2022, Vol. 43
2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008;
3. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 流域地理学重点实验室, 南京 210008;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
, XIAO Qi-tao3 , YU Xiao-qin1,2 , CHEN Hui-min1,2 , ZHOU Lei2,4 , ZHOU Yong-qiang2 , HAN Long-fei1
2. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China;
3. Key Laboratory of Watershed Geographic Science, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
湖泊和水库在防洪、航运、渔业养殖、旅游、维持水域生态系统平衡和提供人类生产生活用水等方面发挥着重要作用, 是水生生态系统的重要组成部分[1, 2].在我国, 大型湖库通常是特大及大中型城市集中供水的水源地, 如密云水库供给北京, 青草沙水库供给上海, 千岛湖供给杭州和嘉兴, 于桥水库供给天津[3, 4].近几十年来, 我国经济迅速发展, 城镇化水平显著提高, 人类活动引起湖库的水质、水量和水生生态系统等发生了显著改变, 影响流域周围居民的用水安全.
溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)是全球淡水系统中天然有机质的重要赋存形态及活性成分, 也是陆地和水域之间能量与物质联系的纽带, 具有复杂的分子结构, 与水体的物理和化学特征息息相关[5~7].有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)是DOM中强烈吸收可见光和紫外光的部分, 由一系列复杂有机类物组成[8, 9], 能减少紫外辐射对水生生物的损害[10], 经光降解与微生物降解后能释放大量无机碳氮磷等生源要素, 为浮游生物提供养分[11, 12]; 另一方面, CDOM能影响有害有毒物质的生物有效性以及痕量重金属的迁移和转化[13].水体中存在过量CDOM会使得水体呈酸臭味, 在水处理过程中损坏处理设施并产生大量致癌物质, 影响用水安全与居民生命健康[14].溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)是指胶体有机物质中能通过孔径为0.7 μm滤膜的碳, 常用以表征DOM的总含量, 与水体中微生物的生命活动密切相关, 是表征水体有机物浓度和水质的重要参数[15].DOC的生物可利用性(biodegradable of dissolved organic carbon, BDOC)是指在一定时间段(28d)能够被微生物分解利用(呼吸作用和有机碳矿化作用等)的那部分DOC, 微生物在降解过程中会释放温室气体和营养物质, 进而对水体富营养化和碳循环过程产生影响[16, 17].因此, 明确湖库CDOM来源、分布特征和生物可利用性对于维系水生生态系统平衡和水质安全具有重要作用.
近年来, 三维荧光光谱(EEMs)被较为广泛地应用于研究CDOM来源组成, 通过组分荧光强度的变化可以有效揭示CDOM光谱组成变化[18].大型湖库作为大型城市重要的集中型饮用水供水水源地, 其CDOM来源组成对周边地区人畜用水安全与生命健康息息相关.目前, 对于东部地区湖泊CDOM来源的研究大都侧重于讨论丰枯情景下单个湖库CDOM的来源及其组成[19~21].因此, 对于东部地区受不同人类活动影响程度、不同营养水平湖库CDOM组成及其来源进行研究, 并对同期多个湖库进行比较就显得尤为重要.本研究在2021年4月对长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖进行水样采集, 这4个湖库CDOM来源组成及生物可利用性直接影响周边无锡、苏州、湖州、台州、盱眙和高邮等多个大中型城市居民用水安全与生命健康.本文试图通过分析比较湖库间水质参数、CDOM光谱组成及其空间分布特征, 揭示4个湖库间CDOM来源的异同及潜在影响机制, 丰富我国湖库的CDOM及水环境相关资料, 以期为保护水生生态系统平衡和水质安全提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况长潭水库隶属于浙江省, 主要入库河流为永宁江、柔极溪和黄岩溪等, 正常蓄水水位33 m, 库容3.3亿m3, 集雨区面积441.3 km2, 是一座结合防洪、灌溉和发电等多项功能为一体的大型水库, 周边大部分城镇以传统农业为主.太湖位于长江三角洲, 湖面面积2 338 km2, 是我国第三大淡水湖, 夏秋季常发生水华暴发事件, 水体富营养化现象严重.洪泽湖分属于江苏省淮安市和宿迁市, 是南水北调东线的组成部分, 淮河、徐洪河和汴河等是其主要入湖河流, 近些年由于人类活动, 湖泊面积逐渐缩小.高邮湖又名新开湖, 行政上分属于江苏省和安徽省, 湖泊面积760 km2, 在全国淡水湖中排名第六, 由于受围网养殖和农业活动污染, 其水质状况不容乐观.这4个湖库作为周边城镇的饮用水水源地, 影响着周边地区经济发展和用水安全, 因此保证湖库水质安全工作至关重要.
1.2 样品采集与处理2021年4月分别在长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖布设11、25、18和14个采样点(图 1)进行采样.取30 mL原水用以测定总氮(TN)和总磷(TP). 30 mL原水通过直径47 mm的Whatman GF/F滤膜以测定溶解性有机碳(DOC)、铵态氮(NH4+-N)和正磷酸盐(PO43--P)等水质参数.使用Millipore滤膜(0.22 μm孔径)过滤80 mL原水, 其中50 mL滤后水用于进行生物培养实验, 30 mL滤后水用以测定CDOM三维荧光光谱和吸收光谱.
|
图 1 长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖采样点位置示意 Fig. 1 Location of sampling sites in Reservoir Changtan, Lake Taihu, Lake Hongze, and Lake Gaoyou |
将滤后水置于日本岛津公司生产的总有机碳分析仪(TOC-L)中, 在气压(200±10)kPa、温度680℃的高温环境下催化燃烧以测定DOC浓度[22].将装有原水的试管放在高压灭菌锅内, 在高温环境下(120℃)消煮40 min, 之后采用Shimadzu UV-2550PC UV-Vis分光光度计测定总氮(TN)和总磷(TP).利用连续流动式分析仪(荷兰Skalar SAN++)测定硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、亚硝态氮(NO2--N)和正磷酸盐(PO43--P)[23].
1.4 生物培养实验将50 mL经过0.22 μm孔径Millipore滤膜的滤后水放于高温灭菌的棕色培养瓶中, 另加入1 mL原水作为菌种, 等比例加入1 mL营养盐使瓶中NH4+-N和PO43--P分别提升至80 μmol·L-1和10 μmol·L-1以防止培养过程中氮磷等营养盐限制[24], 将水样摇匀, 拧开盖子保存在室温环境中培养28 d(每日摇晃多次).培养结束后将水样用Millipore滤膜(0.22 μm)进行处理以测定DOC浓度.培养前后DOC相减即为BDOC, BDOC与培养前DOC的比值即为ω(BDOC).
1.5 紫外-可见吸收光谱参数测定将路径长度5 cm的比色皿放于Shimadzu UV-2550PC UV-Vis分光光度计中以测定CDOM的吸光度, 以Milli-Q超纯水为参照, 设置测定范围为200~800 nm(间隔1 nm), 各波长吸光度数值减去700 nm处数值以消除散射效应, 使用公式(1)计算吸收系数[25]：
|
(1) |
式中, aλ为波长λ的吸收系数(m-1), Dλ为消除散射效应后的吸光度, r为光程路径(m).吸收系数a254常用来表示CDOM的相对浓度[26]. S275-295为吸收光谱斜率, 其数值与CDOM芳香性呈反比例关系[27].比紫外系数SUVA254用于表征CDOM芳香性水平[28]. a250∶a365用来表征CDOM分子的相对大小, 其值与CDOM分子大小呈反比例关系.
1.6 三维荧光光谱测定使用F-7000三维荧光扫描仪(日本日立)测定CDOM三维荧光光谱(EEMs), 激发和发射光谱范围分别设定为200~450 nm (5 nm间隔)和250~600 nm (1 nm间隔), 拉曼散射的校正通过所测水样荧光光谱减去当日所测超纯水予以实现, 瑞利散射峰采用drEEM工具包裁剪后运用线性插值的方法予以消除, 并利用各样品三维荧光光谱激发发射波长处的吸光度来校正内滤波效应[29].腐殖化指数(HIX)和荧光峰积分比值IC∶IT能表征CDOM的腐殖化程度, 其值与腐殖化程度呈正相关关系[30].生物作用鲜活指数(BIX)表征内源CDOM的贡献程度, 数值越大, 表示内源作用对CDOM贡献越大[31].
1.7 平行因子分析采用MATLAB R2015b的drEEM工具进行PARAFAC分析, 共选取68个(长潭水库11个、太湖25个、洪泽湖18个和高邮湖14个)EEMs矩阵进行运算.最终确定4个组分模型能很好地通过对半检验、残差分析以及随机初始化检验.每个荧光组分的最大荧光强度(Fmax) 用以表征相应荧光组分浓度[32].
1.8 数据处理该文使用ArcGIS 10.2绘制采样点位图和空间插值图, 利用IBM SPSS Statistics 25进行平均值、标准差和均值间差异显著性水平t检验(t-test)等数据统计分析, 使用Origin 9.1绘制图表.
2 结果与分析 2.1 主要水质参数及a254特征DOC浓度呈现出高邮湖>洪泽湖>太湖>长潭水库的规律(图 2), 长潭水库ρ(DOC)平均值为(2.1±0.3)mg·L-1, 极显著低于高邮湖ρ(DOC)平均值[(7.6±0.7)mg·L-1, P < 0.001, t-test, 下同], 这表明比起其他3个湖库, 长潭水库受到人类扰动较小, 有机物污染风险小.洪泽湖ρ(DOC)为5.7~8.1mg·L-1, 较其他湖库来说波动较大(P < 0.001).太湖和高邮湖的TN浓度较高, 且与长潭水库和洪泽湖存在显著性差异(P < 0.001), 但太湖ρ(TN)的波动较大(1.6~2.9mg·L-1).同时, 太湖TP浓度与其他湖库存在显著差异(P < 0.005).此外, 太湖NH4+-N、NO3--N、NO2--N和PO43--P浓度高于其他湖库, 而洪泽湖此4项指标的波动较大(P < 0.05).值得一提的是, 4个湖库ρ(PO43--P)均很低且无显著性差异, 平均值最高为太湖[(4±7) μg·L-1].高邮湖的a254平均值为(21.1±1.7) m-1, 显著高于长潭水库、太湖和洪泽湖(P < 0.05), 呈现出高邮湖>洪泽湖>太湖>长潭水库的规律, 这说明高邮湖CDOM的浓度要显著高于其他3个湖库.此外, 太湖、洪泽湖和高邮湖的波动范围较大, 而长潭水库的波动范围较小(4.5~6.8 m-1).
|
图 2 东部地区大型湖库主要水质参数和CDOM吸收系数a254 Fig. 2 Water quality parameters and CDOM absorption a254 of the four studied lakes and reservoirs in the eastern region of China |
经过28d生物培养后, 长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖的DOC浓度均显著降低(P < 0.001, 图 3), ω(BDOC)分别可达53.9%、53.3%、58.4%和56.2%.高邮湖ρ(BDOC)平均值为(4.3±0.8) mg·L-1, 极显著高于洪泽湖和长潭水库(P < 0.001), 但与太湖并无显著性差异.太湖的ω(BDOC)显著低于洪泽湖和高邮湖(P < 0.05), 其余湖库间无明显差异.值得一提的是, 高邮湖DOC浓度在生物培养前后均较高, 但BDOC并不是最高的, 而长潭水库生物培养前后DOC浓度均较低, 但BDOC与其他湖库并无显著差异, 这表明DOC微生物降解速率与其浓度相关性并不是很大.
|
图 3 BDOC和%BDOC的变化特征 Fig. 3 Variability in BDOC and %BDOC in the eastern region of China |
东部地区4个湖库的S275-295也表现出：高邮湖>洪泽湖>太湖>长潭水库(图 4), 而且高邮湖波动范围很大(19.1~23.6 μm-1), 与长潭水库和太湖存在显著性差异(P < 0.05), 但长潭水库、太湖和洪泽湖之间无显著性差异, 这说明长潭水库CDOM组成受外源输入影响较大.高邮湖a250∶a365数值范围为(5.3~9.5), 波动范围较其他湖库更大; 长潭水库的a250∶a365显著小于太湖、洪泽湖和高邮湖(P < 0.01), 但太湖、洪泽湖和高邮湖之间并无显著性差异, 这表明长潭水库CDOM分子较其他湖库大, 陆源输入信号强烈, 与S275-295指标反映的事实相一致.洪泽湖的SUVA254均值为(2.9±0.2) L·(mg·m)-1, 显著高于长潭水库、太湖和高邮湖(P < 0.005), 而太湖的波动范围较大[(2.4~3.1) L·(mg·m)-1], 且与长潭水库和高邮湖无显著差异.SUVA254能表征CDOM芳香性水平和腐殖化程度, 表明与其他湖库相比, 洪泽湖CDOM芳香性水平较高.
|
图 4 东部地区湖库水体CDOM参数变化特征 Fig. 4 Characteristic of CDOM-related parameters in lakes and reservoirs in the eastern region of China |
高邮湖水体的腐殖化指数HIX平均值为1.8±0.3, 极显著高于长潭水库、太湖和洪泽湖(P < 0.001), 呈现出高邮湖>洪泽湖>长潭水库>太湖的规律.除此之外, 长潭水库、高邮湖和太湖也表现出明显的差异(P < 0.05). IC∶IT是类腐殖酸C峰与类蛋白T峰积分值之比, 能很好地表征CDOM芳香性和腐殖质化程度.高邮湖IC∶IT的平均值为7.9±1.3, 极显著地高于长潭水库、太湖和洪泽湖(P < 0.001), 表现出和腐殖化指数HIX一样的特征, 但长潭水库和洪泽湖的IC∶IT值并无显著差异.太湖生物作用鲜活指数BIX的平均值为1.2±0.1, 极显著地高于长潭水库、洪泽湖和高邮湖(P < 0.001), 但长潭水库、洪泽湖和高邮湖间无显著差异, 说明太湖内源作用信号强烈.长潭水库、高邮湖和洪泽湖BIX的范围分别为0.9~1.1、0.9~1.0和1.0~1.1, 表明长潭水库、高邮湖和洪泽湖CDOM组成可能受内源作用和外源输入共同影响.
2.4 三维荧光光谱特征根据PARAFAC模型分析结果, 最终得到4个荧光组分(图 5).C1有一个激发波长最大值(Ex≤230 nm)和一个发射波长最大值(Em=428 nm), 判断该组分为农业活动作用的类腐殖酸[33].C2有两个激发波长最大值(Ex≤230 nm/290 nm)和一个发射波长最大值(Em=340 nm), 判断该组分为类色氨酸[34].C3有一个激发波长最大值(Ex=275 nm)和一个发射波长最大值(Em=316 nm), C4有两个激发波长最大值(Ex≤230 nm/270 nm)和一个发射波长最大值(Em≤300 nm), 判断C3和C4均为类酪氨酸[35].C2、C3和C4均属内源类蛋白组分, 主要与生活废水排放和微生物降解有关.
|
图 5 荧光组分荧光光谱和对半检验结果 Fig. 5 Fluorescent spectra of the four PARAFAC components identified using PARAFAC and split-half validation results |
长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖的类蛋白组分相对丰度(C2+C3+C4)%较大, 分别为(75.2±1.4)%、(90±2.2)%、(87.2±4.6)%和(69.4±2.3)%, 类腐殖酸C1相对丰度均较小, 尤其是太湖和洪泽湖类腐殖酸C1相对丰度仅为(10±0.1)%和(12.8±0.1)%, 四大湖库CDOM组分均以类蛋白质组分为主, 这主要是由于水体受到微生物分解作用或者生活污水排放的影响.
长潭水库北部地区的类腐殖酸C1的荧光强度显著高于中部和南部, 而类酪氨酸C3和C4的荧光强度表现为南部地区最高(图 6).太湖的类腐殖酸C1荧光强度从敞水区向南北湖区逐渐升高, 类色氨酸C2和类酪氨酸C3呈现出从梅梁湾和贡湖湾向西南湖区逐渐升高的趋势, 而类酪氨酸C4荧光强度表现为从西南湖区向东北湖区逐渐升高.洪泽湖类色氨酸C2和类酪氨酸C3呈现出从南部湖区向北部湖区逐渐变大的趋势, 而类腐殖酸C1的荧光强度表现为从北向南逐渐升高.高邮湖西南湖区各荧光组分的荧光强度与湖区其他部分相比较, 荧光强度数值均较高, 这可能是由于西南湖区入湖河流较多, 其上游水质影响水体CDOM组成.
|
图 6 长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖4种组分荧光强度空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of fluorescence intensity of four components in the four studied lakes and reservoirs |
高邮湖的类腐殖酸C1的荧光强度极显著地高于长潭水库和太湖(P < 0.001), 这说明与其他湖库相比, 高邮湖的CDOM组成受农业活动影响较大.长潭水库的类色氨酸C2和类酪氨酸C3荧光强度极显著地低于其他3个湖库(P < 0.001), 这说明与其他湖库相比, 长潭水库CDOM组成受微生物分解作用或生活污水的影响较小.由于4个湖库类酪氨酸C4的数值均较小, 因此并无显著性差异.对比4个湖库CDOM组分荧光强度的空间分布, 可以发现与其他湖库相比, 长潭水库CDOM各组分荧光强度均较低; 洪泽湖类腐殖酸C1的相对丰度仅为(12.8±0.1)%, 但是其荧光强度的高值较多.
2.5 荧光组分、水质参数和吸收系数相关性分析对东部地区4个湖库的4个荧光组分、TP、DOC和a254进行相关性分析, 本研究除了进行单个湖库的拟合, 还增加了整体拟合(图 7).洪泽湖的类腐殖质C1与TP呈极显著的负相关关系, 而类色氨酸C2和类酪氨酸C3与TP有着极好的正相关关系.太湖的各个荧光组分与TP之间也存在着一定的相关性, 但是拟合度较差.长潭水库的类色氨酸C2与DOC表现出极好的线性拟合度(R2=0.72).值得一提的是, 四大湖库无论是分开拟合还是整体拟合, a254和DOC的线性拟合度极好, 表现出显著的正相关关系(R2=0.96).从整体上看, 4个湖库各项指标的整体拟合结果并不理想, 这可能是因为4个湖库之间地形、气候和植被等各有特点, 水体各项指标间存在较大差异.
|
图 7 太湖、洪泽湖、高邮湖和长潭水库总磷TP与3个荧光组分C1~C3和DOC与C1~C2和a254的相关性分析 Fig. 7 Correlations between TP and PARAFAC components C1-C3, DOC, and C1-C2, a254 for the samples collected from the four lakes and reservoirs in the eastern region of China |
通常情况下, 天然湖泊CDOM主要以陆源类腐殖质输入贡献为主[36], 而长潭水库、太湖、洪泽湖和高邮湖均表现出类蛋白质组分贡献率大于类腐殖质型, CDOM组成以类蛋白质为主.有研究表明人类活动排放的生活污水、工业废水和微生物对死亡的水生植物和藻类的分解作用会使得湖库水体中类蛋白组分信号强烈[37, 38], 因此4个湖库类蛋白组分较高可能与湖库周围人类活动排放的生活、工业废水有关.本研究采样时间是在4月(枯水期), 降水量和入湖河流水量较小, 水体交换速率缓慢, 对微生物代谢产物的稀释作用较弱, 影响水体CDOM组成结构, 这与东部平原其他湖库研究结果相一致. Shi等[39]的研究发现天目湖降水量增多会降低水体CDOM组分的荧光强度. 张柳青等[40]研究高邮湖、南四湖和东平湖发现枯水期CDOM荧光强度高于丰水期.根据空间分布插值图和荧光强度结果, 高邮湖由农业活动作用的类腐殖酸C1要显著高于其他湖库, C1贡献率达30.6%, 这可能是由于高邮湖周边城镇发展种植业和水产养殖[41], 大量农药、化肥、饲料和动物粪便等通过降水和入湖河流带入湖泊, 影响水体CDOM组成.太湖腐殖化指数HIX显著低于其他3个湖库, 但生物作用鲜活指数BIX显著大于其他湖库且>1, 表明春季(枯水期)太湖CDOM组成受内源自生作用较为强烈, 这与王聪颖等[42]的研究结果相一致, 其他3个湖库外源输入信号强烈.
经28 d生物培养实验发现, 4个湖库DOC生物有效性最高可达58.4%, 这意味着水体中很大一部分DOC能快速被微生物降解利用.有研究发现, 水体芳香性程度与DOC生物可利用性呈负相关[43, 44], 根据本研究中4个湖库SUVA254和a250∶a365数值结果, 表明4个湖库水体芳香化程度均较低, 这可能是由于枯水期地表径流较小, 携带入湖的陆源类腐殖酸较少.郭燕妮等[45]的研究发现鄱阳湖枯水期受人类生活污水排放影响, 水体DOC和类蛋白组分生物利用性较高.在本研究中, 4个湖库枯水期降水量小, 对周围人类活动排放的工农业及生活污水稀释作用较弱, CDOM组成均以类蛋白组分为主, 微生物降解过程中会优先利用DOC中具有较低碳氮比的类蛋白物质[46]且有机碳降解过程中所受营养限制小, 再加上枯水期水体交换速率慢, 为微生物降解作用提供了相对稳定的环境, DOC生物利用性较高.上述4个湖库中高BDOC意味着湖库水体中大量有机碳及碳链上富含的氮磷等生源物质在湖库内运移过程中不断矿化为无机盐并进入生态系统食物链中, 从而加速湖库富营养化进程[47].同时, DOC作为水生系统中的有机碳库, 其降解过程会产生大量温室气体(CO2和CH4等), 影响气候变化及生态系统的碳平衡和碳循环[48].
3.2 荧光光谱在水体监测中的应用有研究表明水体CDOM的荧光组分与N和P等元素有显著的相关性, 如Zhang等[49]的研究发现云贵高原高山湖泊的类腐殖质组分与TN和TP存在显著的正相关关系; 冯可心等[50]的研究发现丹江口水库类色氨酸组分和陆源类腐殖质组分与TN和TP呈显著正相关.在本研究中, 洪泽湖类腐殖质C1与TP存在显著负相关关系, 类色氨酸C2和类酪氨酸C3与TP存在显著正相关关系, 这表明在一定程度上可以利用荧光组分对洪泽湖的TP变化情况进行预测, 以期监测水体的水质变化情况.长潭水库DOC与类色氨酸C2有着显著的正相关关系, 这意味着枯水期在长潭水库可以用类色氨酸C2的荧光强度来预测DOC浓度.
目前, 关于DOC浓度与CDOM相对浓度的反演已经取得许多成果.Matsuoka等[51]对北冰洋CDOM研究结果显示, 北冰洋东部CDOM浓度与DOC浓度呈显著正相关关系; Xu等[52]对鄱阳湖的研究发现CDOM吸收系数可以有效地指示鄱阳湖DOC浓度; 张运林等[53]的研究发现冬季梅梁湾和大太湖CDOM吸收系数与DOC浓度有极好的相关性.在本研究中, 4个湖库在枯水期无论是分开拟合还是整体拟合, CDOM吸收系数a254与DOC都表现出显著的正相关关系, 这意味着4个湖库在枯水期可以利用CDOM浓度反演DOC浓度.
3.3 CDOM空间分布及环境指示意义长潭水库上游各组分荧光强度要显著高于库区其他部分, 这主要是由于上游集水区(屿头乡和北洋镇等)以第一产业为主且人口密集[54], 水体CDOM组成受农业面源污染和生活污水影响较大.太湖类腐殖质C1荧光强度自敞水区向南北湖区逐步升高, 这主要是由于类腐殖质随入湖河流进入太湖, 对入湖口水体CDOM组成影响较大, 敞水区影响较小, 这与Zhou等[55]的研究结果相一致.太湖类腐殖质C1在敞水区荧光强度变低, 但类蛋白质组分荧光强度较高, 这主要是由于在敞水区经微生物分解作用产生了新的类蛋白质[56].洪泽湖北部湖区类蛋白荧光强度显著高于其他湖区, 这可能是由于洪泽湖北部湖区相对封闭, 水体更新速率慢, 湖区周围人口城镇密集, 受工农业废水和生活污水影响较大[57].刘超等[58]的研究发现洪泽湖周围地区近些年来水田和围网养殖面积增多, 农户采用传统施肥方式, 大量饲料、动物粪便以及农药和化肥等化学物质随土壤淋溶和入湖河流进入湖泊, 这可能是使洪泽湖较其他湖库类腐殖质C1荧光强度高的原因.高邮湖是过水型湖泊, 上游河水的水质会直接影响湖泊的CDOM组成, 根据刘改妮等[59]的研究, 高邮湖西南湖区的主要入湖河流(淮河)沿线经过众多城镇, 人口密集且围网养殖面积较大, 入湖河流承接了很多工农业和生活污水, 使其西南湖区各组分荧光强度高于其他湖区.
总体来说, 4个湖库的水体CDOM组成均或多或少地受到农业面源污染以及生活污水和工业废水的影响, 长期以往会影响湖库生态系统和水质安全, 作为大中小型城市的饮用水水源地, 4个湖库周边地区必须严格控制污水排放, 改善农业生产方式, 合理规划城镇及工厂建设, 从而减少人类活动对湖库的影响, 降低湖库水体污染的风险.
4 结论(1) 经生物培养后, 4个湖库DOC浓度显著下降, ω(BDOC)均达50%以上, 水体中很大一部分有机碳能被微生物利用, 降解过程中产生温室气体和无机盐, 影响水体富营养化进程和碳循环. 4个湖库CDOM组成包括农业活动作用的类腐殖质C1、类色氨酸C2和类酪氨酸C3、C4, 类蛋白质是四大湖库CDOM的主要组成物质.
(2) 洪泽湖类腐殖质C1与TP存在显著负相关关系, 类色氨酸C2和类酪氨酸C3与TP存在显著正相关关系, 在一定程度上可以利用荧光组分对洪泽湖的TP变化情况进行预测. 4个湖库吸收系数a254能很好地指示DOC浓度, 可以利用吸收系数a254反演DOC浓度.
(3) 太湖腐殖化指数HIX较低, 生物作用鲜活指数BIX较高, CDOM组成以内源自生作用为主, 而其他湖库以外源输入为主. 4个湖库水体CDOM组成在枯水期受人类活动影响较大, 承接了很多工农业废水和生活污水.
致谢: 张成英和齐天赐等同志协助野外调查和室内分析, 谨表谢意.
| [1] |
杨桂山, 马荣华, 张路, 等. 中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J]. 湖泊科学, 2010, 22(6): 799-810. Yang G S, Ma R H, Zhang L, et al. Lake status, major problems and protection strategy in China[J]. Journal of Lake Sciences, 2010, 22(6): 799-810. |
| [2] |
周蕾, 周永强, 张运林, 等. 重要饮用水源地天目湖水库有色可溶性有机物来源与组成特征[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 3709-3718. Zhou L, Zhou Y Q, Zhang Y L, et al. Characterizing sources and composition of chromophoric dissolved organic matter in a key drinking water Reservoir Lake Tianmu[J]. Environmental Science, 2021, 42(8): 3709-3718. |
| [3] |
陈吉吉, 徐蘇士, 赵靓, 等. 北京密云水库流域水体夏季POM浓度及来源分析[J]. 地球与环境, 2021, 49(2): 157-163. Chen J J, Xu S S, Zhao L, et al. Concentration and source identification of particulate organic matter in the Miyun Reservoir watershed (Beijing) in Summer[J]. Earth and Environment, 2021, 49(2): 157-163. |
| [4] |
李元鹏, 石玉, 张柳青, 等. 千岛湖有色可溶性有机物光谱学特征及环境指示意义[J]. 环境科学学报, 2019, 39(11): 3856-3865. Li Y P, Shi Y, Zhang L Q, et al. Spectral characteristics and environmental significance of chromophoric dissolved organic matter in Lake Qiandao, a large drinking water reservoir[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019, 39(11): 3856-3865. |
| [5] | Hassett J P. Dissolved natural organic matter as a microreactor[J]. Science, 2006, 311(5768): 1723-1724. DOI:10.1126/science.1123389 |
| [6] | Hosen J D, McDonough O T, Febria C M, et al. Dissolved organic matter quality and bioavailability changes across an urbanization gradient in headwater streams[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(14): 7817-7824. |
| [7] | Leenheer J A, Nanny M A, Mcintyre C. Terpenoids as major precursors of dissolved organic matter in landfill leachates, surface water, and groundwater[J]. Environmental Science & Technology, 2003, 37(11): 2323-2331. |
| [8] | Zhang Y L, Qin B Q, Zhu G W, et al. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) absorption characteristics in relation to fluorescence in Lake Taihu, China, a large shallow subtropical lake[J]. Hydrobiologia, 2007, 581(1): 43-52. DOI:10.1007/s10750-006-0520-6 |
| [9] | Coble P G. Marine optical biogeochemistry: the chemistry of ocean color[J]. Chemical Reviews, 2007, 107(2): 402-418. DOI:10.1021/cr050350+ |
| [10] | Hu B, Wang P F, Qian J, et al. Characteristics, sources, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in large and shallow Hongze Lake, China[J]. Journal of Great Lakes Research, 2017, 43(6): 1165-1172. DOI:10.1016/j.jglr.2017.09.004 |
| [11] | Zhou Y Q, Xiao Q T, Yao X L, et al. Accumulation of terrestrial dissolved organic matter potentially enhances dissolved methane levels in eutrophic Lake Taihu, China[J]. Environmental Science & Technology, 2018, 52(18): 10297-10306. |
| [12] | Lapierre J F, Frenette J J. Effects of macrophytes and terrestrial inputs on fluorescent dissolved organic matter in a large river system[J]. Aquatic Sciences, 2009, 71(1): 15-24. DOI:10.1007/s00027-009-9133-2 |
| [13] | Zhang Y L, Van Dijk M A, Liu M L, et al. The contribution of phytoplankton degradation to chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in eutrophic shallow lakes: field and experimental evidence[J]. Water Research, 2009, 43(18): 4685-4697. DOI:10.1016/j.watres.2009.07.024 |
| [14] | Wang M, Chen Y G. Generation and characterization of DOM in wastewater treatment processes[J]. Chemosphere, 2018, 201: 96-109. DOI:10.1016/j.chemosphere.2018.02.124 |
| [15] |
陈慧敏, 俞晓琴, 朱俊羽, 等. 太湖有色可溶性有机物(CDOM)对COD及BOD5的指示意义[J]. 湖泊科学, 2021, 33(5): 1376-1388. Chen H M, Yu X Q, Zhu J Y, et al. Optical indices of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) as potential indicators tracing the variability of chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD5) in Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2021, 33(5): 1376-1388. |
| [16] | Mann C J, Wetzel R G. Dissolved organic carbon and its utilization in a riverine wetland ecosystem[J]. Biogeochemistry, 1995, 31(2): 99-120. |
| [17] |
周苗, 李思亮, 丁虎, 等. 地表流域有机碳地球化学研究进展[J]. 生态学杂志, 2018, 37(1): 255-264. Zhou M, Li S L, Ding H, et al. Advances in study on organic carbon characteristics in the riverine systems[J]. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(1): 255-264. |
| [18] |
刘明亮, 张运林, 秦伯强. 太湖入湖河口和开敞区CDOM吸收和三维荧光特征[J]. 湖泊科学, 2009, 21(2): 234-241. Liu M L, Zhang Y L, Qin B Q. Characterization of absorption and three-dimensional excitation-emission matrix spectra of chromophoric dissolved organic matter at the river inflow and the open area in Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2009, 21(2): 234-241. DOI:10.3321/j.issn:1003-5427.2009.02.012 |
| [19] | Wu K, Lu K J, Dai M H, et al. The bioavailability of riverine dissolved organic matter in coastal marine waters of southern Texas[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2019, 231. DOI:10.1016/j.ecss.2019.106477 |
| [20] |
郭燕妮, 李元鹏, 邵克强, 等. 博斯腾湖有色可溶性有机物来源及季节变化特征[J]. 环境科学学报, 2020, 40(11): 3971-3981. Guo Y N, Li Y P, Shao K Q, et al. Sources and seasonal variation of chromophoric dissolved organic matter in Lake Bosten[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020, 40(11): 3971-3981. |
| [21] |
陈昭宇, 李思悦. 三峡库区城镇化影响下河流DOM光谱特征季节变化[J]. 环境科学, 2021, 42(1): 195-203. Chen Z Y, Li S Y. Seasonal variation of DOM spectral characteristics of rivers with different urbanization levels in the Three Gorges Reservoir area[J]. Environmental Science, 2021, 42(1): 195-203. |
| [22] | Stedmon C A, Markager S. Resolving the variability in dissolved organic matter fluorescence in a temperate estuary and its catchment using PARAFAC analysis[J]. Limnology and Oceanography, 2005, 50(2): 686-697. DOI:10.4319/lo.2005.50.2.0686 |
| [23] |
余茂蕾, 洪国喜, 许海, 等. 湖泊蓝藻水华对连通河道水质的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(2): 603-613. Yu M L, Hong G X, Xu H, et al. Effects of cyanobacterial blooms in eutrophic lakes on water quality of connected rivers[J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 603-613. |
| [24] | Zhou L, Zhou Y Q, Yao X L, et al. Decreasing diversity of rare bacterial subcommunities relates to dissolved organic matter along permafrost thawing gradients[J]. Environment International, 2020, 134. DOI:10.1016/j.envint.2019.105330 |
| [25] | Sun Q Y, Wang C, Wang P F, et al. Absorption and fluorescence characteristics of chromophoric dissolved organic matter in the Yangtze Estuary[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(5): 3460-3473. DOI:10.1007/s11356-013-2287-4 |
| [26] | Song K S, Shang Y X, Wen Z D, et al. Characterization of CDOM in saline and freshwater lakes across China using spectroscopic analysis[J]. Water Research, 2019, 150: 403-417. DOI:10.1016/j.watres.2018.12.004 |
| [27] | Helms J R, Stubbins A, Ritchie J D, et al. Absorption spectral slopes and slope ratios as indicators of molecular weight, source, and photobleaching of chromophoric dissolved organic matter[J]. Limnology and Oceanography, 2008, 53(3): 955-969. DOI:10.4319/lo.2008.53.3.0955 |
| [28] | Spencer R G M, Butler K D, Aiken G R. Dissolved organic carbon and chromophoric dissolved organic matter properties of rivers in the USA[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2012, 117(G3). DOI:10.1029/2011JG001928 |
| [29] | McKnight D M, Boyer E W, Westerhoff P K, et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity[J]. Limnology and Oceanography, 2001, 46(1): 38-48. DOI:10.4319/lo.2001.46.1.0038 |
| [30] |
朱爱菊, 孙东耀, 谭季, 等. 亚热带河口陆基养虾塘水体CDOM三维荧光光谱平行因子分析[J]. 环境科学, 2019, 40(1): 164-171. Zhu A J, Sun D Y, Tan J, et al. Parallel factor analysis of fluorescence excitation emission matrix spectroscopy of CDOM from the mid-culture period of shrimp ponds in a Subtropical Estuary[J]. Environmental Science, 2019, 40(1): 164-171. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2019.01.018 |
| [31] | Zhou Y Q, Davidson T A, Yao X L, et al. How autochthonous dissolved organic matter responds to eutrophication and climate warming: Evidence from a cross-continental data analysis and experiments[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 185: 928-937. DOI:10.1016/j.earscirev.2018.08.013 |
| [32] | Zhang J, Zhao J J, Yang G P, et al. Concentration and characterization of colored dissolved organic matter in the surface Microlayer and subsurface water of the Yellow Sea and the East China Sea[J]. Journal of Ocean University of China, 2019, 18(2): 383-393. DOI:10.1007/s11802-019-3763-3 |
| [33] | Shutova Y, Baker A, Bridgeman J, et al. Spectroscopic characterisation of dissolved organic matter changes in drinking water treatment: From PARAFAC analysis to online monitoring wavelengths[J]. Water Research, 2014, 54: 159-169. DOI:10.1016/j.watres.2014.01.053 |
| [34] |
刘笑菡, 张运林, 殷燕, 等. 三维荧光光谱及平行因子分析法在CDOM研究中的应用[J]. 海洋湖沼通报, 2012(3): 133-145. Liu X H, Zhang Y L, Yin Y, et al. Application of three-dimensional fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis in CDOM study[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2012(3): 133-145. |
| [35] | Yamashita Y, Boyer J N, Jaffé R. Evaluating the distribution of terrestrial dissolved organic matter in a complex coastal ecosystem using fluorescence spectroscopy[J]. Continental Shelf Research, 2013, 66: 136-144. DOI:10.1016/j.csr.2013.06.010 |
| [36] |
刘堰杨, 秦纪洪, 刘琛, 等. 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[J]. 环境科学, 2018, 39(2): 720-728. Liu Y Y, Qin J H, Liu C, et al. Characteristics of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in rivers of western Sichuan Plateau based on EEM-PARAFAC analysis[J]. Environmental Science, 2018, 39(2): 720-728. |
| [37] | Zhou Y Q, Zhang Y L, Jeppesen E, et al. Inflow rate-driven changes in the composition and dynamics of chromophoric dissolved organic matter in a large drinking water lake[J]. Water Research, 2016, 100: 211-221. DOI:10.1016/j.watres.2016.05.021 |
| [38] | Stedmon C A, Seredyńska-Sobecka B, Boe-Hansen R, et al. A potential approach for monitoring drinking water quality from groundwater systems using organic matter fluorescence as an early warning for contamination events[J]. Water Research, 2011, 45(18): 6030-6038. DOI:10.1016/j.watres.2011.08.066 |
| [39] | Shi Y, Zhang L Q, Li Y P, et al. Influence of land use and rainfall on the optical properties of dissolved organic matter in a key drinking water reservoir in China[J]. Science of the Total Environment, 2020, 699. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.134301 |
| [40] |
张柳青, 杨艳, 李元鹏, 等. 高邮湖、南四湖和东平湖有色可溶性有机物来源组成特征[J]. 湖泊科学, 2020, 32(2): 428-439. Zhang L Q, Yang Y, Li Y P, et al. Sources and optical dynamics of chromophoric dissolved organic matter in Lake Gaoyou, Nansi, and Dongping[J]. Journal of Lake Sciences, 2020, 32(2): 428-439. |
| [41] |
刘涛, 揣小明, 陈小锋, 等. 江苏省西部湖泊水环境演变过程与成因分析[J]. 环境科学研究, 2011, 24(9): 995-1002. Liu T, Chuai X M, Chen X F, et al. Evolution of lake water environment in west Jiangsu Province and analysis of causes[J]. Research of Environmental Sciences, 2011, 24(9): 995-1002. |
| [42] |
王聪颖, 陈卫, 陶辉, 等. 太湖水源水有色溶解性有机物(CDOM)荧光特性分布特征以及源解析[J]. 净水技术, 2019, 38(3): 56-62. Wang C Y, Chen W, Tao H, et al. Fluorescent distribution characteristics and source apportionment of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in source water of Taihu Lake[J]. Water Purification Technology, 2019, 38(3): 56-62. |
| [43] | Wickland K P, Aiken G R, Butler K, et al. Biodegradability of dissolved organic carbon in the Yukon River and its tributaries: Seasonality and importance of inorganic nitrogen[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(4). DOI:10.1029/2012GB004342 |
| [44] | Mu C C, Abbott B W, Wu X D, et al. Thaw depth determines dissolved organic carbon concentration and biodegradability on the northern Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Geophysical Research Letters, 2017, 44(18): 9389-9399. DOI:10.1002/2017GL075067 |
| [45] |
郭燕妮, 姚晓龙, 陈慧敏, 等. 鄱阳湖丰枯情景对有色可溶性有机物生物可利用性及收支平衡的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(2): 837-846. Guo Y N, Yao X L, Chen H M, et al. Influences of hydrological scenarios on the bioavailability, fate, and balance of chromophoric dissolved organic matter in Lake Poyang[J]. Environmental Science, 2022, 43(2): 837-846. |
| [46] | Xu H C, Guo L D. Intriguing changes in molecular size and composition of dissolved organic matter induced by microbial degradation and self-assembly[J]. Water Research, 2018, 135: 187-194. DOI:10.1016/j.watres.2018.02.016 |
| [47] | Liu Q, Jiang Y, Tian Y L, et al. Impact of land use on the DOM composition in different seasons in a subtropical river flowing through a region undergoing rapid urbanization[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 212: 1224-1231. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.12.030 |
| [48] | Hitchcock J N, Mitrovic S M, Hadwen W L, et al. Terrestrial dissolved organic carbon subsidizes estuarine zooplankton: an in situ mesocosm study[J]. Limnology and Oceanography, 2016, 61(1): 254-267. DOI:10.1002/lno.10207 |
| [49] | Zhang Y L, Zhang E L, Yin Y, et al. Characteristics and sources of chromophoric dissolved organic matter in lakes of the Yungui Plateau, China, differing in trophic state and altitude[J]. Limnology and Oceanography, 2010, 55(6): 2645-2659. DOI:10.4319/lo.2010.55.6.2645 |
| [50] |
冯可心, 李永峰, 姜霞, 等. 丹江口水库表层沉积物有色可溶性有机物空间分布特征及其来源分析[J]. 环境化学, 2016, 35(2): 373-382. Feng K X, Li Y F, Jiang X, et al. Distribution and source analysis of chromophoric dissolved organic matter in the surface sediments of the Danjiangkou Reservoir[J]. Environmental Chemistry, 2016, 35(2): 373-382. |
| [51] | Matsuoka A, Babin M, Doxaran D, et al. A synthesis of light absorption properties of the Arctic Ocean: application to semianalytical estimates of dissolved organic carbon concentrations from space[J]. Biogeosciences, 2014, 11(12): 3131-3147. DOI:10.5194/bg-11-3131-2014 |
| [52] | Xu J, Wang Y Q, Gao D, et al. Optical properties and spatial distribution of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in Poyang Lake, China[J]. Journal of Great Lakes Research, 2017, 43(4): 700-709. DOI:10.1016/j.jglr.2017.06.002 |
| [53] |
张运林, 秦伯强. 梅梁湾、大太湖夏季和冬季CDOM特征及可能来源分析[J]. 水科学进展, 2007, 18(3): 415-423. Zhang Y L, Qin B Q. Feature of CDOM and its possible source in Meiliang Bay and Da Taihu Lake in Taihu Lake in summer and winter[J]. Advances in Water Science, 2007, 18(3): 415-423. DOI:10.3321/j.issn:1001-6791.2007.03.018 |
| [54] |
屈道村, 屈艺. 长潭水库富营养化现状及防治对策[J]. 环境监控与预警, 2011, 3(1): 41-43, 53. Qu D C, Qu Y. Eutrophication situation in Changtan Reservoir and the protection measures[J]. Environmental Monitoring and Forewarning, 2011, 3(1): 41-43, 53. DOI:10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.012 |
| [55] | Zhou Y Q, Zhang Y L, Shi K, et al. Lake Taihu, a large, shallow and eutrophic aquatic ecosystem in China serves as a sink for chromophoric dissolved organic matter[J]. Journal of Great Lakes Research, 2015, 41(2): 597-606. DOI:10.1016/j.jglr.2015.03.027 |
| [56] |
吕伟伟, 姚昕, 张保华. 太湖北部湖区春、冬季节天然有机质的荧光特征及环境意义[J]. 环境科学, 2018, 39(8): 3601-3613. Lü W W, Yao X, Zhang B H. Fluorescence characteristics and environmental significance of organic matter in the northern part of Lake Taihu in spring and winter[J]. Environmental Science, 2018, 39(8): 3601-3613. |
| [57] |
王霞, 刘雷, 何跃, 等. 洪泽湖水体富营养化时空分布特征与影响因素分析[J]. 环境监测管理与技术, 2019, 31(2): 58-61. Wang X, Liu L, He Y, et al. Temporal-spatial distribution characteristics and factor analysis of eutrophication in Hongze Lake[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2019, 31(2): 58-61. DOI:10.3969/j.issn.1006-2009.2019.02.014 |
| [58] |
刘超, 王智源, 张建华, 等. 景观类型与景观格局演变对洪泽湖水质的影响[J]. 环境科学学报, 2021, 41(8): 3302-3311. Liu C, Wang Z Y, Zhang J H, et al. Effects of landscape types and landscape pattern evolution on water quality of Hongze Lake[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2021, 41(8): 3302-3311. |
| [59] |
刘改妮, 辛玮光, 薛祥山, 等. 天长市高邮湖流域水环境问题及治理对策[J]. 环境与可持续发展, 2020, 45(2): 144-150. Liu G N, Xin W G, Xue X S, et al. Water environment problems and countermeasures of Gaoyou Lake basin in Tianchang City[J]. Environment and Sustainable Development, 2020, 45(2): 144-150. |