鄱陽湖枯水期CDOM光吸收特性與DOC濃度的定量關(guān)系研究

劉麗貞，黃 琪，吳永明，吳代赦，游海林，鄧 覓

(1.江西省科學(xué)院鄱陽湖研究中心，江西 南昌 330096；2.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022；3.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

鄱陽湖枯水期CDOM光吸收特性與DOC濃度的定量關(guān)系研究

劉麗貞1，黃 琪2，吳永明1，吳代赦3，游海林1，鄧 覓3

(1.江西省科學(xué)院鄱陽湖研究中心，江西 南昌 330096；2.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022；3.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

研究了2015年枯水期鄱陽湖水體(包括河口區(qū)、鄱陽湖主湖開闊區(qū))有色可溶性有機物(CDOM)的光吸收特性，并討論了CDOM光吸收特性與溶解性有機碳(DOC)濃度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，整個鄱陽湖水體中CDOM在254、280、350和440 nm波長處的吸收系數(shù)分別為7.86～20.24、5.64～14.58、1.46～4.41和0.36～1.06 m-1；表征CDOM相對分子質(zhì)量大小的M值(CDOM在波長250和365 nm處吸收系數(shù)比值)變化范圍為5.27～7.66?？菟跐竦貙蛾柡wCDOM的影響較大，而5大入湖河流貢獻不大。在各項參數(shù)中，光譜斜率比值(SR)更能體現(xiàn)枯水期鄱陽湖水體CDOM光吸收特征。枯水期鄱陽湖水體ρ(DOC)在1.61～4.86 mg·L-1之間變化，其平均值為2.31 mg·L-1?？菟谯蛾柡wCDOM光吸收系數(shù)(a254，x)與DOC濃度(y)呈顯著正相關(guān)，回歸方程為y=-0.53+0.27x(調(diào)整決定系數(shù)R2=0.76，P<0.01)，2016年1月的實測值驗證顯示利用枯水期鄱陽湖水體CDOM光吸收特性研究DOC濃度具有可行性。這意味著研究枯水期鄱陽湖水體CDOM光吸收特性對研究碳庫具有指示作用。

有色可溶性有機物(CDOM)；吸收系數(shù)；溶解性有機碳(DOC)；鄱陽湖

有色可溶性有機物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)是水體中溶解性有機碳庫的重要組成部分[1],在紫外和可見光區(qū)具有強烈的光吸收[2],該特征限制了紫外輻射在水體中的傳播,從而顯著地改變了水色和水下光照。CDOM因富含腐殖質(zhì),可吸附重金屬或者攜帶其他有機污染物,從而影響重金屬和有機污染物的遷移等過程[3]。尤其是因為CDOM含有豐富的碳,可作為重要的碳庫參與湖泊碳循環(huán)過程,甚至對全球碳循環(huán)都具有重要作用。CDOM的光吸收特性能為快速、簡便、價廉地測定DOC濃度提供可能,近幾十年來眾多研究者力求利用CDOM光吸收來預(yù)測DOC濃度[4-5]。大量研究結(jié)果[6-7]表明,湖泊水體中CDOM與溶解性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)濃度之間具有顯著相關(guān)關(guān)系。鑒于 CDOM在水體中的光吸收特性,以及CDOM與碳庫之間的密切聯(lián)系,可利用CDOM的遙感反演對內(nèi)陸水體DOC濃度進行快速、大尺度的估算[8]。

全球碳循環(huán)變化歸根結(jié)底是受人類活動的影響,而湖泊生態(tài)系統(tǒng)與人類活動密切相關(guān),因此,研究湖泊碳循環(huán)對探討氣候變化有著重要意義。鄱陽湖因其獨特的高水位變化,擁有大面積的具有巨大碳庫儲存能力的天然濕地生態(tài)系統(tǒng),是國際重要濕地和生態(tài)區(qū),對全球碳循環(huán)有著不可估量的意義。然而,由于人類活動的干擾,我國長江中下游大部分湖泊已成為與江湖阻隔的水體,鄱陽湖已成為3個僅存的吞吐型通江湖泊之一[9]。鑒于CDOM在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要性且作為重要的碳庫,以及鄱陽湖對碳庫的重大貢獻,筆者擬通過分析CDOM吸收系數(shù)和光譜斜率值等參數(shù),對枯水期鄱陽湖CDOM的光吸收特性進行研究,并重點探討枯水期鄱陽湖DOC濃度與CDOM之間的關(guān)系,為鄱陽湖水體DOC濃度的衛(wèi)星遙感估算奠定基礎(chǔ)。

1 實驗方法

1.1 采樣點位與樣品采集

于2015年1月采集鄱陽湖5大入湖河口以及主湖區(qū)湖水樣品(圖1),其中,1～5、8～14號點位位于鄱陽湖主湖區(qū)開闊水域,6、7、15～20號點位位于5大入湖河口區(qū),其他點位(21～24號)屬于濕地附近水域。用2 L水樣采集器分別采集表層水樣,裝入酸液泡過的塑料瓶保存,集中放置在裝有冰塊的保溫箱中儲存,所有樣品在下船后24 h內(nèi)送回實驗室進行分析[10]。

圖1 采樣點示意Fig.1 Location of sampling sites

1.2 指標測定與計算

預(yù)處理樣品使用GF/F玻璃濾膜進行過濾,一部分濾液冷凍保存,用于測定DOC濃度[11],另一部分濾液則用0.2 μm孔徑濾膜過濾后再作進一步處理;采用島津UV-2450PC紫外-可見分光光度計進行測定,配有5 cm光程的石英比色皿,以超純水作為參比,測定通過0.2 μm孔徑濾膜后水樣的吸光度[12-13]。由于CDOM化學(xué)組成成分復(fù)雜,且多數(shù)成分未知,其濃度無法測定,一般用某個波長的吸收來衡量它。最常見方法是用254[14]、280[12]、350[13]、375[15]和440 nm[16]等波長的吸收系數(shù)來表示CDOM相對濃度,吸收系數(shù)越大,表示CDOM濃度越高。為了與以往結(jié)果對比,分別計算了波長254、280、350和440 nm處的吸收系數(shù),但主要以254 nm處的吸收系數(shù)來表示CDOM濃度。相應(yīng)的參數(shù)計算公式[12-14]如下:

CDOM在紫外-可見光波段的吸收遵循指數(shù)衰減規(guī)律,指數(shù)函數(shù)斜率(S)的計算公式為

a(λ)=a(λ0)×exp[S(λ0-λ)]+k。

(1)

式(1)中,a為吸收系數(shù),m-1;λ為待測定的波長,nm;λ0為參照波長,nm;S為指數(shù)函數(shù)曲線斜率,與CDOM組成結(jié)構(gòu)有關(guān),nm-1;k為背景參數(shù)。

光譜斜率比值(SR)為在波長范圍275～295與350～400 nm光譜斜率的比值,其計算公式為

SR=S275～295/S350～400。

(2)

式(2)中,S275～295為275～295 nm波段處的線性函數(shù)擬合而成的斜率,nm-1;S350～400為350～400 nm波段處的擬合斜率,nm-1。

ASUV，254為CDOM在紫外波長254 nm處的光吸收系數(shù)與DOC濃度的比值(單位為L·mg-1·m-1)。ASUV，254可以反映CDOM的腐殖化程度,該值越大,表明腐殖化程度越大,其計算公式為

ASUV，254=D254/ρ(DOC)。

(3)

式(3)中,D254為波長254 nm處的吸收系數(shù),m-1;ρ(DOC)為溶解性有機碳質(zhì)量濃度,mg·L-1。

M為CDOM在波長250和365 nm處吸收系數(shù)比值(a250/a365)。

1.3 均方根誤差的計算

采用觀測值與模擬計算值之間的均方根誤差(root mean square error,RMSE,ERMS)來評估模型的可行性。具體計算公式[17]為

(4)

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,包括計算平均值、標準差和相關(guān)系數(shù)等;采用Origin 8.5軟件進行線性和非線性擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 CDOM的光吸收系數(shù)及分布特征

2015年枯水期間,整個鄱陽湖水體中CDOM在254、280、350和440 nm波長處的吸收系數(shù)變化范圍分別為7.86～20.24、5.64～14.58、1.46～4.41和0.36～1.06 m-1,平均值分別為10.74、7.86、2.31和0.63 m-1。其他水域關(guān)于CDOM的研究,如云貴高原湖泊(38個)CDOM吸收系數(shù)(a280)變化范圍為0.73～22.07 m-1,平均值為6.63 m-1[12];浙江新安江水庫CDOM的a254變化范圍為3.5～13 m-1[14];ZHOU等[13]測得枯水期太湖CDOM的a350平均值為2.46 m-1;枯水期天目湖CDOM的a350變化范圍為2.19～3.39 m-1,平均值為2.82 m-1[17]。遼河水體CDOM的a440變化范圍為0.33～3.09 m-1[16]。可以看出,鄱陽湖CDOM濃度與所報道的內(nèi)陸水體的值并無顯著數(shù)量級差異。

枯水期鄱陽湖水體CDOM空間分布特征見圖2。

用波長254 nm處的吸收系數(shù)來表示CDOM相對濃度,吸收系數(shù)越大,表示CDOM濃度越高。

由圖2可知,鄱陽湖南部水體中CDOM濃度高于北部。CDOM濃度平均值以國家級自然保護區(qū)南磯山濕地周圍水域為最高,其次為鄱陽湖湖區(qū)開闊水體,5大入湖河口區(qū)最低。與其他研究結(jié)果[17-18]有所不同,枯水期鄱陽湖河口區(qū)CDOM濃度并沒有高于主湖區(qū)水體。這說明在2015年枯水期間,鄱陽湖受入湖5大河流輸入的影響可能不大。相比之下,濕地附近水域呈現(xiàn)出較高濃度的CDOM,且顯著高于其他區(qū)域(P<0.01),說明濕地是鄱陽湖CDOM的重要來源,可能與高覆蓋率的濕地植被有關(guān)。鄱陽湖南磯濕地國家級自然保護區(qū)內(nèi)濕生植物以灰化苔草(Carexcinerascens)為優(yōu)勢種,是該保護區(qū)內(nèi)面積最大的群叢,遍布整個濕地,蓋度高達95%～100%[19]。1月枯水期正是秋季灰化苔草完全枯萎的時期,該植被枯葉的大幅度降解可釋放出大量有機物,從而影響其周圍水體中CDOM濃度。

2.2 CDOM光吸收光譜參數(shù)

ASUV，254、M和SR均是表征CDOM光吸收光譜特征的重要參數(shù),與CDOM的分子組成和來源有關(guān)。ASUV，254變化范圍為3.16～5.70 L·mg-1·m-1,平均值為4.78 L·mg-1·m-1,M變化范圍為5.27～7.66,平均值為6.18。M可反映CDOM相對分子質(zhì)量的相對大小,M越小,CDOM相對分子質(zhì)量越大,其組成中腐殖質(zhì)所占比例越大[20]。鄱陽湖M平均值小于太湖枯水期M平均值(9.60±1.12)[13],說明鄱陽湖CDOM相對分子質(zhì)量大于太湖,這意味著鄱陽湖CDOM的來源與藍藻水華頻繁爆發(fā)、重富營養(yǎng)化的太湖有所不同。

研究表明,SR<1表示CDOM受陸源輸入影響較大,且SR值與CDOM相對分子質(zhì)量呈負相關(guān)關(guān)系[13]。南磯山濕地水域SR變化范圍為0.43～0.82,平均值為0.58;鄱陽湖主湖區(qū)SR變化范圍為0.63～1.17,平均值為0.81;入湖河口區(qū)SR變化范圍為0.69～1.11,平均值為0.84。濕地水域SR顯著小于鄱陽湖主湖區(qū)以及入湖河口區(qū)(P<0.05),這說明濕地周圍水域中CDOM受陸源性影響大于河口區(qū)及主湖區(qū),此結(jié)果與前文所述相一致,即認為枯水期間濕地濕生植物的降解作用產(chǎn)生大量CDOM進入鄱陽湖水體。如表1所示,CDOM濃度隨著距南磯山濕地距離增大而減小,且M隨著距岸距離增大而微弱增大,SR值隨著距岸距離增大而顯著增大,這說明CDOM相對分子質(zhì)量呈現(xiàn)降低趨勢,可能與大分子有機物被降解為小分子物質(zhì)有關(guān)[21]。

表1 枯水期南磯山濕地水域附近站點CDOM濃度和M值

Table 1 CDOM concentrations andMvalues at stations around the Nanjishan Wetland in the Poyang Lake during the dry season

采樣點號光吸收系數(shù)/m-1MSR2120.245.850.432215.285.700.502315.356.010.582411.377.490.82

用波長254 nm處的吸收系數(shù)來表示CDOM相對濃度,吸收系數(shù)越大,表示CDOM濃度越高；M為CDOM在波長250和365 nm處吸收系數(shù)比值；SR為光譜斜率比值。

因此,相對于主湖區(qū),濕地附近的CDOM高相對分子質(zhì)量組分向低相對分子質(zhì)量組分的轉(zhuǎn)化率較高,CDOM的老化程度較強。通過比較濕地水域、鄱陽湖主湖區(qū)及河口區(qū)的M和ASUV，254發(fā)現(xiàn),3者間并無顯著性差異,這表明濕地周圍水域CDOM組成的復(fù)雜性。與其他光譜參數(shù)相比,SR更能體現(xiàn)枯水期鄱陽湖CDOM的特征。

2.3 CDOM與DOC濃度的關(guān)系

枯水期鄱陽湖水體ρ(DOC)變化范圍為1.61～4.86 mg·L-1,平均值為2.31 mg·L-1,此值低于富營養(yǎng)化太湖湖泊[22-23]。DOC濃度分布(圖3)與CDOM濃度分布(圖2)類似,最高值同樣出現(xiàn)在南磯山濕地周圍水域,其平均值顯著高于其他水域(P<0.01)。濕地因巨大的碳庫儲存能力而成為碳循環(huán)研究的熱點區(qū)域。一般而言,濕地因較高的生產(chǎn)力而儲存了大量有機碳。

圖3 鄱陽湖枯水期DOC濃度分布Fig.3 Distribution of DOC concentrations in the Poyang Lake during the dry season

筆者研究結(jié)果顯示鄱陽湖濕地附近DOC濃度顯著高于其他水域,這意味著枯水期濕地可以通過降解作用釋放有機碳,是鄱陽湖水體重要的碳源之一。ASMALA等[5]指出用CDOM光吸收系數(shù)來擬合DOC濃度時,為避免多重共線性,一元線性方程要優(yōu)于多元線性方程?？菟谯蛾柡﨏DOM在200～450 nm之間的光吸收系數(shù)與實測DOC濃度之間的一元線性關(guān)系見圖4。如圖4所示,CDOM在波長237～289 nm之間的光吸收系數(shù)與DOC濃度之間具有較好的線性擬合度,調(diào)整決定系數(shù)R2在0.70以上。根據(jù)文獻[12,14]中計算CDOM光吸收系數(shù)常用的波長,選擇在波長254、280 nm處的吸收系數(shù)來擬合DOC濃度(圖5)。

圖4 枯水期鄱陽湖CDOM在不同波長的光吸收系數(shù)與DOC濃度線性相關(guān)的決定系數(shù)、斜率和截距Fig.4 Optical absorption coefficients of CDOM in the Poyang Lake during the dry season relative to wave length and DOC concentration linearly related determination coefficient, skewness, and intercepts

a254和a280分別為CDOM在波長254和280 nm處的吸收系數(shù)。

由圖5可知,CDOM吸收系數(shù)(a254,x)與DOC濃度(y)間相關(guān)關(guān)系更顯著(r=0.88,P<0.01),其回歸方程為y=-0.53+0.27x(調(diào)整R2=0.76,P<0.01)。這說明枯水期鄱陽湖水體中光吸收物質(zhì)CDOM是DOC的重要組成部分。此外,還可以根據(jù)截距與DOC濃度均值的比值來估算非光吸收物質(zhì)占DOC總濃度的比例[5],通過計算得出非有色DOC占比約為23%。CDOM光吸收系數(shù)與DOC濃度之間關(guān)系的建立,可為利用遙感技術(shù)估算水體DOC濃度提供有效、快捷的技術(shù)方法。類似的結(jié)果也體現(xiàn)在其他內(nèi)陸水體,如姜廣甲等[6]用CDOM吸收系數(shù)估算了太湖水體表層DOC濃度。筆者研究進一步驗證了枯水期鄱陽湖水體CDOM吸收系數(shù)可用于預(yù)測DOC濃度的可行性,利用此線性相關(guān)關(guān)系來預(yù)測2016年枯水期鄱陽湖水體DOC濃度,并與2016年枯水期實測的DOC濃度數(shù)據(jù)(14個)進行對比。比較結(jié)果如圖6顯示,調(diào)整R2=0.75,觀測值與估算值之間的RMSE為26.1%,小于30%[6],說明利用CDOM在254 nm波長處的吸收系數(shù)來估算枯水期鄱陽湖水體DOC濃度具有可行性。此外,CDOM吸收系數(shù)與DOC濃度關(guān)系的建立,也為大型湖泊鄱陽湖水體的光學(xué)遙感反演DOC濃度提供必要的依據(jù)[8]。由此可見,研究CDOM的特性(如光吸收、熒光組成)有助于更好地了解鄱陽湖水體DOC的含量、分布和組成,對研究DOC具有一定的指示作用,為進一步研究鄱陽湖碳循環(huán)奠定基礎(chǔ)。

圖6 枯水期鄱陽湖DOC濃度估算值與實測值之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between estimated and field measured DOC concentrations in the Poyang Lake during the dry season

3 結(jié)論

分析了2015年枯水期鄱陽湖水體CDOM濃度及相關(guān)參數(shù)變化特征,并進一步探討了CDOM光吸收系數(shù)與DOC濃度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,枯水期間鄱陽湖CDOM受河流輸入的影響并不大,受濕地植被影響較大?？菟谯蛾柡wCDOM光吸收系數(shù)(a254)與DOC濃度之間呈顯著正相關(guān)(r=0.88,P<0.01),此關(guān)系的建立為鄱陽湖溶解性有機物遙感反演方法的研究奠定基礎(chǔ),對鄱陽湖碳源狀況具有指示意義,有利于湖泊碳循環(huán)研究。

致謝: 感謝中國科學(xué)院鄱陽湖湖泊濕地觀測研究站提供研究平臺,感謝湖泊與環(huán)境國家重點實驗室提供測試平臺。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Optical Absorption Properties of Chromophoric Dissolvable Organic Matter (CDOM) and Their Quantitative Relationships With Dissolved Organic Carbon in the Poyang Lake in Dry Season.

LIULi-zhen1,HUANGQi2,WUYong-ming1,WUDai-she3,YOUHai-lin1,DENGMi3

(1.Poyang Lake Research Center, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330096, China; 2.Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 3.School of Resources, Environmental and Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 310031, China)

Optical absorption properties of chromophoric dissolvable organic matter (CDOM) in the waters of the Poyang Lake including estuaries and the main waterbody in the dry season of 2015 were studied and their relationships with dissolved organic carbon (DOC) discussed. Results show that CDOM absorption coefficient in the Poyang Lake at 254, 280, 350, and 440 nm (wave length) varied in the range of 7.86-20.24, 5.64-14.58, 1.46-4.41 and 0.36-1.06 m-1, respectively, andMvalue, an index characterizing relative molecule size, did in the range from 5.27 to 7.66. During the dry season, wetlands were a major factor affecting CDOM concentrations in the lake, whereas the five major incoming rivers did not have much contribution to CDOM. Among the numerous parameters,SRwas the major index reflecting optical absorption properties of CDOM in the lake during the dry season. DOC in the dry season varied in the range from 1.61 to 4.86 mg·L-1, with a mean value of 2.31 mg·L-1. CDOM optical absorption coefficient(a254，x) was positively related to DOC concentration (y). The relationship was fitted with the linear regression equationy=-0.53+0.27xand calibrated with the equation Adj.R2=0.76,P<0.01. Validation with the field measurements conducted in the Poyang Lake in January 2016 demonstrates that it is feasible to use optical absorption properties of CDOM in the waterbody of the Poyang Lake during the dry season to explore DOC concentration in the lake water, which means that CDOM in the Poyang Lake in the dry season can be used as an indicator in the study on carbon pool in the lake.

chromophoric dissolved organic matter; absorption coefficient; dissolved organic carbon; Poyang Lake

2016-08-30

國家自然科學(xué)基金(41561093,41661102,41661018);江西省青年科學(xué)基金(20151BAB213033,20161BAB213076);江西省科學(xué)院引進博士項目(2014-YYB-30);江西省科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新專項普惠制項目(2014-XTPH1-30);江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心資助項目(JXS-EW-00);鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室開放基金(PK2015007)

X14；[P951]

A

1673-4831(2017)08-0762-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.08.013

劉麗貞(1987—),女,江西萬年人,助理研究員,博士,主要從事湖泊生態(tài)和環(huán)境工程方面的研究。E-mail: woliulizhen2007@126.com