洞庭湖DOM 組成與有機(jī)碳收支對(duì)江湖水力連通的響應(yīng)

莊 奔,李 冰,郭燕妮,周永強(qiáng),谷 嬌(1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030619；.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 10008)

湖泊是全球碳循環(huán)的重要組成節(jié)點(diǎn),其面積僅占除兩極冰蓋外全球陸地面積總和的3.7%[1],卻是陸地碳循環(huán)的熱點(diǎn)及陸地與海洋間重要連接樞紐與輸送通道[2-3],在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用.有研究表明,湖泊等內(nèi)陸水體每年輸移、埋藏及排放的碳通量為5.1Pg C /a,占陸地年凈固碳通量的70%,向大氣排放的碳通量為3.9Pg C/a[2,4].相較于非通江湖泊而言,通江湖泊通常具有水力滯留時(shí)間較短,河湖間水交換快,營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)碳等生源要素流動(dòng)性強(qiáng)等諸多特點(diǎn).分析水體交換如何影響這類(lèi)湖泊中溶解有機(jī)物(DOM)的平衡與輸出,有助于更好地了解內(nèi)陸水體環(huán)境中碳元素的遷移過(guò)程.

溶解性有機(jī)物(DOM)主要成分為溶解性有機(jī)碳(DOC),由腐殖酸、富里酸、脂肪族及芳香烴等一系列復(fù)雜的有機(jī)物組成[5].DOM 經(jīng)微生物和光化學(xué)降解能釋放大量小分子有機(jī)酸和無(wú)機(jī)碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,從而影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程.湖泊DOM的來(lái)源和組成在很大程度上受湖泊和河流間的水力聯(lián)系的影響,同時(shí)受流域人類(lèi)活動(dòng)的顯著影響,因而具有高度的空間異質(zhì)性[6].湖泊是特大和大中型城市最重要的集中式供水源,其水體中過(guò)量DOM 賦存通常使得水體酸臭刺鼻,并在水處理過(guò)程中產(chǎn)生致癌物質(zhì),嚴(yán)重威脅用水安全[7].降水過(guò)程引起地表徑流的增加可能會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖酸和生產(chǎn)生活廢水等其他有機(jī)物向湖泊輸入的通量增加,并在一定程度上提高土壤腐殖酸在DOM 中的占比[8-10].除陸源輸入外,藻源DOM 在湖泊DOM 庫(kù)中占比亦較高,尤其在水力滯留時(shí)間較長(zhǎng)的富營(yíng)養(yǎng)湖泊中表現(xiàn)得尤為顯著[3].

洞庭湖與長(zhǎng)江相連,是我國(guó)第二大淡水湖,在汛期對(duì)干流洪峰有顯著調(diào)節(jié)作用[11].汛期周邊水體自湘江、資水、沅江、澧水四個(gè)支流以及松滋、虎渡、藕池匯入洞庭湖,并最終經(jīng)城陵磯排放到長(zhǎng)江干流.由于三峽水庫(kù)蓄水調(diào)度運(yùn)用,洞庭湖不同湖區(qū)的水力滯留時(shí)間從0.1 年到0.5 年不等[12].相較于傳統(tǒng)的CODMn、BOD5等水化指標(biāo)而言,DOM的光學(xué)測(cè)量方便快捷,且能提供關(guān)于DOM 組成來(lái)源的大量指紋信息.DOM 光化學(xué)活性和微生物活性與其組成、來(lái)源特征息息相關(guān)[13].目前國(guó)內(nèi)外圍繞湖泊DOM 來(lái)源組成特征已開(kāi)展了大量的研究.越來(lái)越多的研究利用傅里葉變換回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)結(jié)合電噴霧電離技術(shù)對(duì)各種淡水生態(tài)系統(tǒng)中DOM 的分子組成進(jìn)行了研究[14-15].針對(duì)洞庭湖的研究水體研究目前主要集中在水沙平衡、水體環(huán)境治理以及部分水體的富營(yíng)養(yǎng)化.然而,以洞庭湖為代表的通江湖泊與河流間的水力連通特征如何影響湖泊DOM 組成及碳收支的研究目前尚未涉及.此本文以大型通江湖泊洞庭湖為研究對(duì)象,于不同季節(jié)自湘、資、沅、澧四支流和長(zhǎng)江荊南松滋、虎渡、藕池三口與出湖口城陵磯處采集水樣,通過(guò)對(duì)DOM 光學(xué)組成的測(cè)定以闡明洞庭湖與長(zhǎng)江干流之間的水力聯(lián)系如何影響洞庭湖DOM 組成及碳收支,旨在為保障湖泊供水安全、揭示湖泊碳收支提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

洞庭湖(107°16′～114°17′E,24°38′～30°26′N(xiāo))位于長(zhǎng)江中游,天然湖泊總面積2625km2,總蓄水量167 億m3,為周邊兩千多萬(wàn)居民提供水源[16].洞庭湖流域年、降水量為1148～1837mm,2018 年洞庭湖主控站年徑流量1740億m3,其中荊南三口匯入洞庭湖徑流量占全湖總來(lái)水量占比為29.0%,湘資沅澧四水徑流量占洞庭湖來(lái)水量為71.0%(http://www.cjw.gov.cn/).

圖1 洞庭湖采樣點(diǎn)位置及江湖水力聯(lián)系Fig.1 Location of sampling sites in Lake Dongting and the hydrological connection between the lake and the Yangtze River

1.2 樣品采集與處理

本研究于2018 年5 月、7 月、9 月和11 月開(kāi)展了4 次采樣活動(dòng)(n=56,個(gè)別月份湖泊水位偏高或偏低,對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)位略有偏移和增減).因水力收支在各來(lái)水與出水口處變化最為活躍,采樣點(diǎn)主要分布在南洞庭湖和西洞庭湖各大河口.采用1.5L 酸洗后聚氯乙烯瓶采集水樣,并立即置于4℃車(chē)載冰箱中避光儲(chǔ)存,并在采集結(jié)束后迅速送實(shí)驗(yàn)室.水樣首先經(jīng)高溫灼燒(450℃燒4h)的0.7μm孔徑的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過(guò)濾,用于測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)濃度,隨后使用水洗后的0.22μm 孔徑的Millipore 膜過(guò)濾,用以測(cè)定DOM 吸收光譜和三維熒光光譜.

1.3 水文資料的獲取

洞庭湖松滋、虎渡、藕池荊南三口及湘、資、沅、澧四水多年平均月徑流量及洞庭湖流域多年平均逐月降水量等水文數(shù)據(jù)采集自全國(guó)水雨情信息網(wǎng)(http://xxfb.mwr.cn/sq_djdh.html).

1.4 微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

DOC 微生物活性水平(biodegradable DOC,即BDOC)的概念為室溫避光好氧環(huán)境下,28 天時(shí)間內(nèi)快速被微生物降解的DOC 占初始(即培養(yǎng)前)DOC值的百分比,用以反映湖泊等水體中DOC 的微生物可降解潛力[17].BDOC 的測(cè)定采樣國(guó)際規(guī)范流程操作,即樣品采集后取100mL 經(jīng)0.22μm 孔徑濾膜的濾后液置于120mL 經(jīng)酸洗和高溫滅菌的的棕色玻璃瓶中,隨后加入2mL 菌種(菌種為對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)的原水).為避免微生物培養(yǎng)過(guò)程中存在的營(yíng)養(yǎng)鹽限制,通過(guò)添加2mL 營(yíng)養(yǎng)液將培養(yǎng)瓶中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加至80μmol/L 的NH4+-N 和10μmol/L 的PO43--P[18].通過(guò)每日輕晃數(shù)次并擰松玻璃瓶蓋以確保培養(yǎng)過(guò)程中維持好氧環(huán)境,同時(shí)避免蒸發(fā)引起DOC 濃縮從而影響B(tài)DOC 的測(cè)算.樣品經(jīng)過(guò)28d 的微生物培養(yǎng)后重新經(jīng)Whatman GF/F(孔徑0.7 μm)濾膜過(guò)濾,進(jìn)行光學(xué)測(cè)量,包括DOM 紫外-可見(jiàn)吸收光譜、三維熒光光譜和溶解性有機(jī)碳DOC,以確定DOM 的微生物活性BDOC.

1.5 紫外-可見(jiàn)吸收光譜參數(shù)的測(cè)定與計(jì)算

DOM 樣品經(jīng)0.7 μm 過(guò)濾后采用高溫(680℃)燃燒法,在NPOC 模式下通過(guò)TOC-L 分析儀(日本島津)測(cè)定DOC 濃度.采用島津Shimadzu UV-2550UV-Vis 分光光度計(jì)及配套的5cm 石英比色皿完成DOM吸光度的測(cè)定.以Milli-Q 水為空白對(duì)照,在200～800nm 范圍內(nèi)每隔1nm 測(cè)量其吸光度,扣除700nm 出吸光度以消除潛在顆粒物散射效應(yīng).由于DOM 化學(xué)成分復(fù)雜,通常以特定波長(zhǎng)的DOM吸收系數(shù)通常用于表征DOM 中帶發(fā)色團(tuán)組分的豐度[19-20].本研究中采用254nm 處的吸收系數(shù)表示DOM 相對(duì)豐度[21-22],根據(jù)公式(1)計(jì)算對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)吸收系數(shù)[23]:

式中:aλ表示波長(zhǎng)為λ 對(duì)應(yīng)的DOM 吸收系數(shù),m-1;Dλ代表對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ 處矯正后吸光度;r 為光程路徑,m.

DOM光譜斜率(S275-295μm-1)是由275～295nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)經(jīng)指數(shù)函數(shù)擬合得到[24],DOM 在紫外及藍(lán)光波段吸收光譜波長(zhǎng)呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)遞減.S275-295與DOM 腐殖化呈負(fù)相關(guān),根據(jù)公式(2)計(jì)算[25]:

式中:λ 是測(cè)量波長(zhǎng),nm;λ0是440nm 處的參考波長(zhǎng),nm;S 表示光譜斜率.

1.6 三維熒光光譜的測(cè)定及平行因子分析

使用Hitachi 公司生產(chǎn)的F-7000 熒光光度計(jì)測(cè)定DOM 三維熒光光譜,其激發(fā)波長(zhǎng)范圍設(shè)置為230～450nm,間隔5nm,發(fā)射波長(zhǎng)范圍設(shè)置為300～550,間隔1nm.拉曼散射通過(guò)扣除當(dāng)日純水EEMs予以去除,而瑞利散射通過(guò)drEEM 工具箱的線(xiàn)性插值予以消除[26].內(nèi)濾波效應(yīng)采用對(duì)應(yīng)樣品激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)下的吸光度予以校正.平行因子分析(PARAFAC)將EEMs 矩陣分解為若干個(gè)具有唯一發(fā)射波長(zhǎng)熒光強(qiáng)度最大值的熒光峰[27].采用MATLAB R2015b 中內(nèi)置的drEEM 工具箱(ver.0.1.0)完成PARAFAC 建模[26].本文中PARAFAC 數(shù)據(jù)集包括56 個(gè)樣品.每個(gè)矩陣對(duì)應(yīng)于45 個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)和32 個(gè)發(fā)射波長(zhǎng).數(shù)據(jù)集分為6 個(gè)隨機(jī)子集,3 個(gè)子集用于建模,其余3 個(gè)子集用于驗(yàn)證PARAFAC 模型.結(jié)果表明,3 個(gè)組分均能很好地通過(guò)對(duì)半檢驗(yàn)(split-half analysis)、隨機(jī)初始化分析(random initialization analysis)和殘差分析(residual analysis).

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和t 檢驗(yàn),使用 ArcGIS 10.7 軟件進(jìn)行采樣點(diǎn)的空間分布、不同月份DOM 通量變化模式、DOM 光譜參數(shù)的時(shí)空分異圖的繪制.柱狀圖、主成分分析等采用Origin 2018 軟件進(jìn)行繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 水文條件

5 月和7 月,北部荊江段3 條主要入湖河流(松滋、虎渡、藕池)和湖南四水(湘江、資水、沅江、澧水)之和高于出水口城陵磯徑流量,而在9 月和11月,北部三口與南部四水徑流量與出水口城陵磯流出量大致持平(圖2).洞庭湖區(qū)降水和徑流的變化特性基本相似,徑流量總體呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),而徑流的變化也直接作用于湖泊本身,影響著洞庭湖水力的收支[28].

圖2 洞庭湖流域多年(1961～2018)平均逐月降水量及2018 年5 月、7 月、9 月和11 月洞庭湖輸入河與出水口月徑流量Fig.2 Multi-year mean monthly rainfall of the Lake Dongting watershed in 1961～2018 and monthly runoff of input rivers and the sole outlet of Lake Dongting in May, July, September, and November 2018

2.2 PARAFAC 的熒光成分

應(yīng)用EEMs-PARAFAC 對(duì)生物培養(yǎng)前水樣進(jìn)行熒光分析,得到3 種熒光組分(圖3),包括一個(gè)類(lèi)腐殖酸組分C1,兩個(gè)類(lèi)蛋白組分C2 和C3.C1 激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為250nm 和420nm,組分C1顯示出較強(qiáng)的陸源特征,同時(shí)也包含微生物或浮游植物的降解物[29].組分C2 和C3 是類(lèi)蛋白組分,C2(Ex/Em=280/316nm)是類(lèi)酪氨酸,C3(Ex/Em=230/340nm)是類(lèi)色氨酸,二者廣泛存在于河流與海洋中.組分C2 與類(lèi)酪氨酸的熒光峰(峰B)一致,主要來(lái)自于原生地,與藻類(lèi)降解和微生物礦化及城市污染物排放有關(guān)[30-31].C3 的光譜形狀(Ex/Em=230/340nm)與類(lèi)色氨酸相似,與傳統(tǒng)色氨酸類(lèi)單體的T 峰相對(duì)應(yīng)[32].

圖3 平行因子分析所得3 個(gè)熒光組分光譜特征及對(duì)半檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Spectra shapes of the three fluorescent components identified using PARAFAC and the three-component model was well validated using split-half validation procedure

圖4 洞庭湖不同來(lái)水條件下DOM 光譜參數(shù)和熒光成分強(qiáng)度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of DOM spectral parameters and fluorescence intensities of PARAFAC-derived components in Lake Dongting during different sampling seasons

2.3 不同江湖水力連通條件下的DOM 組成特征

洞庭湖區(qū)多年降水和徑流的變化特性基本吻合,都表現(xiàn)為年內(nèi)分布不均、且長(zhǎng)期降水變化趨勢(shì)不明顯的特征[28].采樣期間,7月入湖河流DOM光譜參數(shù)和熒光成分強(qiáng)度差異較大,汛期5 月和7 月a254濃度高于9月和11 月,長(zhǎng)江荊南松滋、虎渡、藕池3 個(gè)入湖口顯著高于湘、資、沅、澧四支流(t 檢驗(yàn), P<0.05).總體而言,9 月S275-295高于其他月份,這意味著當(dāng)徑流量較小時(shí),陸地類(lèi)腐殖酸輸入信號(hào)也隨之顯著減弱.

7 月DOM3 個(gè)組分的熒光強(qiáng)度高于5 月、9 月和11 月,且在3 個(gè)入湖口處的強(qiáng)度均較高,這與輸入河流中a254的空間分布相似,即在徑流較小的9 月和11月,徑流量提升會(huì)促進(jìn)DOM濃度升高和外源輸入的增加.DOM 濃度與類(lèi)蛋白含量息息相關(guān),類(lèi)蛋白含量受到生活污水以及少量工業(yè)企業(yè)廢水排放等高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)干擾[28].7 月湘江C2 和C3 熒光強(qiáng)度較高,對(duì)輸入河流的貢獻(xiàn)率為36.3%,表明湘江上游排放的生活污水排放較多.

2.4 洞庭湖汛期生物降解前后DOM 光學(xué)參數(shù)和熒光強(qiáng)度的變化

在汛期入湖與出湖河流中類(lèi)腐殖酸組分通常占主導(dǎo)地位.荊南松滋、虎渡、藕池三口的腐殖質(zhì)熒光強(qiáng)度高于湖南湘、資、沅、澧四水.不同之處在于,類(lèi)蛋白質(zhì)成分C2 和C3 在四條河流較高,而洞庭湖流域土地利用類(lèi)型變化中,人類(lèi)活動(dòng)中建設(shè)用地比例相較耕地、林地等變化增量最多,表明四條河流可能吸納了更多來(lái)自上游建設(shè)用地的生活污水.洞庭湖中DOM 豐度和DOC 濃度以及3 個(gè)組分的熒光強(qiáng)度結(jié)果均表明,河流輸入的總和遠(yuǎn)高于湖的輸出的總和.

如圖5 所示,微生物降解并沒(méi)有改變類(lèi)腐殖質(zhì)作為洞庭湖DOM 庫(kù)主要成分的現(xiàn)狀.微生物降解后,DOM 的3 種組分的熒光強(qiáng)度總體上均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).與湖南四水相比,荊南三口DOC 更容易被生物降解.而在湖南四水中,生物降解前的DOC(2.1±0.8)mg /L 和生物降解后的DOC(1.6±0.3)mg/L 之間差異顯著(t-test,P<0.05).在3 個(gè)入湖口中,類(lèi)腐殖質(zhì)C1 在微生物降解后降幅最大,為34.7%,而酪氨酸類(lèi)C2 在四條入湖支流和出水口最易被微生物降解,降幅分別為36.7%和51.2%.

圖5 汛期生物降解前后荊南三口、湖南四水和城陵磯的DOM 光譜參數(shù)和熒光成分強(qiáng)度Fig.5 DOM spectral parameters and fluorescence intensities of PARAFAC-derived components of the three inlets, four rivers, and the sole outlet at Chenglingji before and after biodegradation during the flood season

圖6 5 月、7 月、9 月和11 月長(zhǎng)江松滋、虎渡和藕池3 入湖口及湘、資、沅、澧四支流不同月份DOC 通量和DOM 吸收值通量Fig.6 DOC fluxes and DOM fluxes of rivers(Songzi, Hudu, and Ouchi) from the Yangtze River and four rivers during different runoff in May, July, September, and November

2.5 洞庭湖蓄水對(duì)DOM 吸收系數(shù)和DOC 濃度的影響

洞庭湖河流輸入和輸出的a254變化范圍為6.0～14.6m-1,而DOC 濃度為1.3～4.7mg/L.在湖南四水中,湘江徑流輸入對(duì)全湖5 月的a254通量具有重要影響.城陵磯的a254在7月達(dá)到最大值12.6m-1.湖泊蓄水后,a254濃度與徑流量的變化一致(圖7),但DOC 濃度和徑流量的變化并不完全一致.與總輸入徑流量不同,5 月入湖DOC 濃度最大,這意味著徑流量變化對(duì)洞庭湖DOM 輸出具有較強(qiáng)的主導(dǎo)作用,但在DOC 上未得到體現(xiàn).而9 月徑流量最小,洞庭湖蓄水對(duì)輸入與輸出的DOC 和a254的影響最小,其次是11 月.

圖7 5 月、7 月、9 月、11 月洞庭湖蓄水對(duì)DOC 和a254 入出湖通量影響Fig.7 The effect of Lake Dongting storage on DOC flux and DOM flux in May, July, September and November

3 討論

3.1 洞庭湖的DOM 特征

江湖水力連通特征變化對(duì)洞庭湖DOC 濃度和DOM 和光學(xué)組成具有深刻影響.相較于9 月和11月,5 月和7 月松滋河存在更高的DOC 濃度和a254(圖6),且同時(shí)期入湖徑流量也呈現(xiàn)相似結(jié)果,a254表現(xiàn)為豐水期最大、枯水期最小,表明水位與水量的升高,即來(lái)水量增多使得DOC 濃度上升[33].5 月和7月藕池河和唯一出湖口城陵磯的DOC 濃度和a254均比其他樣品更高,同時(shí)期輸入徑流量也較大.7 月湖泊的匯入徑流量最大,3 個(gè)入湖口的S275-295和類(lèi)腐殖質(zhì)組分C1 顯示出強(qiáng)烈的陸源特征.當(dāng)流入徑流量增加時(shí),洞庭湖入湖支流攜帶土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)物的能力大大增加[25].當(dāng)其他條件不變,徑流流出流量越大,城陵磯類(lèi)腐殖質(zhì)C1的熒光強(qiáng)度也越高.該結(jié)果與近年來(lái)的研究結(jié)論一致,即徑流增加會(huì)增加陸源DOM輸入[31,34].對(duì)比5月和11月類(lèi)腐殖質(zhì)熒光強(qiáng)度,結(jié)果表明徑流量變化與溫度等外部條件皆會(huì)對(duì)DOM 輸入產(chǎn)生影響[35].11 月徑流量較低,表明陸源腐殖質(zhì)外部輸入量相對(duì)較小,其可能是在微生物作用下,浮游生物(如湖泊中的藻類(lèi))降解產(chǎn)生的腐殖質(zhì),而類(lèi)腐殖質(zhì)的積累過(guò)程快于類(lèi)蛋白消耗的過(guò)程.同一時(shí)期藕池河色氨酸組分C3 在11 月中的熒光強(qiáng)度最弱,這進(jìn)一步加速了這一時(shí)期微生物降解過(guò)程中類(lèi)蛋白的降低和類(lèi)腐殖質(zhì)的積累[36].Mayer 等[37]也在其研究中發(fā)現(xiàn)微生物氧化分解會(huì)產(chǎn)生類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì),因此這可能是由于11 月微生物群落的衰變導(dǎo)致了DOM 的降解.

在汛期來(lái)臨的7 月和11 月,類(lèi)腐殖質(zhì)組分C1在進(jìn)入湖泊的支流中熒光強(qiáng)度最高.夏季,湘、資、沅、澧四支流都以較大的徑流量進(jìn)入湖泊,導(dǎo)致外源輸入中的人類(lèi)建設(shè)與生活用地的廢水輸入量增大[38].同時(shí),長(zhǎng)江的高水位會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)江荊江段上游帶來(lái)的外源物質(zhì)涌入洞庭湖及其支流.在此條件下,DOM 的生物地球化學(xué)行為和湖泊儲(chǔ)存可能更加復(fù)雜,以至于城陵磯在7 月中沒(méi)有表現(xiàn)出較高的類(lèi)腐殖質(zhì)來(lái)源.此外,由于高溫湖泊微生物增殖,且微生物對(duì)腐殖質(zhì)類(lèi)降解影響較大,因此城陵磯腐殖質(zhì)含量變低[39].11 月,該湖的總外部徑流輸入幾乎等于出湖口城陵磯徑流(圖2).因此,從輸入河流帶入洞庭湖的DOM 能被有效地轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)江下游.Lambert 等[40]通過(guò)對(duì)熱帶河流的研究,發(fā)現(xiàn)大型水庫(kù)DOM 的通量和組成會(huì)受到水力收支的影響,這與本文的結(jié)果相似.在5 月和7 月,來(lái)自藕池河的徑流量增加在一定程度上稀釋了外源類(lèi)腐殖酸輸入信號(hào)[41],并且DOM 整體表現(xiàn)出較低的芳香性.同時(shí)期藕池河DOM 濃度顯著高于其他出入口河流,而光譜斜率S275-295也相應(yīng)呈現(xiàn)最大值(圖4).

3.2 DOM 生物降解與江湖水力連通間的聯(lián)系

汛期由于荊南三口有大量上游來(lái)水,與湖南四水相比,荊南三口DOC 更容易被微生物降解.強(qiáng)烈的江湖水體交換增加了水體中的溶解氧含量,更有利于微生物的生存[42].此外,汛期荊南三口DOC 外部輸入的增加也極大地提高了微生物活性[43].湖南四水DOC 濃度在生物培養(yǎng)前后有顯著差異,可能是由于湖南四水DOM 中類(lèi)蛋白占比較高,更容易被微生物利用[36,44].經(jīng)過(guò)微生物降解后,3 種熒光成分的熒光強(qiáng)度均有所減弱,說(shuō)明洞庭湖的DOM 不穩(wěn)定且易于被微生物降解,且類(lèi)腐殖質(zhì)仍是DOM 庫(kù)的主要成分.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),微生物降解可使DOM 趨于腐殖化[45],且腐殖化程度主要受光降解的影響[46-48].類(lèi)腐殖質(zhì)組分C1 在汛期的總體下降也可能是由于單一入湖支流在7 月徑流量顯著下降,減弱了其他徑流的增加效果.張亞等[49]研究發(fā)現(xiàn),在外來(lái)補(bǔ)水較少的非汛期,DOM 主要以自生源為主,而在汛期則受到陸源和自生源的共同影響,微生物在DOM 轉(zhuǎn)化中扮演重要角色.Ni 等[50]在其研究中發(fā)現(xiàn),一些大分子DOM 在培養(yǎng)56 天后被部分降解,說(shuō)明溫度和營(yíng)養(yǎng)狀況激發(fā)了 DOM 中難溶成分降解的驅(qū)動(dòng)因素.Wilson 等[51]研究發(fā)現(xiàn),在遮光培養(yǎng)后,類(lèi)腐殖質(zhì)的熒光強(qiáng)度降低,說(shuō)明相關(guān)化合物可能更容易被微生物轉(zhuǎn)化.湖南湘、資、沅、澧四水,在5 月生物降解后熒光強(qiáng)度明顯減弱,從而印證了上述觀(guān)點(diǎn).少部分桿菌和生物細(xì)菌主要降解或生成類(lèi)腐殖質(zhì)DOM[52],在DOM 的光降解過(guò)程中,色氨酸樣組分更容易被光降解[53],說(shuō)明微生物對(duì)進(jìn)入湖泊的河流中的熒光成分具有選擇性,這種現(xiàn)象與DOM 所在的水體環(huán)境有關(guān),例如溫度和營(yíng)養(yǎng)狀況.

3.3 湖泊蓄水與DOM 和DOC 通量

7 月湘江的DOC 濃度較高,表明徑流的增加也將增加外源輸入的DOC[40].湘江受周?chē)懙丨h(huán)境輸入的影響比其他河流更大,上游地區(qū)沿河排放的污水熒光強(qiáng)度更高[54].采樣期間徑流量變化對(duì)a254的輸出有重要影響,然而在徑流量較大時(shí)期,水力變化并不是影響DOC 輸出的決定性因素.洞庭湖5 月DOC 調(diào)節(jié)能力最弱,其次是7 月,這是由于7 月的徑流量最大,而長(zhǎng)江補(bǔ)水效應(yīng)加速了水體更新速率,從而減弱了該效應(yīng),而5 月份的徑流在輸送DOC 過(guò)程中的作用并不突出也印證了該推論.部分DOC 可能蓄積在沉積物中,另一些則可能作為無(wú)機(jī)碳排放到湖外.洞庭湖9 月DOC 和a254的蓄積效果最好,其次是11 月,由此可知9 月上游DOM 可以很好地轉(zhuǎn)運(yùn)到下游區(qū)域.

4 結(jié)論

4.1 采樣期間,洞庭湖流域輸入河流DOC 濃度高于唯一出湖口城陵磯,且在徑流量較大的5 月和7 月表現(xiàn)得更為明顯.

4.2 各輸入河流中DOM 豐度存在較大的空間差異.類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)多見(jiàn)于長(zhǎng)江荊南松滋、虎渡、藕池三口,而類(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)多見(jiàn)于湖南湘、資、沅、澧四水.

4.3 生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,微生物對(duì)輸入河流不同熒光組分的利用具有選擇性,腐殖質(zhì)樣蛋白和類(lèi)蛋白質(zhì)的熒光強(qiáng)度均被微生物有效利用而減弱.

4.4 湖泊9 月徑流較小,湖泊水力滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而7月的較大徑流量增強(qiáng)了外源DOM輸入,而不同水力連通條件下DOM 遷移轉(zhuǎn)化的特征及環(huán)境效應(yīng)則有待于進(jìn)一步研究.