河流水体CDOM光学特性及其对生态环境要素的响应

来源 :东北师范大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:guanzheng52824
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有色可溶性有机物(Chromophoric dissolved organic matter,CDOM),是溶解有机物(DOM,dissolved organic matter)中有色的部分,是水体中一类重要的紫外波段光与可见光蓝光部分的吸收物质,其浓度和组成能显著改变水下光场,进而影响整个水体生态系统。不同的水体,由于浮游生物等内源和地表径流等外源物质不同,其CDOM的浓度和组成成分也各不相同。河流作为联系陆地和海洋的重要纽带,河流等内陆水体的CDOM的研究越来越受到重视。鉴于早期CDOM研究主要集中在海洋和海湾,对内陆河流水体CDOM光学特性研究较少,生态环境因子和人为活动对其影响鲜有报道的现状,本文以2015-2017年在青藏高原河流、东北平原河流以及长白山区城市河流段采集的水体样品为研究对象,以CDOM时空特征、来源及组成以及生态环境要素等对其的影响为主要研究内容,探讨了青藏高原河流、东北平原河流以及长白山区城市河流段的CDOM光学特性及环境因素对其的影响,以期为更好的全面理解内陆不同地域水体水质变化特征提供依据,并为不同河流水资源管理与生态系统保护方针制定提供参考依据。主要研究结果如下:不同河流水体水质研究发现,青藏高原河流、平原河流和山区城市河流的有机碳(DOC)浓度分别为2.89 mg L-1、7.77 mg L-1和16.49 mg L-1,其中DOC浓度大小表现为山区城市河流>平原河流>青藏高原河流。青藏高原河流的电导率(EC)有高于平原河流和山区城市河流的趋势,且呈现相对更高的总氮(TN)和低的总磷(TP)含量。平原河流诺氟沙星和恩诺沙星浓度分别为25.60 ng L-1和3.23 ng L-1,显著高于山区城市河流;山区城市河流的磺胺甲恶唑和甲硝唑浓度分别为211.35 ng L-1和10.36 ng L-1,显著高于平原河流,与较多人为源输入有关。青藏高原、平原河流和山区城市河流水体CDOM浓度大小a(350)、SUVA254和S275-295、Sr具有显著性的差异。与青藏高原河流水体呈现相对更低的CDOM浓度对比,平原河流和山区城市河流分别呈现显著较高的CDOM浓度。青藏高原河流、平原河流和山区城市河流的E250:365分别为7.90、7.24和6.54,山区城市河流呈现最低。青藏高原河流、平原河流和山区城市河流的SUVA254分别为3.32L mg C-1 m-1、4.05L mg C-1 m-1和1.61L mg C-1 m-1,山区城市河流显著低于青藏高原河流和平原河流。青藏高原河流、平原河流和山区城市河流的S275-295分别为0.0202 nm-1、0.0182 nm-1和0.0170 nm-1。CDOM吸收参数结果表明青藏高原CDOM相对分子质量以小分子量为主,山区城市河流以高分子量为主。青藏高原河流、平原河流和山区城市河流不同季节CDOM吸收参数呈现显著差异,且CDOM吸收特性与流域环境要素有关。基于平行因子分析模型,解析CDOM的EEMs的平行因子组分为3个,分别为类蛋白质荧光组分C1(激发波长Ex=230 nm和发射波长Em=360 nm)、类腐殖质组分C2(激发波长Ex=245 nm和发射波长Em=450 nm)和土壤富里酸荧光峰C3(激发波长Ex=240 nm和发射波长Em=480 nm)。山区城市河流水体类蛋白质荧光组分强度C1为27.76 nm-1,显著高于青藏高原河流和平原河流;平原河流类腐殖酸组分强度C2为18.57 nm-1,显著高于青藏高原河流和山区城市河流;山区城市河流水体土壤富里酸荧光组分强度C3为53.89 nm-1,极显著高于青藏高原和平原河流。青藏高原河流CDOM荧光强度低,表示浓度低且CDOM单位吸收与荧光强度低,导致更多太阳紫外辐射进入水体中,限制浮游植物光合作用,对水生生态环境造成破坏。荧光指数FI370结果显示,大部分青藏高原河流和平原河流CDOM为陆源;山区城市河流样品即来源于微生物也源于陆源输入。荧光指数FI310结果显示,青藏高原河流和平原河流生物活动贡献内源相比山区城市水体较少。环境和人为因素对CDOM光学参数的影响结果得出,CDOM的光学参数分别可解释青藏高原河流84%、平原河流95%和山区城市河流96.2%的水质变量;随着高程逐渐下降,CDOM浓度a(350)和类色氨酸组分C2强度均呈极显著上升的趋势;年总日照时数和a(350)呈极显著负相关关系,年总日照时数越多,a(350)浓度越低,这是因为CDOM光漂白作用的缘故;月平均气温与平行因子组分C3、DOC呈极显著正相关,月平均降雨量与C3、C1、DOC和a(350)呈正相关;人口总数、GDP分别与CDOM吸收和荧光虽然表现较低相关性,但仍达到显著水平;不同土地利用下不同CDOM吸收和荧光参数具有显著差异,人工用地呈现相对高a(350)、C1和C3,低FI370和FI310,草地和未利用的土地呈现相对较低的a(350)值和荧光参数;平行因子组分色氨酸C1和土壤富里酸C3与磺胺甲恶唑,以及与甲硝唑间,呈现极显著的正相关关系。综上,不同区域的河流水体CDOM表现出的不同光学特性,显著受流域内自然和人类活动等因子共同影响。
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