环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (7): 1020-1030  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.32

引用本文  

江俊武, 李帅东, 沈胤胤, 等. 夏季太湖CDOM光学特性空间差异及其来源解析[J]. 环境科学研究, 2017, 30(7): 1020-1030.
JIANG Junwu, LI Shuaidong, SHEN Yinyin, et al. Spatial Differences of Optical Properties of CDOM and Their Source Apportionment in Taihu Lake in Summer[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(7): 1020-1030.

基金项目

国家自然科学基金面上项目(41571324);国家自然科学基金青年科学基金项目(41503075);中国博士后基金面上资助项目(2015M581826)

责任作者

黄昌春(1982-), 男, 江苏扬州人, 副教授, 博士, 主要从事环境污染遥感监测研究, huangchangchun@njnu.edu.cn

作者简介

江俊武(1993-), 男, 江西九江人, m15651656769@163.com

文章历史

收稿日期:2016-07-21
修订日期:2017-03-22
夏季太湖CDOM光学特性空间差异及其来源解析
江俊武1,2,3 , 李帅东3 , 沈胤胤3 , 吴亚林3 , 黄昌春1,2,3 , 黄涛1,2,3 , 姜晟4     
1. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏 南京 210023;
2. 江苏省物质循环与污染控制重点实验室, 江苏 南京 210023;
3. 南京师范大学地理科学学院, 江苏 南京 210023;
4. 江苏省环境监测中心, 江苏 苏州 210036
摘要:为进一步探究夏季太湖CDOM(有色溶解性有机质)光学特性在空间分布上的差异性与其来源的关系,对其紫外-可见吸收及三维荧光光谱特性进行了分析研究,在此基础上进一步分析了CDOM吸尘系数及其荧光组分(C1、C2、C3、C4)强度和各水质参数间的相关性.结合主成分分析法探讨了CDOM的来源以及与各参数指标[ρ(DOC)除外]之间的来源关系.结果表明:CDOM吸收系数α(355)、S值(光谱斜率)变化范围分别为3.27~8.27 m-1和0.011~0.021 nm-1;太湖西部、北部及南部湖区CDOM丰度较大,S值较低,受陆源输入的影响较为明显.CDOM的三维荧光光谱揭示其中含有两种类蛋白质组分C1和C2以及类腐殖质组分C3和C4,并且以类蛋白质组分为主.此外,大部分采样点的荧光指数(FI)为1.70~2.01,自生源指数(BIX)大于1,腐殖化指数(HIX)小于0.6,r(T/C)(荧光峰T与荧光峰C荧光强度比值)小于2,表明夏季太湖CDOM内源特性相对强烈.研究显示,除ρ(DOC)外,CDOM与其他水质参数在第一主成分上(贡献率为90.8%)均存在显著相关关系,说明各水质参数的来源存在相似性,并且受生物自生源影响更为显著.
关键词CDOM    太湖    三维荧光光谱    主成分分析    来源解析    
Spatial Differences of Optical Properties of CDOM and Their Source Apportionment in Taihu Lake in Summer
JIANG Junwu1,2,3 , LI Shuaidong3 , SHEN Yinyin3 , WU Yalin3 , HUANG Changchun1,2,3 , HUANG Tao1,2,3 , JIANG Sheng4     
1. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China;
2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, Nanjing 210023, China;
3. College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China;
4. Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province, Suzhou 210036, China
Abstract: To further explore the diversity in spatial distribution of optical properties of colored dissolved organic matter (CDOM) in Taihu Lake in summer and its relationship with sources, the characteristics of Ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectra and three-dimensional fluorescence spectra of CDOM were investigated. The correlations between CDOM absorption coeffcients, in tensity of fluorescence component (C1, C2, C3 and C4) and water quality parameters were further examined. Apart from ρ(DOC), the sources of CDOM and the relationships between water quality parameters and CDOM were also analyzed, combined with principal component analysis. The range of change of the absorption coefficients at 355 nm and the spectral slope S values were 3.27-8.27 m-1 and 0.014-0.019 nm-1, respectively. The west, north and south of Taihu Lake were deeply affected by terrigenous input because of the higher CDOM concentrations and lower S values. The 3D fluorescence spectra of CDOM revealed that it consisted of two types of components, including protein-like components (i.e., C1 and C2) and humic-like components (i.e., C3 and C4). In addition, the fluorescence index (FI) from most of samples varied from 1.7 to 2.01. The autochthonous index (BIX) was over 1. The humification index (HIX) was less than 0.6. The fluorescence intensity ratios of fluorescence peak T and fluorescence peak C (r(T/C)) were less than 2. These results indicated that the endogenous signal of CDOM was relatively strong in the summer in Taihu Lake. The research demonstrated that the relationships between CDOM and water quality parameters were significant in the first principal component (contribution rate 90.8%) except ρ(DOC), which indicated the sources of all water quality parameters were similar and were affected more significantly by the biogenic origin.
Keywords: CDOM    Taihu Lake    three-dimensional fluorescence spectra    principal component analysis    source apportionment    

CDOM(chromophoric dissolvable organic matter,有色溶解性有机物)又称黄色物质,是DOM(溶解性有机质)中主要的吸光物质,同时也是天然水体重要的溶解有机碳贮库[1]. CDOM能阻止紫外线对水体生态系统的不利影响,其强烈吸收紫外光后发生光降解所产生的小分子量有机物被浮游植物加以吸收利用[2];此外,CDOM影响着水下光强的分布,是导致水体中光衰减的重要因子,同时影响水生生物群落的结构与功能[3]. CDOM来源主要包括两个方面:① 在内陆水体及近岸海域,主要来自于陆地径流的输入和生物降解的产物;② 在远岸水域或开阔大洋中,主要由现场生物活动产生[4-5]. CDOM的来源和组成结构的复杂性影响了水中污染物的生物有效性、生物降解性及重金属迁移转化规律等环境行为特性[6-7],是水环境中污染物迁移的重要驱动因子.

目前关于有机质来源解析的研究方法主要集中在元素组成、化学组成、同位素、荧光和紫外光谱、核磁共振等方面[8].紫外-可见光谱分析技术作为辨析CDOM结构特征的一种快速简便的方法,具有仪器普及、操作简单、所需样品量少等优点.三维荧光光谱(3D-EEMs)与平行因子分析法相结合的技术能够把性质、来源、迁移转化过程等不同的CDOM荧光基团进行分离解析并描述其环境归趋,具有高灵敏度、高选择性、高信息量、不破坏样品结构的优点[9],在对湖泊、河流、海湾、大洋等水体的CDOM研究中得到广泛应用[10-13].此外,近年来结合三维荧光-平行因子分析法与主成分分析法对CDOM来源进行解析的研究已较为广泛[14-17].

该研究以整个太湖为研究对象,利用三维荧光-平行因子分析技术,对2015年夏季太湖水体CDOM及其荧光组分的空间分布特征及其来源进行了分析研究;同时,结合相关性及主成分分析方法,对CDOM来源做了进一步解析,并在此基础上探讨了CDOM与各水质参数〔ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)(Chla为叶绿素a)、ρ(DOC)(DOC为溶解性有机碳)、ρ(TSS)(TSS为总悬浮颗粒物)〕在来源上的关联性,从而更好地揭示了夏季太湖CDOM来源的动力机制及其环境行为特征与水体内部各要素之间内在关系.

1 材料与方法 1.1 样品的采集及处理

于2015年8月30日和9月1日在全太湖设32个采样点(见图 1),采集表层水样(水面以下10~30 cm)1.5 L,用聚乙烯瓶避光冷冻保存送回实验室.样品带回实验室后,首先利用0.47 μm的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜过滤水样,再将所得溶液通过0.22 μm Millipore玻璃纤维滤膜,并把过滤完水样(分别通过两种粒径滤膜所得的溶液)及原水样装入125 mL棕色瓶中4 ℃恒温冷藏保存待测.其中,通过0.22 μm滤膜的溶液用于CDOM吸收光谱分析和三维荧光光谱分析;通过0.47 μm滤膜的溶液用于ρ(DOC)测定;原水样用于ρ(TN)、ρ(TP)的测定;过滤完后的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜上的颗粒物用于ρ(Chla)和ρ(TSS)的测定.

图 1 太湖采样点分布 Figure 1 The distribution of sampling sites in Taihu Lake
1.2 参数测定 1.2.1 CDOM吸收系数测定

将通过0.22 μm滤膜的溶液装入1 cm×1 cm的比色皿中,以超纯水作为参考水样,利用岛津UV-3600紫外分光光度计测量CDOM的吸光度,光谱范围为200~800 nm,采样间隔为1 nm.根据式(1) 计算CDOM吸收系数,再根据式(2) 对计算结果进行散射效应的校正[18],得到最终校正后的吸收系数.

$ \alpha '\left( \lambda \right) = 2.303 \times D\left( \lambda \right)/r $ (1)
$ \alpha \left( \lambda \right) = \alpha '\left( \lambda \right) - \alpha '\left( {700} \right) \times \lambda /700 $ (2)

式中:α(λ)为波长λ下的吸收系数,m-1α′(λ)为波长λ下的未校正吸收系数,m-1λ为波长,nm;D(λ)为吸光度;r为光程路径,m.由于CDOM的丰度无法直接测定,并且各研究区域水体之间理化性质及其光化学性质具有差异性导致对CDOM丰度表征的波段也不一.目前在大多学者的研究中一般采用350、355、375和440 nm等波长处的吸收系数来表征[2-3, 18-19].该研究采用α(355) 来表征CDOM的丰度.

1.2.2 光谱斜率(S)的确定

根据CDOM吸收光谱在紫外-可见光波段所呈现的指数衰减的规律特征,采用最小二乘法对光谱斜率进行拟合[19],如式(3) 所示.

$ \alpha \left( \lambda \right) = \alpha \left( {{\lambda _0}} \right)\exp \left[ {S\left( {{\lambda _0} - \lambda } \right)} \right] $ (3)

式中:λ0为参照波长,nm,选取355 nm;S为指数函数曲线光谱斜率,nm-1,拟合波段范围为280~500 nm.

1.2.3 CDOM三维荧光光谱测量

CDOM的三维荧光光谱采用PERKIN-ELMER公司的LS50B分子荧光光度计进行测定.使用规格为1 cm×1 cm的石英比色皿.以Mill-Q水为空白,扫描速度为1 200 nm/min;激发和发射单色仪的狭缝宽度分别为12.5和17.5 nm.其中λEx(激发波长)范围为250~450 nm,波长步长为2 nm;λEm(激发波长)为250~600 nm,波长步长为1 nm;获取的三维荧光光谱扣除纯水的三维荧光光谱进行散射校正以消除拉曼散射效应影响[20].荧光强度采用0.01 mg/L硫酸奎宁稀硫酸溶液进行定标[5].计算得到的荧光强度是每个组分的相对荧光强度与其在激发和发射波长上最大值的乘积[2].为了消除由于CDOM吸收过高可能引发的内滤波效应,采用式(4) 进行校正[12].

$ {F_{{\rm{coor}}}} = {F_{{\rm{obs}}}} \times {10^{\left( {\alpha {\rm{Ex + }}\alpha {\rm{Em}}} \right)}}^{^2} $ (4)

式中, FobsFcoor分别为校正前后的荧光强度, αEx、αEm分别为相应激发及发射波长下的吸收系数.

最后利用Matlab 12.0 DOMFluor工具箱进行残差分析得出组分数并用折半分析对分离出的组分进行验证[10].该研究中相关荧光参数如表 1所示.

表 1 荧光光谱参数描述 Table 1 The description of fluorescence spectra parameter
1.2.4 水质参数测定

ρ(TN)、ρ(TP)根据文献[29]的方法测定;ρ(TSS)采用灼烧称重法[30]测定;ρ(Chla)采用热乙醇法,利用UV-3600紫外分光光度仪测定[31]ρ(DOC)利用岛津总有机碳分析仪(TOC-L)测定,测量范围为0.5~500 mg/L.

2 结果与分析 2.1 CDOM吸收特性

夏季太湖各观测点CDOM吸收光谱遵循从紫外光区到可见光区以指数形式进行衰减的规律,整体吸收光谱形状没有显著差异.由图 2可见,α(355) 变化范围为3.27~8.27 m-1,平均值为(4.8±1.35) m-1,最大值出现在竺山湾湖区1号采样点,最小值出现在南部湖区31号采样点;一般认为,S值是对DOM组成结构信息(如分子量大小、光化学活性等)的表征参数,也可作为区分CDOM来源的重要参数.该研究利用280~500 nm处的吸收光谱拟合S值的变化范围为0.011~0.021 nm-1,平均值为(0.016±0.001 4) nm-1,这与张运林在2004年夏季对太湖梅梁湾水体根据280~500 nm吸收光谱拟合的结果〔0.014~0.019 nm-1,平均值为(0.016±0.012) nm-1〕相近[32].此外,S最高值与最低值大致与α(355) 的最低值和最高值相对应,相关性分析也表明两者存在极显著负相关关系(R=-0.85,P < 0.001).由于受生物自生源影响较为显著,大部分湖区α(355) 偏小(3.27~5.2 m-1),S值偏大(0.014~0.021 nm-1),而周边水系(如大浦河、太滆河、漕河等)的流入以及人为活动排放等陆源因素的输入可能使得太湖北部及西部等近岸湖区CDOM中陆源腐植质组分增多,α(355)(5.2~8.27 m-1)偏大,S值(0.011~0.014 nm-1)偏小.

图 2 CDOM吸收系数α(355) 及S值分布 Figure 2 The distribution of CDOM absorption coefficient at 355 nm and spectral slope S value
2.2 各水质参数的分布

图 3所示,ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(DOC)、ρ(TSS)和ρ(Chla)平均值分别为(1.43±0.67)(0.65±0.34)(12.09±2.4)(93.06±52.97) mg/L和(57.1±37.86)μg/L. ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(TSS)之间相关性显著(见表 2),最高值都集中在西部及北部入湖口区域,总体上均呈现出自西北向东南递减的空间分布规律.其中ρ(TP)、ρ(TN)的空间分布趋势与祝鹏等[33]的研究结果相似.与其他水质参数不同的是,ρ(DOC)空间变化趋势与其他各参数指标具有一定的差异性,如α(355) 与ρ(DOC)在夏季太湖的空间分布特征没有呈现出一致性,相关性研究也表明两者间几乎不存在相关性(见表 2),这可能与夏季大量生长的浮游动植物受到细菌和微生物降解以及光漂白作用使其产生大量无色的DOM,从而造成有色和无色DOM之间的比例不稳定有关[32].

表 2 CDOM及其荧光组分与水质参数之间的相关性 Table 2 Correlations between CDOM, fluorescence components, and water quality parameters

图 3 太湖水体中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(DOC)、ρ(Chla)、ρ(TSS)的统计箱图 Figure 3 Box-plots of ρ(TN), ρ(TP), ρ(DOC), ρ(Chla), ρ(TSS) in Lake Taihu
2.3 CDOM荧光特性 2.3.1 荧光组分特征

利用PARAFAC-EEMs法对CDOM荧光光谱进行处理分析,根据模型解释的最佳变量百分比(96.9%),最终确定的成分数为4,相应识别出四种不同因子(荧光组分),其中包括两种类蛋白组分(C1和C2) 及两种类腐殖质组分(C3和C4),如图 4所示.根据以往对荧光组分的研究,可推断组分C1(274 nm/302 nm)为类酪氨酸物质,组分C2(286 nm/336 nm)为类色氨酸物质,分别对应的是传统意义上的类蛋白质B峰和T峰[34-35].这类组分反映的是生物降解来源形成的荧光峰值,主要是由微生物和浮游植物的作用所产生,也受到生活污水和工业废水等外源输入所携带的微生物影响[16];组分C3(360 nm/442 nm)与可见光区类富里酸C峰接近,表明该组分是类腐殖质组分.一般认为,C3组分反映的是外源输入的腐殖酸和富里酸形成的荧光峰值,主要是河流输入及其携带的土壤溶解至水中的腐殖质,另外还包括水体内部浮游动植物及微生物经过细菌分解的残体,主要反映的是水体的陆源特征[36];组分C4(310 nm/383 nm)反映了短波激发类腐殖质的荧光性质,与海源性类富里酸M峰密切相关,多源于浮游植物降解,与腐殖质中的碳基和羧基相关,常见于海洋及其他各类水体中[35, 37].太湖水体CDOM来源和组成的时空差异性使得其中的荧光基团有所差别,并导致荧光组分和荧光峰的强度和位置等也存在较大差异.

图 4 由三维荧光平行因子模型识别出的4种不同荧光组分 Figure 4 Four different fluorescence component identified by 3D-EEMs-PARAFAC model
2.3.2 不同类型荧光组分的分布特征

在ArcMap中利用克里金法对太湖32个采样点进行内插,结果如图 5所示.由图 5可见,夏季太湖水体CDOM中四种荧光组分的荧光强度水平变化体现出大致相同的趋势:由太湖西部、北部湖区向东、南部湖区递减.类蛋白组分C1和C2荧光强度最高值分别出现在竺山湾1号采样点和梅梁湾2号采样点,最低值均出现在东太湖32号采样点.类腐殖质组分C3和C4荧光强度最高值分别出现北部湖区2号采样点,西部湖区大浦河入湖口11号采样点,最低值分别出现在中部湖区22号采样点和贡湖湾9号采样点.类蛋白组分C1和C2是CDOM荧光组分的主要部分,其荧光强度占总荧光强度的比例在所有采样点中均超过55%,平均值为66%,说明湖体生物内源对湖水CDOM贡献比率较大,同时在西部及北部等近岸湖区其类蛋白组分含量及其比重较大的原因也可能与陆源输入有关[37].类腐殖质组分C3与C4的贡献率相对较低(9.6%~18.8%),但其在不同湖区之间存在一定的差异性,如竺山湾、梅梁湾以及大浦河等河流的入湖口区域其荧光强度占总荧光强度贡献比率相对于东部贡湖湾、胥湖湾以及东太湖等东部和中、南部湖区要大些(见图 6).陆源的输入不仅可能会直接导致类蛋白质组分增加,同时类腐殖质组分的输入可能会诱发湖中藻类的大量生长,从而反过来间接地促进类蛋白组分的增加.

图 5 4种荧光组分荧光强度空间分布 Figure 5 Spatial distribution of fluorescence intensity for four fluorescence components

图 6 太湖32个采样点4种荧光组分荧光强度所占比例 Figure 6 Fluorescence intensity ratio of four fluorescence components in CDOM of 32 samples in Taihu Lake
2.3.3 CDOM荧光光谱特征参数

图 7可见,BIX在0.82~1.64之间,平均值为1.16±0.19;HIX在0.32~0.68之间,平均值为0.52± 0.1,绝大部分点的BIX>1以及相应的HIX < 0.6;相比之下,圈出的小部分采样点的BIX则相对较小,HIX相对较大,总体上各采样点水样的腐殖化程度较低(HIX均小于0.8). FI在1.50~2.01之间,平均值为1.78±0.16,大多数采样点的FI分布在1.70~2.01范围内,接近内源值(1.9);而圈出的小部分采样点FI分布在1.50~1.70范围内,趋近陆源特性,其对应的r(T/C)>2,并且集中在太湖西、北部及南部河流入湖口地区.由于受到外来源比如河流携带的陆源物质及排放的工业、生活污水等较大的影响,陆源类腐殖质组分较多,陆源特性相对于其他湖区来说要显著些,而该区域类蛋白荧光组分所占比重也较大,使得该湖区CDOM具有陆源与生物内源双重特性. 图 7中未圈出的是距岸较远的湖心区及东部和南部湖区,水体生产力及代谢速率较高,腐殖化程度相对较低,自生源特性明显.因此,通过对上述荧光光谱特征参数的分析研究表明,夏季太湖CDOM主要来源于生物自生源,而西、北部等近岸湖区CDOM受陆源输入影响相对显著一些.

图 7 太湖水体CDOM的荧光参数分布 Figure 7 Distribution of fluorescence parameters of CDOM in Lake Taihu
3 讨论 3.1 CDOM来源解析

采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)对CDOM吸尘系数及其荧光组分强度进行分析,结果如图 8所示.由图可见,四种荧光组分强度在第一主成分提取的因子都非常高,方差贡献率为90.8%,并且都呈正相关,暗示着在第一主成分中所有荧光组分强度之间存在极显著的相关性,在来源上具有相似性.其中,相对类腐殖质组分C3,类蛋白质组分C1和C2强度在该成分上的载荷要更高,结合各组分荧光强度所占比重,可以推断在第一主成分上,水体CDOM来源组成主要与湖泊内源的生物代谢作用有关.荧光组分在第二主成分上的提取因子均较小,方差贡献率为6.1%,组分C3强度在第二主成分上的载荷要相对大些,并且与组分C1、C2、C4强度呈负相关,暗示着在第二主成分上组分C3与其他组分在来源上的差异性.因此,第二主成分主要反映的是太湖周边径流的输入所携带的荧光物质组分.对荧光组分的主成分分析结果与其荧光特征参数分析结果相一致,暗示着生物自生源在CDOM来源上的主导作用.

图 8 4种荧光组分的主成分解析 Figure 8 Principal component analysis of four fluorescent components
3.2 CDOM与各水质参数的来源关系

为了进一步了解CDOM时空差异的动力机制,对CDOM吸尘系数与其荧光组分强度和其他水质参数ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(TSS)、ρ(DOC)进行相关分析,结果见表 2.从表 2可见,除ρ(DOC)外,各水质参数之间的相关性也很显著,CDOM吸尘系数与4种水质参数之间均呈显著性相关,其中ρ(TSS)与CDOM吸尘系数之间的相关性弱于其他水质参数,表明CDOM及各水质参数在来源上存在着密切的关联性. LIU等[39]研究表明,在新安江水库中发现CDOM吸尘系数与ρ(TN)、ρ(TP)存在显著的相关关系;WEN等[40]研究表明,在高原湖泊CDOM中同样发现CDOM吸尘系数与ρ(TN)、ρ(TSS)之间的相关性较好;殷燕等[41]研究表明,在夏季新安江水库中发现除ρ(TP)外,CDOM吸尘系数与ρ(TN)、ρ(Chla)、ρ(DOC)的相关性均较为显著.在风浪扰动、温度、pH、生物活动增强等因素作用下,悬浮物中的氮磷变化过程非常复杂[42].由此可见,氮、磷深度与CDOM吸尘系数的相关性可能与受外界环境条件影响程度的差异性有关.夏季太湖水体温度偏高、光合作用强烈,使得pH偏高且藻类的迅速繁殖消耗了大量的溶解氧导致悬浮物磷的大量释放,使得CDOM吸尘系数与ρ(TP)的相关性较为显著.另外,ρ(TN)与CDOM吸尘系数也存在较好的相关性,暗示着氮、磷的来源可能存在某种相似性.此外,CDOM吸尘系数与ρ(Chla)存在显著性相关,说明CDOM与浮游植物新陈代谢和降解密切相关.

各荧光组分之间呈现极显著性相关,并且各荧光组分强度与CDOM吸尘系数之间的相关性均较显著,其中,表征陆源的类腐殖质组分C3与CDOM吸尘系数之间也存在显著性相关,这可能与一部分组分C3强度来自于浮游植物的降解有关[38].除ρ(DOC)外,各荧光组分强度与各水质参数之间的相关性均较为显著但存在一定的差异性,李淑娟等[43]研究表明在污水中DOM也存在相似的结果;同时,值得注意的是,ρ(Chla)与组分C1、C2强度的相关性相对于组分C3、C4要更显著,可以进一步推断夏季太湖各水质参数受自生源影响更加显著.

此外,利用两个主成分在32个点位上的得分与各参数指标进行相关性分析,结果见图 9.由图 9可见,所有参数指标与表征内源特征的第一主成分(PC1) 相关性均较好;在第二主成分(PC2) 上,除组分C3与其相关性较为显著外,其他参数指标与其相关性均不显著.研究显示,太湖夏季水体ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(TSS)的来源受到湖体生物自生源影响较大,而陆源输入在西部及北部等近岸湖区影响相对较为显著,同时也揭示了CDOM及其荧光组分与N、P等元素的迁移、转化行为紧密相关.

图 9 各水质参数与主成分间相关性分析 Figure 9 Correlations between principal components and all water quality parameters
4 结论

a) 相对其他湖区,太湖西部及北部等湖区受陆源物质的输入影响相对显著,导致其CDOM丰度较大(5.2~8.27 m-1),S值较小(0.011~0.014 nm-1),并且类腐殖质荧光组分(C3、C4) 荧光强度占总荧光强度比重(14.6%~18.8%)较大.全湖湖体生物内源贡献相对显著,类蛋白组分(C1、C2) 荧光强度所占比重均超过55%,是主要的荧光组分,并且各荧光组分总体上均呈现出从太湖西、北部往东、南部递减的空间变化特征.

b) 太湖水体CDOM荧光光谱特征参数的空间分布差异性显著.在太湖北部竺山湾和梅梁湾以及西、南部入湖口区域,FI、HIX的分布范围分别为1.7~2.1、0.6~0.7,BIX小于1,r(T/C)大于2,表明其陆源特性相对显著,与其他湖区四种参数值的分布特征(自生源特性显著)有明显的差异.各参数值之间综合对比分析表明,夏季太湖水体CDOM以生物自生源为主,同时在西部及北部等近岸湖区受到外源输入影响较为显著.

c) 利用相关性分析和主成分分析法对各参数指标研究发现,各水质参数〔ρ(DOC)除外〕之间相关性均较为显著,并且在第一主成分上类蛋白质荧光组分贡献(90.8%)占主导,相对于类腐殖质荧光组分,其与叶绿素浓度的相关性更为显著,暗示着各水质参数受湖体生物自生源影响更加显著,同时也揭示了CDOM与N、P等元素的迁移、转化行为紧密相关.

参考文献
[1]
陈楚群, 潘志林, 施平. 海水光谱模拟及其在黄色物质遥感反演中的应用[J]. 热带海洋学报, 2003, 22(5): 33-38.
CHEN Chuqun, PAN Zhilin, SHI Ping, et al. Simulation of sea water reflectance and its application in retrieval of yellow substance by remote sensing data[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2003, 22(5): 33-38. (0)
[2]
KOWALCZUK P, STOŃ-EGIERT J, COOPER W J, et al. Characterization of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in the Baltic Sea by excitation emission matrix fluorescence spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 2005, 96(3): 273-292. (0)
[3]
NELSON N B, SIEGEL D A, MICHAELS A F. Seasonal dynamics of colored dissolved material in the Sargasso Sea[J]. Deep Sea Research Part Ⅰ Oceanographic Research Papers, 1998, 45(6): 931-957. DOI:10.1016/S0967-0637(97)00106-4 (0)
[4]
FUKUSHIMA T, PARK J, IMAI A, et al. Dissolved organic carbon in a eutrophic lake, dynamics, biodegradability and origin[J]. Aquatic Sciences, 1996, 58(58): 139-155. (0)
[5]
WADA S, AOKI M N, TSUCHIYA Y, et al. Quantitative and qualitative analyses of dissolved organic matter released from Ecklonia cava Kjellman, in Oura Bay, Shimoda, Izu Peninsula, Japan[J]. Journal of Experimental Marine Biology & Ecology, 2007, 349(2): 344-358. (0)
[6]
刘瑞霞, 李斌, 刘娜娜, 等. 辽河流域与英国中部河湖水体中溶解有机质的荧光特性[J]. 环境科学学报, 2014, 34(9): 2321-2326.
LIU Ruixia, LI Bin, LIU Nana, et al. Fluorescence characteristics of dissolved organic matter in freshwaters from Liaohe Basin and Midland of UK[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(9): 2321-2326. (0)
[7]
高洁, 江韬, 李璐璐, 等. 三峡库区消落带土壤中溶解性有机质(DOM)吸收及荧光光谱特征[J]. 环境科学, 2015, 36(1): 153-159.
GAO Jie, JIANG Tao, LI Lulu, et al. Ultraviolet-Visible (UV-Vis) and fluorescence spectral characteristics of dissolved organic matter(DOM) in soils of water-level fluctuation zones of the three Gorges Reservoir region[J]. Environmental Science, 2015, 36(1): 153-159. (0)
[8]
吴丰昌, 王立英, 黎文, 等. 天然有机质及其在地表环境中的重要性[J]. 湖泊科学, 2008, 20(1): 4-12.
WU Fengchang, WANG Liying, LI Wen, et al. Natural organic matter and its significance in terrestrial surface environment[J]. Journal of Lake Sciences, 2008, 20(1): 4-12. (0)
[9]
闫金龙, 江韬, 高洁, 等. 两江交汇处水体溶解性有机质的吸收和荧光光谱特征:以渠江-嘉陵江、涪江-嘉陵江为例[J]. 环境科学, 2015, 36(3): 869-877.
YAN Jinlong, JIANG Tao, GAO Jie, et al. Characteristics of absorption and fluorescence spectra of dissolved organic matter from confluence of rivers:case study of Qujiang River-Jialing River and Fujiang River-Jialing River[J]. Environmental Science, 2015, 36(3): 869-877. (0)
[10]
STEDMON C A, MARKAGER S, BRO R, et al. Tracing dissolved organic matter in aquatic environments using a new approach to fluorescence spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 2003, 82(3/4): 239-254. (0)
[11]
BOYD T J, OSBURN C L. Changes in CDOM fluorescence from allochthonous and autochthonous sources during tidal mixing and bacterial degradation in two coastal estuaries[J]. Marine Chemistry, 2004, 89(1): 189-210. (0)
[12]
ZHANG Y, DIJK M A V, LIU M, et al. The contribution of phytoplankton degradation to chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in eutrophic shallow lakes:field and experimental evidence[J]. Water Research, 2009, 43(43): 4685-4697. (0)
[13]
ANDREW A A, VECCHIO R D, SUBRAMANIAM A, et al. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in the Equatorial Atlantic Ocean:optical properties and their relation to CDOM structure and source[J]. Marine Chemistry, 2013, 148(9): 33-43. (0)
[14]
NIE Z, WU X, HUANG H, et al. Tracking fluorescent dissolved organic matter in multistage rivers using EEM-PARAFAC analysis:implications of the secondary tributary remediation for watershed management[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2016, 23(9): 8756-8769. (0)
[15]
ZHAO Y, SONG K, LI S, et al. Characterization of CDOM from urban waters in Northern-Northeastern China using excitation-emission matrix fluorescence and parallel factor analysis[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2016, 23(15): 1-14. (0)
[16]
程庆霖, 郑丙辉, 王圣瑞, 等. 滇池水体有色溶解性有机质(CDOM)三维荧光光谱特征[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(3): 698-702.
CHENG Qinglin, ZHENG Binghui, WANG Shengrui, et al. Optical signatures of chromophoric dissolved organic matter in water body of Tien Lake[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(3): 698-702. (0)
[17]
林辉, 郭卫东, 徐静, 等. 厦门湾溶解有机物的三维荧光光谱特征及其来源解析[J]. 光谱学与光谱分析, 2013, 33(2): 404-408.
LIN Hui, GUO Weidong, XU Jing, et al. Identifying the origin of chromophoric dissolved organic matter in Xiamen Bay using fluorescence spectroscopy and chemometrics[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013, 33(2): 404-408. (0)
[18]
ZHANG Yunlin, QIN Boqiang, ZHANG Lu, et al. Spectral absorption and fluorescence of chromophoric dissolved organic matter in Shallow Lakes in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River[J]. Journal of Freshwater Ecology, 2005, 20(3): 451-459. DOI:10.1080/02705060.2005.9664760 (0)
[19]
ZHANG Y, YIN Y, FENG L, et al. Characterizing chromophoric dissolved organic matter in Lake Tianmuhu and its catchment basin using excitation-emission matrix fluorescence and parallel factor analysis[J]. Water Research, 2011, 45(16): 5110-5122. DOI:10.1016/j.watres.2011.07.014 (0)
[20]
ZEPP R G, SHELDON W M, MORAN M A, et al. Dissolved organic fluorophores in southeastern US coastal waters:correction method for eliminating Rayleigh and Raman scattering peaks in excitation-emission matrices[J]. Marine Chemistry, 2004, 89(1): 15-36. (0)
[21]
BATTIN T J. Dissolved organic matter and its optical properties in a blackwater tributary of the upper Orinoco River, Venezuela[J]. Organic Geochemistry, 1998, 28(98): 561-569. (0)
[22]
MCKNIGHT D M, BOYER E W, WESTERHOFF P K, et al. Spectrophotometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity[J]. Limnology & Oceanography, 2001, 46(1): 38-48. (0)
[23]
PARLANTI E, WÖRZ K, GEOFFROY L, et al. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs[J]. Organic Geochemistry, 2000, 31(12): 1765-1781. DOI:10.1016/S0146-6380(00)00124-8 (0)
[24]
HUGUET A, VACHER L, RELEXANS S, et al. Properties of fluorescent dissolved organic matter in the Gironde Estuary[J]. Organic Geochemistry, 2008, 40(6): 706-719. (0)
[25]
DESANTIS A, LAIACONA M, BARBAROTTO R, et al. Fluorescence and absorption properties of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in coastal surface waters of the northwestern Mediterranean Sea, influence of the Rh ne River[J]. Biogeosciences & Discussions, 2010, 7(12): 4086-4101. (0)
[26]
WICKLAND K P, NEFF J C, AIKEN G R, et al. Dissolved organic carbon in Alaskan boreal forest:sources, chemical characteristics, and biodegradability[J]. Ecosystems, 2007, 10(8): 1323-1340. DOI:10.1007/s10021-007-9101-4 (0)
[27]
BAKER A, CURRY M. Fluorescence of leachates from three contrasting landfills[J]. Water Research, 2004, 38(10): 2605-2613. DOI:10.1016/j.watres.2004.02.027 (0)
[28]
GALAPATE R P, BAES A U, ITO K, et al. Detection of domestic wastes in Kurose river using synchronous fluorescence spectroscopy[J]. Water Research, 1998, 32(7): 2232-2239. DOI:10.1016/S0043-1354(97)00426-0 (0)
[29]
金相灿, 屠清瑛. 湖泊富营养化调查规范[M]. 2版. 北京: 中国环境科学出版社, 1990, 143, 162-163, 203. (0)
[30]
张运林, 秦伯强, 陈伟民, 等. 太湖水体中悬浮物研究[J]. 长江流域资源与环境, 2004, 13(3): 266-271.
ZHANG Yunlin, QING Boqiang, CHEN Weimin, et al. A study on total suspended matter in lake taihu[J]. Resources and Environment in the Yangtze River Basin, 2004, 13(3): 266-271. (0)
[31]
陈宇炜, 陈开宁, 胡耀辉. 浮游植物叶绿素a测定的"热乙醇法"及其测定误差的探讨[J]. 湖泊科学, 2006, 18(5): 550-552.
CHEN Yuwei, CHEN Kaining, HU Yaohui, et al. Discussion on possible error for phytoplankton chlorophyll-a concentration analysis using hot-ethanol extraction method[J]. Journal of Lake Sciences, 2006, 18(5): 550-552. DOI:10.18307/2006.0519 (0)
[32]
张运林, 秦伯强. 梅梁湾、大太湖夏季和冬季CDOM特征及可能来源分析[J]. 水科学进展, 2007, 18(3): 416-423.
ZHANG Yunlin, QIN Boqiang. Feature of CDOM and its possible source in Meiliang bay and Da Taihu Lake in Taihu Lake in summer and winter[J]. Advances in Water Science, 2007, 18(3): 416-423. (0)
[33]
祝鹏, 华祖林, 张润宇, 等. 太湖溶解有机质光谱和氮磷污染的区域分布差异特征[J]. 环境科学研究, 2010, 23(2): 129-136.
ZHU Peng, HUA Zulin, ZHANG Runyu, et al. Characteristics of spatial distribution differences of spectrum of dissolved organic matter and nitrogen/phosphorus pollution in Taihu Lake[J]. Research of Environmental Sciences, 2010, 23(2): 129-136. (0)
[34]
CHEN R F, BISSETT P, COBLE P, et al. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) source characterization in the Louisiana Bight[J]. Marine Chemistry, 2004, 89(1): 257-272. (0)
[35]
COBLE P G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 1996, 51(4): 325-346. DOI:10.1016/0304-4203(95)00062-3 (0)
[36]
宋晓娜, 于涛, 张远, 等. 利用三维荧光技术分析太湖水体溶解性有机质的分布特征及来源[J]. 环境科学学报, 2010, 30(11): 2321-2330.
SONG Xiaona, YU Tao, ZHANG Yuan, et al. Distribution characterization and source analysis of dissolved organic matter in Taihu Lake using three dimensional fluorescence excitation-emission matrix[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(11): 2321-2330. (0)
[37]
CORY R M, MCKNIGHT D M. Fluorescence spectroscopy reveals ubiquitous presence of oxidized and reduced quinones in dissolved organic matter[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(21): 8142-8149. (0)
[38]
刘明亮, 张运林, 秦伯强, 等. 太湖入湖河口和开敞区CDOM吸收和三维荧光特征[J]. 湖泊科学, 2009, 21(2): 234-241.
LIU Mingliang, ZHANG Yunlin, Qin Boqiang, et al. Characterization of absorption and three-dimensional excitation-emission matrix spectra of chromophoric dissolved organic matter at the river inflow and the open area in Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2009, 21(2): 234-241. DOI:10.18307/2009.0212 (0)
[39]
LIU X, ZHANG Y, SHI K, et al. Absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter:implications for the monitoring of water quality in a large subtropical reservoir[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2014, 21(24): 14078-14090. (0)
[40]
WEN Z D, SONG K S, ZHAO Y, et al. Influence of environmental factors on spectral characteristics of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in Inner Mongolia Plateau, China[J]. Hydrology & Earth System Sciences Discussions, 2015, 12(6): 5895-5929. (0)
[41]
殷燕, 吴志旭, 张运林, 等. 新安江水库夏季CDOM吸收光谱特征及来源分析[J]. 中国环境科学, 2014, 34(12): 3207-3214.
YIN Yan, WU Zhixu, ZHANG Yunlin, et al. Absorption characteristics and sources analysis of CDOM in Xin'anjiang Reservoir in summer[J]. China Environmental Science, 2014, 34(12): 3207-3214. (0)
[42]
汪家权, 孙亚敏, 钱家忠, 等. 巢湖底泥磷的释放模拟实验研究[J]. 环境科学学报, 2002, 22(6): 738-742.
WANG Jiaquan, SUN Yamin, QIAN Jiazhong, et al. Simulated study on phosphorus release of Chao Lake sediment[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2002, 22(6): 738-742. (0)
[43]
李淑娟, 葛利云, 邓欢欢, 等. 复合垂直流人工湿地净化过程中DOM的三维荧光光谱分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2015, 35(4): 946-950.
LI Shujuan GE Liyun, GE Liyun, DENG Huanhuan, et al. Excitation-emission matrix fluorescence spectra characteristics of DOM in integrated vertical flow constructed wetland for treating eutrophic water[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(4): 946-950. (0)