分光光度法对白洋淀各形态氮磷分布特征及源解析的研究

氮磷是引起湖泊富营养化的关键限制因子,对于水体和底泥中各形态氮磷的分布特征和源解析的研究能有效地揭示水体富营养化的过程与机制并分析其污染来源。白洋淀作为雄安新区最重要的水源之一,其水体富营养化状况严重,氮磷污染不容乐观。对于各形态氮磷含量分布特征及源解析的研究有助于全面分析该地区氮磷污染状况及污染来源,而目前同时研究底泥和水体两种介质各形态氮磷的分布规律,并利用模型定量分析各污染源对于各形态氮磷贡献的研究较少。利用分光光度法研究白洋淀水体和底泥两种介质各形态氮磷分布特征,利用主成分分析法综合评估白洋淀各区域氮磷综合污染状况,基于绝对主成分得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型分析不同污染源对于各形态氮磷的贡献量。研究结果表明,白洋淀水体中总氮(TN)含量(1.41～4.64 mg·L-1)严重超标,均为重富营养化;水体中总磷(TP)含量(0.043～0.273 mg·L-1)污染也相对严重,95.8%的采样点为Ⅳ类及以上水质。水体中可被藻类和植物直接吸收利用的氨氮(NH+₄-N)和硝态氮(NO-₃-N)总占比达到54.9%;另外,对水体富营养化贡献大的溶解性无机磷(DIP)和溶解性有机磷(DOP)两种磷形态总占比达到52.8%。水体氮磷总量和形态的分布规律表明：白洋淀的水体富营养化状况不容乐观,对水体富营养化影响大的各形态氮磷占比大,其中白洋淀景区和淀边缘区污染相对严重。底泥生物可利用性氮(EN和HCl-N之和)占TN的比例为17.9%～66.4%,生物可利用性磷(BAP)的含量占TP的比例为8.50%～28.0%。以上结果表明,白洋淀底泥存在较大氮磷释放风险。主成分分析结果表明,白洋淀景区相较于其他区域氮磷污染严重。APCS-MLR模型分析结果表明生活源污染对于各形态氮磷(尤其底泥中)的贡献量大,农业污染、动植物残体分解、养殖业对各形态氮磷含量也有较大贡献。     

光度法对不同水期黄河甘宁蒙段表层沉积物中磷积累程度和交换能力的比较研究

磷是水体富营养化的主要控制因素,在外源磷输入逐步得到控制后,作为内源磷主要来源的表层沉积物对黄河水体水质的影响作用不容忽视。掌握表层沉积物中磷的积累程度以及沉积物-水界面磷的交换能力,对区域内水环境的治理和磷负荷的调控具有重要的意义。选择黄河甘宁蒙段作为研究区域,分别采集丰水期(2011.07)、枯水期(2014.05)和平水期(2014.10)表层沉积物样品,使用标准测试程序(SMT)和钼锑抗分光光度法测定样品中磷赋存形态,并在实验条件下模拟表层沉积物对磷的等温吸附及吸附动力学过程。研究发现：(1) 相比于国内主要河流表层沉积物中磷的形态特征,黄河甘宁蒙段表层沉积物中有机磷(OP)和铁/铝结合态磷(NaOH-P)含量相对较低,钙结合态磷(HCl-P)含量较高;各形态磷含量的平均值均在丰水期最高,表明丰水期表层沉积物中磷的积累程度最高,黄河甘宁蒙段水环境受到沿程农业发展的冲击较大。因此,合理使用含磷化肥和优化灌渠退水水质是未来降低黄河水体磷污染风险的发展方向。(2) 基于低磷浓度下等温吸附中各采样点表层沉积物吸附-解吸平衡浓度(EPC₀)与判断水体发生富营养化的磷浓度阈值的比较发现,研究区域所有水期大多数采样点表层沉积物发挥着“磷源”的作用,存在向上覆水释放磷的趋势,且枯水期中多数采样点的EPC₀值较高,“磷源”作用更加明显;基于L模型和F模型对高磷浓度下等温吸附的拟合参数,显示丰水期表层沉积物对磷的持留能力最强,枯水期次之,平水期最小,所有采样点表层沉积物对磷的吸附过程均易发生;基于吸附动力学曲线的变化趋势可知,所选择的各采样点磷吸附量在反应开始的12 h内迅速增大,12~48 h内吸附量逐渐增加并趋于稳定;基于伪二级动力学方程对吸附动力学过程的拟合结果,表明表层沉积物对磷吸附过程的反应速率受化学吸附控制为主;从同一水期不同采样点吸附过程中的限速步骤不同及不同水期邻近采样点吸附过程中限速步骤均为微孔扩散的结果发现,表层沉积物组成和理化性质的差异对磷吸附速率的影响大于不同水期条件下上覆水流速和流量的变化。     

浍河宿州段氮磷污染的时间变化特征

为查明浍河宿州段氮、磷污染时间变化规律,对浍河宿州段2007—2010年连续观测的NH+4-N、TN和TP含量及水温、水量数据进行了包括相关性、聚类和因子分析在内的数理统计分析,结果表明:浍河水体中NH+4-N、TN和TP含量变化较大,分别为0.05—4.22mg/L、0.11—15.14mg/L、0.01—1.41mg/L。相关性和因子分析结果表明,NH+4-N、TN和TP含量与水温存在较好的相关性,与水量相关性不明显。统计对比、聚类分析和因子得分结果证实,浍河宿州段氮、磷污染具有明显的时间变化规律,且与研究区气候要素季节性变化相吻合,这一结果证明航道疏浚工程较强地干扰了水量变化对NH+4-N、TN和TP污染程度的影响,但气候要素的季节变化对氮磷污染影响较明显。同时,也证实浍河NH+4-N、TN污染主要源于人为因素,而TP污染更多地受自然因素的影响。     

钼锑抗分光光度法对黄河表层沉积物中磷的形态分布及其吸附-解吸特征研究

采用标准测试程序(SMT)和钼锑抗分光光度法对黄河流域甘宁蒙段表层沉积物进行磷形态的提取和含量测定,同时模拟沉积物对磷吸附-解吸特性进行了探索。结果表明：对照不同的评价标准,12个采样点中总磷(TP)含量均处于不同程度的污染水平,特别是S12采样点磷具有较高的释放风险。TP、无机磷(IP)和钙结合态磷(HCl-P)之间及有机磷(OP)和铁/铝结合态磷(NaOH-P)之间分别呈现出较好的正相关性。沉积物的组成和理化性质对磷的赋存形态产生影响,OP和NaOH-P可能与As,Ni,Co和Pb有相同的污染源。表层沉积物对磷的吸附-解吸过程均符合伪二级动力学方程,主要受化学作用的控制,而磷的等温吸附符合Langmuir方程,且升高温度有利于磷的吸附。水相中离子浓度(KCl)小于0.02 mol·L-1时,吸附作用占优势,反之,解吸作用占优势。水土比的增大会提高沉积物对磷的吸附量。另外,磷的解吸量会随着温度的升高和扰动强度的增加而增大。揭示了黄河甘宁蒙段表层沉积物中磷的形态分布及其吸附–解吸特征,为黄河甘宁蒙段水环境治理和磷负荷调控提供依据。     

HR-ICP-MS研究黄河三个连续区域段表层沉积物中重金属污染的空间分布和季节变化（英文）

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS)和地积累指数法(I_(geo))对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr,Pb,Cd,Cu,Zn和Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、枯水期和平水期)以及污染状况进行系统研究分析,研究结果表明:内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段,同时,除Cd外,丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期,而枯水期和平水期的重金属含量相近。I_(geo)结果显示丰、枯水期的Cd,Cu和Cr元素的I_(geo)值在内蒙古段最高,而在甘肃段最低;所有重金属的I_(geo)值在丰水期高于枯水期,除Cd外,都在平水期降低,而I_(geo)~(Cd)在平水期各采样点明显上升;丰水期的甘肃段、枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb,Zn和Ni的I_(geo)值都小于0,表明这些元素在这些点几乎无污染。就研究区域而言,内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高,Cr,Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素;就研究季节而言,丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期,可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。CCA的结果表明Pb,Cu,Zn和Ni互相相关,并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响,除此之外,Cr,Cd以及TOC三者相关,且这两种元素受到人类活动影响较严重。该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息,同时,研究重金属、pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。     

HR-ICP-MS研究黄河三个连续区域段表层沉积物中重金属污染的空间分布和季节变化

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS) 和地积累指数法(I_geo) 对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr,Pb,Cd,Cu,Zn 和 Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、枯水期和平水期) 以及污染状况进行系统研究分析,研究结果表明：内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段,同时,除Cd外,丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期,而枯水期和平水期的重金属含量相近。I_geo结果显示丰、枯水期的Cd,Cu和Cr元素的I_geo值在内蒙古段最高,而在甘肃段最低;所有重金属的I_geo值在丰水期高于枯水期,除Cd外,都在平水期降低,而ICd_geo在平水期各采样点明显上升;丰水期的甘肃段、枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb,Zn和Ni的I_geo值都小于0,表明这些元素在这些点几乎无污染。就研究区域而言,内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高,Cr,Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素;就研究季节而言,丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期,可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。CCA的结果表明Pb,Cu,Zn和Ni互相相关,并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响,除此之外,Cr,Cd以及TOC 三者相关,且这两种元素受到人类活动影响较严重。该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息,同时,研究重金属、pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。     

光度法研究太湖表层沉积物中磷形态分布及动力学特征

表层沉积物是水体污染物的源和汇。研究表明,太湖地区特别是梅梁湾和东太湖表层沉积物中磷等营养元素污染严重。采用SMT法(standards measurements and testing)和钼锑抗分光光度法对太湖18个采样点表层沉积物样品进行前处理和磷形态分析,结合我国、加拿大和美国标准对总磷进行污染评价。通过拟合建立了吸附-解吸动力学特征方程,并在不同pH、水土比的环境条件下获得磷的吸附特性。同时也在不同温度和pH下对磷进行解吸特征研究。结果表明： S₉采样点总磷、无机磷、有机磷和酸磷含量均最高,S₁₁采样点碱磷含量最高。对于所有采样点,各形态磷平均值大小排序为(μg·g-1)： 无机磷(401.43)>酸磷(377.81)>有机磷(175.37)>碱磷(25.53)。污染评价结果表明： 除S₁₂,S₁₄~S₁₆及S₁₈采样点外,其余采样点均有不同程度的污染。表层沉积物对磷的吸附-解吸过程均符合伪二级动力学方程。吸附过程最佳水土比为25∶1,且pH值对吸附和解吸有不同程度的影响。研究结果为掌握太湖梅梁湾和东太湖区域磷的污染现状提供理论依据,同时为研究磷在沉积物-水界面的迁移规律提供可信的实验数据。     

不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征。结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40) mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19) mg·L-1无显著差异(t-test, p>0.05),丰水期S_275～295均值(21.48±1.56) μm-1显著大于枯水期均值(19.24±0.98) μm-1(t-test, p<0.001)。平行因子分析得到了4个荧光组分,分别为短波类腐殖质组分C1、类色氨酸组分C2、类酪氨酸组分C3和长波类腐殖质组分C4。TP,TN,Chl-a和DOC浓度与短波类腐殖质组分C1、长波类腐殖质组分C4都呈显著正相关(p<0.01);DOC与类色氨酸组分C2也存在一定正相关(p<0.05)。此外巢湖CDOM的组成与来源有明显的季节差异性,丰水期陆源类腐殖酸输入是巢湖西部湖区CDOM库主要贡献源;平水期湖泊藻类生物降解为重要贡献源。为有效保护巢湖水质,应对十五里河及南淝河流域实施一定的管控措施。     

近红外光谱(NIRS)技术快速测定湖泊沉积物营养组分研究

湖泊沉积物保存了湖泊环境演化的重要信息,但目前还没有建立起快速、准确的湖泊沉积物营养组分组合分析方法。该文利用近红外光谱(NIRS)技术,采用一阶导数、小波滤噪、正交信号校正、小波滤噪+正交信号校正、一阶导数+正交信号校正、正交信号校正+小波压缩6种光谱预处理技术和偏最小二乘(PLS)法相结合在国内建立了NIR光谱测定湖泊沉积物柱芯样品中总碳(TC),总氨(TN),总有机碳(TOC)和总磷(TP)的校正模型,结果表明虽然NIR光谱校正模型对TOC的预测效果不理想,但一阶导数+正交信号校正光谱校正模型对TC和TN,正交信号校正光谱校正模型对TP的预测效果较好,预测相关系数分别为0.759 7(TC),0.865 0(TN)和0.811 2(TP),预测误差(RMSEP)分别为0.13%(TC),0.008 2%(TN)和0.012%(TP)。该研究对于推动我国湖泊沉积物的光谱学特性研究具有重要意义。     

长江河口不同分子量溶解有机质的三维荧光光谱特征

应用切向流超滤和三维荧光光谱技术研究长江河口丰水期和枯水期水体中不同分子量溶解有机质的荧光性质,探讨其来源与影响因素。结果表明：长江河口水体存在四种荧光峰,分别是陆源类腐殖酸荧光峰A和海洋来源类腐殖酸荧光峰C、酪氨酸和类蛋白荧光峰B及芳香蛋白荧光峰D。荧光物质主要存在于真溶解有机质(<1 kDa)中,其次是低、中分子量胶体有机质(1～500 kDa)。溶解有机质中蛋白质来源以污染排放的人为源为主,其次是生物活动的内源;在丰水期腐殖酸来源是陆源和内源,在枯水期主要为陆源。真溶解有机质中腐殖酸多来源于生物分解的内源,胶体有机质以陆源为主,可能同时受再悬浮作用影响。荧光峰强与各环境参数均有一定相关性,说明在环境参数对溶解有机质中的荧光物质产生的影响较为复杂多样。     

黄河甘宁蒙段重金属及其生态风险研究

黄河是中国西北地区最重要的水源,为了研究黄河上游甘宁蒙段水体的重金属含量及其潜在生态风险,本文分别使用AFS和HR-ICP-MS对黄河甘宁蒙段12个采样点过滤水和悬浮物中As,Hg,Cd,Pb,Cr,Ni,Cu 和 Zn等重金属元素的含量进行了测定。结果表明：各采样点过滤水中,除Cr (56.9~71.5 μg·L-1)外,其他重金属元素的含量均低于饮用水水质标准限值。TN,TP和 pH等水质参数的测定结果显示,除 S1 (2.48) 和 S9 (2.38)采样点的TN超过国家地表水环境质量标准第Ⅴ类标准外,其他各采样点参数值均较低。悬浮物中,Hg,Cd,Pb 和Zn的含量均高于各采样点所在地区相应元素土壤背景值。聚类分析结果显示Ni,Cu,Cr,Zn和Pb有相同污染来源,主要来源于不锈钢产业和石油产业;As,Cd和Hg三种重金属元素的来源各不相同,主要可能来自于农药,化肥,采矿和燃料以及煤的燃烧。应用RI和Er对各采样点以及单个重金属元素的潜在生态风险进行了评价。结果显示,除S1采样点为中度生态风险外,其他采样点均为显著生态风险(300.6 < RI < 508.6),Er指数显示Hg在内蒙段为显著-高生态风险,Cd在S11 (396.0), S9 (384.0) 和 S5 (373.3)采样点为极高风险,说明Hg和Cd在这些采样点污染较为严重。以上研究结果可以为相关部门提供可靠的实验数据和理论依据。     

长江入海口段水质荧光指纹特征解析

水质荧光指纹技术是近年来新兴的水体污染检测技术,它可以展现水体有机物组成信息,弥补传统常规水质参数的不足。长江入海口段沿江地带是我国的产业密集带,区域内城市化程度高,工业发达,在此区域内,水环境质量变化会直接影响经济发展和民众身体健康,因此,研究长江入海口段的水质变化具有重要的意义。长江入海口段的pH、电导率、NH₃-N、COD_Mn、TP、TN和TOC等指标变化趋势不尽相同,但是从电导率、TN、COD_Mn、TOC这四个指标,反映出沿着长江入海口段从上游至下游的过程中具有一定的污染积累,尤其在下游的CJ-11和CJ-12采样点,可能受到了较大的污染源影响。从常规指标和TOC的结果并不能直接体现污染信息,只能反映污染总量从上游至下游的增加。长江入海口段水质荧光指纹主要包含三个荧光峰,记作峰A、峰B、峰C,它们的[激发波长, 发射波长]分别为[275, 335] nm,[230, 345] nm 和[250, 450] nm,其中峰A和峰B荧光强度的变化趋势同步,相关性较高,相关系数为0.994 8,表明两峰很可能来自相同污染源。通过水质荧光指纹比对,在长江入海口段CJ-11和CJ-12两点的水质荧光指纹与支流HPJ-1的水质荧光指纹相似度分别达到86%和88%,而与CJ-10的相似度＜60%。由此可见,长江入海口段下游水质荧光指纹（CJ-11和CJ-12）发生变化,可能是由支流HPJ汇入长江入海口段造成的。支流HPJ的水质荧光指纹信号与印染行业水质荧光指纹数据库相似度约90%,表明支流HPJ的水质荧光指纹信号可能与当地的印染废水排放有关。基于长江入海口段峰A和峰B的强度与NH₃-N浓度呈现良好的线性正相关性（相关系数为0.885 5）,水质荧光指纹具有作为指示长江入海口段NH₃-N浓度的潜力。水质荧光指纹技术可以展现水体有机物质组成和来源,在污染示踪以及水质状况评价方面具有重要的应用价值。     

鄱阳湖高浑浊水体悬浮颗粒物粒径分布及其对遥感反演的影响

悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息,但目前针对内陆湖泊的研究还很少。依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据,对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点：枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区,而丰水期南北部湖区差异不大。同时,悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、衰减系数和散射系数都有影响。鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部;颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系,这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似：枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。遥感反射率、总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。悬浮颗粒物粒径分布、颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关,可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。