三峡库区内陆腹地典型水库型湖泊——长寿湖水体溶解性有机质(DOM)的光谱学特征

摘要

溶解性有机质(DOM)广泛存在于天然水体中，是水体有机质中最活跃的部分。DOM化学组成与结构十分复杂，对重金属、有机污染物、营养元素等的吸附-解吸、迁移转化和生物活性(毒性)，乃至全球碳循环及温室气体排放均有重要影响，已经成为湖泊生态科学与环境污染研究中的热点。我国水库数量庞大，截止到到2013年初，仅长江流域已经建成的各类水库多达4.7万座，其中三峡水库是长江高山峡谷蓄水形成的大型调节性水库，其生态环境问题一直备受关注。库区截流筑坝后形成若干个水库型湖泊，湖泊周围土地利用类型复杂(农田、林地、草地、人工林、居民用地等)，人类活动频繁等因素致使三峡库区内陆腹地水库型湖泊的水环境问题不容忽视。库水中DOM的变化既是成库过程中各种自然和人为因素综合作用的结果，又是水体水质变化的重要驱动因素。基于此，为进一步了解水库型湖泊溶解性有机质(DOM)的地球化学特征及为日后DOM水环境效应的深入研究提供数据支撑，本研究选取三峡库区重要内陆湖泊—长寿湖为研究对象，利用三维荧光和紫外-可见光谱，结合湖区周边生态系统与季节变化，讨论了长寿湖水体中DOM的组成、来源和时空分布特征，并通过双波长与三波长DOM浓度预测模型建立了有色溶解性有机质(CDOM)与DOM之间的联系。主要研究结果如下：
　　(1)长寿湖DOM的空间分布存在差异性。长寿湖不同采样点DOM浓度(包括DOC和CDOM)存在空间分布差异，但各点荧光溶解性有机质(FDOM)分布较为稳定。回水区(S3采样点)出现DOM累积，且DOM芳香性和分子量较低，表明此处水体受陆源输入影响有限，具有较明显“内源控制”特征；而周边陆地以人工林兼旅游开发为主的采样点(S5)，径流等陆源输入带入较多腐殖化(高芳香性)组分，人为活动排放使其类蛋白组分含量升高；入湖区(S2和S4采样点)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)]呈显著负相关(P＜0.05)、CDOM浓度和FDOM浓度呈显著正相关(P＜0.05)、CDOM和S(275~295)呈显著负相关(P＜0.05)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。
　　(2)长寿湖不同采样点的DOM来源及组成受沿岸生态系统影响。各采样点样本DOM三维荧光光谱中均存在2类(类腐殖峰和类蛋白峰)、4种荧光峰(Peak A，Peak C和Peak B，PeakT)。入湖区(S2和S4)受河流影响较大，陆源输入明显，类腐殖峰信号较强；非入湖区(S1、S3和S5)受入湖河流影响减弱，内源贡献显著。对比于世界其他湖泊，长寿湖受两岸不同生态系统类型以及自身光化学降解等因素综合影响，其水体DOM芳香性和分子量较高原湖泊高，较森林湖泊低，自生源特征显著，但受人为影响程度不及城市型湖泊与农田湖泊，进一步说明沿岸不同土地利用与生态系统类型是影响水体DOM地化特征的关键因素。
　　(3)长寿湖DOM的季节性变化特征存在差异。长寿湖水体DOM浓度(DOC和FDOM)和叶绿素Chl-a均存在季节性差异。不同季节DOC浓度大小顺序为：春季(4月)>秋季(11月)>夏季(7月)>冬季(1月)，其浓度年际变化范围在4.88~6.45 mg·L-1之间，lgFDOM变化范围为3.18~3.96，且全年FDOM数据与DOC之间呈极显著正相关(P＜0.05)，表明DOC是影响FDOM波动的主要因素。春夏两季Chl-a含量明显高于秋冬两季，但Chl-a和DOC并不存在相关关系(P＞0.05)。各季节样本DOM荧光峰类型与结论(1)相同，且荧光强度总表现为11月>7月>4月>1月，可以用荧光强度表征FDOM浓度。FI值全年变化范围在1.58~1.61之间，大于陆源特征值(1.40)但小于内源特征值(1.90)，表明 DOM来源具有内外源贡献的双重特性，且随着季节变化二者对DOM贡献比重不同。BIX和HIX值全年变化范围分别为0.76~0.88和3.10~6.47，二者全年数据呈极显著负相关(P＜0.05)。冬季水体DOM腐殖化程度最低，自生源特征最明显；秋季与之相反，陆源输入较强，腐殖化程度最高，内源作用最弱；而春夏两季处于秋冬两季的过渡区间。陆源输入(如地表径流、降雨等)是控制类腐殖组分的主要影响因子之一，而类蛋白组分则与生物代谢的内源贡献有关，同时人为排放污水对内源作用的影响也不可忽视。另外，各季度主成分分析结果分别可以解释荧光光谱参数73.57%，71.28%，59.47%，66.13%的变化情况。
　　(4)CDOM和DOC线性相关性较为复杂，受时空分布的影响较大。基于2014年全年样本数据(n=131)，利用CDOM特征波长吸收系数建立多元线性模型对DOM浓度进行估算，同时利用随机选取的2015年1月~7月水样(n=38)检验模型精准度。拟合结果显示，整体上三波长模型[a(275)、a(295)和a(365)]比双波长模型[a(250)和a(365)]更适用于对本研究中对DOC浓度进行估算；但模型准确度(RRMSE=29.65%；MRE=23.19%)有限，和我们之前的工作相比准确度有所降低，其适用性与通用性有限。尽管从三波长优于双波长模型，但是整体而言，三波长模型受DOM的时空变化特征影响较为明显，在用于评价空间分布特征时拟合情况明显要高于评价时间分布特征。此外，利用不同采样点和不同采样时间的DOM样本数据建立的模型准确度较差(>30%)。未来可以通过长期定位观测，进一步分析和提高水色模拟模型的准确度。
　　综上，通过1年的定位观测，利用DOM的光谱特征，初步探究了三峡库区内陆腹地湖泊-长寿湖中DOM的时空变化情况。本课题组将在接下来的研究中进一步结合DOM的地球化学特征变化，开展环境污染物环境行为的野外观测和实验室机理试验研究，这将有助于丰富和了解内陆水体DOM在湖泊生态安全中的重要作用，对深入了解DOM在库区内陆及库区水体中的生态环境角色和作用具有十分重要的意义和价值。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1溶解性有机质简介

1.2水环境中的溶解性有机质

1.3溶解性有机质的表征方法

1.4有色溶解性有机质概述

1.5三峡库区内陆湖泊水体DOM研究进展

第2章 引 言

2.1 研究背景

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 技术路线

第3章 材料与方法

3.1 研究区域概述与样本采集

3.2 试验方法

3.3 数据处理与分析

第4章 长寿湖沿岸不同生态系统水体DOM的光谱特征 1

4.1 不同采样地点水体DOM浓度

4.2 不同采样地点水体DOM吸收光谱特征

4.3 不同采样地点水体DOM荧光光谱特征

4.4 长寿湖水体DOM与世界其他各大湖泊比较

第5章 长寿湖水体DOM荧光光谱季节性变化特征

5.1 不同季节水体DOC、FDOM和Chl-a

5.2 不同季节水体DOM荧光峰变化特征

5.3 不同季节水体DOM荧光参数比较

5.4 主成分分析

第6章 利用紫外可见吸收光谱吸收系数估算长寿湖水体

6.1 a(365)、a*(365) 、DOC和aR的时空分布

6.2双波长模型

6.3三波长模型

6.4模型验证与评价

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间参与的课题及发表论文情况

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