三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)陸腹地典型水庫(kù)型湖泊——長(zhǎng)壽湖水體溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的光譜學(xué)特征.pdf

1、溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)廣泛存在于天然水體中，是水體有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分。DOM化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對(duì)重金屬、有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)元素等的吸附-解吸、遷移轉(zhuǎn)化和生物活性(毒性)，乃至全球碳循環(huán)及溫室氣體排放均有重要影響，已經(jīng)成為湖泊生態(tài)科學(xué)與環(huán)境污染研究中的熱點(diǎn)。我國(guó)水庫(kù)數(shù)量龐大，截止到到2013年初，僅長(zhǎng)江流域已經(jīng)建成的各類水庫(kù)多達(dá)4.7萬(wàn)座，其中三峽水庫(kù)是長(zhǎng)江高山峽谷蓄水形成的大型調(diào)節(jié)性水庫(kù)，其生態(tài)環(huán)境問(wèn)題一直備受關(guān)注。庫(kù)區(qū)截流筑壩后

2、形成若干個(gè)水庫(kù)型湖泊，湖泊周圍土地利用類型復(fù)雜(農(nóng)田、林地、草地、人工林、居民用地等)，人類活動(dòng)頻繁等因素致使三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)陸腹地水庫(kù)型湖泊的水環(huán)境問(wèn)題不容忽視。庫(kù)水中DOM的變化既是成庫(kù)過(guò)程中各種自然和人為因素綜合作用的結(jié)果，又是水體水質(zhì)變化的重要驅(qū)動(dòng)因素?；诖耍瑸檫M(jìn)一步了解水庫(kù)型湖泊溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的地球化學(xué)特征及為日后DOM水環(huán)境效應(yīng)的深入研究提供數(shù)據(jù)支撐，本研究選取三峽庫(kù)區(qū)重要內(nèi)陸湖泊—長(zhǎng)壽湖為研究對(duì)象，利用三維熒光和紫外-

3、可見光譜，結(jié)合湖區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)與季節(jié)變化，討論了長(zhǎng)壽湖水體中DOM的組成、來(lái)源和時(shí)空分布特征，并通過(guò)雙波長(zhǎng)與三波長(zhǎng)DOM濃度預(yù)測(cè)模型建立了有色溶解性有機(jī)質(zhì)(CDOM)與DOM之間的聯(lián)系。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)長(zhǎng)壽湖DOM的空間分布存在差異性。長(zhǎng)壽湖不同采樣點(diǎn)DOM濃度(包括DOC和CDOM)存在空間分布差異，但各點(diǎn)熒光溶解性有機(jī)質(zhì)(FDOM)分布較為穩(wěn)定?；厮畢^(qū)(S3采樣點(diǎn))出現(xiàn)DOM累積，且DOM芳香性和分子量較低，表明

4、此處水體受陸源輸入影響有限，具有較明顯“內(nèi)源控制”特征；而周邊陸地以人工林兼旅游開發(fā)為主的采樣點(diǎn)(S5)，徑流等陸源輸入帶入較多腐殖化(高芳香性)組分，人為活動(dòng)排放使其類蛋白組分含量升高；入湖區(qū)(S2和S4采樣點(diǎn))盡管周邊果林和居民生活對(duì)水體DOM有一定影響，但上游河流輸入的影響也不容忽視。另外，各采樣點(diǎn)也出現(xiàn)了不受周邊生態(tài)系統(tǒng)影響的獨(dú)立的相關(guān)性特征，例如芳香性特征常數(shù)(SUVA280)和光譜斜率[S(275~295)]呈顯著負(fù)相關(guān)(P

5、＜0.05)、CDOM濃度和FDOM濃度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)、CDOM和S(275~295)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)等。同時(shí)，長(zhǎng)壽湖水體中CDOM的生色團(tuán)主要由具有芳香性結(jié)構(gòu)的大分子組分構(gòu)成；至少51％的CDOM波動(dòng)可以通過(guò)FDOM變化來(lái)進(jìn)行解釋，其中回水區(qū)熒光組分對(duì)CDOM變動(dòng)的影響最為明顯。
　　(2)長(zhǎng)壽湖不同采樣點(diǎn)的DOM來(lái)源及組成受沿岸生態(tài)系統(tǒng)影響。各采樣點(diǎn)樣本DOM三維熒光光譜中均存在2類(類腐殖峰和類蛋白

6、峰)、4種熒光峰(Peak A，Peak C和Peak B，PeakT)。入湖區(qū)(S2和S4)受河流影響較大，陸源輸入明顯，類腐殖峰信號(hào)較強(qiáng)；非入湖區(qū)(S1、S3和S5)受入湖河流影響減弱，內(nèi)源貢獻(xiàn)顯著。對(duì)比于世界其他湖泊，長(zhǎng)壽湖受兩岸不同生態(tài)系統(tǒng)類型以及自身光化學(xué)降解等因素綜合影響，其水體DOM芳香性和分子量較高原湖泊高，較森林湖泊低，自生源特征顯著，但受人為影響程度不及城市型湖泊與農(nóng)田湖泊，進(jìn)一步說(shuō)明沿岸不同土地利用與生態(tài)系統(tǒng)類型是

7、影響水體DOM地化特征的關(guān)鍵因素。
　　(3)長(zhǎng)壽湖DOM的季節(jié)性變化特征存在差異。長(zhǎng)壽湖水體DOM濃度(DOC和FDOM)和葉綠素Chl-a均存在季節(jié)性差異。不同季節(jié)DOC濃度大小順序?yàn)椋捍杭?4月)>秋季(11月)>夏季(7月)>冬季(1月)，其濃度年際變化范圍在4.88~6.45 mg·L-1之間，lgFDOM變化范圍為3.18~3.96，且全年FDOM數(shù)據(jù)與DOC之間呈極顯著正相關(guān)(P＜0.05)，表明DOC是影響FDOM

8、波動(dòng)的主要因素。春夏兩季Chl-a含量明顯高于秋冬兩季，但Chl-a和DOC并不存在相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)。各季節(jié)樣本DOM熒光峰類型與結(jié)論(1)相同，且熒光強(qiáng)度總表現(xiàn)為11月>7月>4月>1月，可以用熒光強(qiáng)度表征FDOM濃度。FI值全年變化范圍在1.58~1.61之間，大于陸源特征值(1.40)但小于內(nèi)源特征值(1.90)，表明 DOM來(lái)源具有內(nèi)外源貢獻(xiàn)的雙重特性，且隨著季節(jié)變化二者對(duì)DOM貢獻(xiàn)比重不同。BIX和HIX值全年變化范圍

9、分別為0.76~0.88和3.10~6.47，二者全年數(shù)據(jù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。冬季水體DOM腐殖化程度最低，自生源特征最明顯；秋季與之相反，陸源輸入較強(qiáng)，腐殖化程度最高，內(nèi)源作用最弱；而春夏兩季處于秋冬兩季的過(guò)渡區(qū)間。陸源輸入(如地表徑流、降雨等)是控制類腐殖組分的主要影響因子之一，而類蛋白組分則與生物代謝的內(nèi)源貢獻(xiàn)有關(guān)，同時(shí)人為排放污水對(duì)內(nèi)源作用的影響也不可忽視。另外，各季度主成分分析結(jié)果分別可以解釋熒光光譜參數(shù)73.57

10、%，71.28%，59.47%，66.13%的變化情況。
　　(4)CDOM和DOC線性相關(guān)性較為復(fù)雜，受時(shí)空分布的影響較大?；?014年全年樣本數(shù)據(jù)(n=131)，利用CDOM特征波長(zhǎng)吸收系數(shù)建立多元線性模型對(duì)DOM濃度進(jìn)行估算，同時(shí)利用隨機(jī)選取的2015年1月~7月水樣(n=38)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途珳?zhǔn)度。擬合結(jié)果顯示，整體上三波長(zhǎng)模型[a(275)、a(295)和a(365)]比雙波長(zhǎng)模型[a(250)和a(365)]更適用于對(duì)本研

11、究中對(duì)DOC濃度進(jìn)行估算；但模型準(zhǔn)確度(RRMSE=29.65%；MRE=23.19%)有限，和我們之前的工作相比準(zhǔn)確度有所降低，其適用性與通用性有限。盡管從三波長(zhǎng)優(yōu)于雙波長(zhǎng)模型，但是整體而言，三波長(zhǎng)模型受DOM的時(shí)空變化特征影響較為明顯，在用于評(píng)價(jià)空間分布特征時(shí)擬合情況明顯要高于評(píng)價(jià)時(shí)間分布特征。此外，利用不同采樣點(diǎn)和不同采樣時(shí)間的DOM樣本數(shù)據(jù)建立的模型準(zhǔn)確度較差(>30%)。未來(lái)可以通過(guò)長(zhǎng)期定位觀測(cè)，進(jìn)一步分析和提高水色模擬模型的