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超高分辨率質譜等技術揭示暴雨徑流顯著增加湖庫溶解性有機物和溶解性有機碳輸入

  水庫作為重要的飲用水源地,其水質及溶解性有機質濃度與組成對水庫飲用水供應安全舉足輕重。暴雨徑流過程直接導致大量懸浮物及有色可溶性有機物(CDOM)輸入至水庫。CDOM是溶解性有機物(DOM)當中能強烈吸收紫外輻射的那部分有機物。高濃度的CDOM存在使得水體酸臭刺鼻且在水處理和分配過程中銹垢過濾系統、釋放致癌伴生物、增加飲用水管網消毒劑用量。千島湖是我國東部地區重要的飲用水源地,位于錢塘江上游新安江流域,地處亞熱帶季風氣候區,降水量年內分布極不均勻。暴雨徑流過程裹挾大量懸浮物、營養鹽及CDOM進入千島湖,直接威脅該湖供水安全。暴雨徑流過程對下游湖泊CDOM來源組成及生物可利用性影響如何仍有待研究。傳統半月、逐月及逐季度觀測很難有效監測暴雨徑流對CDOM來源組成的影響,且目前國內外鮮少有開展高頻監測暴雨徑流過程對飲用水供給湖庫CDOM組成影響的報道。鑒于此,在先導專項及國家自然基金重點項目等聯合資助下,張運林研究小組通過對千島湖全湖常年觀測及在千島湖上游街口、小金山布設浮標開展逐日觀測結合原位高頻采樣觀測,探討CDOM來源組成及生物可利用性隨暴雨徑流過程的變化特征,研究結果發表在水環境領域主流刊物Water Research(Zhou et al., 2020),全文鏈接https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116471 

  浮標高頻熒光探頭監測結果表明,暴雨徑流過程極大地增加了千島湖上游街口與小金山處陸源類腐殖酸熒光信號強度,這在新安江恰入湖處的河口即街口站表現得尤為顯著(圖1)。我們通過點繪發現水柱剖面表征土壤淋溶輸入的陸源類腐殖酸熒光信號均值與上游來水量在街口與小金山兩站均表現為顯著正相關(圖1)。 

 

1 高頻熒光探頭監測結果顯示暴雨過程極大增加千島湖街口及小金山站類腐殖酸物質輸入熒光信號 

  傅里葉變換超高分辨率質譜(FT-ICR MS)技術能從分子層面上有效揭示不同水生態系統中DOM來源組成。運用該技術,我們發現暴雨過程導致上游來水DOM分子質核比m/z降低,相應縮合芳香烴類組分相對豐度增大。生物培養實驗發現經28 d生物培養,街口站DOM中脂肪族類組分快速降解。通過Spearman相關,我們發現脂肪族類組分相對豐度與CDOM光譜斜率S275-295呈正相關且與腐殖化指數HIX負相關,而縮合芳香烴類組分與S275-295負相關并與HIX正相關。由于S275-295CDOM腐殖化程度增強而減小,HIX與腐殖化呈正相關。這就意味著CDOM光譜與質譜組成所反映出的CDOM組成相關信息高度一致。通過質譜分子相對豐度與上游來水量相關分析表明,暴雨徑流過程增大了有色、疏水及富含芳香烴類有機質的相對豐度。比紫外吸收SUVA254能有效反映CDOM的芳香性水平,二者正相關,通過三次不同豐枯情景的野外觀測表明,豐水情景下大量芳香性水平較高的CDOM隨上游來水涌入千島湖(圖3),這與超高分辨率質譜結果高度一致。這表明暴雨徑流過程增強上游土壤有機質淋溶,增大了上游新安江腐殖化程度較高的那部分CDOM的輸入。 

 

2 超高分辨率質譜豐枯與培養前后質譜組成(a-d)及質譜分子相對豐度與光譜斜率S275-295e)、腐殖化指數HIXf)、采樣當天上游來水量Qg)及采樣前三天來水量均值Q3h)之間的Spearman相關系數 

 

圖3 不同來水情景下千島湖比紫外吸收SUVA254(指示CDOM芳香性水平)變化特征 

  通過有機碳平衡估算結果表明,千島湖自身為溶解性有機碳(DOC)碳匯,匯通量為0.82 × 104 t C yr1,其中0.30 × 104 t C yr1為生物活性較強的組分。經統計近六十年來,在千島湖流域大雨(25 mm d -1)及暴雨(50 mm d -1)發生頻次逐步增加,未來暴雨情景導致有機質大量涌入千島湖值得引起相關部門的重視。 

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