江俊武, 李帥東, 沈胤胤, 吳亞林, 黃昌春*, 黃 濤, 姜 晟

1.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210023 2.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023 3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210023 4.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 蘇州 210036

夏季太湖CDOM光學(xué)特性空間差異及其來源解析

江俊武1,2,3, 李帥東3, 沈胤胤3, 吳亞林3, 黃昌春1,2,3*, 黃 濤1,2,3, 姜 晟4

1.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210023 2.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023 3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210023 4.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 蘇州 210036

為進(jìn)一步探究夏季太湖CDOM(有色溶解性有機(jī)質(zhì))光學(xué)特性在空間分布上的差異性與其來源的關(guān)系，對(duì)其紫外-可見吸收及三維熒光光譜特性進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了CDOM吸塵系數(shù)及其熒光組分(C1、C2、C3、C4)強(qiáng)度和各水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)性. 結(jié)合主成分分析法探討了CDOM的來源以及與各參數(shù)指標(biāo)〔ρ(DOC)除外〕之間的來源關(guān)系. 結(jié)果表明：CDOM吸收系數(shù)α(355)、S值(光譜斜率)變化范圍分別為3.27～8.27 m-1和0.011～0.021 nm-1；太湖西部、北部及南部湖區(qū)CDOM豐度較大，S值較低，受陸源輸入的影響較為明顯. CDOM的三維熒光光譜揭示其中含有兩種類蛋白質(zhì)組分C1和C2以及類腐殖質(zhì)組分C3和C4，并且以類蛋白質(zhì)組分為主. 此外，大部分采樣點(diǎn)的熒光指數(shù)(FI)為1.70～2.01，自生源指數(shù)(BIX)大于1，腐殖化指數(shù)(HIX)小于0.6，r(T/C)(熒光峰T與熒光峰C熒光強(qiáng)度比值)小于2，表明夏季太湖CDOM內(nèi)源特性相對(duì)強(qiáng)烈. 研究顯示，除ρ(DOC) 外，CDOM與其他水質(zhì)參數(shù)在第一主成分上(貢獻(xiàn)率為90.8%)均存在顯著相關(guān)關(guān)系，說明各水質(zhì)參數(shù)的來源存在相似性，并且受生物自生源影響更為顯著.

CDOM; 太湖; 三維熒光光譜; 主成分分析; 來源解析

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 fromρ(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 slopeSvalues were 3.27- 8.27 m-1and 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 lowerSvalues. 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%) exceptρ(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，有色溶解性有機(jī)物)又稱黃色物質(zhì)，是DOM(溶解性有機(jī)質(zhì))中主要的吸光物質(zhì)，同時(shí)也是天然水體重要的溶解有機(jī)碳貯庫[1]. CDOM能阻止紫外線對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，其強(qiáng)烈吸收紫外光后發(fā)生光降解所產(chǎn)生的小分子量有機(jī)物被浮游植物加以吸收利用[2]；此外，CDOM影響著水下光強(qiáng)的分布，是導(dǎo)致水體中光衰減的重要因子，同時(shí)影響水生生物群落的結(jié)構(gòu)與功能[3]. CDOM來源主要包括兩個(gè)方面：①在內(nèi)陸水體及近岸海域，主要來自于陸地徑流的輸入和生物降解的產(chǎn)物；②在遠(yuǎn)岸水域或開闊大洋中，主要由現(xiàn)場生物活動(dòng)產(chǎn)生[4-5]. CDOM的來源和組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性影響了水中污染物的生物有效性、生物降解性及重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等環(huán)境行為特性[6-7]，是水環(huán)境中污染物遷移的重要驅(qū)動(dòng)因子.

目前關(guān)于有機(jī)質(zhì)來源解析的研究方法主要集中在元素組成、化學(xué)組成、同位素、熒光和紫外光譜、核磁共振等方面[8]. 紫外-可見光譜分析技術(shù)作為辨析CDOM結(jié)構(gòu)特征的一種快速簡便的方法，具有儀器普及、操作簡單、所需樣品量少等優(yōu)點(diǎn). 三維熒光光譜(3D-EEMs)與平行因子分析法相結(jié)合的技術(shù)能夠把性質(zhì)、來源、遷移轉(zhuǎn)化過程等不同的CDOM熒光基團(tuán)進(jìn)行分離解析并描述其環(huán)境歸趨，具有高靈敏度、高選擇性、高信息量、不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)[9]，在對(duì)湖泊、河流、海灣、大洋等水體的CDOM研究中得到廣泛應(yīng)用[10-13]. 此外，近年來結(jié)合三維熒光-平行因子分析法與主成分分析法對(duì)CDOM來源進(jìn)行解析的研究已較為廣泛[14-17].

該研究以整個(gè)太湖為研究對(duì)象，利用三維熒光-平行因子分析技術(shù)，對(duì)2015年夏季太湖水體CDOM及其熒光組分的空間分布特征及其來源進(jìn)行了分析研究；同時(shí)，結(jié)合相關(guān)性及主成分分析方法，對(duì)CDOM來源做了進(jìn)一步解析，并在此基礎(chǔ)上探討了CDOM與各水質(zhì)參數(shù)〔ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)(Chla為葉綠素a)、ρ(DOC)(DOC為溶解性有機(jī)碳)、ρ(TSS)(TSS為總懸浮顆粒物)〕在來源上的關(guān)聯(lián)性，從而更好地揭示了夏季太湖CDOM來源的動(dòng)力機(jī)制及其環(huán)境行為特征與水體內(nèi)部各要素之間內(nèi)在關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集及處理

于2015年8月30日和9月1日在全太湖設(shè)32個(gè)采樣點(diǎn)(見圖1)，采集表層水樣(水面以下10～30 cm)1.5 L，用聚乙烯瓶避光冷凍保存送回實(shí)驗(yàn)室. 樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，首先利用0.47 μm的Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜過濾水樣，再將所得溶液通過0.22 μm Millipore玻璃纖維濾膜，并把過濾完水樣(分別通過兩種粒徑濾膜所得的溶液)及原水樣裝入125 mL棕色瓶中4 ℃恒溫冷藏保存待測. 其中，通過0.22 μm濾膜的溶液用于CDOM吸收光譜分析和三維熒光光譜分析；通過0.47 μm濾膜的溶液用于ρ(DOC) 測定；原水樣用于ρ(TN)、ρ(TP)的測定；過濾完后的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上的顆粒物用于ρ(Chla)和ρ(TSS)的測定.

圖1 太湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of sampling sites in Taihu Lake

1.2 參數(shù)測定

1.2.1 CDOM吸收系數(shù)測定

將通過0.22 μm濾膜的溶液裝入1 cm×1 cm的比色皿中，以超純水作為參考水樣，利用島津UV-3600紫外分光光度計(jì)測量CDOM的吸光度，光譜范圍為200～800 nm，采樣間隔為1 nm. 根據(jù)式(1)計(jì)算CDOM吸收系數(shù)，再根據(jù)式(2)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行散射效應(yīng)的校正[18]，得到最終校正后的吸收系數(shù).

(1)

(2)

式中：α(λ)為波長λ下的吸收系數(shù)，m-1；α′(λ)為波長λ下的未校正吸收系數(shù)，m-1；λ為波長，nm；D(λ)為吸光度；r為光程路徑，m. 由于CDOM的豐度無法直接測定，并且各研究區(qū)域水體之間理化性質(zhì)及其光化學(xué)性質(zhì)具有差異性導(dǎo)致對(duì)CDOM豐度表征的波段也不一. 目前在大多學(xué)者的研究中一般采用350、355、375和440 nm等波長處的吸收系數(shù)來表征[2-3,18-19]. 該研究采用α(355)來表征CDOM的豐度.

1.2.2 光譜斜率(S)的確定

根據(jù)CDOM吸收光譜在紫外-可見光波段所呈現(xiàn)的指數(shù)衰減的規(guī)律特征，采用最小二乘法對(duì)光譜斜率進(jìn)行擬合[19]，如式(3)所示.

(3)

式中：λ0為參照波長，nm，選取355 nm；S為指數(shù)函數(shù)曲線光譜斜率，nm-1，擬合波段范圍為280～500 nm.

1.2.3 CDOM三維熒光光譜測量

CDOM的三維熒光光譜采用PERKIN-ELMER公司的LS50B分子熒光光度計(jì)進(jìn)行測定. 使用規(guī)格為1 cm×1 cm的石英比色皿. 以Mill-Q水為空白，掃描速度為 1 200 nm/min；激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度分別為12.5和17.5 nm. 其中λEx(激發(fā)波長)范圍為250～450 nm，波長步長為2 nm；λEm(激發(fā)波長)為250～600 nm，波長步長為1 nm；獲取的三維熒光光譜扣除純水的三維熒光光譜進(jìn)行散射校正以消除拉曼散射效應(yīng)影響[20]. 熒光強(qiáng)度采用0.01 mg/L硫酸奎寧稀硫酸溶液進(jìn)行定標(biāo)[5]. 計(jì)算得到的熒光強(qiáng)度是每個(gè)組分的相對(duì)熒光強(qiáng)度與其在激發(fā)和發(fā)射波長上最大值的乘積[2]. 為了消除由于CDOM吸收過高可能引發(fā)的內(nèi)濾波效應(yīng)，采用式(4)進(jìn)行校正[12].

(4)

式中,Fobs、Fcoor分別為校正前后的熒光強(qiáng)度,αEx、αEm分別為相應(yīng)激發(fā)及發(fā)射波長下的吸收系數(shù).

最后利用Matlab 12.0 DOMFluor工具箱進(jìn)行殘差分析得出組分?jǐn)?shù)并用折半分析對(duì)分離出的組分進(jìn)行驗(yàn)證[10]. 該研究中相關(guān)熒光參數(shù)如表1所示.

表1 熒光光譜參數(shù)描述

1.2.4 水質(zhì)參數(shù)測定

ρ(TN)、ρ(TP)根據(jù)文獻(xiàn)[29]的方法測定；ρ(TSS) 采用灼燒稱重法[30]測定；ρ(Chla)采用熱乙醇法，利用UV-3600紫外分光光度儀測定[31]；ρ(DOC) 利用島津總有機(jī)碳分析儀(TOC-L)測定，測量范圍為0.5～500 mg/L.

2 結(jié)果與分析

2.1 CDOM吸收特性

圖2 CDOM吸收系數(shù)α(355)及S值分布Fig.2 The distribution of CDOM absorption coefficient at 355 nm and spectral slope S value

夏季太湖各觀測點(diǎn)CDOM吸收光譜遵循從紫外光區(qū)到可見光區(qū)以指數(shù)形式進(jìn)行衰減的規(guī)律，整體吸收光譜形狀沒有顯著差異. 由圖2可見，α(355)變化范圍為3.27～8.27 m-1，平均值為(4.8±1.35)m-1，最大值出現(xiàn)在竺山灣湖區(qū)1號(hào)采樣點(diǎn)，最小值出現(xiàn)在南部湖區(qū)31號(hào)采樣點(diǎn)；一般認(rèn)為，S值是對(duì)DOM組成結(jié)構(gòu)信息(如分子量大小、光化學(xué)活性等)的表征參數(shù)，也可作為區(qū)分CDOM來源的重要參數(shù). 該研究利用280～500 nm處的吸收光譜擬合S值的變化范圍為0.011～0.021 nm-1，平均值為(0.016±0.001 4)nm-1，這與張運(yùn)林在2004年夏季對(duì)太湖梅梁灣水體根據(jù)280～500 nm吸收光譜擬合的結(jié)果〔0.014～0.019 nm-1，平均值為(0.016±0.012)nm-1〕相近[32]. 此外，S最高值與最低值大致與α(355) 的最低值和最高值相對(duì)應(yīng)，相關(guān)性分析也表明兩者存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.85，P<0.001). 由于受生物自生源影響較為顯著，大部分湖區(qū)α(355) 偏小(3.27～5.2 m-1)，S值偏大(0.014～0.021 nm-1)，而周邊水系(如大浦河、太滆河、漕河等)的流入以及人為活動(dòng)排放等陸源因素的輸入可能使得太湖北部及西部等近岸湖區(qū)CDOM中陸源腐植質(zhì)組分增多，α(355)(5.2～8.27 m-1)偏大，S值(0.011～0.014 nm-1)偏小.

2.2 各水質(zhì)參數(shù)的分布

圖3 太湖水體中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(DOC)、ρ(Chla)、ρ(TSS)的統(tǒng)計(jì)箱圖Fig.3 Box-plots of ρ(TN), ρ(TP), ρ(DOC), ρ(Chla), ρ(TSS) in Lake Taihu

如圖3所示，ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(DOC)、ρ(TSS)和ρ(Chla)平均值分別為(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)之間相關(guān)性顯著(見表2)，最高值都集中在西部及北部入湖口區(qū)域，總體上均呈現(xiàn)出自西北向東南遞減的空間分布規(guī)律. 其中ρ(TP)、ρ(TN)的空間分布趨勢與祝鵬等[33]的研究結(jié)果相似. 與其他水質(zhì)參數(shù)不同的是，ρ(DOC) 空間變化趨勢與其他各參數(shù)指標(biāo)具有一定的差異性，如α(355)與ρ(DOC)在夏季太湖的空間分布特征沒有呈現(xiàn)出一致性，相關(guān)性研究也表明兩者間幾乎不存在相關(guān)性(見表2)，這可能與夏季大量生長的浮游動(dòng)植物受到細(xì)菌和微生物降解以及光漂白作用使其產(chǎn)生大量無色的DOM，從而造成有色和無色DOM之間的比例不穩(wěn)定有關(guān)[32].

2.3 CDOM熒光特性

2.3.1 熒光組分特征

利用PARAFAC-EEMs法對(duì)CDOM熒光光譜進(jìn)行處理分析，根據(jù)模型解釋的最佳變量百分比(96.9%)，最終確定的成分?jǐn)?shù)為4，相應(yīng)識(shí)別出四種不同因子(熒光組分)，其中包括兩種類蛋白組分(C1和C2)及兩種類腐殖質(zhì)組分(C3和C4)，如圖4所示. 根據(jù)以往對(duì)熒光組分的研究，可推斷組分C1(274 nm/302 nm)為類酪氨酸物質(zhì)，組分C2(286 nm/336 nm)為類色氨酸物質(zhì)，分別對(duì)應(yīng)的是傳統(tǒng)意義上的類蛋白質(zhì)B峰和T峰[34-35]. 這類組分反映的是生物降解來源形成的熒光峰值，主要是由微生物和浮游植物的作用所產(chǎn)生，也受到生活污水和工業(yè)廢水等外源輸入所攜帶的微生物影響[16]；組分C3(360 nm/442 nm)與可見光區(qū)類富里酸C峰接近，表明該組分是類腐殖質(zhì)組分. 一般認(rèn)為，C3組分反映的是外源輸入的腐殖酸和富里酸形成的熒光峰值，主要是河流輸入及其攜帶的土壤溶解至水中的腐殖質(zhì)，另外還包括水體內(nèi)部浮游動(dòng)植物及微生物經(jīng)過細(xì)菌分解的殘?bào)w，主要反映的是水體的陸源特征[36]；組分C4(310 nm/383 nm)反映了短波激發(fā)類腐殖質(zhì)的熒光性質(zhì)，與海源性類富里酸M峰密切相關(guān)，多源于浮游植物降解，與腐殖質(zhì)中的碳基和羧基相關(guān)，常見于海洋及其他各類水體中[35,37]. 太湖水體CDOM來源和組成的時(shí)空差異性使得其中的熒光基團(tuán)有所差別，并導(dǎo)致熒光組分和熒光峰的強(qiáng)度和位置等也存在較大差異.

表2 CDOM及其熒光組分與水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性

注： **表示在水平0.01(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè)) 上顯著相關(guān).

圖4 由三維熒光平行因子模型識(shí)別出的4種不同熒光組分Fig.4 Four different fluorescence component identified by 3D-EEMs-PARAFAC model

2.3.2 不同類型熒光組分的分布特征

在ArcMap中利用克里金法對(duì)太湖32個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見，夏季太湖水體CDOM中四種熒光組分的熒光強(qiáng)度水平變化體現(xiàn)出大致相同的趨勢：由太湖西部、北部湖區(qū)向東、南部湖區(qū)遞減. 類蛋白組分C1和C2熒光強(qiáng)度最高值分別出現(xiàn)在竺山灣1號(hào)采樣點(diǎn)和梅梁灣2號(hào)采樣點(diǎn)，最低值均出現(xiàn)在東太湖32號(hào)采樣點(diǎn). 類腐殖質(zhì)組分C3和C4熒光強(qiáng)度最高值分別出現(xiàn)北部湖區(qū)2號(hào)采樣點(diǎn)，西部湖區(qū)大浦河入湖口11號(hào)采樣點(diǎn)，最低值分別出現(xiàn)在中部湖區(qū)22號(hào)采樣點(diǎn)和貢湖灣9號(hào)采樣點(diǎn). 類蛋白組分C1和C2是CDOM熒光組分的主要部分，其熒光強(qiáng)度占總熒光強(qiáng)度的比例在所有采樣點(diǎn)中均超過55%，平均值為66%，說明湖體生物內(nèi)源對(duì)湖水CDOM貢獻(xiàn)比率較大，同時(shí)在西部及北部等近岸湖區(qū)其類蛋白組分含量及其比重較大的原因也可能與陸源輸入有關(guān)[37]. 類腐殖質(zhì)組分C3與C4的貢獻(xiàn)率相對(duì)較低(9.6%～18.8%)，但其在不同湖區(qū)之間存在一定的差異性，如竺山灣、梅梁灣以及大浦河等河流的入湖口區(qū)域其熒光強(qiáng)度占總熒光強(qiáng)度貢獻(xiàn)比率相對(duì)于東部貢湖灣、胥湖灣以及東太湖等東部和中、南部湖區(qū)要大些(見圖6). 陸源的輸入不僅可能會(huì)直接導(dǎo)致類蛋白質(zhì)組分增加，同時(shí)類腐殖質(zhì)組分的輸入可能會(huì)誘發(fā)湖中藻類的大量生長，從而反過來間接地促進(jìn)類蛋白組分的增加.

2.3.3 CDOM熒光光譜特征參數(shù)

由圖7可見，BIX在0.82～1.64之間，平均值為1.16±0.19；HIX在0.32～0.68之間，平均值為0.52±0.1，絕大部分點(diǎn)的BIX>1以及相應(yīng)的HIX<0.6；相比之下，圈出的小部分采樣點(diǎn)的BIX則相對(duì)較小，HIX相對(duì)較大，總體上各采樣點(diǎn)水樣的腐殖化程度較低(HIX均小于0.8). FI在1.50～2.01之間，平均值為1.78±0.16，大多數(shù)采樣點(diǎn)的FI分布在1.70～2.01范圍內(nèi)，接近內(nèi)源值(1.9)；而圈出的小部分采樣點(diǎn)FI分布在1.50～1.70范圍內(nèi)，趨近陸源特性，其對(duì)應(yīng)的r(T/C)>2，并且集中在太湖西、北部及南部河流入湖口地區(qū). 由于受到外來源比如河流攜帶的陸源物質(zhì)及排放的工業(yè)、生活污水等較大的影響，陸源類腐殖質(zhì)組分較多，陸源特性相對(duì)于其他湖區(qū)來說要顯著些，而該區(qū)域類蛋白熒光組分所占比重也較大，使得該湖區(qū)CDOM具有陸源與生物內(nèi)源雙重特性. 圖7中未圈出的是距岸較遠(yuǎn)的湖心區(qū)及東部和南部湖區(qū)，水體生產(chǎn)力及代謝速率較高，腐殖化程度相對(duì)較低，自生源特性明顯. 因此，通過對(duì)上述熒光光譜特征參數(shù)的分析研究表明，夏季太湖CDOM主要來源于生物自生源，而西、北部等近岸湖區(qū)CDOM受陸源輸入影響相對(duì)顯著一些.

圖5 4種熒光組分熒光強(qiáng)度空間分布Fig.5 Spatial distribution of fluorescence intensity for four fluorescence components

圖6 太湖32個(gè)采樣點(diǎn)4種熒光組分熒光強(qiáng)度所占比例Fig.6 Fluorescence intensity ratio of four fluorescence components in CDOM of 32 samples in Taihu Lake

圖7 太湖水體CDOM的熒光參數(shù)分布Fig.7 Distribution of fluorescence parameters of CDOM in Lake Taihu

3 討論

3.1 CDOM來源解析

采用主成分分析法(principal component analysis，PCA)對(duì)CDOM吸塵系數(shù)及其熒光組分強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示. 由圖可見，四種熒光組分強(qiáng)度在第一主成分提取的因子都非常高，方差貢獻(xiàn)率為90.8%，并且都呈正相關(guān)，暗示著在第一主成分中所有熒光組分強(qiáng)度之間存在極顯著的相關(guān)性，在來源上具有相似性. 其中，相對(duì)類腐殖質(zhì)組分C3，類蛋白質(zhì)組分C1和C2強(qiáng)度在該成分上的載荷要更高，結(jié)合各組分熒光強(qiáng)度所占比重，可以推斷在第一主成分上，水體CDOM來源組成主要與湖泊內(nèi)源的生物代謝作用有關(guān). 熒光組分在第二主成分上的提取因子均較小，方差貢獻(xiàn)率為6.1%，組分C3強(qiáng)度在第二主成分上的載荷要相對(duì)大些，并且與組分C1、C2、C4強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，暗示著在第二主成分上組分C3與其他組分在來源上的差異性. 因此，第二主成分主要反映的是太湖周邊徑流的輸入所攜帶的熒光物質(zhì)組分. 對(duì)熒光組分的主成分分析結(jié)果與其熒光特征參數(shù)分析結(jié)果相一致，暗示著生物自生源在CDOM來源上的主導(dǎo)作用.

圖8 4種熒光組分的主成分解析Fig.8 Principal component analysis of four fluorescent components

3.2 CDOM與各水質(zhì)參數(shù)的來源關(guān)系

為了進(jìn)一步了解CDOM時(shí)空差異的動(dòng)力機(jī)制，對(duì)CDOM吸塵系數(shù)與其熒光組分強(qiáng)度和其他水質(zhì)參數(shù)ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(TSS)、ρ(DOC)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表2. 從表2可見，除ρ(DOC)外，各水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性也很顯著，CDOM吸塵系數(shù)與4種水質(zhì)參數(shù)之間均呈顯著性相關(guān)，其中ρ(TSS)與CDOM吸塵系數(shù)之間的相關(guān)性弱于其他水質(zhì)參數(shù)，表明CDOM及各水質(zhì)參數(shù)在來源上存在著密切的關(guān)聯(lián)性. LIU等[39]研究表明，在新安江水庫中發(fā)現(xiàn)CDOM吸塵系數(shù)與ρ(TN)、ρ(TP)存在顯著的相關(guān)關(guān)系；WEN等[40]研究表明，在高原湖泊CDOM中同樣發(fā)現(xiàn)CDOM吸塵系數(shù)與ρ(TN)、ρ(TSS)之間的相關(guān)性較好；殷燕等[41]研究表明，在夏季新安江水庫中發(fā)現(xiàn)除ρ(TP)外，CDOM吸塵系數(shù)與ρ(TN)、ρ(Chla)、ρ(DOC) 的相關(guān)性均較為顯著. 在風(fēng)浪擾動(dòng)、溫度、pH、生物活動(dòng)增強(qiáng)等因素作用下，懸浮物中的氮磷變化過程非常復(fù)雜[42]. 由此可見，氮、磷深度與CDOM吸塵系數(shù)的相關(guān)性可能與受外界環(huán)境條件影響程度的差異性有關(guān). 夏季太湖水體溫度偏高、光合作用強(qiáng)烈，使得pH偏高且藻類的迅速繁殖消耗了大量的溶解氧導(dǎo)致懸浮物磷的大量釋放，使得CDOM吸塵系數(shù)與ρ(TP)的相關(guān)性較為顯著. 另外，ρ(TN)與CDOM吸塵系數(shù)也存在較好的相關(guān)性，暗示著氮、磷的來源可能存在某種相似性. 此外，CDOM吸塵系數(shù)與ρ(Chla)存在顯著性相關(guān)，說明CDOM與浮游植物新陳代謝和降解密切相關(guān).

各熒光組分之間呈現(xiàn)極顯著性相關(guān)，并且各熒光組分強(qiáng)度與CDOM吸塵系數(shù)之間的相關(guān)性均較顯著，其中，表征陸源的類腐殖質(zhì)組分C3與CDOM吸塵系數(shù)之間也存在顯著性相關(guān)，這可能與一部分組分C3強(qiáng)度來自于浮游植物的降解有關(guān)[38]. 除ρ(DOC) 外，各熒光組分強(qiáng)度與各水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性均較為顯著但存在一定的差異性，李淑娟等[43]研究表明在污水中DOM也存在相似的結(jié)果；同時(shí)，值得注意的是，ρ(Chla)與組分C1、C2強(qiáng)度的相關(guān)性相對(duì)于組分C3、C4要更顯著，可以進(jìn)一步推斷夏季太湖各水質(zhì)參數(shù)受自生源影響更加顯著.

此外，利用兩個(gè)主成分在32個(gè)點(diǎn)位上的得分與各參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖9. 由圖9可見，所有參數(shù)指標(biāo)與表征內(nèi)源特征的第一主成分(PC1)相關(guān)性均較好；在第二主成分(PC2)上，除組分C3與其相關(guān)性較為顯著外，其他參數(shù)指標(biāo)與其相關(guān)性均不顯著.研究顯示，太湖夏季水體ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(TSS)的來源受到湖體生物自生源影響較大，而陸源輸入在西部及北部等近岸湖區(qū)影響相對(duì)較為顯著，同時(shí)也揭示了CDOM及其熒光組分與N、P等元素的遷移、轉(zhuǎn)化行為緊密相關(guān).

圖9 各水質(zhì)參數(shù)與主成分間相關(guān)性分析Fig.9 Correlations between principal components and all water quality parameters

4 結(jié)論

a) 相對(duì)其他湖區(qū)，太湖西部及北部等湖區(qū)受陸源物質(zhì)的輸入影響相對(duì)顯著，導(dǎo)致其CDOM豐度較大(5.2～8.27 m-1)，S值較小(0.011～0.014 nm-1)，并且類腐殖質(zhì)熒光組分(C3、C4)熒光強(qiáng)度占總熒光強(qiáng)度比重 (14.6%～18.8%)較大. 全湖湖體生物內(nèi)源貢獻(xiàn)相對(duì)顯著，類蛋白組分(C1、C2)熒光強(qiáng)度所占比重均超過55%，是主要的熒光組分，并且各熒光組分總體上均呈現(xiàn)出從太湖西、北部往東、南部遞減的空間變化特征.

b) 太湖水體CDOM熒光光譜特征參數(shù)的空間分布差異性顯著. 在太湖北部竺山灣和梅梁灣以及西、南部入湖口區(qū)域，F(xiàn)I、HIX的分布范圍分別為1.7～2.1、0.6～0.7，BIX小于1，r(T/C)大于2，表明其陸源特性相對(duì)顯著，與其他湖區(qū)四種參數(shù)值的分布特征(自生源特性顯著)有明顯的差異. 各參數(shù)值之間綜合對(duì)比分析表明，夏季太湖水體CDOM以生物自生源為主，同時(shí)在西部及北部等近岸湖區(qū)受到外源輸入影響較為顯著.

c) 利用相關(guān)性分析和主成分分析法對(duì)各參數(shù)指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn)，各水質(zhì)參數(shù)〔ρ(DOC)除外〕之間相關(guān)性均較為顯著，并且在第一主成分上類蛋白質(zhì)熒光組分貢獻(xiàn)(90.8%)占主導(dǎo)，相對(duì)于類腐殖質(zhì)熒光組分，其與葉綠素濃度的相關(guān)性更為顯著，暗示著各水質(zhì)參數(shù)受湖體生物自生源影響更加顯著，同時(shí)也揭示了CDOM與N、P等元素的遷移、轉(zhuǎn)化行為緊密相關(guān).

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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

2016-07-21

2017-03-22

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41571324)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41503075)；中國博士后基金面上資助項(xiàng)目(2015M581826)

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

*責(zé)任作者，黃昌春(1982-)，男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，博士，主要從事環(huán)境污染遙感監(jiān)測研究，huangchangchun@njnu.edu.cn

X524

1001- 6929(2017)07- 1020- 11

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.32

江俊武,李帥東,沈胤胤,等.夏季太湖CDOM光學(xué)特性空間差異及其來源解析[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(7):1020- 1030.

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