环境科学  2016, Vol. 37 Issue (6): 2073-2081   PDF    
三峡库区内陆腹地典型水库型湖泊中DOM吸收光谱特征
江韬1,2 , 卢松1 , 王齐磊1 , 白薇扬1 , 张成1 , 王定勇1 , 梁俭1     
1.西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716;
2.Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences, Umeå SE-90183, Sweden;
3.重庆理工大学化学化工学院, 重庆 400054
摘要: 溶解性有机质(DOM)是湖泊生态系统重要组成部分,其性质和结构决定了其在污染物(例如汞)环境行为中扮演着重要角色.本研究选取三峡库区内陆腹地典型水库型湖泊--长寿湖,采用吸收光谱表征方法,通过1年时间对DOM地球化学变化规律进行了定性定量分析,并结合汞观测数据,讨论了DOM对不同形态汞浓度的影响.结果表明,和1月相比,长寿湖4~11月DOC差异性低于CDOM,4~11月间差异性不显著.有色组分变化是解释DOM季节性变化的重要原因. DOM中主要生色团仍然来自于大分子量的芳香性组分.而CDOM三波长模型可较好对DOC的年际观测进行反演.同时,SUVA254S275~295季节性变化特征较明显,1月芳香性和分子量均最小,4月上升.与其他类型湖泊相比,长寿湖水体DOM芳香性和分子量大小均低于森林湖泊,但高于高原湖泊.周边生态系统和土地利用类型对湖泊DOM差异影响明显.另外,SUVA254和DOC与各形态Hg无明显相关性,但水体生色组分和分子量大小是控制溶解态和活性汞的重要因素;而湖区甲基汞变化可能与湖泊初级生产力导致的有机质富集和迁移关系密切.
关键词: 三峡库区      长寿湖      溶解性有机质      天然有机质      吸收光谱           甲基汞     
Absorption Spectral Characteristic Dynamics of Dissolved Organic Matter (DOM) from a Typical Reservoir Lake in Inland of Three Gorges Reservoir Areas: Implications for Hg Species in Waters
JIANG Tao1,2 , LU Song1 , WANG Qi-lei1 , BAI Wei-yang1 , ZHANG Cheng1 , WANG Ding-yong1 , LIANG Jian1     
1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China;
2.Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences, Umeå SE-90183, Sweden;
3.College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China
Abstract: Dissolved organic matter (DOM) is an important component in lake eco-systems. It plays a crucial role in the environmental fate of pollutants such as mercury(Hg), because of its specific characteristics and functional structures. In this study, a typical reservoir lake from inland of Three Gorges Reservoir areas, Changshou Lake was selected to track the changes of DOM geochemical properties for one year by using UV-Vis absorption spectroscopy technique. Meanwhile, based on observed Hg data in Changshou Lake, it further validated the key environmental implications of DOM for Hg distributions in lake. The results showed that as compared to January, other months including April, June and September had significantly higher CDOM, but also higher DOC with a slightly decreasing significance. Dynamics of chromphoric component is an important reason to explain the seasonal changes of DOM concentration in Changshou Lake. Chromphores of DOM were mainly derived from high molecular weight (MW) materials with high aromaticity. Also, three wavelengths fitting model of CDOM could be used for inversion of DOC concentration in annual monitoring. Meanwhile, seasonal differences of SUVA254 and S275-295 were significant. Lowest aromaticity and MW size were observed in January following an obvious increase from April. In contrast to other types of lakes, DOM aromaticity and MW size in Changshou Lake were lower than forest lakes, but higher than plateau lakes. Eco-system and land use types surrounding lakes could have a heavily impact on the heterogeneous properties of DOM. Importantly, no clear differences between concentrations of Hg species and SUVA254 and DOC respectively were observed, however chromphoric component and MW size controlled the dissolved Hg and reactive Hg in lake. Additionally, enrichment and migration of organic matter resulted from primary productivity in lake may be a substantial reason to explain the methylmercury changes.
Key words: Three Gorges Reservoir Areas      Changshou Lake      dissolved organic matter(DOM)      natural organic matter      absorption spectrum      mercury      methylmercury     

溶解性有机质(DOM)作为天然有机质的重要组成部分,广泛存在于土壤、 水和大气环境中,尤其在湖泊水生生态环境中扮演着重要作用. 一方面是微生物代谢活动基础[1],影响水体初级生产力; 另一方面有色DOM(CDOM)能显著改变水下光场,诱发或介导一系列重要环境光化学反应[2, 3],例如甲基汞光降解[4]. DOM不仅作为碳循环组成,对全球气候变化也会产生重要影响,而且深刻影响着污染物的迁移转化[5]. 湖泊DOM的化学组成和性质与其来源密切相关,主要来源包括地表径流和淋溶主导的外源输入和内源贡献(微生物、 藻类和浮游植物产生)[2, 6-11]; 同时湖泊底泥有机质在土-水界面的迁移释放也不容忽视[12]. 另外,DOM的化学反应活性和其自身结构密切相关,通过建立“结构-反应活性”(Structure-Reactivity)相关性,可进一步解释DOM在水环境、 尤其是湖泊环境中,对污染物环境行为的影响[13-15]. 因此,了解DOM地化特征是进一步深入认识其生态环境效应的关键.

长期以来,对于拦坝建库截流形成的水库型湖泊(例如三峡库区和乌江水库),被认为是污染物环境行为较为活跃的“热点”地区[16-20]; 而DOM在诸多地化反应中的核心角色不容忽视[5, 21]. 基于此,本文作为“三峡库区天然有机质-汞相互作用关系”研究项目一部分,通过DOM吸收光谱特征,对三峡库区内陆腹地典型水库型湖泊——长寿湖DOM的部分地化特征进行了定量定性表征和分析; 同时以汞为例,结合2014年1-7月水体各形态汞数据[22],对汞和DOM地化特征进行了相关性分析,以期解释汞的变化情况.

本研究所选长寿湖是和三峡库区具有类似共性的湖泊生态系统,均因修建水库而成. 作为一种“模式湖区”,尽管不能完全反映库区情况,但研究结果仍有助于深入了解三峡库区DOM地化过程和环境角色; 同时其科学数据和实践经验也可丰富湖泊的生物地球化学研究,特别是对于因修建水库、 河坝形成的湖泊中DOM而言.

1 材料与方法 1.1 样品采集

作为三峡库区内陆腹地的重要湖泊,长寿湖水库(E107°14′-107°25′,N29°54′-30°50′)位于重庆市江津区内,是我国西南地区最大的人工湖(图 1). 长寿湖修建于我国建国初期,是“一五”期间重点工程狮子滩水电站拦河大坝建成以后而形成的人工淡水湖,水库流域面积3248 km2,水域面积65.5 km2(约10万亩),库容10亿m3,上游龙溪河为主要湖水补给河流. 长寿湖属于中亚热带湿润气候区,气候湿润,景区内常年平均气温为17.7℃. 湖周边土地利用形式复杂,以人工林、 果园、 耕地、 居民用地为主.

图 1 长寿湖采样点示意 Fig. 1 Sampling locations in a typical reservoir lake,Changshou Lake,Chongqing

在长寿湖湖区内设5个采样点(图 1). 于2014年1、 4、 7和11月共开展4次采样. 水样装入HDPE材质水样瓶4℃冷藏箱保存,24 h内送回实验室. 采用HANNA多参数水质分析仪(HI98130)现场测定水样pH、 EC和TDS等指标. 实验室内及时对水样进行水样过滤(Millipore 0.45 μm PVDF材质滤膜)后,棕色水样瓶4℃保存备用.

1.2 光谱测定与分析

溶解性有机碳(DOC)采用GE InnovOx Laboratory TOC分析仪测定,单位mg ·L-1. DOM紫外-可见吸收光谱采用日本Horiba Aqualog荧光光谱仪进行扫描. 吸收光谱具体扫描步骤为: 以Millipore一级水作空白,用石英比色皿(光程0.01m)在230-800nm波长范围内进行吸收扫描. 有报道指出Fe浓度高于0.5mg ·L-1时会引起较明显吸收干扰[13, 23],但在本研究中,大部分DOM样本Fe浓度远低于0.5mg ·L-1(0.05-0.36mg ·L-1),故不考虑铁的吸收干扰; 而仅对少部分样本([Fe]>0.5mg ·L-1)吸收光谱进行校正[24].

吸收系数公式:

式中,a(λ)为波长λ时吸收系数(m-1),A(λ)为吸光度,l为光程路径(m). 以355nm处吸收系数a(355)表示有色溶解性有机质(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)相对浓度[6, 10]. 275-295 nm吸光区间光谱斜率计算为:

式中,λ是测定波长(nm),λ0是参照波长(nm). S275-295是DOM吸收光谱模型中重要参数,为275-295nm波段光谱斜率,能提供DOM组成特征信息,例如分子量大小以及光化学反应活性等[9, 25-27],与分子量大小呈反比. 特征参数SUVA254=a(254)/[DOC],为254 nm处吸光系数与DOC浓度比值,值越大表示DOM芳香性越强[13, 24].

1.3 汞分析及数据分析

用于测汞水样和DOM水样相互独立. 水样装入硼硅玻璃瓶中,现场酸化后4℃送回实验室. 未过滤样测定总汞(THg),活性汞(RHg)和总甲基汞(TMeHg); 过滤样(0.45 μm)测定溶解态汞(DHg)和溶解态甲基汞(DMeHg). 汞分析参照美国环境保护署(EPA)标准方法1630和1631. 采用“氯化溴(BrCl)(氧化)-氯化亚锡(SnCl2)(还原)-金管富集-冷原子荧光(CVAFS)”测定未过滤和过滤后水样中无机汞,分别为THg和DHg; “直接氯化亚锡(SnCl2)(还原)-金管富集-冷原子荧光(CVAFS)”测定为过滤水样中RHg; “蒸馏-乙基化-气相-冷原子荧光”测定未过滤和过滤后水样中有机汞,分别为TMeHg和DMeHg.

非特别注明外,全文均采用Origin 2015进行数据统计和图形制作,部分图片制作由Microsoft Excel 2016完成.

2 结果与讨论 2.1 DOC和CDOM

图 2,长寿湖DOC年均浓度为(5.92±2.70)mg ·L-1(范围3.76-27.73mg ·L-1); CDOM浓度[a(355)]全年均值为(4.93±1.73)m-1,波动范围为1.39-1.64m-1. 1月和4-11月相比,CDOM差异明显(P=0.0366),高于DOC(P=0.0567); 但在4-11月间无显著差异(P>0.05). DOC最高值发生在4月底,这可能和春末夏初水温分层导致的藻类及浮游植物大量繁殖有关; 同期也观测到水体叶绿素a浓度出现最大值(54.77μg ·L-1),这与梅梁湾、 大太湖[8]和Chesapeake湾[6]观测类似. 夏季(4-7月)内源贡献明显,雨季导致陆源有机质的外源输入增加; 而温跃层变化也有利于湖泊底泥DOM在土-水界面的交换和扩散,因此CDOM上升. 但是一系列DOM的耗损机制,包括光降解、 生物降解、 以及DOM在矿物固相(例如悬浮颗粒物、 底泥等)上的吸附等,又可能导致水体DOC减少,降低季节差异性.

图 2 DOC、 CDOM及CDOM/DOC变化情况及相关性 Fig. 2 Changes of DOC,CDOM and CDOM/DOC,and correlation plot

同时,本研究对CDOM进行归一化处理,得到单位DOC含量中CDOM相对浓度[CDOM/DOC,L ·(mg ·m)-1],CDOM与CDOM/DOC极显著正相关(P<0.01)[图 2(d)],这和新安江水库[28]和波罗的海[29]情况类似. 因此,就长寿湖而言,DOM含量的季节性变化主要来自于CDOM波动.

对于单次采样DOC和CDOM之间存在相关性偏离(P>0.05),其可能原因为: ①样本量较少,36>n>26; ②季节性变化导致非生色组分变异程度较大,例如藻类和浮游植物产生的小分子有机酸、 多糖等物质[30]. 而尤其在夏季(4月末-7月底),较强光照辐射导致DOM发生“光漂白”,也可能导致CDOM含量损失[2]; 同时水温升高导致微生物代谢活动提高,而微生物对CDOM降解也是DOC和CDOM之间缺少相关性的重要原因[31]. 尽管单次采样缺少相关性,但对全年数据而言,CDOM和DOC相关性显著增加(P=0.05)[图 3(a)]; 这说明对于年际观测而言,CDOM变化依然是影响DOC波动的重要原因; 而CDOM的耗损机制影响有限. 因此对长寿湖DOC年际变化采用CDOM反演预测是可行的. 同时,这也可能是7-11月DOC和CDOM变化无显著差异(P>0.05)的重要原因.

图 3 DOC和CDOM相关性以及回归模型验证 Fig. 3 Correlation between DOC and CDOM,and validation of DOC regression fitting model

另外,在湖泊和海洋环境的水色遥感研究中,常利用CDOM对DOC浓度进行反演[32]. 之前研究发现,采用三波长模型[9]可以较好反映这种反演关系. 因此,本研究采用如下模型对长寿湖全年数据进行DOC估测:

式中,a(355)、 a(275)和a(295)分别为对应波长的吸光系数,ABC均为常数. 表 1为模型拟合结果.

表 1 三波长模型回归拟合相关参数 Table 1 Multiple linear regression coefficients of three-wavelength model for DOC estimation

进一步从2014年11月-2015年4月的DOM样本(未用于建模)中,随机抽取61个,对该回归模型进行验证[图 3(b)]. 除个别点外,所有样本观测值(DOCobs)和预测值(DOCest)间相对误差(RSD)<10%; 采用DOCobs和DOCest之间的相对均方根误差(RRMSM)和平均相对误差(MRE)来检验模型精度,分别为6.86%和5.53%,说明该模型在该DOC浓度范围内(4.5-7.0mg ·L-1),可以较好地对DOC浓度进行反演.

2.2 SUVA254S275-295

图 4,长寿湖SUVA254年均值(4.87±1.08) L ·(mg ·m)-1[范围1.00-6.91L ·(mg ·m)-1],季节变化差异显著(P<0.05),4月值最大,7-11月持续下降,但仍高于1月. S275-295全年均值为0.019±0.002,范围为0.015-0.025; 季节差异显著(P<0.05),呈持续下降. 和CDOM变化原因类似,初夏开始(4月末)雨季导致大量陆源输入,因此SUVA254上升,分子量增大(S275-295降低); 但同时持续回升的气温导致水体内源代谢活跃,使得在湖区开展的人为活动频繁,带入大量类蛋白物质[11],也可能导致大分子DOM的输入. 另外,有研究认为水体周边生态系统和土地利用类型会对DOM地化特征产生明显影响[33]. 长寿湖周边土地利用类型包括林地、 居民用地和农业用地等,春耕夏作可能导致大量氮磷随径流进入水体系统中,从而使得水体初级生产力增加. 由此可进一步推测,7-11月SUVA254下降是由DOM的耗损机制起主导作用; 而DOM分子量增大是因为外源非芳香性大分子物质(例如蛋白质)输入造成的. 但基于湖区沿岸不同生态系统对DOM地化特征影响分析,还有待作进一步研究.

图 4 SUVA254S275-295的变化情况 Fig. 4 Variations of SUVA254 and S275-295

S275-295不仅可表征DOM分子量大小; 由于对光辐射较为敏感,也常用来反映DOM光降解程度[9, 25]. 本研究中(图 5),无论是单次采样还是年际整体观测,S275-295和CDOM均存在极显著负相关(P<0.01),这和文献报道类似[34]; 同时,和SUVA254也呈极显著负相关(P<0.01). 这说明在长寿湖,水体DOM中主要生色团仍然来自于大分子量的芳香性组分; 同时也证明“光漂白”是引起长寿湖CDOM和SUVA254降低的重要机制. CDOM和SUVA254的显著正相关(P<0.01)也进一步证明该观点. 但实际上7-11月CDOM [图 2(b)]和SUVA254[图 4(a)]值显著高于1月,因此可以推断: 虽然4-7月光辐射较强,理论上应导致两指标降低,但强降雨期导致大量陆源输入是引起两指标“逆向”增高的重要原因; 而最近也有研究发现光照可能导致DOM形成新的芳香结构,尤其在Fe2+/Fe3+(光Fenton)存在的情况下[35].

图 5 SUVA254S275-295,DOC and CDOM的相关性分析 Fig. 5 Correlations among SUVA254,S275-295,DOC and CDOM

2.3 文献对比

通过对比发现(表 2),长寿湖DOM与太湖[8, 36]以及江苏省西部过水性湖泊[37]数据近似,但与瑞典[7, 38]、 加拿大[39]以及我国哈巴雪山林线下的森林湖泊[40]存在明显差异. 森林湖泊大部分属于贫营养型湖泊,DOM严重依赖于陆源输入,内源贡献有限; 含有较高芳香性组分的腐殖质等通过地表径流和渗流等途径进入水体. 长寿湖沿岸土地利用类型丰富[11],人为干扰较大; 相比于森林湖泊有限的日光辐照,长寿湖湖面开阔,光照充足,频繁的光化学行为也可能导致DOM降解程度更高; 因此长寿湖DOM芳香性特征和CDOM含量均低于森林湖泊,分子量也较小.

表 2 不同湖泊DOM浓度及紫外-可见光谱指标对比 Table 2 Comparisons of DOC and other relevant UV-Vis spectral parameters among different lakes

另外,巴西Barra Bonita湖为典型热带富营养化湖泊[43],和长寿湖类似,属于水库型湖泊,两者数据相近,这可能和两湖类似的地化条件有关. 俄罗斯远东地区湖泊[42]属于典型冰碛湖,尽管周边森林土壤腐殖化程度较高,但降雨量有限,陆源补给相对有限; 同时水深较浅(4-9m),DOM光降解较易发生,因此其芳香性高于长寿湖,但仍低于前文提及的“传统”森林湖泊[7, 38-40]. 我国青藏高原湖泊[41]的水源补给主要来自冰川和降雨,周边土壤腐殖质发育程度较低,DOM内源特征较强,生物可利用性高; 而较强紫外线诱导的光降解使得DOM的更新周期(turnover)较其他湖泊更短,因此DOC和SUVA254值处于低水平范围内.

2.4 长寿湖DOM地化特征的环境意义: 以汞为例

表征DOM结构性质的光谱参数常用来与DOM的光漂白潜力、 金属配位能力、 光化学活性等进行相关性分析. 尤其是表征芳香性大小的SUVA254. 通常地,DOM芳香性越强,意味其结构越复杂,参与环境地球化学反应的活性越高[44-46]. 有研究发现,DOM疏水性组分以及A254与DHg也存在较高的相关性(R>0.9)[46]; 同时流域水体中汞的输出也与水色(CDOM)密切相关[47]. 但也有研究认为,SUVA值与DOM的化学反应活性间并无显著相关性[13, 15]. 本研究中,均未发现SUVA254值分别与THg(P=0.83)、 DHg(P=0.33)、 RHg(P=0.22)、 TMeHg(P=0.77)、 DMeHg(P=0.76)的显著相关性. 这可能和DOM中非芳香性结构有关,一些脂肪链烃结构也会与汞结合,例如小分子有机酸,叶绿素等,这些组分无法通过SUVA值来加以体现. 另外,悬浮颗粒物(suspended particulate matter,SPM)对汞分布,尤其是THg的影响更为显著[48-50]. 另一方面,DOM介导的一系列汞地球化学过程,例如光降解及生物吸收等[51],也是解释SUVA254与汞分布无相关性的重要原因.

另外,DHg和RHg分别与CDOM显著正相关(P<0.05,表 3),而与S275-295显著负相关(P<0.05). 这说明尽管SUVA254所反映的芳香结构对汞分布影响不大,但DOM中大分子量的CDOM组分仍然是控制溶解态和活性Hg库的重要因素. 而RHg与CDOM/DOC显著相关(P<0.05)进一步证明CDOM的作用: ①活跃的光化学特性导致Hg2+光致还原使得溶解性气态汞(DGHg)饱和度增加; ②相比于有限的巯基(强基团),大量含O/N基团(弱基团)与汞结合,一方面增加了活性Hg库含量(可被SnCl2还原)[52, 53],另一方面也促进了Hg扩散迁移; ③DOM介导的甲基汞光降解[4]也有可能导致RHg增加.

表 3 汞与DOM关键地化特征指标的相关性分析 Table 3 Correlations among different Hg species and key geochemical parameters of DOM

同时,DHg、 TMeHg、 DMeHg与叶绿素显著相关(P<0.05). 长寿湖为中等富营养化湖泊,水体藻类和浮游植物的初级生产力,以及局部湖区的少量网箱养鱼,是水体DOM重要来源,对湖泊底泥中有机质有重要贡献. 一方面,高有机质造成的厌氧环境、 以及作为电子供体促进微生物代谢活动,均可能促进Hg甲基化[54]; 而以叶绿素为代表的水色组分,可以作为DOM载体,与汞结合后利于其迁移,这正可以解释不同富营养程度湖泊之间各形态汞的差异性[16].

值得注意的是,长寿湖并未发现DOC与所有形态汞浓度存在相关性[22],这与贵州百花湖类似[17]. 实际上,在大量研究中利用DOC量和污染物浓度之间建立相关性的方法[17, 22, 55],并不能准确反映DOM与污染物迁移转化的关联性. 由此可见,DOM与污染物(例如汞)的相互关系可能比预想更复杂. 因此基于DOM地球化学特征的分析,是进一步深入分析以DOM为代表的天然有机质是如何影响污染物环境行为的重要前提和关键.

3 结论

(1)和1月相比,长寿湖4-11月DOC差异性低于CDOM. 有色组分变化是解释DOM季节性变化的重要原因. DOM中主要生色团仍然来自于大分子量的芳香性组分. 尽管 “光漂白”是引起长寿湖DOM耗损的重要机制,但夏季(4-7月)强降雨期导致的大量陆源输入,仍是导致CDOM和SUVA254高于1月的重要原因. 对DOC的年际观测,可采用CDOM三波长模型进行反演.

(2)SUVA254S275-295季节性变化特征较明显. 1月芳香性和分子量均最小,4月上升. 和4月相比,陆源输入、 内源贡献以及人为活动导致的营养盐输入,是7-11月DOM分子量增强的重要原因; 但耗损机制在7-11月主导了其芳香性特征下降. 通过对比,长寿湖水体DOM和世界其他类型湖泊存在差异,芳香性和分子量大小均低于森林湖泊,但高于高原湖泊. 不同湖泊DOM差异和周边生态系统和土地利用类型密切相关.

(3)和文献不同,SUVA254和DOC与各形态Hg无明显相关性,但CDOM、 CDOM/DOC和分子量大小是控制溶解态和活性汞的重要因素; 而湖泊初级生产力导致的有机质富集和迁移,可能是解释湖区甲基汞变化的关键.

致谢: 在此向西南大学NOM地球化学实验室闫金龙博士和陈学霜同学在样本采集及分析期间给予的无私帮助表示感谢. 同时感谢贵州省环境监测中心站赵铮博士在采样图绘制上的大力协助.

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