姚 昕,呂偉偉,劉延龍,張保華,高 光

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東平湖CDOM吸收光譜特性及其來源解析

姚 昕1,2,呂偉偉2,劉延龍2,張保華2,高 光1*

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 山東 聊城 252000)

為分析東平湖有色可溶性有機物(CDOM)吸收特性、來源和空間分布的季節(jié)變化,分別于2013年8、12月以及2014年3月采集了35個表層水樣,分析了各基本水質(zhì)參數(shù)、CDOM吸收系數(shù)[(440)]、比吸收系數(shù)[*(440)]和相對分子量參數(shù)值的分布規(guī)律及CDOM吸收系數(shù)與水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系.結(jié)果表明:東平湖CDOM吸收系數(shù)(440)呈現(xiàn)出枯水期>豐水期>平水期的規(guī)律,空間分布與CDOM比吸收系數(shù)[*(440)]相似.值呈現(xiàn)出豐水期<平水期<枯水期的變化趨勢.豐水期CDOM吸收系數(shù)與葉綠素a(Chla)具有顯著相關(guān)關(guān)系;豐、平水期兩季CDOM吸收系數(shù)與DOC存在顯著相關(guān)關(guān)系.豐水期CDOM同時受外源和內(nèi)源輸入的影響,但以內(nèi)源輸入為主,主要來源于浮游植物降解產(chǎn)物;老湖鎮(zhèn)湖區(qū)外源特征明顯.平水期CDOM亦受內(nèi)源和外源輸入的雙重影響,但浮游植物的腐爛降解不是CDOM的主要來源;北部湖區(qū)以外源輸入為主.枯水期CDOM整體表現(xiàn)出較強的自生源特征,但相關(guān)分析顯示,浮游植物降解并不是CDOM的主要來源,自生源特征可能與挖沙活動導(dǎo)致的懸浮物濃度增高有關(guān);東南湖區(qū)因大汶河輸入的影響呈現(xiàn)出較強的外源特征.利用東平湖豐、平水期兩季CDOM濃度反演DOC濃度具有可行性.

東平湖；CDOM；吸收系數(shù)；來源解析

有色可溶性有機物(CDOM)是水體光學(xué)活性物質(zhì)的重要組成部分,是水體中溶解有機物(DOM)中具備帶色光學(xué)性質(zhì)的部分,主要是來自土壤和動植物降解的產(chǎn)物,由腐植酸和富里酸等一系列物質(zhì)組成[1].CDOM對光的衰減作用主要表現(xiàn)為吸收,它的光譜吸收特性與溶解有機碳(DOC)的濃度密切相關(guān),通過對CDOM吸收的測定,有助于了解CDOM的來源及水生生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的過程,在水環(huán)境及水生生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的地位[2].

CDOM因其重要性及其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和來源的復(fù)雜性,一直是生物地球化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一,近年來在內(nèi)陸湖泊中也開展了大量的研究工作.例如,張運林等[3]研究了云南高原湖泊CDOM的吸收特性,發(fā)現(xiàn)不同湖泊水體CDOM含量變化顯著;姜光甲等[4]利用CDOM吸收系數(shù)建立多元線性模型估算了太湖水體表層DOC濃度,并構(gòu)建了湖泊水體DOC濃度的遙感反演模式;陳曉玲等[5]研究了長江中游湖泊CDOM光學(xué)特性及其空間分布差異,發(fā)現(xiàn)CDOM吸收系數(shù)在洪湖最高,梁子湖最低;黃昌春等[6]通過研究太湖CDOM紫外吸收特性及其分子量時空分布特征,發(fā)現(xiàn)太湖不同湖區(qū)CDOM分子量相對大小變化顯著.有研究表明,波長250nm和365nm處的吸收系數(shù)比值(250)/(365)能夠較好的追蹤CDOM相對分子量的大小[7],而波長465nm和665nm處的吸收系數(shù)比值(465)/(665)可以用來反演與CDOM相關(guān)的芳香烴化合物[8],由此可見,紫外線(UVR)波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)包含了CDOM分子結(jié)構(gòu)和組成等信息;目前已有較多工作基于UVR波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)對CDOM的分子結(jié)構(gòu)和組成進行表征,而關(guān)于東平湖CDOM吸收特性的研究較少報道.

東平湖作為黃河下游水域面積第二大的淡水湖泊,是南水北調(diào)東線工程以及山東省西水東送工程的主要調(diào)蓄湖之一,近年來,東平湖水體富營養(yǎng)化及有機污染較為嚴重[9].本研究根據(jù)3期東平湖水體的水質(zhì)參數(shù)和光學(xué)參數(shù),對不同時期東平湖水體CDOM吸收特征及來源進行分析,以期為東平湖水質(zhì)污染的治理和遙感監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 野外樣品的采集

分別于2013年8月18~20日(豐水期,A)、2013年12月1~3日(平水期,B)和2014年3月9~11日(枯水期,C)對東平湖進行3次采樣,期間使用GPS定位系統(tǒng)對采樣點進行精確定位,由于東平湖中水生生物、漁網(wǎng)的分布以及采砂船作業(yè)的影響,3次采樣的采樣點位置略有差別(圖1).3次調(diào)查采樣分別設(shè)置了35個采樣點進行水樣采集(圖1),使用處理后的采樣瓶采集約500mL水樣并立即置于保溫箱中用冰塊低溫保存,并于采樣結(jié)束后直接送與中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所光學(xué)實驗室進行過濾預(yù)處理,然后放入冰箱內(nèi)冷藏、冷凍保存.其余水質(zhì)參數(shù)如CDOM吸收系數(shù)、溶解性有機碳(DOC)、化學(xué)需氧量(COD)、葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)均控制在采樣結(jié)束后的2~3d內(nèi)測定完成.

圖1 東平湖采樣點示意

1.2 CDOM吸收系數(shù)與其他水質(zhì)參數(shù)的測定

全部水樣經(jīng)0.2mm孔徑的Millipore濾膜過濾后低溫保存,吸收系數(shù)[()]的測定以超純水作參考水樣,采用UV-2450PC型分光光度計在240~800nm波長范圍內(nèi)測定吸光度,然后根據(jù)(1)式計算CDOM吸收系數(shù),再根據(jù)(2)式對計算結(jié)果進行散射效應(yīng)的校正,得到校正后的吸收系數(shù)[10].

[￠()]=2.303′[()]/(1)

[()]=[￠()]-[￠(700)]′/700 (2)

式中:()為波長下的吸收系數(shù),m-1;[￠()]為波長下的未校正吸收系數(shù),m-1;為波長,nm;[()]為吸光度;為光程路徑,m.

由于CDOM組分復(fù)雜,其濃度無法直接測定,常用280,350,440nm波長處的吸收系數(shù)表征其相對濃度[11-13],吸收系數(shù)越大,表示CDOM濃度越高.姚昕等[14]研究表明,東平湖水體CDOM在440nm波長處的吸收系數(shù)可以較好的表征其濃度,故本研究采用CDOM在440nm的吸收系數(shù)[(440)]來表示CDOM濃度.

將水樣經(jīng)灼燒過的Whatman GF/F膜過濾后于TOC分析儀(TOC-L CN200,島津)測定DOC濃度(mg/L);COD采用高錳酸鹽法測定[15];采用分光光度法測定Chla濃度,堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN濃度,鉬酸銨分光光度法測定TP濃度;具體測定方法參考標準方法[16].

1.3 CDOM吸收光譜特征值的計算

CDOM的光譜特征與DOM的組分和濃度緊密相關(guān),通過式(3)可以將CDOM吸收系數(shù)標準化,表征單位DOC濃度的CDOM對光的吸收能力[17]:

[*()]=[()]/[DOC] (3)

式(3)中,[*()]和[()]分別表示為波長在處的CDOM比吸收系數(shù)和吸收系數(shù),單位分別為L/(mg C·m)和m-1.

CDOM分子量參數(shù)值與CDOM分子量的大小成反比,值為250,365nm波長處吸收系數(shù)的比值[2,18],即:

=(250)/(365) (4)

1.4 分析與統(tǒng)計

半變異函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)中特有的工具,是地統(tǒng)計學(xué)分析的基礎(chǔ),變異函數(shù)是研究空間變異的關(guān)鍵函數(shù)[19],公式為:

式中:(,)為半變異函數(shù)值;()為區(qū)域化變量在處的值;(+)為距離點處的值.由于采樣點往往是離散的,半變異函數(shù)很難直接求得,一般是在選定半變異函數(shù)理論模型(如球狀模型)之后,擬合實驗半變異函數(shù)值,求解理論模型的參數(shù),如塊金值(C0)、偏基臺值(C)和變程(a)[19],實驗半變異函數(shù)公式為:

式中:為兩采樣點之間的步長,即采樣點之間的間隔距離;()為間隔的樣本對數(shù);Z(x)為某一個隨機采樣點的實測值.

在最優(yōu)擬合模型的選取中,主要根據(jù)模型擬合參數(shù)中的標準平均值(ME)最接近于0、平均標準誤差(ASE)與均方根誤差(RMS)最為接近以及標準方根預(yù)測誤差(RMSS)最接近于1來判別.半變異函數(shù)的最優(yōu)擬合模型確定后,其模型參數(shù)具有重要意義,0表示隨機性變異的大小,表示結(jié)構(gòu)性變異的大小,表示變量存在空間相關(guān)性的范圍,而基臺值(0+)表示總體變異程度的大小,通過塊金系數(shù)0/(0+)可以表示隨機性變異占總變異的大小,一般認為當0/(0+)<0.25時,表明其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響,在0.25至0.75之間時,表明其空間變異受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的共同作用,>0.75時,表明變量在該區(qū)域內(nèi)主要受隨機性因素影響[20-21].其主要含義如表1所示.

表1 塊金系數(shù)C0/(C0+C)示意

在對數(shù)據(jù)的處理分析中,使用ArcGIS 10.2中地統(tǒng)計分析模塊(Geostatistical Analyst)統(tǒng)計分析[(440)],并制圖;利用SPSS 24.0軟件對所測數(shù)據(jù)進行描述性分析、單因素方差分析以及相關(guān)性分析.>0.05是未達到顯著檢驗水平,0.01<<0.05是顯著水平,<0.01是極其顯著水平.3次調(diào)查采樣的水季劃分:2013年8月為豐水期(A),2013年12月為平水期(B),2014年3月為枯水期(C),枯水期去除異常值表示為*.

2 結(jié)果與分析

2.1 東平湖基本水質(zhì)參數(shù)

通過對3次調(diào)查采樣的基本水質(zhì)參數(shù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)各時期的基本水質(zhì)參數(shù)變化的范圍較大,說明東平湖存在著顯著的時空差異性.在豐、平兩季,東平湖TN分別為0.79~4.38mg/L、0.39~ 0.65mg/L,平均 (2.96±1.06),(0.52±0.78)mg/L,而TP分別為0.04~0.17mg/L、0.01~0.09mg/L,平均(0.07± 0.02),(0.03±0.16)mg/L,不同季節(jié)的東平湖水質(zhì)在Ⅲ至Ⅳ類[22].Chla的濃度隨季節(jié)變化的波動較為明顯,豐水期Chla濃度均值 (51.80±18.15)mg/L,而平水期深秋和枯水期初春的Chla濃度均值分別僅為(6.43±2.47), (2.18±1.15)mg/L.在豐水期Chla的較高值主要位于北部湖區(qū)的6~9號點,較小值均位于東南湖區(qū)的12、29~32號點,呈現(xiàn)出由北部湖區(qū)至南部大安山村沿岸向東南湖區(qū)遞減的趨勢;平水期Chla的較高值位于東北部老湖鎮(zhèn)沿岸的1~2、17號點以及位于湖心島附近的32~35號點,呈現(xiàn)出由老湖鎮(zhèn)沿岸至湖心島向北部以及東南部遞減的趨勢;枯水期Chla的較大值位于北部湖區(qū)昆山沿岸的19~22號點,呈現(xiàn)出由昆山沿岸向兩側(cè)遞減的趨勢.參照Chla富營養(yǎng)化分級標準[23],東平湖在豐水期處于中富-富營養(yǎng)化水平,而在平水期與枯水期處于中營養(yǎng)-輕富營養(yǎng)化水平.

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),豐水期和平水期DOC與COD之間具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(決定系數(shù)分別為0.791,0.812,<0.01),說明其兩者具有相似的空間分布特征.豐水期DOC與COD的均值分別為(3.79±0.30),(6.94±0.83)mg/L,均呈現(xiàn)出由老湖鎮(zhèn)沿岸向西南遞減的趨勢;平水期DOC與COD的均值分別為(4.17±0.58),(3.48±0.77)mg/L,均呈現(xiàn)出北部昆山沿岸、湖心島附近以及大汶河入湖口附近濃度較高,東南沿岸濃度較低的分布趨勢;而枯水期DOC的均值為(4.03±0.10)mg/L,較大值出現(xiàn)在湖心島附近以及東南湖區(qū)的29~33號點附近,較低值則分布在大汶河北部入湖口附近的10~12號點,呈現(xiàn)出湖心及西南部湖區(qū)濃度較高,北部出湖口及大汶河入湖口附近濃度較低的分布趨勢,枯水期COD的均值為(3.09±0.21)mg/L,較低值位于大汶河北部入湖口至東平湖西岸的條帶狀區(qū)域附近的8~10、21~25號點,呈現(xiàn)出由此區(qū)域向南北兩側(cè)遞增的分布趨勢.

2.2 CDOM光譜吸收特征

如表2所示,豐、平、枯3期[(440)]分別為0.54~ 0.89m-1、0.28~1.27m-1和0.25~14.82m-1,均值分別(0.66±0.09),(0.41±0.18),(1.15±3.13)m-1;枯水期CDOM吸收系數(shù)取值較高的原因是存在4個異常值(位于西南湖區(qū)),剔除異常值后,3期東平湖各采樣點的CDOM吸收光譜趨勢均呈現(xiàn)出高度的一致性,在700nm之后基本為0,在短波波段(280~500nm)呈指數(shù)上升的趨勢(圖2).

對比分析3個時期的CDOM吸收光譜(280~ 500nm)發(fā)現(xiàn),東平湖的CDOM吸收系數(shù)存在著顯著的差異性(圖2、圖3、表2),枯水期的值最高,豐水期次之,而平水期的值最小.由圖3可知,豐水期[(440)]的較高值位于老湖鎮(zhèn)沿岸的1號點以及大汶河北部入湖口附近的15~17號點附近,最低值則位于湖西岸的30號點附近,呈現(xiàn)出由大汶河北部入湖口以及老湖鎮(zhèn)沿岸向西南岸遞減的趨勢;平水期[(440)]的較高值位于北部湖區(qū)的3~8號點附近,最小值位于南部湖區(qū)的29號點,呈現(xiàn)出由北部湖區(qū)向南部湖區(qū)遞減的趨勢;枯水期[(440)]的較高值位于西南湖區(qū)的16、31~33號點,最小值位于南部湖心的29號點,呈現(xiàn)出西南沿岸有機物濃度最高,大汶河入湖口附近以及北部出湖口附近次之,東平湖由南至北的主要航道區(qū)域最低的分布趨勢.

表2 東平湖豐(A)、平(B)、枯(C)期[a(440)]、[a*(440)]、M值描述性統(tǒng)計

CDOM比吸收系數(shù)[*()]可以表征CDOM對光的吸收能力,通過對[*()]空間分布的差異可區(qū)分CDOM來源和類型[24].由表2可知,東平湖豐、平和枯水期[*(440)]的均值分別為(0.17±0.02),(0.10± 0.04),(0.28±0.74)[L/(mgC·m)].從圖3來看,3期[*(440)]與[(440)]均具有相似的空間分布,分別對兩者進行相關(guān)性分析(表3),發(fā)現(xiàn)[*(440)]與[(440)]存在極顯著的正相關(guān)性(<0.01),這與前人的[17,25]研究結(jié)果一致,較高的CDOM吸收系數(shù)對應(yīng)著較高的CDOM比吸收系數(shù).在剔除枯水期西南湖區(qū)的4個異常值后,通過單因素方差分析(ANOVA),豐水期和平水期[*(440)]之間存在極顯著差異性(<0.01),平水期和枯水期[*(440)]之間相互之間存在著顯著差異性(<0.05),說明在把枯水期西南湖區(qū)的異常值剔除后,豐水期、平水期和枯水期的CDOM來源存在顯著差異.

圖2 東平湖豐(A)、平(B)、枯(C)水期CDOM光譜吸收系數(shù)

圖3 東平湖豐、平、枯水期[a(440)]和[a*(440)]空間分布

2.3 M值對CDOM組成和來源的指示意義

值可以較好的反映出CDOM分子量的大小,其值越小,分子量越大[2].由表2可知,豐水期、平水期及枯水期值均值分別為8.10±0.44、9.97±0.87和11.27±2.71,豐水期<平水期<枯水期,表明3期CDOM分子量為豐水期>平水期>枯水期,與前人研究的結(jié)果類似[18],這主要是由于CDOM分子量的大小與其內(nèi)部腐殖酸含量呈正比,豐水期湖泊中生物種類和數(shù)量眾多,尤其是浮游植物的數(shù)量顯著大于平水期與枯水期,加之河流攜帶的有機成分較多,導(dǎo)致湖泊內(nèi)腐殖化程度較高.通過對值與[(440)]相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表3),3期的值與[(440)]均具有顯著的負相關(guān)關(guān)系,說明在豐水期受大汶河及陸源徑流注入的影響,CDOM分子量由老湖鎮(zhèn)沿岸向西南呈現(xiàn)出遞減的趨勢,在平水期CDOM分子量由北部臘山碼頭附近向南呈現(xiàn)出遞減的趨勢,枯水期在西南湖區(qū)的分子量較大,受大汶河注入的影響在東南部水域分子量次之,而在湖心島附近的分子量最小.

表3 [a(440)]與DOC、COD、Chla、TN、TP、[a*(440)]相關(guān)系數(shù)

注:*表示<0.05;**表示<0.01;-表示無數(shù)據(jù).

3 討論

3.1 CDOM可能來源途徑

湖泊CDOM的來源主要可分為陸源和生物源,也可分為外源和內(nèi)源.其中,陸源多來自流域土壤、森林或動植物殘體以及人類活動造成有機質(zhì)的輸入,表現(xiàn)為類腐殖質(zhì)物質(zhì)占主要成分[26].生物源則主要由沉水植物、藻類、細菌及微生物等的降解和分泌物產(chǎn)生,表現(xiàn)為類蛋白物質(zhì)占主要成分[27].

地統(tǒng)計學(xué)法通常用來研究和表征空間變量的來源及不同來源對空間變量的相對貢獻率.地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ),以半方差函數(shù)為計算基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)方法,表示空間變量的變異性,空間變量的變異性一般包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機性變異,結(jié)構(gòu)性變異是指由湖泊水文狀況、湖泊底泥、土壤等因素引起的變異,隨機性變異是指由圍網(wǎng)養(yǎng)殖、徑流注入、人工挖沙等人類活動引起的變異[28].其中,塊金系數(shù)0/(0+)可以表示隨機性變異占總變異的大小.

在地統(tǒng)計分析中,因克里金插值法要求數(shù)據(jù)需要滿足正態(tài)分布才能正確、合理的對空間采樣數(shù)據(jù)進行變異函數(shù)的建模[29],故對枯水期的數(shù)據(jù)進行一定的預(yù)處理.在剔除枯水期位于西南部湖區(qū)的16、31~33號異常值之后,3期數(shù)據(jù)均可通過S-W正態(tài)性檢驗[30],并且模型中的變程()范圍均大于實際采樣點之間的平均間距1.5~2km,表明采樣數(shù)據(jù)具有代表性,可以進行變異特征的分析,各模型參數(shù)如表4所示.通過半變異函數(shù)分析得出豐水期和平水期的塊金系數(shù)0/(0+)分別為0.30和0.38,表明豐水期的全部水域、平水期絕大部分水域的[(440)]空間分布的變異特征主要是受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同影響,即受到內(nèi)源輸入和外源輸入的雙重影響; 枯水期塊金系數(shù)為0.10,說明枯水期CDOM主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響,即以內(nèi)源輸入為主.

表4 東平湖豐(A)、平(B)、枯(C)期[a(440)]半變異函數(shù)模型及擬合參數(shù)

研究表明, [(440)]與葉綠素a存在正相關(guān)關(guān)系,說明CDOM主要來源于浮游植物降解產(chǎn)物[17].李典寶等[31]在研究上海地區(qū)不同河道CDOM光譜吸收特征時發(fā)現(xiàn),(335)處的吸收系數(shù)與Chla無顯著相關(guān)性,認為上海生態(tài)治理河道CDOM的主要來源不是水體中浮游植物的降解產(chǎn)物,而可能是源于徑流、城鎮(zhèn)居民和工業(yè)污水等陸源.本研究中,豐水期[(440)]與Chla呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明豐水期CDOM主要來源于浮游植物降解產(chǎn)物,與張運林等[24]夏季在梅梁灣研究得出結(jié)論一致.平水期和枯水期[(440)]與Chla均無相關(guān)關(guān)系,這意味著平水期和枯水期CDOM主要來源不是水體中浮游植物的腐爛降解.

CDOM分子量的相對大小可以用250與365nm處吸收系數(shù)的比值來表征,該值反映了腐殖酸、富里酸在CDOM中所占的比例,CDOM的分子量相對越大,則值越小,腐殖酸所占的比例越高[32-33].陸源性物質(zhì)輸入往往使腐殖酸的比例偏大[24,34].本研究中,豐水期CDOM分子量的空間分布模式與[(440)]的空間分布類似,均由老湖鎮(zhèn)沿岸向西南呈現(xiàn)遞減的趨勢,說明老湖鎮(zhèn)CDOM組成趨向于腐殖酸大分子物質(zhì),該區(qū)域CDOM主要受老湖鎮(zhèn)城鎮(zhèn)居民和工業(yè)污水等陸源影響.平水期CDOM分子量由北部臘山碼頭附近向南呈現(xiàn)出遞減的趨勢,表明北部湖區(qū)CDOM組成以腐殖酸大分子物質(zhì)為主,這可能與東平湖北部湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖及旅游區(qū)污水排放有關(guān).枯水期CDOM分子量呈現(xiàn)由東南湖區(qū)向整個湖區(qū)遞減的趨勢,東南湖區(qū)CDOM組成趨向于腐殖酸大分子物質(zhì),這可能與大汶河的外源輸入有關(guān).

綜上所述,豐水期CDOM同時受外源和內(nèi)源輸入的影響,但以內(nèi)源輸入為主,主要來源于浮游植物降解產(chǎn)物;老湖鎮(zhèn)湖區(qū)外源特征明顯.

平水期CDOM亦受內(nèi)源和外源輸入的雙重影響,但浮游植物的腐爛降解不是CDOM的主要來源;北部湖區(qū)以外源輸入為主.枯水期CDOM整體表現(xiàn)出較強的自生源特征,但相關(guān)分析顯示浮游植物降解并不是CDOM的主要來源,猜測其自生源特征可能與挖沙活動導(dǎo)致的懸浮物濃度增高有關(guān);東南湖區(qū)因大汶河輸入的影響呈現(xiàn)出較強的外源特征.

3.2 CDOM吸收系數(shù)與DOC的關(guān)系

DOC是以碳含量表示水體中有機物含量的指標[35].CDOM是DOC的組成部分,主要由腐殖酸和棕黃酸組成,在紫外和可見光波段對太陽光有強烈的吸收作用,其吸收系數(shù)隨波長呈指數(shù)型遞減[4].研究表明,CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系;Blough等[36]對沿海環(huán)境中CDOM的研究表明,CDOM代表了DOM中能強烈吸收紫外輻射的光敏成分,其吸收系數(shù)與DOC濃度呈顯著正相關(guān);馮龍慶等[37]研究發(fā)現(xiàn)太湖CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度的相關(guān)系數(shù)為0.69;方開凱等[2]對淮河流域周村水庫夏季CDOM吸收光譜特征的研究表明,CDOM吸收系數(shù)(355)與溶解性有機碳濃度具有良好的線性相關(guān),有利于建立DOC遙感反演模型.

本研究中,東平湖豐水期和平水期CDOM吸收系數(shù)與DOC均存在顯著甚至極顯著相關(guān)關(guān)系,因此本研究認為,通過遙感探測豐水期和平水期東平湖CDOM濃度反演DOC濃度具有可行性.但是Rochelle-Newalle等[38]認為,DOC來源不同會影響CDOM的光譜特征,通常認為由河流攜帶的陸源DOC含有更多的類腐殖酸DOC,而浮游植物新陳代謝及降解產(chǎn)生的DOC含更多的類氨基酸DOC.姜光甲等[4]利用CDOM吸收系數(shù)估算太湖水體表層DOC濃度時發(fā)現(xiàn),除2010年5月外,CDOM在250nm和365nm處的吸收系數(shù)與DOC濃度之間的相關(guān)性都比較差,主要與溶解性有機物的源和匯有關(guān).

本研究中,枯水期CDOM吸收系數(shù)(剔除異常值)與DOC的相關(guān)性比較差,可能與東平湖枯水期CDOM來源有關(guān);枯水期CDOM整體表現(xiàn)出較強的自生源特征,但相關(guān)分析顯示浮游植物降解并不是CDOM的主要來源,猜測其自生源特征可能與挖沙活動導(dǎo)致的懸浮物濃度增高有關(guān);湖底CDOM的再懸浮對水體表層CDOM濃度的貢獻較大,導(dǎo)致多年沉積CDOM與表層DOC的相關(guān)性較差;張運林等[7]對大太湖夏季和冬季CDOM吸收光譜特征及可能來源分析中亦得出類似的結(jié)論.

因此,CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度反演關(guān)系的應(yīng)用應(yīng)建立在CDOM在DOC中所占比例恒定而且針對特定的區(qū)域和季節(jié)基礎(chǔ)上.本研究中,東平湖豐、平水期兩季CDOM濃度反演DOC濃度具有可行性.

4 結(jié)論

4.1 豐水期CDOM同時受外源和內(nèi)源輸入的影響,但以內(nèi)源輸入為主,主要來源于浮游植物降解產(chǎn)物;老湖鎮(zhèn)湖區(qū)外源特征明顯.平水期CDOM亦受內(nèi)源和外源輸入的雙重影響,但浮游植物的腐爛降解不是CDOM的主要來源;北部湖區(qū)以外源輸入為主.枯水期CDOM整體表現(xiàn)出較強的自生源特征,但相關(guān)分析顯示浮游植物降解并不是CDOM的主要來源,猜測其自生源特征可能與挖沙活動導(dǎo)致的懸浮物濃度增高有關(guān);東南湖區(qū)因大汶河輸入的影響呈現(xiàn)出較強的外源特征.

4.2 CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度反演關(guān)系的應(yīng)用應(yīng)建立在CDOM在DOC中所占比例恒定而且針對特定的區(qū)域和季節(jié)基礎(chǔ)上.本研究中,東平湖豐、平水期兩季CDOM濃度反演DOC濃度具有可行性.

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Absorption characteristics and source analysis of the CDOM in Dongping Lake.

YAO Xin1,2, Lü Wei-wei2,LIU Yan-long2, ZHANG Bao-hua2, GAO Guang1*

(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.School of Environment and Planning, University of Liaocheng, Liaocheng 252000, China)., 2018,38(8)：3079~3086

To investigate the chromophoric dissolved organic matter (CDOM) absorption characteristics, sources and spatial-temporal patterns in Dongping Lake, 35surface water samples were collected in August and December of 2013 and March of 2014, respectively. The water quality parameters, spatial distribution of the CDOM absorption coefficient at 440nm, carbon-specific CDOM absorption coefficient [*(440)], the value of relative molecular size, as well as the relationships between the CDOM and water quality parameters were studied. The [(440)] exhibited that the seasonal pattern was dry season > wet season > level period. The spatial distributions were similar to that of [*(440)]. The value of relative molecular sizeexhibited that the seasonal pattern followed: dry season > level period > wet season. Significant correlation was found between the CDOM absorption coefficient and Chla in wet period. The correlation between CDOM absorption coefficient and DOC in both wet season and level period is also significant. In wet season, the CDOM was affected by both exogenous and endogenous inputs and endogenous input dominanted the CDOM pool, which mainly came from phytoplankton degradation products. The exogenous characteristics in the area of Laohu Town were obvious. In level period, the CDOM was affected by both exogenous and endogenous inputs, however, the degradation of phytoplankton was not the main source of the CDOM. The CDOM in the Northern lake was dominanted by exogenous input. In dry season, the CDOM was mainly affected by endogenous input, and the degradation of phytoplankton was not the main source of the CDOM. It was speculated that its autogenetic characteristics may be related to the increase of suspended matter caused by dredging activities. The Southeast lake showed strong exogenous characteristics which was influenced by Dawen River. Inferring the concentration of DOC by the CDOM concentration was somehow feasible in the wet season and level period in Dongping Lake.

Dongping Lake；chromophoric dissolved organic matter；absorption coefficients；source analysis

X524

A

1000-6923(2018)08-3079-08

姚 昕(1982-),女,山東聊城人,副教授,主要研究方向為水體天然有機質(zhì)運移規(guī)律.發(fā)表論文10余篇.

2018-01-05

國家自然科學(xué)基金項目(41301544);中國博士后科研基金項目(2015M571831);山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2012DQ003)

* 責(zé)任作者, 研究員, gaoguang@niglas.ac.cn