CN103901001A - 一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法 - Google Patents

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孟睿
席北斗
刘增超
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孟繁丽
宋博宇
王鹏腾
李一葳
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Abstract

本发明提供一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法，包括以下步骤：在半封闭大棚内放置多个容器，取目标湖泊的底泥和湖水分别填充于所述多个容器，静置至水泥分离，以构建原位模拟水生态系统；向上述各原位模拟水生态系统中分别加入不同密度的经预处理的目标湖泊内优势沉水植物；按预定时间间隔对上述多个加入目标湖泊的沉水植物的原位模拟水生态系统进行取样，监测目标湖泊不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中溶解性有机质的变化，从而确定目标湖泊中沉水植物的腐解程度。

Description

一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法
技术领域
本发明属于环保领域水生态系统分类范畴，具体涉及一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法。
背景技术
沉水植物可有效去除水体中的氮、磷及其他污染物，能够改善水体水质，但沉水植物经过生长期后，随着植株死亡并逐渐腐烂分解，分解后的营养物质释放到水体之中，将有可能造成湖泊水体的二次污染。
沉水植物残体降解可产生溶解性有机质(DOM)，DOM是水生生态系统中一种重要的、活跃的化学组分。水体中的DOM主要包括腐殖酸、富里酸等腐殖质类物质，还有色氨酸、络氨酸等类蛋白类物质。DOM在水环境中会影响水体的酸碱特性、营养物质的有效性和污染物质的环境行为特性。同时，对重金属元素和有机污染物在水环境中的迁移行为也具有重要影响。在湖泊生态系统中，DOM对湖泊系统各种物理、化学和生物过程都能产生影响。
因此，监测湖泊中沉水植物腐解过程中DOM的变化，能够确定湖泊中沉水植物的腐解程度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，判断湖泊中沉水植物的腐解程度，避免过多沉水植物腐解造成水体二次污染，本发明通过监测湖泊中沉水植物腐解过程中DOM的变化，从而确定湖泊中沉水植物的腐解程度。
为实现上述目的，本发明提供一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法，包括以下步骤：在半封闭大棚内放置多个容器，取目标湖泊的底泥和湖水分别填充于所述多个容器，静置至水泥分离，以构建原位模拟水生态系统；向上述各原位模拟水生态系统中分别加入不同密度的经预处理的目标湖泊内优势沉水植物；按预定时间间隔对上述多个加入目标湖泊的沉水植物的原位模拟水生态系统进行取样，监测目标湖泊不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中DOM的变化，从而确定目标湖泊中沉水植物的腐解程度。
因为水体中DOM所包括的腐殖质及部分蛋白质具有荧光性，且水体中DOM荧光光谱特征不同，而荧光光谱技术具有灵敏度高(10-9数量级)、选择性好且不破坏样品结构的优点，因此，本发明利用腐殖质和部分蛋白质具有荧光性的特性，通过荧光光谱法结合其它检测技术，监测湖泊中不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中DOM的变化，从而确定目标湖泊中沉水植物的腐解程度。
同时，由于一个湖泊中不同地方沉水植物的密度不一样，本发明通过设计不同沉水植物密度来代表了同一湖泊不同区域不同密度的沉水植物腐解后水体中有机物的情况，并通过设计平行试验降低了测定的误差，从而可以代表实际湖泊的腐解程度。并且，本发明中的时间和密度代表了不同时间不同覆盖密度的沉水植物腐解后水体的变化，与实际湖泊中沉水植物分解的过程相一致。因此，采用本发明提供的方法，可以针对湖泊自身的特点，为湖泊中沉水植物腐解过程中DOM的监测提供一定的理论基础，以控制沉水植物的残留生物量，避免过多的沉水植物残体造成水质的恶化。
附图说明
图1为本发明确定湖泊沉水植物腐解程度的方法的流程图；
图2为不同密度沉水植物腐解第50天时水体中DOM同步荧光光谱图(Δλ＝λ发射-λ激发＝30nm)；
图3为不同密度沉水植物腐解第100天时水体中DOM同步荧光光谱图(Δλ＝λ发射-λ激发＝30nm)；
图4A至图4F为不同密度沉水植物腐解第50天时水体中DOM三维荧光光谱图；
图5A至图5F为不同密度沉水植物腐解第100天时水体中DOM三维荧光光谱图；
图6为不同密度沉水植物腐解第50天时水体中DOM紫外光谱图；
图7为不同密度沉水植物腐解第100天时水体中DOM紫外光谱图；以及
图8为不同密度沉水植物腐解第50天、第100天时水体中A253/A203比值图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
图1为本发明确定湖泊沉水植物腐解程度的方法的流程图。
如图1所示，根据本发明的确定湖泊沉水植物腐解程度的方法包括：
步骤S101，在半封闭大棚内放置多个容器，取目标湖泊的底泥和湖水以预定体积比分别填充于所述多个容器中，静置至水泥分离，构建原位模拟水生态系统。
步骤S102，向上述各原位模拟水生态系统中分别加入不同密度的经预处理的目标湖泊内优势沉水植物。
为了选择拟加入各原位模拟水生态系统中的沉水植物，现场调查目标湖泊，选择目标湖泊的优势沉水植物，确定目标湖泊的优势沉水植物的种类及数量比，拟加入的优势沉水植物种类和数量比根据不同湖泊而有所不同。
确定目标湖泊的优势沉水植物的种类及数量比之后，对所选取的目标湖泊中优势沉水植物进行晒干预处理，使其含水率低于5％，储存备用。
由于一个湖泊中不同地方沉水植物的密度不一样，因此本发明设计不同沉水植物密度来代表了同一湖泊不同区域不同密度的沉水植物，进而可以代表实际湖泊的腐解程度。在本发明中，所加入的经预处理的目标湖泊内优势沉水植物的密度分别为0.5kg/m3、1kg/m3、3kg/m3、5kg/m3或8kg/m3。另外可设空白对照组，即密度为0kg/m3。
步骤S103，按预定时间间隔对上述多个加入目标湖泊的沉水植物的原位模拟水生态系统进行取样，将所采集的水样通过滤膜过滤，滤液避光保存，利用荧光光谱法及紫外光谱法，测定所取的样品，监测目标湖泊中不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中DOM的变化，从而确定目标湖泊中沉水植物的腐解程度。
下面以一个具体实例来更详细的说明本发明。
本发明以北方湖泊——白洋淀作为实例，于2011年7-8月在白洋淀马堡村实验基地半封闭的塑料大棚中进行模拟湖泊中沉水植物腐解过程中水体DOM的变化特征，环境温度保持在20℃左右。
首先，为了尽量模拟自然环境，在半封闭大棚中构建原位模拟水生态系统。本发明在高为65cm、直径为55cm的近似圆柱形的塑料桶中进行实验，其中桶底部15cm用白洋淀杜家淀淀区的底泥填充，底泥上部45cm注入来自白洋淀杜家淀淀区的湖水。
接着，通过大范围对白洋淀杜家淀淀区沉水植物分布的调查发现，白洋淀杜家淀淀区的优势沉水植物为金鱼藻和轮藻，且金鱼藻与轮藻的密度比为1∶3。将金鱼藻和轮藻晒干，使其含水率低于5％，并储存于整理箱中备用。待上述原位模拟水生态系统中的泥、水混合静沉10天后，加入晒干的金鱼藻和轮藻(金鱼藻和轮藻按1∶3混合)，设置5个不同密度，密度分别为0.5kg/m3、1kg/m3、3kg/m3、5kg/m3、8kg/m3(其中0.5kg/m3表示每立方米湖水中加入0.5kg的金鱼藻和轮藻(金鱼藻和轮藻按1∶3混合))，编号分别对应为b、c、d、e、f，另设一空白对照，密度为0kg/m3，编号对应为a。
然后，分别于投加上述金鱼藻和轮藻(金鱼藻和轮藻按1∶3混合)后的第50天和第100天取水样，将采集的水样通过0.45μm滤膜过滤，所得滤液在4℃下避光保存，测定样品各理化指标。
(1)同步荧光光谱分析
如图2、图3及表1所示，在沉水植物腐解过程中，随着沉水植物投加密度的增加，类蛋白峰和类腐殖质峰的最大峰位置都发生了一定程度红移。由表1可知，类腐殖质荧光峰强度与类蛋白峰强度的比值(I2/I1)随沉水植物投加密度的增加而逐渐增大，因此随着沉水植物密度的增加，水体DOM中有机质的苯环结构增多且复杂化程度增大，腐殖质类物质的相对含量增大。比较a组(0kg/m3)的第50天和第100天各数值可知，随着时间的推移，a组的类蛋白峰红移且强度增加。相对于a组，投加沉水植物的b-f各组中类蛋白峰强度均减弱。
表1不同密度沉水植物腐解第50天和第100天时水体中DOM同步荧光的峰位置、峰强度及比值
Figure BSA00000830409300041
Figure BSA00000830409300051
λ1：类蛋白出现最大峰位置时对应的波长；λ2：类腐殖质出现最大峰位置时对应的波长
I1：类蛋白荧光峰强度；I2：类腐殖质荧光峰强度
(2)三维荧光分析
如图4A至图5F所示，不同密度的沉水植物在腐解过程中DOM的荧光峰主要有4类，类蛋白荧光峰(T1、T2、T3峰)、紫外区类富里酸峰(A峰)、可见区类富里酸峰(C峰)以及被认为是紫外区富里酸在形成更复杂的可见区富里酸的过程中形成的过渡峰(B峰)。根据图4A至图5F及表2可知，随着沉水植物密度的增加，水体中DOM荧光基团中羰基、羧基、羟基和胺基的数量增多；类富里酸荧光基团较稳定；类蛋白类物质中的芳香环和共轭基团数量减少，类蛋白类物质随腐解的进行逐渐降解；在水体的溶解性有机物中至少含有两种类型的富里酸荧光基团；第100天时DOM来源较第50天时的复杂化程度较高。
表2不同密度沉水植物腐解第50天和第100天时水体中DOM的荧光类型、强度及比值
Figure BSA00000830409300052
Ex：激发扫描波长；Em：发射扫描波长
IT1：类蛋白荧光峰(T1峰)强度；IT2：类蛋白荧光峰(T2峰)强度；IT3：类蛋白荧光峰(T3峰)强度
IA：紫外区类富里酸A峰强度；IB：紫外区类富里酸B峰强度；IC：紫外区类富里酸C峰强度
(3)水体中DOM组分紫外光谱分析
如图6和图7所示，各密度下DOM各分离组分的紫外光谱图基本上没有明显的最高峰和最低峰，只有第100天时，f组在波长为213nm处出现了最高峰；随着投加沉水植物密度的增加，水体中DOM组分的芳香族和不饱和共扼双键结构增多，复杂化程度逐渐增加。对比第50天和第100天的紫外吸收曲线可知，DOM在紫外区域吸光度明显增加。
(4)A253/A203比值分析
溶解性有机物在253nm与203nm吸光度的比值(A253/A203)可以反映出芳香环的取代程度及取代基的种类。根据图8可知，随着腐解时间的推移，DOM组分的复杂化程度逐渐增加。
综上所述，运用荧光光谱和紫外光谱技术手段，对不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中水体中DOM的特征进行研究，分析结果如下：
①同步荧光光谱分析显示，类腐殖质荧光峰强度与类蛋白峰强度的比值随投加沉水植物密度的增加而逐渐增大，随着腐解时间的推移，水体中DOM组分的复杂化程度逐渐增加，有机质的苯环结构增多，共轭度增大，腐殖质类物质的相对含量增大。
②三维荧光光谱分析表明，随着沉水植物密度的增加，类腐殖质荧光峰的强度逐渐增加，而类蛋白荧光峰的强度变化不大；随着腐解时间的推移，DOM来源的复杂化程度增加。可见类富里酸荧光峰C峰与COD(化学需氧量)和TP(总磷)呈显著正相关。
③紫外光谱A253/A203值随着沉水植物密度的增加以及时间的推移而逐渐增大，水体中的芳香族化合物增多，并且芳环上的取代基类型增多，芳环取代基增多。
因此，本发明通过结合荧光光谱法和紫外光谱法，监测不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中水体DOM的变化，从而确定草型湖泊中沉水植物腐解程度。
以上所述仅为用以解释本发明的实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (9)

1.一种确定湖泊沉水植物腐解程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在半封闭大棚内放置多个容器，取目标湖泊的底泥和湖水分别填充于所述多个容器，静置至水泥分离，以构建原位模拟水生态系统；
S2：向上述各原位模拟水生态系统中分别加入不同密度的经预处理的目标湖泊内优势沉水植物；
S3：按预定时间间隔对上述多个加入目标湖泊的沉水植物的原位模拟水生态系统进行取样，监测目标湖泊不同沉水植物密度和不同阶段沉水植物腐解过程中溶解性有机质的变化，从而确定目标湖泊中沉水植物的腐解程度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述目标湖泊的底泥与湖水以体积比为1∶3的比例填充于容器中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，根据目标湖泊中优势沉水植物的实际种类及数量比，加入所述优势沉水植物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，对所选取的目标湖泊中优势沉水植物进行晒干预处理，使其含水率低于5％。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，加入的经预处理的目标湖泊优势沉水植物的密度分别为0.5kg/m3、1kg/m3、3kg/m3、5kg/m3或8kg/m3。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，在对上述加入目标湖泊的优势沉水植物的原位模拟水生态系统取样后，将所采集的水样通过0.45μm滤膜过滤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将通过0.45μm滤膜过滤所得的滤液于4℃下避光保存。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，使用荧光光谱法及/或紫外光谱法进行监测。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该原位模拟水生态系统中，模拟环境温度为20℃。
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