南水北调东线枢纽湖泊有色可溶性有机物来源组成及生物可利用性特征

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南水北调东线工程南起扬州江都水力枢纽,沿线经高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖向北送水,供应我国北方约4.38亿居民饮用水。作为东线主要调蓄湖泊,上述五湖水质优劣直接关系到上亿人口的用水安全。溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)是全球碳循环在水圈中的主要有机碳库,大型跨流域调水直接或间接影响全球碳循环进程。有色可溶性有机物(chromophoric DOM,CDOM)是DOM中能够强烈吸收紫外辐射及蓝光波段的那部分有机物,高浓度CDOM酸臭刺鼻,在水处理过程中产生致癌物质,影响水处理工艺与流程,缩短水处理设备寿命。本研究着眼于南水北调东线主要调蓄湖泊,探讨湖泊中CDOM的来源组成、生物可利用性对不同水文情景的响应以及潜在影响因素,主要研究结果如下:(1)丰水期5个湖泊DOC浓度和吸收系数a254均高于枯水期,其中洪泽湖、骆马湖和南四湖DOC浓度显著高于枯水期,高邮湖、洪泽湖和骆马湖a254显著高于枯水期,表明了丰水期有机物质输入较高,从而增加了湖泊CDOM丰度。高邮湖和洪泽湖比紫外吸光度SUVA254在丰水期显著高于枯水期,其余湖泊SUVA254在丰水期也较高,说明丰水期湖泊CDOM腐殖化程度较高,外源类腐殖酸输入明显。(2)运用三维荧光光谱(excitation-emission matrices,EEMs)结合平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC)对5个湖泊CDOM的荧光光谱进行解析,5个湖泊均得到3种荧光组分,类腐殖酸C1、类色氨酸C2和类酪氨酸C3。洪泽湖和骆马湖CDOM样品经室内生物培养实验,也得到以上3种荧光有机物质。(3)5个湖泊CDOM对不同水文情景的响应存在差异。丰水期东线上中游高邮湖、洪泽湖和骆马湖3种组分荧光强度均显著大于枯水期,东线下游南四湖和东平湖反而在枯水期3种组分荧光强度较高。空间分布特征分析得出,高邮湖、洪泽湖和骆马湖3种组分荧光强度均在河流入湖区域明显高于其他湖区,尤其在丰水期最明显,表明了丰水期河流输入对湖泊CDOM的贡献较大。枯水期南四湖下游湖区3种组分荧光强度明显高于其上游湖区。东平湖组分荧光强度空间分布受不同水文情景的影响较小,枯水期类腐殖酸、类色氨酸在大汶河入湖区域较高。(4)不同水文情景下高邮湖、洪泽湖和骆马湖类腐殖酸和类蛋白组分既有陆源输入,也有内源产生,其中丰水期类腐殖酸和类色氨酸陆源输入为主,而类酪氨酸以自生源为主,枯水期陆源贡献类腐殖酸较少,类蛋白质更多的来源于湖泊自生源,即微生物或藻类的贡献。不同水文情景对南四湖和东平湖CDOM组成结构影响较小,2个湖泊类蛋白质在枯水期主要来自于内源同时伴随人为活动的影响,而类腐殖酸低于类蛋白质,陆源输入较低,受陆源影响较小。(5)整体来看,调水期DOC浓度和a254较非调水期更低,且调水期南四湖和东平湖DOC浓度、a254和2种类蛋白组分荧光强度显著高于其它3个湖泊,表明调水在一定程度上对东线下游湖泊CDOM产生累积效应。调水期5个湖泊类腐殖酸及类腐殖化程度均低于非调水期。(6)枯水期洪泽湖、骆马湖DOC生物可利用性[%BDOC,分别为(17±4)%、(15±4)%]高于丰水期[分别为(5±5)%、(10±7)%],且枯水期%BDOC在河流入湖口区域较高。枯水期2个湖泊比紫外吸光度SUVA254和类腐殖酸荧光强度显著高于培养前,而类酪氨酸荧光强度显著低于培养前,表明了枯水期类酪氨酸生物可利用性较高,造成湖泊类腐殖酸的累积,增加了样品的腐殖化程度。综上所述,丰水期河流输入是东线上中游湖泊,即高邮湖、洪泽湖和骆马湖CDOM主要来源,且CDOM腐殖化程度较高,而枯水期则以内源,即藻类或微生物活动为主。东线下游南四湖和东平湖CDOM来源和组成特征受枯水期的影响较大,且枯水期内源和人为污染对南四湖和东平湖类蛋白质的影响较大,调水也会对南四湖和东平湖产生一定的环境累积效应以及降低CDOM浓度,对水质的提高具有促进作用。洪泽湖和骆马湖CDOM生物可利用性在枯水期较高,主要表现在河流入湖河口区域,另外微生物降解在一定程度上增加了湖泊CDOM的腐殖化程度。
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