河流水体CDOM光学特性及其对生态环境要素的响应

发布时间：2020-06-09 16:58

【摘要】：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)、SUVA_(254)和S_(275-295)、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E_(250:365)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SUVA_(254)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S_(275-295)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FI_(370)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FI_(310)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FI_(370)和FI_(310),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。
【图文】：

电子跃迁能

图 1-1 CDOM 电子跃迁能级图Figure 1-1 Electronic transition energy level diagram of CDOMM 的吸光度常通过紫外可见分光光度计进行测定，其吸收系下：a(λ)=2.303A(λ)/L )是 CDOM 样品在波长 λ 处的光学密度，L 为紫外可将光分光色皿的长度（0.01 m）。为了消除实验室紫外可将光分光光度品与空白折射率差异或者散射等影响，CDOM 样品的吸收系正，a(λ)=2.303*(A(λ)- A平均值)/L )为校正之后的 CDOM 样品在波长 λ 处的吸收系数，A平均值为数平均值。研究报道，CDOM 吸收校正可参考用 700-800 nm 650-700 nm 处的吸收系数或平均吸收系数进行校正。CD

示意图,能级跃迁,荧光光谱,过程

DOM 荧光1）荧光原理OM 由于结构中有发色团的存在，其结构中包括较低能量的 π-π 跃迁的，不仅具有吸收光的性质，还使其在吸收紫外光后能发出荧光。CD原理是基于特定波长的光照射，使原子核周围处于基态的电子被激发分子失去激发能并不稳定；当电子在该能级上回到第一激发单重态的最级，能量以光的形式释放，所发射的光量子就是荧光 (图 1-2)。荧光检外可见光分光光度计吸收法高出 2~4 个数量级，检出限可达 0.001此外，荧光法的选择性好、线性范围宽，可获取更丰富的组分信息，是的痕量分析技术，广泛的应用于水体中 CDOM 的分析与检测。CDOM为荧光溶解有机物（FDOM）[49]。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

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