石 玉,李元鵬,張柳青,郭燕妮,周 蕾,3,周永強(qiáng),3 ,張運(yùn)林,3,黃昌春

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (2：南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023) (3：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

以湖泊和水庫(kù)為主的內(nèi)陸水域可以運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存來(lái)自土壤圈和大氣圈中的碳，其生物地球化學(xué)過(guò)程和湖庫(kù)碳通量在全球碳循環(huán)和全球氣候變化匯中起著關(guān)鍵的作用[1]. 有色可溶性有機(jī)物(CDOM)是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳賦存形式之一，在生物地球化學(xué)中起著非常重要的作用[2-3]. CDOM可以改變水體的光學(xué)特性，緩解紫外線對(duì)水生生物的有害影響，有效提高水生植物的初級(jí)生產(chǎn)力[4]，影響溫室氣體的排放[3]和水體中溶解的養(yǎng)分和重金屬的遷移轉(zhuǎn)化[5-6]. CDOM光吸收主要受到CDOM來(lái)源的影響，外源包括隨著河流或者地下水從陸地運(yùn)移到湖泊的陸源有機(jī)質(zhì)以及生產(chǎn)生活污水，內(nèi)源包括浮游植物的胞外滲出液、微生物作用后產(chǎn)物、浮游動(dòng)植物的代謝及死亡產(chǎn)物[7-8]. 高濃度的CDOM會(huì)影響人類(lèi)飲用水的處理工藝，產(chǎn)生難聞氣味和致癌物質(zhì)，進(jìn)而影響人類(lèi)健康[9]. 其中，天然水體的激發(fā)-發(fā)射矩陣熒光光譜(EEMs)測(cè)定是一種簡(jiǎn)單而有效地鑒定CDOM光學(xué)組分的技術(shù)，能夠有效地揭示CDOM的結(jié)構(gòu)，從而可以進(jìn)一步揭示CDOM的來(lái)源與內(nèi)部機(jī)理[2,10].

長(zhǎng)江流域湖泊星羅棋布，流域內(nèi)不同湖泊因?yàn)槠渥陨淼奶匦韵嗷ブg也會(huì)表現(xiàn)出明顯的相似性，在一定程度上也呈現(xiàn)出這一類(lèi)型湖泊的一致性[11-12]. 此外，長(zhǎng)江中下游作為中國(guó)最強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心之一，人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)湖泊的發(fā)生和演變也起著越來(lái)越重要的影響，因此在湖泊的多樣性中尋求湖泊的相似性顯得尤為重要. 鄱陽(yáng)湖、洞庭湖是長(zhǎng)江中下游地區(qū)兩個(gè)大型通江湖泊，具有換水周期短、豐枯季節(jié)湖-河相轉(zhuǎn)化快等特點(diǎn)，之前有研究表明鄱陽(yáng)湖與洞庭湖營(yíng)養(yǎng)化程度輕于長(zhǎng)江下游湖泊群，并且鄱陽(yáng)湖CDOM結(jié)構(gòu)的時(shí)空差異顯著[13-15]，然而目前對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)非通江湖泊群落的研究比較空缺，并且主要集中在太湖[16-17]. 非通江湖泊的湖水運(yùn)動(dòng)與自然通江湖泊相比更為緩慢，并且該類(lèi)湖泊周邊港汊與閘壩繁多，水流宣泄不暢，魚(yú)蟹養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)[18]，集水區(qū)人類(lèi)產(chǎn)生的污染物質(zhì)進(jìn)入水域會(huì)不斷累積，因此對(duì)治理工作也造成了一定的困難. 本文擬選取長(zhǎng)江三角洲三個(gè)重要的中型淺水非通江湖泊——滆湖、淀山湖及陽(yáng)澄湖，探討3個(gè)湖泊的CDOM來(lái)源、組成及時(shí)空分布特征，以期填補(bǔ)國(guó)內(nèi)關(guān)于大型沖積平原地區(qū)受人類(lèi)干擾強(qiáng)度大的非通江湖泊群CDOM循環(huán)研究的空白，為湖區(qū)養(yǎng)殖和人類(lèi)生產(chǎn)生活用水提供更為有利的環(huán)境條件.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)樣品采集

滆湖是江蘇省重要的漁業(yè)生產(chǎn)基地，其中，湖區(qū)西部和北部為主要入湖徑流口[19]. 淀山湖位于上海市與江蘇省昆山市的交界地帶，水產(chǎn)以人工放養(yǎng)鰱、鳙為主[20]. 陽(yáng)澄湖位于蘇州市的東北部，陽(yáng)澄湖大閘蟹馳名海外[21]. 本次研究在滆湖布設(shè)了6個(gè)采樣點(diǎn)，在陽(yáng)澄湖布設(shè)了8個(gè)采樣點(diǎn)，在淀山湖布設(shè)了4個(gè)采樣點(diǎn)(圖1). 為探討不同水文情景對(duì)湖泊CDOM庫(kù)的影響，3個(gè)湖泊均于2018年1、4和7月在相同的點(diǎn)位處采樣，亦即每個(gè)湖泊共采樣3次. 由于水草生長(zhǎng)及網(wǎng)圍和枯水期湖泊面積萎縮的影響，淀山湖在1月份未采集到1#和2#樣品，陽(yáng)澄湖在4月份未采集到5#樣品，因此本次研究共采集樣品51個(gè). 用采水器采集0～0.5 m的水樣保存于純水洗過(guò)的聚乙烯瓶?jī)?nèi)，在避光冷藏的條件下盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾. CDOM吸收及熒光的測(cè)量通常在3 d內(nèi)完成.

圖1 滆湖、淀山湖、陽(yáng)澄湖采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of sampling sites in Lake Gehu, Lake Dianshan and Lake Yangcheng

1.2 樣品的處理及樣品參數(shù)的測(cè)量

水體總氮(TN)和總磷(TP)濃度測(cè)定時(shí)，首先混合采集樣品至均勻狀態(tài)，每個(gè)樣點(diǎn)各取25 mL水樣消解后進(jìn)行測(cè)定. 隨后，將孔徑為0.7 μm的Whatman GF/F 膜在450℃的高溫下灼燒4 h. 用冷卻后的膜過(guò)濾水樣，得到濾后液，通過(guò)島津總有機(jī)碳分析儀(TOC-L)在680℃高溫下測(cè)定溶解性有機(jī)碳 (DOC)濃度. 葉綠素a濃度通過(guò)熱乙醇提取-紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定[22]. 將未測(cè)定DOC濃度的水樣再通過(guò)孔徑為0.22 μm的Millipore膜過(guò)濾，過(guò)濾后的水樣裝入預(yù)先酸洗的瓶子中冷藏保存，測(cè)樣前拿出直至恢復(fù)到室溫測(cè)量.

CDOM光譜吸收系數(shù)主要通過(guò)Shimazdu UV-2550 UV-Vis 分光光度計(jì)測(cè)定經(jīng)0.22 μm的Millipore膜過(guò)濾后的樣品，使用5 cm的比色皿，以Milli-Q水作為實(shí)驗(yàn)的空白對(duì)照. 在間隔為1 nm的200～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得CDOM的吸光度. 減去700 nm處的吸光度來(lái)對(duì)吸光度進(jìn)行基線校正. 通過(guò)公式 (1) 計(jì)算對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)：

a(λ) = 2.303D(λ)/r

(1)

式中，a(λ)表示波長(zhǎng)為λ時(shí)對(duì)應(yīng)的CDOM吸收系數(shù)，m-1，D(λ)表示波長(zhǎng)λ處矯正后的吸光度，r表示光程路徑，m. 在此次研究中使用254 nm處的吸收系數(shù)a(254)指示CDOM濃度[23-24]. 使用a(250)∶a(365)估計(jì)CDOM的相對(duì)分子大小，之前的研究表明，CDOM相對(duì)分子越大，a(250)∶a(365)越小，并且微生物與光漂白也會(huì)導(dǎo)致相對(duì)分子量的減小[25-26].

CDOM三維熒光光譜(excitation-emission matrices, EEMs)采用Hitachi公司的F-7000型熒光光度計(jì)測(cè)定，激發(fā)和發(fā)射分別設(shè)定在200～450 nm (5 nm的間隔)和250～600 nm (1 nm的間隔). 每日測(cè)量Milli-Q作為空白EEMs，用以訂正水樣EEMs中因?yàn)槔⑸涠斐傻恼`差. 通過(guò)drEEM工具包插值的方法去除瑞利散射，通過(guò)公式 (2) 調(diào)整相應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度消除EEMs的內(nèi)濾波效應(yīng).

Fcor=Fobs×10(AEx+AEm)/2

(2)

式中，F(xiàn)obs是EEMs校正前的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)cor是EEMs校正后的熒光強(qiáng)度，AEx和AEm分別為EEMs激發(fā)和發(fā)射相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸光度. 在此次研究中還使用了BIX與HIX值.BIX是指在激發(fā)波長(zhǎng)310 nm條件下，380與430 nm發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度比，其值代表了自生有機(jī)物的貢獻(xiàn)[23,27].HIX是指在激發(fā)波長(zhǎng)為254 nm的情況下，435～480 nm與300～345 nm 發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度比，其值表現(xiàn)出CDOM的腐殖化程度[28].

1.3 平行因子分析 (PARAFAC)

根據(jù)MATLAB R2015b中的drEEM工具箱 (ver.0.0.2.0)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平行因子的分析. 在這次研究中，平行因子分析共抽取了51個(gè)EEMs矩陣進(jìn)行運(yùn)算，其中每個(gè)矩陣包括251個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)和45個(gè)激發(fā)波長(zhǎng). 數(shù)據(jù)被分為6個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)集，其中3個(gè)用于建模，另外3個(gè)用于驗(yàn)證，最終得到4個(gè)組分模型，對(duì)半檢驗(yàn)、隨機(jī)初始化分析及殘差分析結(jié)果一致表明整個(gè)EEMs數(shù)據(jù)可以被4個(gè)組分模型很好地解釋. 平行因子分析得到的每個(gè)熒光組分的最大得分值(Fmax)用以表征各類(lèi)熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度.

1.4 水文數(shù)據(jù)

本研究收集的水文數(shù)據(jù)由水利部太湖流域管理局 (http://www.tba.gov.cn/)整理得到，包括2018年1、4和7月的太湖流域降雨量及月初降雨量.

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其中包括平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、t檢驗(yàn)、冗余分析(redundancy analysis, RDA)和相關(guān)性分析. 通過(guò)Origin 2018 軟件進(jìn)行圖表的繪制，通過(guò)ArcGIS 10.2 軟件進(jìn)行空間插值的繪制.

圖2 2018年太湖流域兩個(gè)湖區(qū)的月平均降雨量Fig.2 Monthly mean rainfall in the Taihu Basin in 2018

2 結(jié)果與分析

2.1 滆湖、陽(yáng)澄湖及淀山湖的水文特征

太湖流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，因此將1、4和7月分別劃分為冬、春和夏季. 根據(jù)太湖流域2018年的月初水位及月降雨量情況，7-9月為豐水期，12-2月為枯水期(圖2).

2.2 CDOM光譜的時(shí)空特征

滆湖a(254)和DOC濃度從季節(jié)上看呈現(xiàn)枯水期>豐水期>平水期的變化特征，其中，枯水期的a(254)顯著大于平水期(t-test,P<0.05)，枯水期DOC濃度顯著大于平水期和豐水期(t-test,P<0.05)；從空間分布上看，枯水期和豐水期時(shí)東北部入湖區(qū)的a(254)和DOC濃度高于湖泊中部，平水期時(shí)西部入湖區(qū)的a(254)和DOC濃度高于湖泊中部.a(250)∶a(365)在豐水期顯著高于平水期和枯水期(t-test,P<0.01). 空間上，a(250)∶a(365)在西部和北部入湖區(qū)的值高于其他湖區(qū). 淀山湖吸收系數(shù)a(254)在季節(jié)上表現(xiàn)為平水期>豐水期>枯水期(t-test,P> 0.05)，DOC濃度表現(xiàn)為枯水期>豐水期>平水期，且豐水期DOC濃度顯著高于平水期(t-test,P<0.01).a(250)∶a(365)值在平水期和豐水期顯著高于枯水期(t-test,P<0.05). 在枯水期和平水期，淀山湖a(254)和DOC濃度在西南湖入湖區(qū)顯著低于東部湖區(qū)，而在豐水期，DOC濃度在西南湖區(qū)和北部湖區(qū)高于東部湖區(qū).a(250)∶a(365)的值從西南入湖區(qū)向北部湖區(qū)逐漸減小. 陽(yáng)澄湖a(254)和DOC濃度從季節(jié)上呈現(xiàn)顯著差異性，均為豐水期>枯水期>平水期(t-test,P<0.05)，a(250)∶a(365)為豐水期>平水期>枯水期 (t-test,P<0.001). 在空間上，枯水時(shí)期的a(254)和DOC濃度在北部入湖區(qū)和東湖較高，在平水和豐水時(shí)期東部有最高值的分布.a(250)∶a(365)的低值在枯水期主要集中在西南入湖區(qū)，平水期和豐水期主要集中在東湖(表1，圖3).

表1 有色可溶性有機(jī)物主要特征參數(shù)在不同季節(jié)條件下的均值

圖3 滆湖(G)、淀山湖(D)和陽(yáng)澄湖(Y)2018年1月(與對(duì)應(yīng)字母組合中1、4、7)、4月(2、5、8)和7月(3、6、9)水體a(254)、溶解性有機(jī)碳濃度和a(250)∶a(365)的時(shí)空變化Fig.3 Variabilities of a(254), dissolved organic carbon concentration and a(250)∶a(365) in Lake Gehu (G), Lake Dianshan (D) and Lake Yangcheng (Y) in January (1, 4, 7), April (2, 5, 8) and July (3, 6, 9) of 2018

圖4 PARAFAC得到的4種組分的熒光組分激發(fā)發(fā)射熒光圖譜及對(duì)半檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Excitation-emission fluorescence spectral shapes of the four components and split-half validation by PARAFAC

2.3 PARAFAC結(jié)果

對(duì)全部水樣熒光進(jìn)行EEMs-PARAFAC分析得到了4種熒光組分(圖4)：C1(λEx/λEm=245 nm/412 nm)與C4(λEx/λEm=265 nm，380 nm/460 nm)組分均為類(lèi)腐殖質(zhì)，C2(λEx/λEm=230, 280 nm/340 nm)和C3(λEx/λEm= <230, 275 nm/308 nm)組分均為類(lèi)蛋白質(zhì). 其中，C1組分是類(lèi)富里酸，與峰A相近[25,29]. C4組分反映了長(zhǎng)波類(lèi)腐殖的熒光性質(zhì)，分子量較高[30]. C2組分是類(lèi)色氨酸，被認(rèn)為是陸生植物或者土壤有機(jī)質(zhì)中由自生源產(chǎn)生的蛋白質(zhì)組分. C3組分為類(lèi)酪氨酸，主要由微生物降解產(chǎn)生. 隨著城市化進(jìn)程的加快，在人類(lèi)活動(dòng)頻繁的地區(qū)，人類(lèi)排放的污水也會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)蛋白質(zhì)的熒光特征[3,30].

2.4 熒光組分分布特征

在3個(gè)湖泊中，陸源類(lèi)腐殖質(zhì)C1的熒光強(qiáng)度為滆湖>淀山湖>陽(yáng)澄湖，類(lèi)蛋白質(zhì)組分C2、C3和類(lèi)腐殖質(zhì)C4均表現(xiàn)為陽(yáng)澄湖>淀山湖>滆湖(表2). 滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖陸源類(lèi)富里酸C1在季節(jié)上均表現(xiàn)為豐水期>平水期>枯水期的變化特征(表2). 在空間上，滆湖的高值主要出現(xiàn)在湖區(qū)北部和西部，淀山湖的高值主要集中在西南部，陽(yáng)澄湖的高值則主要出現(xiàn)在中湖和東湖(圖5). 滆湖和淀山湖類(lèi)蛋白質(zhì)C2、C3和類(lèi)腐殖酸C4在季節(jié)上表現(xiàn)出枯水期>平水期>豐水期的變化趨勢(shì)，陽(yáng)澄湖表現(xiàn)出枯水期>豐水期>平水期的變化特征，在空間上，滆湖和陽(yáng)澄湖都表現(xiàn)出湖區(qū)入湖口處的熒光強(qiáng)度較高，淀山湖則表現(xiàn)出東部湖區(qū)高于西南湖區(qū)(圖5). 對(duì)3個(gè)湖泊在枯水期和豐水期情景下4種組分的熒光強(qiáng)度進(jìn)行t-test檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4種組分在不同水文情景下的差異性均顯著(P<0.05). 3個(gè)湖泊的CDOM結(jié)構(gòu)均以類(lèi)蛋白質(zhì)為主，并且隨著水位的上升，類(lèi)腐殖質(zhì)的貢獻(xiàn)逐漸增加(圖6).

表2 3個(gè)湖泊4個(gè)組分熒光強(qiáng)度在不同水文情景下的均值

圖5 滆湖(G)、淀山湖(D)和陽(yáng)澄湖(Y)2018年1月(與對(duì)應(yīng)字母組合中1、4、7、10)、4月(2、5、8、11)和7月(3、6、9、12)4種不同熒光組分的分布Fig.5 Spatial variations of the four fluorescence components in Lake Gehu (G), Lake Dianshan (D) and Lake Yangcheng (Y) in January (1, 4, 7, 10), April (2, 5, 8, 11) and July (3, 6, 9, 12) of 2018

圖6 淀山湖、滆湖和陽(yáng)澄湖的熒光組分貢獻(xiàn)比Fig.6 Contribution ratio of fluorescence components in Lake Dianshan, Lake Gehu and Lake Yangcheng

2.5 主要水質(zhì)參數(shù)特征

滆湖中，TP濃度為豐水期顯著大于枯水期 (t-test,P<0.05)，TN濃度為枯水期>豐水期>平水期，平水期顯著低于枯水期和豐水期(t-test,P<0.01)，Chl.a濃度為枯水期顯著低于平水期和豐水期(t-test,P<0.01). 淀山湖中，TP濃度為豐水期>平水期>枯水期，TN濃度為枯水期>平水期>豐水期，其中枯水期與豐水期的差異顯著(t-test,P<0.01)，Chl.a濃度為平水期>豐水期>枯水期. 陽(yáng)澄湖中，TP濃度為平水期>豐水期>枯水期(t-test,P<0.05)，TN濃度為枯水期>平水期>豐水期，Chl.a濃度為豐水期>平水期>枯水期(t-test,P<0.05)(表3).

表3 有色可溶性有機(jī)物主要水質(zhì)參數(shù)在不同季節(jié)條件下的均值

圖7 基于滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖的有色可溶性有機(jī)物組成和環(huán)境參數(shù)冗余分析的排序圖Fig.7 The ordination diagram of redundancy analysis of the fluorescent components of chromophoric dissolved organic matter and environment factors in Lake Gehu, Lake Dianshan and Lake Yangcheng

2.6 3個(gè)湖泊熒光組分與相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)DCA結(jié)果可知，排序軸的長(zhǎng)度均小于2，因此可以對(duì)滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖CDOM熒光組分和水體理化參數(shù)進(jìn)行RDA分析(圖7). Chl.a、TN和TP濃度與熒光強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系的59.1%體現(xiàn)在RDA1軸上，前兩個(gè)軸已經(jīng)能反映全部參數(shù)相關(guān)關(guān)系的62%，這說(shuō)明水體的理化性質(zhì)與CDOM組分的熒光強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)性. 基于此，進(jìn)行因子的排序分析可知，滆湖CDOM結(jié)構(gòu)受陸源類(lèi)富里酸C1、Chl.a、TN和TP濃度的主要影響，說(shuō)明具有較強(qiáng)的外源輸入信號(hào). 陽(yáng)澄湖和淀山湖CDOM結(jié)構(gòu)受到陸源類(lèi)富里酸C1、類(lèi)蛋白質(zhì)組分C2和C3的共同影響.

將3個(gè)湖泊的所有湖水樣品進(jìn)一步進(jìn)行熒光組分及其參數(shù)的相關(guān)性分析(圖8)，可以看到，陸源類(lèi)富里酸C1與吸收系數(shù)比a(250)∶a(365)具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與DOC、TP、TN和Chl.a濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，這說(shuō)明陸源類(lèi)富里酸C1可能與農(nóng)業(yè)肥料和漁業(yè)飼料有關(guān). 而類(lèi)色氨酸C2、類(lèi)酪氨酸C3和類(lèi)腐殖酸C4與DOC濃度則無(wú)明顯的相關(guān)性(表4)，并且Chl.a濃度與類(lèi)蛋白質(zhì)表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，說(shuō)明類(lèi)蛋白質(zhì)不都來(lái)源于藻類(lèi)等水生植物的分泌、降解與死亡.

圖8 陸源類(lèi)腐殖質(zhì)C1的熒光強(qiáng)度與相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性Fig.8 Correlations between fluorescence intensity of terrestrial humic-like component C1 and other DOM-related parameters

表4 四種組分的熒光強(qiáng)度與水質(zhì)參數(shù)和吸收系數(shù)a(254)和溶解性有機(jī)碳濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

滆湖、淀山湖與陽(yáng)澄湖均坐落于長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)，周邊的人口密度均很高[31]，地勢(shì)低平，因水產(chǎn)養(yǎng)殖等的需要而閘壩廣布，水流宣泄不暢，這使得滆湖、淀山湖與陽(yáng)澄湖的CDOM庫(kù)來(lái)源和組成與水交換周期較短的通江湖泊不同. 此外，3個(gè)湖泊承載著魚(yú)蟹養(yǎng)殖業(yè)壓力，加之周邊匯入的營(yíng)養(yǎng)鹽大量聚集至湖內(nèi)，導(dǎo)致湖泊內(nèi)源生物作用和污染物共同表現(xiàn)出類(lèi)蛋白類(lèi)CDOM比重占主導(dǎo)地位. 在最近幾十年中，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、家庭和工業(yè)廢水的排放使得湖泊的生態(tài)健康面臨著不容小覷的威脅.

3.1 滆湖、淀山湖、陽(yáng)澄湖的CDOM結(jié)構(gòu)特征

滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖中類(lèi)蛋白質(zhì)對(duì)CDOM熒光強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率超過(guò)了50%(圖6). RDA分析和空間插值分析進(jìn)一步表示，滆湖主要受到陸源類(lèi)腐殖質(zhì)主導(dǎo)，淀山湖和陽(yáng)澄湖受到類(lèi)腐殖質(zhì)和蛋白質(zhì)的共同作用. 根據(jù)BIX值和HIX值，進(jìn)一步確認(rèn)了湖泊中自生源強(qiáng)烈的信號(hào)(表5). 我們將本研究的數(shù)據(jù)與同一流域的太湖和巢湖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)了相似性，巢湖中也具有明顯的內(nèi)源物質(zhì)占主導(dǎo)的現(xiàn)象[32]，其次，Yao等[16]發(fā)現(xiàn)類(lèi)蛋白質(zhì)對(duì)太湖CDOM的貢獻(xiàn)率很大，而在太湖西北入湖區(qū)具有較高的陸源特征CDOM. 石玉等[33]在太湖的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)的比例在枯水期分別為88.14%和11.86%，豐水期為86.64%和13.36%，本研究結(jié)果與其相似. 這說(shuō)明在同一流域內(nèi)，滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖的CDOM結(jié)構(gòu)具有區(qū)域相似性.

進(jìn)一步將上述3個(gè)湖泊CDOM特征與換水周期較短的通江湖泊進(jìn)行對(duì)比(表5)，這3個(gè)湖泊換水周期的長(zhǎng)短表現(xiàn)出了相似性. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與鄱陽(yáng)湖、洞庭湖相比，滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖均具有較高CDOM濃度和較小相對(duì)分子質(zhì)量的特征，這說(shuō)明非通江湖泊的類(lèi)蛋白質(zhì)信號(hào)比水滯留時(shí)間較短的湖泊強(qiáng)烈，這可能是由于較長(zhǎng)的水滯留時(shí)間給微生物活動(dòng)和污染物的累積提供了有利的環(huán)境. 與洪澤湖相比，滆湖、陽(yáng)澄湖和淀山湖的CDOM濃度較低，分子量較大，腐殖化程度較高. 以往研究表明洪澤湖所屬的淮河流域以第一產(chǎn)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)施肥和人類(lèi)廢水會(huì)使湖泊中相對(duì)分子量小的類(lèi)蛋白質(zhì)信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)[34]. 這說(shuō)明，集水區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)類(lèi)型也對(duì)CDOM結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響.

最后，將上述3個(gè)湖泊的CDOM特征與具有深度差異的湖泊進(jìn)行了對(duì)比(表5)，發(fā)現(xiàn)滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖CDOM結(jié)構(gòu)與湖泊深度也有關(guān)系. 千島湖、天目湖和長(zhǎng)壽湖均為水深約為10 m的水庫(kù)，與深水湖泊相比，滆湖、陽(yáng)澄湖和淀山湖具有更大的CDOM相對(duì)分子質(zhì)量，這可能與水庫(kù)垂直深度和湖泊面積較大導(dǎo)致光降解和內(nèi)源活動(dòng)比較強(qiáng)烈有關(guān).

表5 滆湖、淀山湖及陽(yáng)澄湖與我國(guó)其他典型湖庫(kù)有色可溶性有機(jī)物吸收系數(shù)、溶解性有機(jī)碳濃度、S275-295、SUVA254和熒光指數(shù)BIX及HIX對(duì)比

3.2 滆湖、淀山湖、陽(yáng)澄湖CDOM結(jié)構(gòu)的影響因素

不同水文情景對(duì)湖泊CDOM組成結(jié)構(gòu)有著非常顯著的影響. 首先，降雨量的增加會(huì)稀釋滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖中物質(zhì)的濃度，在本次研究中CDOM、DOM、TN濃度以及類(lèi)蛋白質(zhì)熒光強(qiáng)度在枯水期均高于豐水期，這與長(zhǎng)三角地區(qū)其他湖泊的研究結(jié)果一致，朱廣偉[38]在太湖的研究發(fā)現(xiàn)了雨季對(duì)河道中氮濃度有一定的稀釋作用，冬季水體中氮的平均濃度低于夏季；Shi等[39]對(duì)天目湖的研究中也發(fā)現(xiàn)降雨量與水體CDOM濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān). 其次，降雨量的增加使上游河道的徑流量增加和沖刷能力增強(qiáng)，湖泊河口處陸源類(lèi)腐殖質(zhì)往往顯示出高于敞水區(qū)的熒光強(qiáng)度[40]. 滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖類(lèi)腐殖質(zhì)C1的熒光強(qiáng)度在豐水期高于枯水期. 之前的研究也證明了這一現(xiàn)象，Zhang等[41]通過(guò)遙感手段證實(shí)了太湖在暴雨后大量陸源性的總懸浮物進(jìn)入湖區(qū)，河流排放可能是湖泊水體中污染物的主要來(lái)源. Zhou等[26]對(duì)長(zhǎng)江三角洲主要飲用水湖泊千島湖的研究發(fā)現(xiàn)，隨著暴雨事件的增加，陸源類(lèi)腐殖質(zhì)的信號(hào)增強(qiáng). 這進(jìn)一步證實(shí)了不同水文情景變化對(duì)滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖的CDOM結(jié)構(gòu)具有顯著影響.

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)CDOM組成結(jié)構(gòu)有著非常顯著的影響. 首先，本研究中類(lèi)富里酸C1可能受到湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖業(yè)和周?chē)兑赞r(nóng)田為主的土地利用的影響. 以往的研究表明，陽(yáng)澄東湖的南部大約有150個(gè)大閘蟹養(yǎng)殖戶進(jìn)行圍欄養(yǎng)殖作業(yè)[42]，淀山湖西南湖區(qū)周?chē)耐恋乩妙?lèi)型以耕地和養(yǎng)殖塘為主，是淀山湖的生態(tài)敏感區(qū)[43]，滆湖南部遍布著大大小小的漁場(chǎng)，隨著圍網(wǎng)面積的擴(kuò)大，圍網(wǎng)內(nèi)投入了更多的餌料，致使湖泊水質(zhì)受到了影響[44]. 在本研究中，滆湖南部、淀山湖西南部和陽(yáng)澄湖東南湖區(qū)均發(fā)現(xiàn)了C1的熒光高值，這說(shuō)明C1可能與圍網(wǎng)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)用地有關(guān). 類(lèi)富里酸C1的熒光強(qiáng)度與TN和TP濃度的顯著相關(guān)性進(jìn)一步證明了圍網(wǎng)養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)湖泊CDOM結(jié)構(gòu)的影響. 其次，以往的研究表明，類(lèi)色氨酸可能來(lái)源于藻類(lèi)等水生植物的降解，也可能來(lái)自于人類(lèi)生產(chǎn)生活污水的排放[3,29]. 在本研究中，湖泊中類(lèi)蛋白質(zhì)的熒光強(qiáng)度和Chl.a濃度無(wú)顯著相關(guān)性，并且類(lèi)蛋白質(zhì)的高值主要分布在滆湖北部、淀山湖流域東部和陽(yáng)澄湖西部等人類(lèi)密度較大、人類(lèi)活動(dòng)頻繁的地區(qū)，這說(shuō)明類(lèi)蛋白質(zhì)的來(lái)源具有多樣性. 其中，陽(yáng)澄湖是著名的蟹類(lèi)養(yǎng)殖基地，東湖為主要的養(yǎng)殖區(qū)，夏季a(250)∶a(365)和類(lèi)酪氨酸C3的熒光強(qiáng)度在陽(yáng)澄東湖的螃蟹養(yǎng)殖區(qū)信號(hào)較其他湖區(qū)低，這可能是由于螃蟹繁殖可以加速氮的轉(zhuǎn)化和利用，從而相對(duì)減少類(lèi)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生[8].

4 結(jié)論

本研究通過(guò)PARAFAC手段對(duì)滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖樣品的CDOM光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了兩種類(lèi)腐殖質(zhì)和兩種類(lèi)蛋白質(zhì)，其中，滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖以類(lèi)蛋白質(zhì)為主，較長(zhǎng)的水滯留時(shí)間為內(nèi)源活動(dòng)和污染物的累積提供了有利條件. 兩類(lèi)物質(zhì)在不同水文情景下表現(xiàn)出不同的規(guī)律，即隨著水位的升高，類(lèi)腐殖的熒光強(qiáng)度和貢獻(xiàn)率逐漸增加，在豐水期貢獻(xiàn)率最大，而類(lèi)蛋白質(zhì)貢獻(xiàn)率在枯水期最高. CDOM組分的熒光強(qiáng)度較高值出現(xiàn)在入湖口及養(yǎng)殖區(qū)，受河流擴(kuò)散和人類(lèi)活動(dòng)影響大. 因此，提高滆湖、淀山湖和陽(yáng)澄湖水質(zhì)既要加強(qiáng)流域內(nèi)居民用地的控制，又要減小水體養(yǎng)殖規(guī)模，并逐步拆除閘壩、恢復(fù)水生植物.

致謝：感謝鄒偉、施坤、李娜及張成英等同志在野外及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予的幫助.