太湖流域平原与丘陵地区典型湖泊有色溶解性有机物特征与影响因素

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:vera_00
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溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)是地球上最大的可交换碳库之一,广泛存在于各类水体中,对全球碳循环和气候变化具有重要的意义。有色溶解性有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)是DOM中可以强烈吸收光谱中的紫外光和可见光的部分,由一系列腐殖酸、富里酸、脂肪族及芳香烃类物质组成。内陆湖泊承接了流域内CDOM的输入、储存、迁移和转化过程,是地表碳循环的重要枢纽。在当前气候变化和城市化进程加快的背景下,有关湖库中CDOM的生物地球化学循环成为环境科学重要的研究方向之一。本研究立足于太湖流域东部的平原地区湖泊——滆湖、阳澄湖、淀山湖和西部丘陵区饮用水供给湖泊——天目湖,通过CDOM三维荧光光谱(excitation-emission matrix spectroscopy,EEMs)和平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC),探讨不同集水区类型的CDOM光学特性和荧光特征,并进一步分析CDOM的来源和影响因素。主要的结果如下:在平原地区的滆湖、阳澄湖和淀山湖中,通过PARAFAC技术解析出三个湖泊均存在类富里酸C1、类色氨酸C2、类酪氨酸C3和类腐殖酸C4。其中,类富里酸C1表征农业或围网养殖业的面源污染,与总磷TP、总氮TN和叶绿素Chla浓度显著正相关(p<0.001),这说明外源河流的输入是影响湖泊水质的重要因素。陆源类腐殖酸C4和表征点源污染和藻类降解的类蛋白质C2、C3的荧光强度显著正相关(p<0.01),说明外源河流可能裹挟居民活动产生的污水输入湖泊。在时间上,类蛋白质C2和C3与类腐殖酸C4在丰水季节的荧光强度显著小于枯水季节(ANOVA,p<0.05),类富里酸C1在丰水季节的荧光强度大于枯水季节,意味着降雨量的大小显著影响湖泊CDOM组成结构。在空间上,CDOM吸收系数a254、DOC浓度、CDOM组分的荧光强度的高值靠近农业、围网养殖区和人类密集的生活区附近,这进一步说明人类活动是平原浅水湖泊CDOM结构重要的影响因素。对于丘陵区的天目湖而言,基于平行因子分析模型得到了天目湖7种CDOM组分,包括类腐殖质C1、C3和C6,微生物作用后的类腐殖质C2,类色氨酸C4和C5,类酪氨酸C7。a254和表征陆地来源的类腐殖质C1、C3和C6在天目湖南部入湖区荧光强度最大,表征点源污染和藻类降解的类蛋白质C4、C5和C7在天目湖南部入湖区和北部的风景区出现最大值,意味着入湖径流和点源排放是天目湖CDOM结构的重要影响因素。从时间上看,除类色氨酸C5外,CDOM的荧光强度和a254在丰水季节显著大于枯水季节(ANOVA,p<0.05),S275-295和a250:a365在枯水季节显著大于丰水季节(ANOVA,p<0.05),意味着降雨事件增加了湖泊中CDOM的丰度和陆源土壤有机质的输入信号。结合入湖河道数据和土地利用类型/覆盖度,表明径流比湖泊表现出更强的陆源腐殖质信号,并且林地覆盖面积比例与a350和荧光组分强度显著负相关(p<0.001),与a250:a365显著正相关(p<0.05)。而人类活动用地(农田+城市建设用地)比例增加时,表现出相反的相关性(p<0.001),这说明林地可以有效拦截土壤CDOM进入水生态系统,降低湖泊中陆源土壤有机质输入信号,而人类活动会增加径流和湖泊中的陆源土壤有机质和污染源排放的信号。对两种不同类型的湖泊进一步对比表明,丘陵湖泊的a254、CDOM总荧光强度、TN浓度、TP浓度和Chla浓度显著低于平原浅水湖泊群(p<0.05),这说明丘陵地区湖泊的CDOM丰度和营养化水平显著低于平原浅水湖泊。在CDOM荧光结构方面,丘陵地区湖泊主要以类腐殖质为主(约55%),具有高腐殖指数HIX值和低生物指数BIX的特征,而平原地区湖泊主要以类蛋白质为主(约89%),具有低HIX值和高BIX值的特征。这意味着丘陵地区湖泊表现为强腐殖化和新近自生源信号,平原地区则主要表现为强烈的自生源信号。在治理手段上,平原地区湖泊应以管理湖泊养殖方式为生态修复的重要工程策略,恢复湖泊草型湖区的结构,结合湖泊水文节律,疏通河网,加速湖泊水交换过程,缓解湖泊污染压力。而丘陵地区则应主要控制流域旅游业与农业活动的强度,保障林地覆盖率,在入湖口处拦网截污,这对同类型湖泊的治理具有一定的示范意义。
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