超高解析度質譜等技術揭示暴雨徑流顯著增加湖庫溶解性有機物和...

2020-11-25 中國科學院

超高解析度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

2020-11-24 南京地理與湖泊研究所

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　　水庫作為重要的飲用水源地，其水質及溶解性有機質濃度和組成對水庫飲用水供應安全有重要意義。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）中能夠強烈吸收紫外輻射的那部分有機物。高濃度CDOM的存在，使水體酸臭刺鼻且在水處理和分配過程中鏽垢過濾系統、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，位於錢塘江上遊新安江流域，地處亞熱帶季風氣候區，降水量年內分布不均。暴雨徑流過程裹挾大量懸浮物、營養鹽及CDOM進入千島湖，威脅該湖供水安全。暴雨徑流過程對下遊湖泊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、逐月及逐季度觀測不易有效監測暴雨徑流對CDOM來源組成的影響；目前，學界鮮有開展高頻監測暴雨徑流過程對飲用水供給湖庫CDOM組成影響的報導。鑑於此，在中國科學院戰略性先導科技專項及國家自然基金重點項目等的支持下，中科院南京地理與湖泊研究所研究員張運林課題組通過對千島湖全湖常年觀測及在千島湖上遊街口、小金山布設浮標開展逐日觀測並結合原位高頻採樣觀測，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徵。相關研究成果發表在Water Research上（Zhou et al. 2020）。

　　浮標高頻螢光探頭監測結果表明，暴雨徑流過程增加了千島湖上遊街口與小金山處陸源類腐殖酸螢光信號強度，這在新安江恰入湖處的河口即街口站表現得較為顯著（圖1）。研究人員通過點繪發現，水柱剖面表徵土壤淋溶輸入的陸源類腐殖酸螢光信號均值與上遊來水量在街口與小金山兩站均表現為顯著正相關（圖1）。

　　傅立葉變換超高解析度質譜（FT-ICR MS）技術能夠從分子層面有效揭示不同水生態系統中DOM的來源組成。運用該技術，研究人員發現暴雨過程導致上遊來水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相關係數，研究人員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負相關並與HIX正相關。由於S275-295隨CDOM腐殖化程度增強而減小，HIX與腐殖化呈正相關。這意味著CDOM光譜與質譜組成反映出的CDOM組成相關信息高度一致。質譜分子相對豐度與上遊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能夠有效反映CDOM的芳香性水平，二者正相關；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隨上遊來水湧入千島湖（圖3），這與超高解析度質譜結果高度一致。這些結果表明，暴雨徑流過程增強了上遊土壤有機質淋溶，增大了上遊新安江腐殖化程度較高的那部分CDOM的輸入。

　　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，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湧入千島湖的現象，值得有關部門的重視。

　　論文連結 

圖1 高頻螢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螢光信號

　　圖2 超高解析度質譜豐枯與培養前後質譜組成（a-d）及質譜分子相對豐度與光譜斜率S275-295（e）、腐殖化指數HIX（f）、採樣當天上遊來水量Q（g）及採樣前三天來水量均值Q3（h）之間的Spearman相關係數 

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）變化特徵


　　水庫作為重要的飲用水源地，其水質及溶解性有機質濃度和組成對水庫飲用水供應安全有重要意義。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）中能夠強烈吸收紫外輻射的那部分有機物。高濃度CDOM的存在，使水體酸臭刺鼻且在水處理和分配過程中鏽垢過濾系統、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，位於錢塘江上遊新安江流域，地處亞熱帶季風氣候區，降水量年內分布不均。暴雨徑流過程裹挾大量懸浮物、營養鹽及CDOM進入千島湖，威脅該湖供水安全。暴雨徑流過程對下遊湖泊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、逐月及逐季度觀測不易有效監測暴雨徑流對CDOM來源組成的影響；目前，學界鮮有開展高頻監測暴雨徑流過程對飲用水供給湖庫CDOM組成影響的報導。鑑於此，在中國科學院戰略性先導科技專項及國家自然基金重點項目等的支持下，中科院南京地理與湖泊研究所研究員張運林課題組通過對千島湖全湖常年觀測及在千島湖上遊街口、小金山布設浮標開展逐日觀測並結合原位高頻採樣觀測，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徵。相關研究成果發表在Water Research上（Zhou et al. 2020）。
　　浮標高頻螢光探頭監測結果表明，暴雨徑流過程增加了千島湖上遊街口與小金山處陸源類腐殖酸螢光信號強度，這在新安江恰入湖處的河口即街口站表現得較為顯著（圖1）。研究人員通過點繪發現，水柱剖面表徵土壤淋溶輸入的陸源類腐殖酸螢光信號均值與上遊來水量在街口與小金山兩站均表現為顯著正相關（圖1）。
　　傅立葉變換超高解析度質譜（FT-ICR MS）技術能夠從分子層面有效揭示不同水生態系統中DOM的來源組成。運用該技術，研究人員發現暴雨過程導致上遊來水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相關係數，研究人員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負相關並與HIX正相關。由於S275-295隨CDOM腐殖化程度增強而減小，HIX與腐殖化呈正相關。這意味著CDOM光譜與質譜組成反映出的CDOM組成相關信息高度一致。質譜分子相對豐度與上遊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能夠有效反映CDOM的芳香性水平，二者正相關；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隨上遊來水湧入千島湖（圖3），這與超高解析度質譜結果高度一致。這些結果表明，暴雨徑流過程增強了上遊土壤有機質淋溶，增大了上遊新安江腐殖化程度較高的那部分CDOM的輸入。
　　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，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湧入千島湖的現象，值得有關部門的重視。
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　　圖1 高頻螢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螢光信號
　　圖2 超高解析度質譜豐枯與培養前後質譜組成（a-d）及質譜分子相對豐度與光譜斜率S275-295（e）、腐殖化指數HIX（f）、採樣當天上遊來水量Q（g）及採樣前三天來水量均值Q3（h）之間的Spearman相關係數 
　　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）變化特徵
　　

列印 責任編輯：張芳丹

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