湖泊科学   2019, Vol. 31 Issue (2): 493-506.  DOI: 10.18307/2019.0218.
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研究论文

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周石磊, 张艺冉, 黄廷林, 罗晓, 岳琳, 李再兴, 周村水库汛期暴雨中溶解有机物(DOM)的光谱特征及来源解析. 湖泊科学, 2019, 31(2): 493-506. DOI: 10.18307/2019.0218.
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ZHOU Shilei, ZHANG Yiran, HUANG Tinglin, LUO Xiao, YUE Lin, LI Zaixing. Spectral characteristics and sources of rainstorms dissolved organic matter in Zhoucun Reservoir during flood season. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(2): 493-506. DOI: 10.18307/2019.0218.
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基金项目

国家自然科学基金项目(51478378)、国家科技支撑计划项目(2012BAC04B02)和河北省研究生创新项目(CXZZSS2018084)联合资助

作者简介

周石磊(1987~), 男, 讲师, E-mail:ZSLZhouShilei@126.com

通信作者

黄廷林, huangtinglin@xauat.edu.cn

文章历史

2018-05-15 收稿
2018-07-30 收修改稿

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周村水库汛期暴雨中溶解有机物(DOM)的光谱特征及来源解析
周石磊1 , 张艺冉1 , 黄廷林2 , 罗晓1 , 岳琳1 , 李再兴1     
(1: 河北科技大学环境科学与工程学院, 河北省污染防治生物技术实验室, 石家庄 050018)
(2: 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 西安 710055)
摘要:运用三维荧光光谱(EEMs)技术结合平行因子分析法(PARAFAC),对周村水库夏季两场暴雨不同降雨历时以及分子量的溶解有机物光谱特征和来源进行分析.结果表明:周村水库不同暴雨荧光光谱中出现了5种组分,分别为类腐殖质(C1、C2)、可见区富里酸(C3)和类蛋白(C4、C5);相关性分析显示C1与C2、C3、C4以及C5具有显著的相关性,C2与C3具有显著的相关性,C3与C4以及C5具有显著的相关性;同一分子量下的雨水有机质总荧光强度以及各组分荧光强度随着降雨历时的增加均呈下降趋势,并且在各个历时和分子量间差异明显;同一降雨历时下,第一场暴雨总荧光强度随着分子量的减少而增加,第二场暴雨总荧光强度随着分子量的减少而减少;两场暴雨都呈现自生源的特征,其中第一场暴雨具有以陆源输入为主的特征;组分C1和C3与水质参数硝态氮、氨氮、总氮以及有机碳呈显著相关性.通过对暴雨在不同降雨历时以及分子量DOM光谱特征研究,可以进一步分析水库外源输入的天然有机质特征,为水库水质管理提供技术支持.
关键词溶解有机质    暴雨    分子量    三维荧光光谱    平行因子分析    周村水库    
Spectral characteristics and sources of rainstorms dissolved organic matter in Zhoucun Reservoir during flood season
ZHOU Shilei1 , ZHANG Yiran1 , HUANG Tinglin2 , LUO Xiao1 , YUE Lin1 , LI Zaixing1     
(1: Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, P. R. China)
(2: School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, P. R. China)
Abstract: Based on the three dimensional fluorescence spectra (EEMs) technology combined with the parallel factor analysis (PARAFAC), the spectral characteristics and sources analysis of dissolved organic matter of two rainstorms were investigated for different rainfall duration and molecular weight organic carbon in Zhoucun Reservoir. Two humic-like substances (C1, C2), one fulvic-like substance (C3) and two protein-like substance (C4, C5) were identified by PARAFAC model, and there exhibited significantly correlation coefficient in C1 & C2/C3/C4/C5, C2 & C3 and C3 & C4/C5, respectively. For the same molecular weight organic carbon, total dissolved organic matter (DOM) fluorescence intensity and the fluorescence intensity of each component showed a decreasing trend with the increase of rainfall duration and exhibited significantly differences distribution in two rainstorms. For the same rainfall duration, the total fluorescence intensity of the first rainstorm increased with the decrease of molecular weight organic carbon, while the total fluorescence intensity of the second rainstorm decreased with the decrease of molecular weight. The two rainstorms water both exhibited strong autochthonous component characteristics and first rainstorm exhibited strong terrestrial input characteristic; C1 and C3 exhibited significantly correlation coefficient with nitrate, ammonia, total nitrogen and organic carbon. From all the results, the study could supply a strong support for the managers of Zhoucun Reservoir to explore the DOM characteristic of rainstorm in the future.
Keywords: Dissolved organic matter (DOM)    rainstorm    molecular weight    three-dimensional fluorescence spectra    parallel factor analysis (PARAFAC)    Zhoucun Reservoir    

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)主要包括亲水性有机酸、类蛋白、类氨基酸、类腐殖酸(胡敏酸和富里酸)和碳水化合物等[1].其中,类腐殖酸物质对微生物而言较难降解,有机碳含量为DOM中总有机碳含量的40 % ~80 %;类氨基酸物质容易降解以及被微生物利用.溶解性有机质是生态系统的重要组成部分,广泛地存在水体和沉积物中,是微生物营养和能源的主要来源[2],可以与许多金属和有机污染物相结合、影响其化学形态[3],并且在水处理过程中会产生消毒副产物、危害水质安全[4-5].随着淡水系统中碳通量在全球碳循环中日益受到重视[6],关于溶解性有机物的组成以及来源解析的研究成为近年来的热点[7].

三维荧光结合平行因子分析技术因其灵敏高效的特征,成为近年来研究DOM分子结构、组成以及来源辨析等信息的重要研究手段[8-10],被广泛用于表征河流[11-12]、河口[13-14]、湖泊[15-16]、水库[17-20]、海湾[21-22]、湿地[23]、海洋[24-25]和土壤[10]等不同来源DOM的结构和来源解析.目前,由于全球变暖导致极端气候事件频发,尤其是夏季的极端强降雨会对水库等水体营养盐污染物的输入影响很大,为水源水库的水体水质管理带来很大挑战.现在主要研究集中在探讨气候变暖的长期变化对湖库水质以及生态的影响[26-27],针对极端气候事件的外源污染物输入研究较少,比如,Barbiero等[28]研究暴雨对Eau Galle水库藻类动力学的影响;Tóith等[29]研究强降雨对Balaton湖固氮蓝藻水华的促进.众所周知,大气沉降是全球碳迁移循环的一个关键环节.作为地表水环境中一种重要的活性碳组分,DOM在雨水中的含量分布及其时空变化,有助于对探讨大气沉降途径在碳循环中所起的作用.特别是,在全球气候变化的影响下,近年来极端暴雨事件频发,不仅使流域内陆源物质的浓度和通量在短时间内呈现脉冲式增加[30-31],而且还会改变水体DOM的化学组成和生物可利用性[32],进而间接影响有机污染物、重金属以及消毒副产物的形态[33].近年来,梁俭等[34]利用紫外可见光谱与三维荧光光谱对夏、秋季降雨中溶解性有机质的光谱特征和来源进行了解析;魏珈等[31]研究降雨事件对不同流域背景河流DOM组成和入海通量的影响;吴秀萍等[35]对广州市番禺区大学城雨水溶解性有机质的吸收和荧光光谱特征进行了研究.溶解有机质相对分子量分布及其荧光特征的研究,有助于了解溶解有机质本身的结构和来源,对其生态环境效应的认识具有十分重要的作用[36-37].王静等[37]采用超滤技术对乌江水库水体中的有机质进行分离,并结合三维荧光光谱对水中不同相对分子量大小的溶解有机质组分的结构性质进行了分析.然而,针对强降雨过程中不同降雨历时以及分子量的DOM组分和来源的解析鲜有报道.

周村水库是山东枣庄的重要水源水库,其水质安全影响人民的切身生活[38].研究极端气候条件下暴雨的DOM组成和特性,对评估水源水体外源输入以及富营养化控制,具有非常重大的意义.因此,本文选取2016年6月23日和6月30日两场典型的极端强降雨事件,分析夏季极端气候事件中不同降雨历时和分子量雨水中溶解有机碳含量的分布特征,并利用三维荧光光谱分析技术对雨水中DOM的组分和来源进行解析.通过对暴雨雨水中DOM相对分子量分布及其荧光特征的研究,将有助于了解DOM的结构、来源以及对其生态环境效应的影响,从而为周村水库水体水质污染防治以及运行管理提供科学依据和理论指导.

1 材料与方法 1.1 采样地点和时间

周村水库(34°56′14"~34°57′48"N, 117°39′33"~117°41′33"E)位于山东省枣庄市孟庄镇周村南,总库容8404万m3,是枣庄市主要的城市供水水源地.依据《国家气象局颁布的降水强度等级划分标准》,24 h降雨量达50.0~99.9 mm的降水为暴雨,本研究选取2016年夏季6月23日和30日两场暴雨为研究对象.

1.2 样品提取及测定

采用自制雨量器采集两场暴雨不同降雨历时的雨水样品,两场降雨的总历时不同,本文根据每场降雨的不同阶段降雨情况, 按照降雨时间的先后顺序,划分了5个时期,每个时期的雨水收集完成后用超滤杯对雨水样品进行不同分子量的测定[39].收集的不同降雨历时雨水用0.45 μm玻璃纤维滤膜(预先450℃灼烧5 h)进行过滤得到溶解性有机物雨水样品,通过超滤杯滤膜孔径为50、5和1 kDa的滤膜过滤后得到分子量 < 50、< 5和 < 1 kDa的雨水样品.将两场暴雨根据降雨历时各自划分为5个阶段时期,并进行编号处理,详细情况如表 1所示. 24 h内完成不同降雨历时的雨水硝态氮、亚硝态氮、氨氮、溶解性总氮、总氮、总有机碳和溶解性有机碳浓度的测定.其中硝态氮、亚硝态氮、氨氮、溶解性总氮和总氮浓度依据《水和废水监测分析方法》进行测定[40],过滤的雨水样品装入玻璃瓶内,保存在4℃冰箱里以备DOM的光谱分析.

表 1 周村水库两场暴雨的基本情况 Tab. 1 Basic information of two rainstorms in Zhoucun Reservoir
1.3 三维荧光光谱测定

三维荧光光谱采用F97荧光分光光度计进行测定.设备的激发波长、发射波长以及扫描速度等参数设置同前期黄廷林等[18]的研究.利用超纯水扣除散射影响,并结合Delaunnay三角形内插值法修正去除拉曼峰散射和瑞利散射[41].利用MATLAB 2014a软件把样品的荧光矩阵组合,采用PARAFAC手段[42]对三维荧光光谱进行解析,并通过残差最小分析确定荧光组分数,利用折半分析来分析结果的可靠性.

1.4 数据分析

应用皮尔逊相关性分析法以及斯皮尔曼相关性分析法在SPSS 22.0软件中对DOM中各荧光组分以及各个特征指数、水质参数进行相关性分析.

2 结果与讨论 2.1 雨水水质及有机质分子量分布特征

6月23日和6月30日两场暴雨的雨水总氮浓度随着暴雨降雨历时的增加,呈现下降的趋势,在降雨初期总氮浓度较高,特别是6月23日的暴雨雨水总氮浓度达到2.98 mg/L(第二时期);两场暴雨的氮水质差异明显,6月23日的暴雨雨水总氮浓度范围为0.38~2.98 mg/L,6月30日的暴雨雨水总氮浓度范围为2.19~3.52 mg/L;两场暴雨的氮构成比例显示氨氮是其主要形式,其中6月23日的暴雨雨水中的氮在各个降雨阶段所占比例为44.8 % ~92.7 %,6月30日的暴雨雨水中的氮在各个降雨阶段所占比例为67.5 % ~79.3 % (图 1a, b).

图 1 周村水库两场暴雨不同降雨历时雨水的水质及分子量 Fig.1 The water quality and molecular weight in different rainfall durations of two rainstorms water in Zhoucun Reservoir

6月23日和6月30日两场暴雨溶解性有机碳差异明显,随着降雨历时的增加,两场暴雨的雨水溶解性有机碳都呈现下降的变化趋势. 6月23日的暴雨溶解性有机碳浓度从开始的2.1 mg/L下降到降雨结束的0.20 mg/L,其中分子量>0.45 μm和 < 1 kDa的溶解性有机碳浓度下降程度最大. 6月30日的暴雨溶解性有机碳浓度从开始的3.5 mg/L下降到降雨结束的2.1 mg/L,其中分子量50 kDa~0.45 μm和 < 1 kDa的溶解性有机碳占比最大、下降程度最多.表明,6月30日的初期暴雨小分子量的较多,进入水库水体后更易于水体微生物的降解;6月23日暴雨有机物构成变化相比于6月30日的差异更大;两场暴雨随着降雨历时的增加,有机质浓度逐渐减小、分子量构成比例趋于稳定(图 1c, d).

2.2 暴雨不同历时的DOM荧光组分解析

基于平行因子法对两场暴雨的雨水样品进行三维荧光解析,由于PARAFAC对组分数很敏感,建模过程中选择适当的组分数对模型的效果影响较大.只有选择正确的组分数而且信噪比合适,解析的结果才能反映真实的谱图.从图 2a可以看到,成分从F=4变为F=5时,残差平方和急剧变小,而从F=5变成F=6时,残差平方和变化不大,初步确定成分F=5最合适.然后通过对F=5时的结果经过折半分析(图 2b),确定成分F=5最合适.

图 2 暴雨雨水荧光组分的残差分析和折半分析 Fig.2 Residual analysis and split half comparison analysis of EEM samples in rainstorms water

两场暴雨的雨水样品各成分的荧光光谱图和组分如图 3表 2所示,共解析得到5种组分,2种类腐殖质(C1和C2)、1种类富里酸(C3)以及2种类蛋白(C4和C5). C1的荧光峰位置是350 nm/460 nm (Ex/Em),为长波类腐殖质/陆源类腐殖质、具有分子量大易光解的特征;C2的荧光峰位置是345 nm/420 nm (Ex/Em),为可见光类腐殖质(C峰);C3的荧光峰位置是290 nm/514 nm(Ex/Em),为长波类可见区富里酸;C4的荧光峰位置是230 nm/305 nm (Ex/Em),为短波(紫外区)类酪氨酸;C5的荧光峰位置是280 nm/318 nm(Ex/Em),为类色氨酸.

图 3 PARAFAC解析出的DOM中5个荧光组分及其激发发射波长位置 Fig.3 Fluorescence spectra of five components identified by PARAFAC model
表 2 暴雨雨水样品DOM中5个荧光组分 Tab. 2 Characteristics of the five different components in two rainstorms water
2.3 暴雨DOM荧光组分强度分布特征 2.3.1 不同降雨历时雨水DOM的荧光组分强度分布特征

两场暴雨不同降雨历时DOM荧光组分强度的变化情况如图 4所示.其中(a)~(d)表示第一场暴雨情况;(e)~(f)表示第二场暴雨情况.

图 4 周村水库两场暴雨不同降雨历时DOM组分荧光强度 Fig.4 The fluorescence intensity in different rainfall durations of two rainstorms in Zhoucun Reservoir

两场暴雨不同分子量的总荧光强度随着降雨历时的增加大体呈现出下降的变化趋势.比如,第一场和第二场暴雨中溶解性有机物(经0.45 μm膜过滤)荧光强度从第一时期的539.28 A.U和1037.67 A.U下降到第四时期的413.44 A.U和891.19 A.U;分子量 < 50 kDa的有机物荧光强度从第一时期的467.25 A.U和910.14 A.U下降到第四时期的345.03 A.U和772.69 A.U;分子量 < 5 kDa的有机物荧光强度从第一时期的699.49 A.U和561.00 A.U变化到第四时期的448.89 A.U和710.17 A.U;分子量 < 1 kDa的有机物荧光强度从第一时期的805.10 A.U和855.28 A.U下降到第四时期的493.83 A.U和787.41 A.U.第二场暴雨中各个降雨历时雨水样品的荧光强度要高于第一场暴雨的荧光强度.

第一场和第二场暴雨溶解性有机物(经0.45 μm膜过滤)各个荧光组分随着降雨历时的增加不存在差异(第一场暴雨P=0.32>0.05;第二场暴雨P=0.15>0.05),但是组分间差异显著(P < 0.01);分子量 < 50 kDa的有机物各个荧光组分随着降雨历时的增加不存在差异(第一场暴雨P=0.30>0.05;第二场暴雨P=0.16>0.05),但是组分间差异显著(P < 0.01);第一场暴雨分子量 < 5 kDa的有机物各个荧光组分随着降雨历时的增加存在显著差异(P < 0.01)、第二场暴雨不存在显著差异(P=0.08>0.05),但是两场暴雨各个荧光组分间差异显著(P < 0.01);分子量 < 1 kDa的有机物各个荧光组分随着降雨历时的增加存在显著差异(第一场暴雨P=0.002 < 0.01;第二场暴雨P=0.009 < 0.01),并且组分间差异显著(P < 0.01).表明,这两场暴雨的DOM在不同降雨历时,总荧光强度和各组分荧光强度的分布差异明显.

2.3.2 不同分子量雨水DOM的荧光组分强度分布特征

两场暴雨不同分子量的雨水DOM荧光组分强度的变化情况如图 5所示.其中(a)~(d)表示第一场暴雨情况;(e)~(f)表示第二场暴雨情况.

图 5 周村水库两场暴雨不同分子量DOM组分荧光强度 Fig.5 The fluorescence intensity in different molecular weight organic carbon of two rainstorms in Zhoucun Reservoir

两场暴雨在同一时期不同分子量的总荧光强度呈现出相反的变化趋势.第一场暴雨中在DOM的总荧光强度随着分子量的减少有上升的趋势,与王静等[37]研究乌江水库水体有机胶粒的三维荧光特征得出荧光物质主要存在于真溶液(< 1000 Da)的结论相一致.在第一时期DOM荧光强度从539.28 A.U (经0.45 μm膜过滤)上升到805.10 A.U(分子量 < 1 kDa);在第二时期从559.94 A.U(经0.45 μm膜过滤)上升到584.90 A.U (分子量 < 1 kDa);在第三时期从433.40 A.U(经0.45 μm膜过滤)上升到609.01 A.U(分子量 < 1 kDa);在第四时期从413.44 A.U(经0.45 μm膜过滤)上升到493.83 A.U (分子量 < 1 kDa).第二场暴雨中在DOM的总荧光强度随着分子量的减少有下降的趋势,在第一时期从1037.67 A.U(经0.45 μm膜过滤)下降到855.28 A.U (分子量 < 1 kDa);在第二时期从876.03 A.U(经0.45 μm膜过滤)下降到678.58 A.U (分子量 < 1 kDa);在第三时期从1045.71 A.U(经0.45 μm膜过滤)下降到595.14 A.U (分子量 < 1 kDa);在第四时期从891.19 A.U(经0.45 μm膜过滤)下降到787.41 A.U(分子量 < 1 kDa).

综上可知,周村水库夏季两场暴雨在同一降雨历时下,不同分子量的DOM总荧光强度分布差异显著,表明两场暴雨的DOM性质以及来源存在差异.

经平行因子分析得到的5种荧光组分中长波类腐殖质C1的相对含量在34.00 % ~45.22 %之间,其含量远远高于可见光类腐殖质C2(1.07 % ~12.04 %)、可见光区富里酸C3(13.39 % ~29.89 %)、短波(紫外区)类酪氨酸C4 (4.83 % ~29.93 %)以及类色氨酸C5(8.99 % ~26.66 %).说明两场暴雨中腐殖质是主要成分,并且随着降雨历时的增加所占的比例变化不大.通过对两场暴雨不同降雨历时和不同分子量雨水样品中DOM各组分进行相关性分析,如表 3所示.

表 3 两场暴雨中DOM中5个荧光组分的皮尔逊相关性分析 Tab. 3 Pearson correlations analysis of five components in the DOM of two rainstorms

皮尔逊相关性分析得到类腐殖质(C1)与类腐殖质(C2)、可见光区富里酸(C3)、类酪氨酸(C4)以及类色氨酸(C5)具有显著的相关性,其相关系数分别为0.710(P < 0.01)、0.908(P < 0.01)、0.574(P < 0.01)和0.434(P < 0.01);C2与C3以及C5均具有显著的相关性,其相关系数分别为0.738(P < 0.01)和0.608(P < 0.01);C3与C4以及C5均呈显著相关,其相关系数分别为0.357(P < 0.05)和0.395(P < 0.05)(表 3).斯皮尔曼相关性分析展示同样的相关性.预示着在两场暴雨雨水中,组分C1与C2/C3/C4/C5以及C2与C3/C5有着相近的来源.

2.4 DOM的荧光特征参数分析

为了进一步分析暴雨不同历时以及分子量DOM的光谱特征,本文对DOM的荧光特征参数进行分析.生物源指数指标BIX[49]是激发波长为310 nm时,发射波长在380 nm和430 nm处荧光强度的比值(BIX=F380/F430), 它也被用来估计内源物质对雨水中DOM相对贡献;荧光指数FI[8, 50]是表征DOM中腐殖质来源的指数,定义为激光波长为370 nm时,荧光发射光谱在470 nm与520 nm处的强度比值(FI=F470/F520),这个比值反映了芳香氨基酸与非芳香物对DOM荧光强度的相对贡献率,因而可以作为物质的来源以及DOM降解程度的指示指标;腐殖程度指标HIX[51]曾被定义为在254 nm激光波长下435~480 nm间荧光峰值与300~345 m间荧光积分值之商(F435~480 nm/F300~345 nm),HIX指数越高则DOM腐殖化程度越高[52];新鲜度指数(β:α)是Ex=310 nm时,Em在380 nm处荧光强度与Em在420~435 nm区间最大荧光强度的比值,反映新生DOM在整体DOM中所占比例,是评估水体生物活性的重要依据. Fn(280)是Ex=280 nm时,Em在340~360 nm间最大荧光强度,代表类蛋白物质相对浓度水平[53]. Fn(355)是Ex=355 nm时,Em在440~470 nm间最大荧光强度,代表类腐殖物质的相对浓度水平[53].

Huguet等[49]和肖隆庚等[54]指出BIX在0.6~0.7之间时,具有较少的自生组分;BIX在0.7~0.8之间时,具有中度新近自生源特征;BIX在0.8~1.0之间时,具有较强的自生源特征;大于1.0时,为生物活动产生.本实验中第一场暴雨的BIX在0.85~1.15之间(图 6),均值为0.95,说明第一场暴雨的DOM具有很强的自生源特征;第二场暴雨BIX在0.68~1.05之间(图 6),均值为0.79,说明第二场暴雨的DOM具有中度新近自生源特征.

图 6 暴雨雨水DOM的FI-BIXFI-HIXFI-β:αFn(280)-Fn(355)分布 Fig.6 FI-BIX, FI-HIX, FI-β:α and Fn(280)-Fn(355) distributions of DOM in rainstorms water

Lavonen等[50]以及McKnight[55]提出FI可以反映芳香氨基酸与非芳香物对CDOM荧光强度的相对贡献率,可以作为物质的来源以及DOM的降解程度的指示指标.研究表明:FI>1.8以内源为主,FI < 1.2以陆源输入为主.本研究中第一场暴雨的FI(图 6)范围在0.89~1.26之间,均值为1.07,说明雨水中DOM主要来源于陆源输入,第二场暴雨FI在1.10~2.60之间(图 6),均值为1.45,说明第二场暴雨的DOM为混合型来源.

Ohno[56]指出HIX < 4表示以自生源为主.本研究中两场暴雨的HIX指数都小于4(图 6),DOM腐殖化程度较弱.新鲜度指数(β:α)反映了新产生的DOM在整体DOM中所占的比例.本研究中第一场暴雨β :α的范围在0.77~1.05之间,均值为0.89;第二场暴雨β:α(0.61~0.96)均值为0.75,小于第一场暴雨的β :α,说明两场雨的DOM来源不同. Fn(355)可以代表类腐殖质组分相对浓度,而Fn(280)代表了类蛋白物质组分相对浓度,两个指标分别用来表征陆源和自生源对水体DOM组分的贡献.第一场暴雨与第二场暴雨的Fn(355)和Fn(280)分布在不同的区域,说明两场暴雨的DOM特征差异明显、DOM来源不同.综上得出,两场暴雨呈现自生源特征,第一场暴雨应为陆生源为主,第二场暴雨属于混合型,不同降雨历时和分子量的DOM光谱特征指数分布差异明显.

2.5 DOM的荧光组分与特征参数以及水质参数的相关分析

为了研究周村水库在夏季极端气候事件下,暴雨中雨水DOM荧光组分与特征参数以及水质参数的关系,本研究基于两场暴雨事件中不同降雨历时以及分子量的雨水DOM荧光组分和环境因子进行了皮尔逊相关性分析.

表 4为两场暴雨不同降雨历时以及分子量雨水样品的5个荧光组分与DOM特征参数以及水质参数的相关性,结果表明:组分C1、C2、C3与DOM特征参数FIBIXHIXFn(280)以及Fn(355)均呈正相关(P < 0.01);类色氨酸C5与HIXFn(280)均呈现显著相关(P < 0.01);C1(长波类腐殖质)、C2(可见光类腐殖质)以及C3(可见光区富里酸)与NO3-N、NO2-N、NH3-N、TN、TDN、TOC以及DOC均呈显著正相关(P < 0.01);C5(类蛋白物质类色氨酸)与NO3--N(P < 0.05)、TOC(P < 0.01)以及DOC(P < 0.01)均呈显著正相关.因此,可以通过应用暴雨的DOM特征参数和雨水水质参数对暴雨的DOM组分进行分析,利于评估暴雨中有机碳的荧光组分及荧光特征,便于水库管理人员对极端降雨型外源有机污染物输入进行评价以及水源水库的富营养化控制.

表 4 暴雨雨水DOM的5个荧光组分与特征参数和水质参数的相关性 Tab. 4 Correlation matrix of DOM indices and water quality parameters of the five PARAFAC components
3 结论

1) 暴雨的三维荧光光谱解析出了2种类腐殖质(C1、C2)、1种富里酸(C3)和2种类蛋白(C4、C5). C1与C2、C3、C4以及C5均呈显著的相关性(P < 0.01),C2与C3呈显著的相关性(P < 0.01),C3与C4以及C5均呈显著的相关性(P < 0.05);两场暴雨的DOM总荧光强度以及各组分荧光强度随着降雨历时的增加均呈下降趋势,并且在各个历时和分子量间差异明显(P < 0.05).

2) 两场暴雨呈现自生源特征,第一场暴雨应为陆生源为主,第二场暴雨属于混合型.两场暴雨中不同降雨历时和分子量的DOM其FI-BIXFI-HIXFI-β :αFn(280)-Fn(355)分布差异明显.

3) 组分C1、C2和C3与DOM特征参数(FIBIXHIXFn(280)、Fn(355))以及水质参数(硝态氮、氨氮、总氮以及有机碳)均呈显著相关性(P < 0.01),C5与特征参数(HIXFn(280))以及水质参数(硝态氮(P < 0.05)、TOC(P < 0.01)以及DOC(P < 0.01))均呈显著正相关.

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