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太湖是我国第三大淡水湖泊,也是一个人型的富营养化浅水湖泊,近二十年来流域和周围城市大量氮磷营养盐输入导致太湖面临着严重的湖泊富营养化和频繁的蓝藻水华暴发。太湖复杂的河网水系,草、藻型等不同的生态类型,夏季频繁的蓝藻水华以及强烈风浪扰动引起的沉积物再悬浮等,使得水体中DOM分布、来源、组成和变化极为复杂。本文拟通过对太湖主要入湖河流、不同生态类型湖区水体及底泥OM组分特征的现场调查,结合室内草藻降解实验研究,探讨浅水湖泊不同来源DOM的荧光特性、化学组成和分子结构,为深刻认识OM的生物地球化学循环与湖泊富营养化的关系提供科学依据。主要结果表明:
在太湖流域,太湖各湖区以及不同类型环湖河流的DOM各特征值都存在显著的空间差异。相对于河流,湖泊DOM的荧光特征明显以自生类色氨酸荧光组分为主。西北部平原流域入湖河流受工业废水、农业废水以及生活污水的共同污染,类腐殖质荧光和类色氨酸荧光组分的相对丰度都较高。而西南部山区流域,入湖河流则多受生活污水的污染,类酪氨酸荧光为主要组分。大浦河和长兜港两个河流剖面DOM荧光特征的差异,证实了河流外源输入对湖泊水体DOM的贡献。
太湖不同湖区冬夏两季DOM各特征值都存在明显的空间差异,北部湖区均高于南部湖区,影响其季节以及空间变化的主导因子是水温和αCDOM(355)。冬季表现出河口区与其他湖区的明显区别,影响其空间变化的主导因子是DO、DOC和COD。夏季除了河口区与开敝区的明显区别外,也表现出了草型湖区与藻型湖区的明显差异,影响其空间变化的主导因子是αCDOM(355)、Chla、DOC和BOD。除了河流陆源输入的贡献外,浮游植物降解产物也是夏季水体DOM的重要来源。夏季草型区DOM荧光特征以类酪氨酸荧光占优势;藻型区则为类色氨酸荧光较占优势,这种差异可能与草藻本身降解产生的DOM组分差异有关。
分别选取太湖藻型湖区的蓝藻水华以及草型湖区的优势水生植物马来眼子菜进行室内细菌降解实验。草藻来源DOM基本以类蛋白荧光为主,但构成存在差别,藻源以类色氨酸组分为主,而草源基本上以类酪氨酸组分为主,这种差异与第三章中草藻型湖区的DOM荧光特征差异相似,说明草藻释放的DOM差异可能是草藻型湖泊水体DOM性质差异的重要原因之一。藻源DOM更容易被细菌降解利用,在2天之内就能降解约70%,而草源DOM降解转化周期为10天左右甚至更长时间。经过细菌的降解利用,两种DOM都由较易降解的以类蛋白物质为主的DOM,转变为较难降解利用的以类腐殖质荧光为主的DOM。
北太湖水体中的溶解性氨基酸(DAAs)及对有机碳氮的贡献都明显高于其他湖区。根据氨基酸含量估算出北太湖的活性DOC相对含量为17.65±17.84%,显著高于南太湖和东太湖,表明在夏季藻类对藻型湖区贡献了大量的活性DOM。太湖不同湖区的DAAs组分存在较大的差异,在北部湖区以苯丙氨酸和赖氨酸为主,而在南部湖区和东部湖区,赖氨酸都是最主要的DAAs组分。太湖水体DAAs大多数存在于低分子量DOM中,不同湖区DAAs的含量及分子量组成不同,氨基酸的成分变化能反映有机质从高分子量向低分子量转变的降解趋势,可作为指示DOM降解的生物标记物。
与文献中其他水生环境相比,太湖沉积物氨基酸含量及对有机质的贡献份额均处于较低的水平。氨基酸含量随沉积深度的增加呈现下降的趋势,表明其是沉积物有机质的活性成分且优先被细菌利用。各采样点的氨基酸组分构成趋势大体一致,甘氨酸和赖氨酸是最主要的组成部分。太湖三个湖区的氨基酸含量、对有机碳氮的贡献以及降解指数都存在显著差别,表明对湖泊营养化程度的不同响应。浮游植物是北太湖表层沉积物有机质的重要来源。而东太湖沉积物有机质则多来源于水生植物的死亡降解。南部湖区南沉积物中有机质含量较少,并且有机质在沉降到沉积物表面之前就已经被充分降解,或者外源输入的有机质本身就属于比较难降解的物质。
综上所述,对太湖水体DOM的荧光特征以及氨基酸组分特征的研究结果均表明,即使有河流外源输入的贡献,太湖水体DOM还是以自生来源为主,不同湖区冬夏两季DOM各特征值都存在明显的空间差异,而草型和藻型湖区的差异可能与草藻本身降解产生的DOM组分差异有关。