浓度的相关性随波长的降低而增加,在短波部分存在明显的正相关.355 nm处的荧光值、DOC浓度与CDOM吸收系数存在如下显著性的正相关关系:F_n(355)=0.544(±0.035)a(355)-0.946(±0.152),DOC=1.537(±0.196)a(355)+2.683(±0.862).280～500 nm、280～360 nm、360～440 nm指数函数斜率分别为14.37μm^-1±0.73μm^-1、19.17μm-1±0.84μm^-1、13.38μm-1±0.82μm^-1.     

长江中下游浅水湖泊紫外辐射的衰减

基于对长江中下游22个浅水湖泊有色可溶性有机物吸收的测量,运用经验模式估算了紫外辐射(UV-B、UV-A)在长江中下游湖泊的衰减及对应的穿透深度,并利用在武汉东湖实测的紫外辐射衰减进行了检验.结果表明,UV-B波段的320nm和UV-A波段的380nm衰减系数变化范围分别为2.05～21.00m^-1,1.07～12.85m^-1,对应的1%穿透深度分别为0.22～2.25m,0.36～4.29m.估算得到的紫外辐射衰减系数与DOC浓度均存在显著性正相关,但UV-B波段要高于UV-A波段.武汉东湖实测的紫外辐射衰减检验发现,基于CDOM吸收系数估算UV-B辐射衰减较为精确,而由于浮游植物吸收和悬浮物散射等影响对UV-A波段估算精度则明显下降.