典型湖库有色可溶性有机物组成来源关键过程及驱动机制

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水生生态系统中的溶解性有机物(DOM)是全球最大的有机碳库,其来源与迁移转化过程直接控制全球碳循环进而影响全球气候变化。有色DOM(CDOM)作为DOM中能强烈吸收短波辐射的成分,在湖库中来源纷繁复杂。CDOM经湖库调蓄后发生一系列微生物及光化学降解,继而向下游输移,因而内陆湖库在CDOM生物地球化学循环过程中发挥重要作用。本文放眼全国不同类型湖库,聚焦大型富营养化浅水湖泊太湖和大型贫中营养深水水库千岛湖,探讨典型湖库CDOM来源途径、组成及控制因素和形成机理。主要研究结果如下:  基于全国不同湖库CDOM三维荧光光谱,发展了一种全新的运用荧光峰C与峰T荧光强度积分的比值(IC∶IT)表征CDOM组成和来源的荧光指数方法,它能够反映陆源CDOM的输入对湖库CDOM的贡献率。野外观测结果与室内实验均表明,与已有的表征CDOM组成结构的相关光谱吸收指标(吸收系数比值a(250)∶a(365)、吸收光谱斜率S275-295及光谱斜率比值SR)及荧光指标(包括荧光指数FI370、生物鲜活指数BIX及腐殖化指数HIX)相比,IC∶IT对于CDOM组成结构变化的响应更为灵敏。IC∶IT包含两个主要的荧光峰积分信息,与FI370、BIX及HIX相比,该指标具有更高的信噪比,并且能被有效改造为荧光监测探头用于在线监测CDOM组成结构信息。  稳定性同位素δ13C-DOC(-26.23±0.49‰)和溶解性有机碳(DOC)的观测结果证实太湖河流外源输入是该水体CDOM的主要来源。太湖CDOM吸收系数a(350)及类腐殖酸所占比重Chumic表现为自西北向东南递减。丰水季节太湖a(350)、陆源类腐殖酸组分C3荧光强度、Chumic均值均显著高于枯水季节(t检验,p<0.01)。位于太湖西北部的殷村港a(350)均值显著高于太湖、大浦河及长兜港均值(t检验,p<0.01)。千岛湖δD及δ18O均值在上游入湖河口处偏低,这与上游叶绿素a(Chl-a)、陆源CDOM荧光信号(365/480nm)及表观耗氧量AOU较高的观测结果一致。千岛湖河口区悬浮颗粒物(SPM)、a(350)及陆源类腐殖酸浓度随入湖流量增加显著上升(p<0.001),而a(250)∶a(365)、光谱斜率S275-295及斜率比值SR随入湖流量增加显著下降(p<0.001)。  太湖敞水区(湖心区)风速与波高均显著高于湖湾区且敞水区内源生物作用CDOM所占比重明显高于湖湾区。原位围格扰动实验结果表明随着扰动强度的增大,Chl-a、DOC、微生物作用的类腐殖酸及类色氨酸均值均显著高于对照组相应指标均值(t检验,p<0.05)。除外源输入外,太湖藻源性“湖泛”水域的叶绿素Chl-a与a(350)呈显著线性正相关(p<0.0001)且“湖泛”水体中Chl-a、a(350)、光谱吸收斜率比值SR、类色氨酸组分及微生物作用的类腐殖酸荧光强度均值均显著高于常规水体相应指标均值(t检验,p<0.001)。“湖泛”水样原位培养结果进一步表明,随着Chl-a浓度的快速下降,a(350)浓度迅速上升(p<0.001)。  依据主成分分析(PCA)结果将太湖分为CDOM富集区(北太湖)及稀释降解区(南太湖),CDOM富集区a(350)、DOC、腐殖化指数HIX、四个荧光组分C1-C4(异于前述组分)均值均显著高于稀释降解区相应指标均值(t检验,p<0.05)。依据2008年10月至2014年5月太湖CDOM富集区及CDOM消亡区DOC浓度差异,以及太湖逐月入出湖径流量,初步估算出太湖DOC的年均降解通量为16.91×103t yr-1。  千岛湖污水添加实验表明六个荧光组分均与污水添加比例呈极显著正相关(r2>0.90,p<0.0001)。其中激发发射波长在275/342nm处的组分C2对污水添加比例的响应最为敏感,加之该组分与Chl-a之间不存在显著相关关系,且千岛湖Chl-a浓度很低。由组分C2空间分布频率95%置信区间初步确定千岛湖上游新安江河口及淳安县周边区域点源污染最为严重。千岛湖点源污染最佳监测波长为275/342nm,该波段易于开发为在线荧光监测探头。  综合分析显示,河流水文过程及点源输入均为典型湖库太湖与千岛湖CDOM库的重要来源。除此之外,太湖CDOM库及组成结构受到内源藻降解及风浪扰动的显著影响,而在千岛湖,藻降解及风浪扰动对该水体CDOM库的影响极为有限。
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