天目湖沙河水库位于江苏省溧阳市的南部丘陵山区, 水库面积约为12 km², 库容为1.09亿m³, 集水面积为152 km²(图1)。 沙河水库位于亚热带季风气候区, 全年平均气温为15.8 ℃, 年平均降水量为1 149.7 mm, 降雨多集中在春夏两季^[11]。 沙河水库水流方向为南北走向, 北面的大坝可以调泄蓄水, 平均水深为7 m^[12]; 输入水库的主要河流为南面的中田河、 下宋河和平桥河, 即水库南部水体为河流入湖区^[12]。 沙河水库位于太湖上游的南溪水库流域, 其DOM组成变化会通过下泄水先后影响南溪水库和太湖的水质^[13]。 沙河水库在社会经济和生态环境两个方面都发挥着重要作用, 同时也是江苏省首批批准的集中式饮用水源地之一^[14], 其水质优劣关乎溧阳市数千万居民的生产生活安全。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 沙河水库采样点分布图Fig.1 Sampling sites in the Shahe Reservoir

1.2.1 河库同步采样

依据沙河水库的水面分布状况和水体流动方向, 并结合研究目的在水库和入库河流布设10个采样点; 其中, 4个采样点位于库区南面的四条主要输入河流, 6个采样点在库区内沿南北走向。 考虑到沙河水库气温及降水等的季节变异特性, 在不同季节(秋季: 2022年11月; 冬季: 2023年2月; 春季: 2023年5月; 夏季: 2023年8月)进行了河流-水库的同步水样采集和水质监测。 为了避免强降雨对河流和沙河水库DOM的稀释作用, 从而影响实测数据的季节代表性, 所有采样都在晴天进行, 且采样前三天研究区没有发生明显降水。

野外采样时, 现场用YSI水质仪测量了水体的pH、 电导率以及水温等水质参数。 采样结束后, 立即对采集的水样进行过滤处理。 首先, 用经过高温灼烧处理的Whatman GF/F滤膜(孔径0.7 μ m)过滤, 将水样中的微小颗粒和微生物过滤去除得到DOC样品。 随后, 对DOC样品使用Millipore滤膜(孔径0.22 μ m)进一步过滤得到CDOM样品。 DOC和CDOM样品都加入HgCl₂进行微生物活性固定, 然后于4 ℃冰箱冷藏保存直至室内测量。 此外, 用未经预灼烧的Whatman GF/F滤膜过滤水样得到叶绿素(Chl-a)样品, 并用盐酸泡洗的50 mL小白瓶分别采集总氮(total nitrogen, TN)、 总磷(total phosphorus, TP)和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)样品。

1.2.2 实验测量与数据处理

1.2.2.1 常规水质参数

TN和TP测量总体流程是先经过硫酸盐消解后用分光光度计测量反应产物在210和700 nm的吸光度, 然后根据标准曲线确定样品TN和TP浓度^[15]; COD测定采用的是高锰酸钾沸腾法^[15], 通过测定氧化一定体积水样所消耗的高锰酸钾量计算COD浓度。 Chl-a测量采用的是分光光度法, 即先用90%含量的丙酮萃取Chl-a样品, 然后通过测量萃取液在630 nm(A₆₃₀)、 645 nm(A₆₄₅)、 663 nm(A₆₆₃)和750 nm(A₇₅₀)处的吸光度从而计算Chl-a浓度, 具体公式为式(1)^[15]。

Chl⁃a=[11.64(A663-A750)-2.16(A645-A750)+0.1(A630-A750)]V1/V2×L(1)

式(1)中, V₁为萃取液体积(mL); V₂为过滤的原位水体积(L); L为比色皿光程L=1 cm。

1.2.2.2 CDOM吸收光谱

利用Shimadzu UV-2600紫外分光光度计测量CDOM样品在不同波长处的吸光度, 在200~800 nm波长范围内每隔1 nm测量一个值。 然后, 为定量表征CDOM浓度, 基于式(2)由吸光度计算样本在特定波长处的吸收系数。

aCDOM(λ)=2.303ACDOM(λ)/r(2)

式(2)中, a_CDOM(λ)为CDOM样品在波长为λ 处的吸收系数, 单位为m^-1; A_CDOM(λ )为波长λ 处的校正吸光度; r为测量所用比色皿长度。 CDOM吸收系数随着波长增加从紫外到可见光波段而呈指数递减, 根据式(2)计算得到波长280 nm的吸收系数[a_CDOM(280)], 并用以表征样品的CDOM含量^[8]。

1.2.2.3 CDOM EEMs和PARAFAC

CDOM受到短波紫外和蓝光照射时会发出长波荧光, 形成三维荧光光谱(EEMs)。 而水样EEMs的强度和形状由DOM的组成和浓度决定^[16], 因此可以通过对EEMs进行分析得到水体DOM的组成和时空变异特征等。 采用日立F-7000荧光分光光度计测量CDOM样品的EEMs, 激发波长(λ _Ex)和发射波长(λ _Em)的扫描范围分别为200~450和250~600 nm, 激发波长的增量设置为5 nm, 发射波长的增量设置为1 nm。 通过扣减超纯水的EEMs测量结果, 从而得到消除拉曼散射并校正内滤波效应的CDOM样品EEMs。 然后, 利用DOMFluor工具箱对测量EEMs数据进行预处理和PARAFAC分析^[8]。 PARAFAC分析时, 依次建立2~7组分模型, 并观察各组分样本残差图、 拟合荧光图和光谱负载图等, 初步确定适合的组分。 最后, 比较不同组分之间的残差, 得出最优组分数, 并对最终确定的组分进行拆半检验分析, 若检验通过则确定组分数并绘制组分光谱图和导出数据^[16], 其中在得到的组分光谱图中荧光峰的位置指示物质的性质, 荧光强度则代表组分的相对浓度^[17]。 进而, 将获得组分数据的激发和发射光谱与OpenFlour数据库(www.openfluor.org)进行比对, 并参考文献中Tucker收敛系数达到0.95及以上的研究, 确定CDOM样品的组分^[18]。

除了利用EEMs PARAFAC得到的组分结果指示DOM组成, 也采用荧光指数(FI)、 生物指数(BIX)和腐殖质化指数(HIX)指示DOM来源和组成。 FI用于表征腐殖质的来源, 当FI大于1.8表明DOM主要来自自生源; BIX衡量水体中DOM的自生源特征, 自生源占主导时BIX大于1, 而低于0.7则陆源贡献较高; HIX衡量DOM腐殖化程度, 大于10表明腐殖化程度高, 低于4则表示DOM较新鲜^{[19, 20, 21]}。 这些参数通常情况下也可用于表征和指示水环境中DOM的组成、 来源以及迁移等。

沙河水库和入库河流水质存在明显差异, 尤其是对Chl-a和TN浓度, 且不同季节差异性不同。 不同季节水库的Chl-a浓度都明显比入库河流的高, 尤其是春季: 其中, 水库和河流的年平均Chl-a浓度分别为(24.34± 11.24)和(5.22± 4.62) μ g· L^-1; 秋、 冬、 春和夏季水库的平均Chl-a分别是河流的3.35、 1.47、 12.87和7.32倍(图2), 水库呈现较高的Chl-a浓度。 水库和河流的年平均TN浓度分别为(1.07± 0.56)和(2.17± 1.46) mg· L^-1; 除了春季相近之外, 水库的TN浓度都明显比入库河流的低, 秋、 冬和夏季水库的平均TN分别是河流的0.35、 0.41和0.64倍。 水库和河流的COD浓度相近, 年平均值分别为(3.54± 1.24)和(3.73± 1.17) mg· L^-1, 各季节间差异不大, 但春夏季的值明显比秋冬季高(图2)。 此外, 水库和河流的TP浓度也相近, 年平均值分别为(0.05± 0.02)和(0.06± 0.03) μ g· L^-1; 但是, 冬季水库的TP浓度明显比河流的低, 平均值得分别为(0.04± 0.02)和(0.06± 0.02) μ g· L^-1。 在河流输入营养盐负荷影响下, 水库不同季节都呈富营养状态(Chl-a> 10 μ g· L^-1), 尤其是春夏两季Chl-a浓度高达(36.76± 5.32)和(31.80± 5.17) μ g· L^-1(图2)。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 不同时期沙河水库和入库水环境参数对比Fig.2 Comparison of Water quality characteristics of Shahe Reservoir and inflow water at different time periods

对不同季节的沙河水库和入库河流EEMs-PARAFAC分析得到四组分, 然后将不同组分的激发、 发射光谱与OpenFlour数据库进行对比, 并选取Tucker收敛系数大于或等于0.95的文献进行比对参考, 从而识别出DOM四组分C1、 C2、 C3和C4的类型(图3, 表1)。 组分C1表征腐殖质, 呈现出强A峰(激发/发射: 260/380~460 nm)和弱M峰(290~310/370~410 nm); A峰代表典型的陆地类腐殖质DOM来源, M峰指示海洋来源或生物/微生物活动产生的DOM。 组分C2代表类酪氨酸物质DOM, 具有225/303和275/303 nm两个激发和发射峰, 主要来自于浮游物质产生或生活污水排放DOM。 组分C3代表类色氨酸DOM, 呈现出强T峰(275/340 nm)和N峰(280/370 nm)组合, N峰被认为是水体中生物产生的不稳定物质, T峰为色氨酸物质, 该类DOM主要来源于水体中生物生产。 组分C4也代表陆源类腐殖质DOM, 类似的荧光团在沿海地区低浓度地表水中较为常见。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 沙河水库EEMs-PARAFAC的荧光组分Fig.3 Flourescent components of the EEMs-PARAFAC of Shahe Reservoir

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 CDOM三维荧光组分特征 Table 1 Fluorescence component characteristics of CDOM EEMs 组分/荧光参数 类型 本研究DOM组分 参考文献DOM组分/nm C1 腐殖质 240(315) nm/417 nm C3: 240(305) nm/404 nm[22]; C1: 310(< 250) nm/395 nm[23] C2 类酪氨酸 225(275) nm/303 nm C1: 270 nm/302 nm[24]; C4: 275 nm/300 nm[25] C3 类色氨酸 230(280) nm/349 nm C4: 278 nm/348 nm[26]; C5: 280(< 240) nm/368 nm[27] C4 陆源腐殖质 270 nm/481 nm C1: 370(< 250) nm/475 nm[28]; C3: 260(370) nm/490 nm[29]

表1 CDOM三维荧光组分特征 Table 1 Fluorescence component characteristics of CDOM EEMs

从a_CDOM(280)表征的DOM总量结果空间分布可知, 沙河水库和入库河流DOM总量存在明显空间差异。 对沙河水库, 由靠近河流输入的南面至北面站点, DOM呈现明显空间降低的特征, 尤其是冬季; 秋、 冬、 春和夏季, 南面三个水库站点的a_CDOM(280)平均值为11.29、 14.55、 9.44和12.56 m^-1, 而北面三个水库站点的a_CDOM(280)平均值为10.40、 10.02、 9.42和11.65 m^-1[图4(a— d)]。 对入库河流, 最东面流经湿地的平桥河(TMR01站位)呈现更高的DOM含量; 平桥河秋、 冬、 春和夏季的a_CDOM(280)值为19.23、 28.63、 17.48和27.55 m^-1, 而其他三条入库河流的a_CDOM(280)平均值为12.80、 17.94、 11.08和15.80 m^-1[图4(a— d)]。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 河库水体aCDOM(280)吸收时空分布 (a): 秋季; (b): 冬季; (c): 春季; (d): 夏季Fig.4 Spatiotemporal distribution of aCDOM(280) in Shahe Reservoir (a): Autumn; (b): Winter; (c): Spring; (d): Summer

沙河水库和入库河流不同站位DOM具有相似组成, 且类酪氨酸为DOM的主要成分, 在多个采样点, 类酪氨酸组分C2占比超过50%。 对六个水库站位, 年平均组分C2占比为46.12%~56.25%, 且组分C2占比随距入库河流距离增加而增加。 而对四个入库河流站位, 组分C2占比为35.11%~48.97%。 相比之下, 入库河流水体DOM具有更高的腐殖质组分C1和C4比例, 即河流输入是沙河水库腐殖质的一个重要来源; 与组分C2相反, 南面靠近河流的水库站点表现出更高的组分C1和C4比例。

虽然不同季节中组分C2始终是DOM的主要成分, 但沙河水库和入库河流DOM组成具有明显的季节变异特征, 且不同组分季节变异存在差异(图5)。 对组分C1, 夏季和秋季含量最高, 库区站位的平均值分别为(0.087± 0.006)和(0.079± 0.019), 河流站位的平均值分别为(0.120± 0.035)和(0.120± 0.030); 春季的含量最低, 库区和河流的平均值仅为(0.047± 0.006)和(0.093± 0.028)。 对组分C2, 秋季和冬季的含量明显高于春季和夏季, 秋季和冬季库区水体的平均含量分别为(0.257± 0.019)和(0.226± 0.025), 而河流水体的平均含量分别为(0.203± 0.015)和(0.215± 0.046)。 对组分C3, 不同季节差异没有C1和C2明显, 库区和河流水体的含量都呈现春夏季略高于秋冬季的时间变异特征。 对组分C4, 季节变异也不明显, 库区和河流水体都在夏季出现高值(0.052± 0.003和0.076± 0.025), 而在春季表现低值(0.033± 0.002和0.057± 0.016)。 除了整体水平的季节变化差异外, 河库水体DOM组分的空间分布格局也存在细微季节差异(图5)。 例如, 虽然不同季节组分C1都呈现南面高、 北面低的空间分布特征, 但夏季的空间差异性明显弱于秋冬季; 而且, 组分C4在秋冬季呈明显南面高、 北面高的空间分布特征, 但春夏季该空间差异不存在或不明显。

图5

Fig.5

Figure Option ViewDownloadNew Window

图5 河库不同季节、 不同组分荧光强度空间分布 (a): 秋季C1; (b): 冬季C1; (c): 春季C1; (d): 夏季C1; (e): 秋季C2; (f): 冬季C2; (g): 春季C2; (h): 夏季C2; (i): 秋季C3; (j): 冬季C3; (k): 春季C3; (l): 夏季C3; (m): 秋季C4; (n): 冬季C4; (o): 春季C4; (p): 夏季C4Fig.5 Spatial distribution of fluorescence intensity of different components in water in different seasons (a): Autumn C1; (b): Winter C1; (c): Spring C1; (d): Summer C1; (e): Autumn C2; (f): Winter C2; (g): Spring C2; (h): Summer C2; (i): Autumn C3; (j): Winter C3; (k): Spring C3; (l): Summer C3; (m): Autumn C4; (n): Winter C4; (o): Spring C4; (p): Summer C4

与水环境参数的相关性差异指示着不同DOM组分的来源和影响因素不同。 组分C1含量与HIX线性正相关显著(r=0.89, p< 0.01)进一步验证了其是腐殖质成分, 而是与BIX的负相关关系(r=-0.66, p< 0.05)也说明其非自源而来源于陆源河流输入。 与组分C1相似, 组分C4含量正相关于HIX(r=0.83, p< 0.01), 而负相关于BIX(r=-0.72, p< 0.01), 主要来源于河流输入。 不同于河流输入组分C1和C4, 组分C3含量与HIX相关性弱, 但与Chl-a(r=0.71, p< 0.01)和BIX(r=0.63, p< 0.01)正相关显著, 反映了组分C3主要与沙河水库内藻类增殖有关, 指示着组分C3自源型DOM组分。 与组分C3类似, 组分C2含量也与BIX相关性不显著(p> 0.05), 但与TP浓度线性正相关显著(r=0.43, p< 0.05), 且与Chl-a显著负相关(r=-0.67, p< 0.01), 这说明组分C2不完全来源于藻类增殖, 可能与河流输入的人为污水有很大关联。 沙河水库DOM组分的来源不同反映着影响因素也存在差异, 陆源组分C1和C4主要受河流输入水库流量影响, 而自源组分C2和C3不仅与藻类增殖相关, 还与河流输入的藻类生长所需的营养盐相关, 即藻类增殖和河流输入是沙河水库DOM组成时空变异的重要影响因素。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 沙河水库水环境参数和荧光特征参数相关分析结果Fig.6 Correlation between environmental parameters and fluorescence characteristics of Shahe Reservoir

2.6.1 藻类增殖对水库DOM时空变异的影响

已有研究表明内源DOM的主要来源为藻类的直接释放、 藻类衍生的DOM经微生物降解或光降解产生^[27]。 Paerl等^[30]指出蓝藻大量增殖后在其细胞消亡阶段有可能会形成一个潜在的巨大不稳定DOM库。 因此, 藻类增殖对湖泊中DOM的组成以及荧光强度的变化具有重要影响, 尤其是对于内源DOM。 Chl-a是水体浮游植物增殖生物量的重要指标, 其浓度可以反应水体富营养化程度^[31]。 水体氮磷营养盐通常被认为是致使水体富营养化或藻类增殖的最重要因素, 同时指出藻类增殖是富营养化的重要过程^[32]。

沙河水库中的内源性DOM有机物均与Chl-a以及营养盐含量具有较强的线性正相关。 组分C3荧光强度与Chl-a呈现显著的正相关[R²=0.51, p< 0.01, 图7(a)], 表明藻类增殖会使水库中的类蛋白色氨酸物质增加。 而且, 不同季节的类腐殖质组分C1、 C4荧光强度均大致呈现出与CDOM浓度相同的空间分布; 水库春夏季, 表征水库DOM自生源特征的BIX在大多站点高于1, 均值分别为(1.15± 0.04)和(1.04± 0.04)。 夏秋季, 沙河水库温度升高、 降雨增强, 水库中藻类增殖活动增强, 致使DOM中自生源贡献增多, 使得水库DOM以自生源贡献为主。 此外, 入库河流TN、 TP浓度与组分C2荧光强度的也存在显著正相关线性关系, 其中组分C2与TN之间的拟合关系较高(R²=0.77, p< 0.01), 而与TP的拟合关系相对较低(R²=0.56, p< 0.05), 这表明沙河水库的三条主要输入河流中的组分C2也会随着营养盐浓度的增加而增多[图7(b)]。 沙河水库中的氮元素、 颗粒物以及颗粒态磷主要来自于流域的外源输入, 溶解态的磷受流域入库和底泥释放的共同作用^[12]。 因此, 在氮磷元素输入沙河水库的过程中, 自生源酪氨酸物质也随之进入水库中(2.5节)。 通过以上分析可知, 水库中的藻类增殖会对DOM中的类蛋白物质的相对浓度产生较大影响, 尤其会明显提高类蛋白DOM占比, 同时降雨的稀释作用对水库DOM也存在一定影响。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 沙河水库DOM组分与水质参数关系 (a): 组分C3与Chl-a浓度; (b): 组分C2与TN、 TP浓度Fig.7 Linear relationships between DOM components and water quality parameters in Shahe Reservoir (a): Between component C3 and Chl-a concentration; (b): Between component C2 and TN, TP concentrations

2.6.2 河流输入对水库DOM时空变异的影响

DOM外源输入主要包括入湖河流和大气降水等, 其中河流输入是外源DOM的最主要来源, 会对湖泊/水库DOM浓度的时空分布产生极大影响^[33]。 Frenette等^[34]的研究表明: 入湖河流河口区域的DOM浓度高于湖泊内部, 且河流输入对湖泊内部DOM的分布产生了显著影响。 通常认为, 外源DOM主要来源于陆源性植物或生物衍生的类胡敏酸和类富里酸^[35], 而类腐殖质主要由这两种物质组成, 这使得河口水域的陆源类腐殖酸的荧光峰强度通常高于开敞区^[36]。 因此, 河流输入对水库DOM的影响主要存在两个方面: 一方面会改变水库中DOM的浓度; 另一方面会影响DOM的组分构成。

沙河水库流域降雨量在春夏季明显多于秋冬季, 强降雨导致河流径流增多, 进而促使春夏季输入沙河水库的河流流量增加。 而沙河水库的主要输入河流为南面入库河流, 这使得水库南面河口水域DOM受河流输入扰动更强烈, 不同季节DOM浓度均显示出水库南高北低、 河流高于水库特征[图4(a— d)], 即河流向水库中输入陆源DOM。 对DOM组成, 表征DOM腐殖质来源的荧光参数FI在不同季节均较高, 春夏秋冬的平均值分别为(2.31± 0.03)、 (2.28± 0.05)、 (2.31± 0.03)和(2.32± 0.04)(图8), 表明水库中积累了较多的陆源腐殖质。 表征DOM腐殖化程度的HIX值也呈现出河流点位高于水库点位的特征, 均值分别为(0.71± 0.06)和(0.59± 0.09); 且夏季值显著高于其他季节[图8(a)]。 这些结果表明河流DOM呈现强腐殖质以及高陆源特征, 并随河流输入至沙河水库, 从而使夏季库区DOM的腐殖质和陆源特征相比于其他时间增强。 而且, 虽然组分C4整体上呈现库区上游荧光强度高于下游的趋势, 但在夏秋季的库区最北端C4的含量明显高于周围库区[图5(m、 p)]。 该处与C4含量较高的河流处都具备周边的土地利用以建筑或农用地为主的特征, 这与Shi等^[37]的研究结果一致, 即人为用地的集水区比林地集水区输出更多的陆源腐殖质。 这一现象可能是由于夏季降雨增加, 导致坡面径流输入了更多的陆源腐殖质, 并在秋季积累于库区。 此外, 由于沙河水库库区周围坡面汇流的集水区面积明显小于入库河流的集水区面积(图1), 我们认为周围坡面汇流对沙河水库DOM的影响明显小于本研究考虑的入库河流, 且主要影响水库近岸水体。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 不同季节、 不同站位CDOM荧光参数特性Fig.8 The characteristics of CDOM fluorescence parameters varying with different seasons and sampling sites