云贵高原湖泊溶解性有机物光谱特性及其对CODMn和BOD5的代用潜力

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水体有机污染物在水环境中大量耗氧,在水处理过程中易形成致癌性副消毒产物,直接威胁着水生态系统健康和人类饮用水安全,而实现水体有机污染的有效监测则是对其科学防治的前提。当前,化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等比较成熟的有机污染监测方法只能反映水体有机污染的总体水平,同时,存在耗时长、操作误差大、易造成二次污染等问题;作为一类引发水体有机污染的重要物质,溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)的光谱测量不仅具有快速、方便及环境友好的特点,还能提供有机物的来源、化学组成等信息,可用于追溯不同环境中有机物的特性,区分可生物降解和不可生物降解的有机组分,在理论上具有评价有机污染的潜力,以替代COD和BOD监测。基于所在团队2017-2018年采集的68个云贵高原湖泊的271个样品,运用光谱吸收和三维荧光-平行因子分析法,本文探究了云贵高原湖泊DOM光谱特性及其对常规有机污染监测指标CODMn和BOD5的代用潜力,同时,用2014-2016年调查的云南六个湖泊数据对得到的结果进行了验证;此外,本文还比较了两种不同来源的水体(生活污水和森林土壤淋溶液)DOM光谱特性对CODMn和BOD5的指示能力。主要结果和结论如下:(1)云贵高原湖泊DOM丰度略低于我国淡水湖泊的整体水平,腐殖化程度低,生物源特征明显;平行因子解析得到五种荧光组分,包括两个类腐殖质荧光组分C1-C2,和三个类蛋白荧光组分(两个类酪氨酸C3和C5、一个类色氨酸C4);受辐射、水温、营养盐、水深(水力停留时间)等环境因子的影响,云贵高原湖泊的DOM光谱特性存在显著的季节差异和不同营养状态湖泊间差异:雨季类腐殖质C1-C2荧光组分、腐殖化程度较高,而旱季的类蛋白类酪氨酸C3荧光组分较高;随着湖泊营养状态的增加,DOM丰度、各荧光组分含量、腐殖化指数以及荧光指数呈递增趋势,光谱斜率和M呈递减趋势,其中,中营养湖泊的单个DOM光谱指标与环境因子的相关性总体弱于贫营养和富营养湖泊。(2)DOM吸收系数和荧光组分对CODMn和BOD5均具有较好的指示能力,其中多元线性回归模型优于一元线性回归模型。然而,DOM光谱特性对CODMn和BOD5的指示能力具有明显的旱雨季差异和不同营养状态湖泊间异质性:雨季DOM光谱指标对CODMn和BOD5的预测能力(R~2>0.8)高于旱季(R~2<0.7);DOM光谱特性对中营养湖泊CODMn和BOD5的预测能力(R~2>0.8)优于贫营养和富营养湖泊(R~2<0.7)。针对六个湖泊的验证结果显示,本研究构建的多元线性回归模型适用于其CODMn和BOD5的整体推算(R~2>0.8,P<0.01),说明DOM光谱特性在区域尺度上能很好地指示CODMn和BOD5,以反映水体的有机污染程度。此外,就两种不同来源水体间的比较而言,森林土壤淋溶液DOM光谱特性对BOD5的指示能力弱于生活污水,而其对CODMn的指示能力相当。本研究结果说明,受制于环境条件的差异,云贵高原湖泊DOM光谱特性因季节和湖泊营养状态而异;DOM光谱特性对CODMn和BOD5具有较好的代用潜力,而在实际应用中还须考虑水文时期、湖泊营养状态及不同来源水体间的差异,亦需关注有关推算模型的本地化研究。
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