三峡库区消落带溶解性有机质(DOM)地化特征及其与Hg2+的结合强度分析

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三峡库区消落带以其独特的干湿交替特征成为重要的生态系统,一直受到广泛关注。消落带是因水库调节水位导致非季节性的水位涨落,使土地被周期性淹没和出露形成干湿交替的水陆衔接地带,一年内在三峡库区垂直落差达30 m。三峡库区消落带是库区周边水、陆生态系统能量、物质和信息转移与转化的活跃地带,具有缓冲带的功能和植物护岸功能,同时对外界环境的变化十分敏感。溶解性有机质(DOM)在污染物的迁移转化中扮演着重要角色,可与水体、土壤中营养元素N、P或痕量重金属离子相互作用,影响其在水陆界面的迁移转化、毒性和生物可利用性等。当三峡水库蓄水时,消落带水位上升,土壤中DOM会释放进入水体,从而影响DOM的地化特征及库区污染物的环境化学行为。因此,了解干湿交替环境下DOM的形成和来源,是认识该特殊环境下天然有机质(尤其是DOM)在污染物迁移转化过程中所扮演角色的重要前提。基于此,本文采用紫外-可见吸收光谱、三维荧光光谱、溶解性有机碳分析仪等,结合荧光区域积分法和荧光猝灭滴定法研究了三峡库区典型消落带水体、土壤DOM的地球化学循环特征及其与Hg2+的结合强度,结果表明:(1)三峡库区消落带4、7月份水样有色溶解性有机质(CDOM)浓度[a(355)]大小顺序为:开县汉丰湖(KX-HF):>忠县涂井(ZX-TJ)>忠县石宝寨(ZX-SB)>涪陵王家沟(FL-WJG),9月份水样CDOM浓度大小顺序为:KX-HF>ZX-SB>FL-WJG> ZX-TJ,整体呈现上游到下游递减趋势。不同采样时间a(355)大小顺序为:4月>9月>7月,7月份a(355)与4、9月份差异显著(P<0.05)。三峡库区消落带水体DOM中含有类腐殖质荧光团A、C、M和类色氨酸荧光团T,不同采样时间三维荧光光谱(EEMs)总荧光强度(TOT)的大小顺序为:9月>4月>7月,且差异均显著(P<0.05)。4、9月份TOT与a(355)相关性显著(P<0.01)。7月份CDOM浓度[a(355)]最低,其腐殖化程度(HIX)(10.53±4.41)和生物源指标(BIX)(0.92±0.09)均最大,且7月份水样a(355)与叶绿素a(Chla)呈显著正相关(P<0.05),这与7月份光照强、水体温度高、微生物活动旺盛及光漂白过程等有关。三峡库区消落带4、7、9月份水样DOM“人为干扰”特征不明显[rT/C)<2]。(2)夏季短期太阳辐射作用下,所有样品的CDOM浓度[a(280)]和荧光峰A、C、M、T均发生了较明显光漂白,降解程度大小顺序为嘉陵江(JLJ)>涪江和嘉陵江交汇处(FJ-JLJ)>涪江(FJ)。3个采样河段DOM光漂白性质因采样水域周边土地利用类型不同、江水汇合的稀释作用等影响而存在一定差异。以森林系统为陆源输入的JLJ样本光漂白活性最高,城市输入占主导的FJ最低,两江汇合样本居中。DOM经日光辐照后,光谱斜率S增大,腐殖化指数HIX减小,它们可作为光漂白过程中DOM性质变化指标。光漂白过程中,几乎所有样本呈现出陆源特征向自生源特征转化的趋势。另外,吸收和荧光光谱参数在评估DOM光漂白过程中结构组分变化的一致性,进一步证明了采用两种互补的光谱手段对DOM地化特征进行辨析的可行性。(3)各区县消落带土壤CDOM平均浓度大小顺序为:忠县>丰都>涪陵>万州>巫山>云阳>奉节>开县,其中,忠县、丰都和涪陵土壤CDOM浓度[a(355)]、芳香性(SUVA254)和疏水组分(SUVA260)明显高于其它区县,而其腐殖化程度(HIX)均低于其它区县。三峡库区消落带土壤DOM中含有类腐殖质荧光团A、C、M和类色氨酸荧光团T,其中紫外区类腐殖质荧光团A的荧光区域积分比例最大。另外,类色氨酸荧光团T与a(355)呈极显著相关(r=0.674,P<0.01),影响CDOM浓度变化的主要因素是类蛋白荧光峰T。EEMs总荧光强度(TOT)可作为表征三峡库区消落带土壤CDOM荧光团浓度的指标。消落带土壤DOM腐殖化程度较低,生物可利用性较高。另外,不同高程土壤DOM地化特征的差异较小,这可能与当地农业活动、沿岸植物生长以及DOM矿化过程有关。(4)三峡库区消落带土壤DOM中含有的荧光峰与水体DOM相似,且土壤DOM的a(355)平均值(66.48 m-1±150.92 m-1)大于水体a(355)平均值(4月为4.60m-1±2.50 m-1;7月为3.11 m-1±0.96 m-1;9月为4.33 m-1±2.02 m-1)。土壤较水体而言是有机碳的主要碳库。三峡库区消落带水体DOM的腐殖化程度、自生源特征较消落带土壤偏高。(5)三峡库区消落带表层水体和土壤中DOM各荧光峰的荧光强度均随Hg2+浓度增加而下降。水体和土壤DOM都能与H2+发生配位作用,且DOM中能与Hg2+配位的荧光基团较多。在参与配位的各类荧光基团中,类蛋白基团配位Hg2+的能力强于类腐殖质基团。土壤DOM各荧光峰与Hg2+络合稳定常数较水体高。不同高程土壤DOM-Hg2+结合强度的差异较小。(6)水体和土壤CDOM含量、分子量大小、芳香性强弱、疏水性组分含量及其来源组成、腐殖化程度、自生源特征等地化特征对DOM-Hg2+络合稳定常数的影响无特定规律。针对三峡库区消落带水体、土壤中DOM地球化学循环特征对其DOM-Hg2+络合稳定常数的影响还需在以后的长期监测工作中进一步深入分析。
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