呼伦湖水体溶解性有机物荧光特征及来源分析_白凯.pdf

呼伦湖水体溶解性有机物荧光特征及来源分析白凯1，君珊1*，郑朔方2,3，张博2,31.内蒙古自治区环境监测总站呼伦贝尔分站2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,中国环境科学研究院3.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,中国环境科学研究院摘要呼伦湖是我国北方生态安全屏障的重要组成部分，为探究呼伦湖水体中有机物的组成及来源，利用三维荧光光谱（EEMs）结合平行因子（PARAFAC）分析技术进行溶解性有机物（DOM）荧光特征及来源研究。结果表明：呼伦湖 DOM 中含有 3 种荧光组分，分别为类色氨酸（C1）、类腐殖酸（C2）和类富里酸（C3）；平水期、丰水期和枯水期的 C2 和 C3 荧光强度占比约 70%，表明呼伦湖水体 DOM 以腐殖质类物质为主，其中不同水期生态补水工程入湖口的 C2 和 C3 荧光强度均高于其他区域；平水期、丰水期和枯水期的荧光指数、生物指数和腐殖化指数平均值分别为 1.501.54、0.851.00 和 4.124.68，表明呼伦湖 DOM 由陆源和自生源混合组成，具有明显的自生源特征；水质监测数据表明，2021 年呼伦湖平水期、丰水期和枯水期水质均为 GB38382002地表水环境质量标准劣类，其中平水期和丰水期的 BOD5平均值高于枯水期，而平水期总有机碳平均浓度高于丰水期和枯水期；不同水期 C2 和 C3 的荧光强度均呈显著正相关，表明 DOM 中组分 C2 和 C3 的产生及来源具有一致性。关键词呼伦湖；溶解性有机物（DOM）；三维荧光光谱；平行因子分析；荧光特征；来源分析中图分类号：X524 文章编号：1674-991X（2023）02-0597-10doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220327Fluorescence characteristics and sources of dissolvedorganic matter in Hulun LakeBAI Kai1,JUN Shan1*,ZHENG Shuofang2,3,ZHANG Bo2,31.Hulunbuir Substation of Inner Mongolia Environmental Monitoring Station2.National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration,Chinese Research Academy of Environmental Sciences3.State Environment Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control,Chinese Research Academy of Environmental SciencesAbstractHulun Lake is an important component part of the northern ecological security barrier in China.To studythe components and sources of organic matter in Hulun Lake,the three-dimensional excitation-emission matrixspectra (EEMs)and parallel factor (PARAFAC)analysis techniques were used to analyze the fluorescencecharacteristics of dissolved organic matter (DOM)and its sources.The results showed that three fluorescentcomponents were obtained in DOM using EEM-PARAFAC,namely tryptophan-like substances(C1),humic-likesubstances(C2)and fulvic-like substances(C3).The total proportion of C2 and C3 fluorescence intensity accountedfor about 70%,showing that the humic-like substances were the main part of DOM in the water of Hulun Lakeduring the normal,wet and dry seasons.The fluorescence intensity of C2 and C3 in the inlet of the ecologicalsupplement channel was higher than that in other regions in different seasons.The average value of the fluorescenceindex,the biological source index and the humification index of DOM in Hulun Lake were 1.50-1.54,0.85-1.00 and4.12-4.68,respectively,during the normal,wet and dry seasons,indicating that DOM of Hulun Lake came from landsources and autogenous sources with autogenous source characteristics.According to the monitoring data,the waterquality of Hulun Lake exceeded Class of Environmental Quality Standards of Surface Water(GB 3838-2002)during the normal,wet and dry seasons in 2021.The average concentration of BOD5 in the normal and wet seasons 收稿日期：2022-04-09基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2018MS02022）作者简介：白凯（1987），男，工程师，硕士，主要从事水环境质量综合评价研究，*责任作者：君珊（1972），女，正高级工程师，硕士，主要从事环境监测研究，j_ Vol.13，No.2环境工程技术学报第 13 卷，第 2 期Mar.，2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 3 月白凯，君珊，郑朔方，等.呼伦湖水体溶解性有机物荧光特征及来源分析 J.环境工程技术学报，2023，13（2）：597-606.BAI K,JUN S,ZHENG S F,et al.Fluorescence characteristics and sources of dissolved organic matter in Hulun LakeJ.Journal of EnvironmentalEngineering Technology，2023，13（2）：597-606.was higher than that in the dry season in 2021.At the same time,the average concentration of the total organicmatter in the normal season was higher than that in the wet and dry seasons.The results of the redundancy analysisshowed that C2 was significantly and positively correlated with C3,indicating that the production and source of C2were consistent with C3 in DOM.Key wordsHulun Lake;dissolved organic matter(DOM);three-dimensional excitation-emission matrix spectra(EEMs);parallel factor analysis(PARAFAC);fluorescence characteristics;source analysis 溶解性有机物（DOM）是一类组成、结构和环境行为复杂的有机混合物，普遍存在于天然水体中，通过物理、化学和生物过程影响着水生态系统的物质和能量循环1-3。DOM 不仅能为微生物、浮游动植物、大型水生植物等提供养分和能量，而且能与水体中的金属、有机污染物相结合降低水环境的污染程度，还能吸收紫外线减少对水生生物的伤害。由于DOM 的多种环境效应使其成为水环境领域的研究热点4-5。三维荧光平行因子分析（EEM-PARAFAC）技术是利用不同类别有机物的荧光差异特征而构建的 DOM 分析方法，能够解析水体中 DOM 的浓度、组成和来源，具有不破坏样品、敏锐度高、操作简便等特点6。近年来，研究人员利用 EEM-PARAFAC技术在太湖7、蠡湖8、南湖9、博斯腾湖10、达里诺尔湖11等水体 DOM 的来源、组成以及环境行为方面开展了大量的研究。呼伦湖是我国第五大淡水湖，也是我国内陆高纬度半干旱地区的第一大湖泊，在调节气候、涵养水源、防止荒漠化以及维持生物多样性等方面具有重要作用，在我国北方生态安全屏障中具有独特地位12-14。近年来，呼伦湖主管机构以及生态环境、水利、农业等多个部门针对呼伦湖采取了多项保护措施，呼伦湖水面面积萎缩问题得到了有效遏制，但水质超标问题仍然存在。20052014 年的监测数据显示，呼伦湖水质常年处于劣类，高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（CODCr）等有机污染指标的超标问题突出15。目前，关于呼伦湖水面面积及水质变化16-19、水生生物状况18,20以及富营养化状态13,21等方面的研究较多，而对呼伦湖有机质来源以及组成的研究仍有欠缺。因此，笔者以呼伦湖为研究对象，利用 EEM-PARAFAC 技术分析呼伦湖水体 DOM 的荧光特征和来源，并揭示平水期、丰水期和枯水期水体 DOM 的组成及来源差异，以期为呼伦湖水生态环境管理提供科学依据和支撑。1研究区概况与研究方法 1.1研究区概况及样品采集呼伦湖（116.97E117.81E，48.55N49.33N）位于内蒙古自治区呼伦贝尔市的新巴尔虎左旗和新巴尔虎右旗交界处，湖面面积约 2 000 km2，平均水深 56 m，属于半干旱大陆性气候区，冬季寒冷漫长、夏季温热短促，年内降水分布不均衡，79 月降水量占全年的 80%以上16,22-23。呼伦湖坐落于呼伦贝尔草原腹地，区域植被以大针茅、克氏针茅为建群种的典型草原为主，分布有天鹅、雁、鸭等 17 目41 科 241 种鸟类，湖中有鲤鱼、鲫鱼、蒙古红鲌等野生鱼类 30 余种21。呼伦湖补给通道包括克鲁伦河、乌尔逊河和生态补水工程，而流出通道为新开河，均为季节性河流。呼伦湖生态补水工程的运行恢复了呼伦湖与海拉尔河的水力连通，目前已成为呼伦湖水资源补给的重要通道之一18。根据呼伦湖湖面形态，在湖面设置 18 个采样点（图 1），分别于 2021 年的平水期（5 月）、丰水期（7 月）和枯水期（10 月）采集水样。每个采样点在水面下 0.5 m 处采集 1 L 水样于聚乙烯塑料