CN106248600A - 基于有色可溶性有机物吸收系数的湖泊富营养化评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有色可溶性有机物吸收系数的湖泊富营养化评价方法。本方法以有色可溶性有机物在紫外波段254nm处吸收系数作为指标，基于湖泊综合营养状态指数(TLI)，对湖泊富营养化程度进行评价和营养类型划分。本发明发现有色可溶性有机物在紫外波段254nm处吸收系数与TLI指数呈极显著正相关，因此可采用有色可溶性有机物吸收系数取代原本TLI指数计算需要测定的众多数据。本发明方法无需任何化学试剂，也不需要进行繁琐的氮、磷营养盐和藻类生物量的测定，只需测定有色可溶性有机物在254nm处吸收系数即可实现湖泊富营养化的快速评价和类型划分，操作简单易行，成本低廉，易于推广，其优势十分明显。

Description

基于有色可溶性有机物吸收系数的湖泊富营养化评价方法

技术领域

本发明涉及环境科学及监测技术领域，涉及一种湖泊富营养化评价方法，具体则是发展一种基于有色可溶性有机物特征波长(254nm)吸收系数开展湖泊富营养化快速评价和营养状态类型划分的方法。

背景技术

湖泊富营养化及其引发的蓝藻水华问题是当今世界面临的最重要环境污染难题，受到国内外广泛重视和研究。如以“lake”和“eutrophication”作为关键词在Web ofScience数据库中进行检索，近年来每年发表的SCI论文数均在500篇以上。相比于国际上在上世纪20、30年即已开展湖泊富营养化研究相比，我国湖泊富营养化研究相对比较滞后。大概在上世纪80年代后开始陆续开展湖泊富营养化研究，如在“七五”期间开展了“全国主要湖泊水库富营化湖调查研究”，出版了专著《中国湖泊富营养化》，之后由于快速的社会经济发展引起我国湖泊富营养化进程明显加快，在我国长江中下游浅水湖泊和云贵高原的滇池、星云湖、杞麓湖均出现普遍湖泊富营养化，其中太湖、巢湖、滇池3个湖泊的富营养化和蓝藻水华问题最为严重，2007年由于湖泊富营养化引起的无锡饮用水危机事件更是造成无锡200万居民近一个星期的自来水供水中断。因此为了开展“三湖三河”治理，进入二十一世纪后我国湖泊富营养化研究进入快速发展阶段，如2015年我国发表的湖泊富营养化方面的SCI论文超过150篇，占到全世界同类研究的约三分之一。

湖泊富营养化本质是由于湖泊中氮磷营养盐和溶解性有机物的累积，表现为湖泊内氮磷营养盐含量过高，超过湖体的自净能力。人类出于经济生产的需要，忽视自然规律，一方面以点、面源形式通过河渠、径流等水文过程向湖体排放工业、生活和农业废水；另一方面又采取种种措施破坏水生植被(水产养殖)、缩小湖体自净容量、在沿岸带进行各种工农业生产活动(如围垦、筑堤)，从而加剧了湖泊富营养化进程。

因此，如何有效和快速监测和评价湖泊富营养化是开展湖泊富营养化形成机制和防控治理的前提和关键。国际上传统的湖泊富营养化评价通过测定水体中总氮、总磷、叶绿素a、透明度、化学耗氧量和生化需氧量等参数来计算其营养状态指数，然后划分湖泊营养状态类型。这种方法需要进行大量水质参数的测定，费时费力，成本高昂，并且水质参数测定过程是需要使用大量的化学试剂，其本身对水环境就有危害。尽管我国目前湖泊富营养化研究在国际上占用重要的地位，但湖泊富营养化的评价方法仍然借用国际上传统的基于总氮、总磷、叶绿素a、透明度等水质参数构建的营养状态指数。为了进一步推动我国湖泊富营养化的形成机制、防治理论和方法的研究，迫切需要发展一种准确、简便、快速、便宜和无污染的湖泊富营养化的评价方法。

发明内容

本发明目的是建立一种基于有色可溶性有机物特征波长吸收系数进行湖泊富营养化快速评价和分类的方法，适用于不同营养程度、不同类型(深水、浅水、大型、小型)的湖泊，同时不需要使用任何化学试剂，操作方法简便，成本低廉，易于推广和应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：申请人经过全国不同营养程度、不同类型(深水、浅水、大型、小型)的18个湖泊近400个样点数据研究发现，有色可溶性有机物在254nm处吸收系数与湖泊综合营养状态指数(TLI)存在极显著正相关，可以用于湖泊富营养化的评价和类型划分，其特征是：基于不同营养程度、不同类型(深水、浅水、大型、小型)湖泊总氮、总磷、叶绿素a、透明度和有色可溶性有机物吸收系数的测定，构建有色可溶性有机物254nm处吸收系数与湖泊综合营养状态指数的关系模型，通过有色可溶性有机物254nm处吸收系数测定和阈值判定即可快速计算湖泊综合营养状态指数和划分湖泊营养类型。

本发明提出的一种基于有色可溶性有机物吸收系数的湖泊富营养化评价方法，具体可按以下步骤操作：

(1)测定湖泊水体有色可溶性有机物在254nm处的吸收系数，用a(254)表示；

(2)根据有色可溶性有机物在254nm处吸收系数a(254)对湖泊营养状态进行划分：a(254)<4为贫营养；4≤a(254)≤9为中营养；a(254)>9为富营养，其中9<a(254)≤15为轻度富营养，15<a(254)≤22为中度富营养，a(254)>22为重度富营养。

本发明的优点及有益效果：

(1)与传统的利用总氮、总磷、叶绿素a和透明度开展湖泊营养指数计算和营养盐类型划分不一样，本发明方法不需要测定总氮、总磷、叶绿素a和透明度，因此不需要进行消解、萃取等繁琐的实验过程，也无需使用任何化学试剂，节约化学试剂使用，减少了污染物排放，保护了环境。

(2)有色可溶性有机物的吸收系数测定只需要1张过滤膜即可，测定成本大大降低；测定过程是在分光光度计上扫描特征波长的吸光度，操作十分简便、快速，半个小时即可完成，不像总氮、总磷和叶绿素a的测定需要数小时甚至2-3天(叶绿素a浓度测定一般需要冷冻48h后才能测定)。

(3)本发明丰富和发展了湖泊综合营养状态指数和营养状态类型的计算和划分方法，可以广泛应用于不同类型湖泊湖泊富营养化评价研究，必将深化湖泊富营养化的基础理论和防控技术研究。

下面结合具体实施案例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1是不同营养类型典型样品有色可溶性有机物光谱吸收系数；

图2是基于不同营养状态和不同类型湖泊构建的有色可溶性有机物254nm处吸收系数与传统营养状态指数的关系。

具体实施方式

下面以我国不同营养状态和不同类型湖泊研究结果为实例，对本方法做进一步说明。2004-2014年在我国云贵高原和长江中下游两大湖群选择抚仙湖、星云湖、杞麓湖、泸沽湖、洱海、跃进水库、清水海、车欧、大海口湖、兴伊措、碧塔海、彝海、措尾巴旁、普格黎安、碧塔海、太湖、千岛湖、天目湖、杭州西湖(表1)开展了10余次野外采样，构建有色可溶性有机物254nm处吸收系数与湖泊综合营养状态指数的关系模型。

图1为云贵高原和长江中下游不同营养类型典型样品有色可溶性有机物光谱吸收系数。从图1可知，有色可溶性有机物在254nm处吸收系数跨度较大，数值上相差1-2个数量级，能够涵盖和反映不同营养类型的浅水和深水湖泊。

图2为基于不同营养状态和不同类型湖泊构建的有色可溶性有机物254nm处吸收系数与传统营养状态指数的关系。从图2可知，基于总氮、总磷、叶绿素a和透明度计算的湖泊综合营养状态指数与有色可溶性有机物254nm处吸收系数存在极显著正相关，反映利用有色可溶性有机物254nm处吸收系数开展湖泊富营养化评价的可信性和准确性。

表1为云贵高原和长江中下游湖群18个湖泊营养程度和湖泊类型基本情况表。从表1可知，本发明数据集涵盖贫营养、中营养、富营养不同营养类型湖泊，同时湖泊面积从小于1km²到大于2000km²，水深从2m以下到100m以上，涵盖不同面积、不同水深的湖泊，基于此数据集发展的湖泊富营养化评价方法具有普适性和推广性。

表1云贵高原和长江中下游湖群18个湖泊营养程度和湖泊类型

本发明方法具体操作步骤如下：

(1)现场用30cm的黑白透明度盘测定水体透明度，并采集水样回实验室测定总氮、总磷、叶绿素a浓度和有色可溶性有机物吸收系数。

(2)开展总氮、总磷和叶绿素a浓度测定：将原水样通过碱性过硫酸钾消解，利用钼锑抗显色，同时配置标准溶液，然后在紫外分光光度计测定210nm吸光度换算得到总氮浓度，测定700nm吸光度换算得到总磷浓度；利用Whatman公司GF/F滤膜过滤，80℃热乙醇萃取提取，利用分光光度计测定665nm、750nm波长吸光度然后利用公式计算得到叶绿素a浓度。

(3)开展有色可溶性有机物光谱吸收系数测定：利用孔径0.22um的Millipore膜过滤，然后在分光光度计上扫描240-800nm吸光度，计算得到其光谱吸收系数，选取254nm处吸光度表征有色可溶性有机物的浓度和丰度。

(4)计算营养状态指数：

利用湖泊综合营养状态指数表征湖泊富营养化程度，基于叶绿素a、总氮、总磷和透明度4个参数采用如下方法计算：

$TLI=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_j\&times;TLI\left(j\right)---\left(2\right)$

式中：TLI为综合营养状态指数；W_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重，其中叶绿素a、总氮、总磷和透明度的权重分别为0.326、0.219、0.230、0.225；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数，其计算式如下：

TLI(Chl.a)＝10(2.5+1.086lnChl.a) (3)

TLI(TP)＝10(9.436+1.624lnTP) (4)

TLI(TN)＝10(5.453+1.694lnTN) (5)

TLI(SD)＝10(5.118-1.94lnSD) (6)

(5)构建有色可溶性有机物特征波长吸收系数与营养状态指数的关系模型：

基于云贵高原和长江中下游18个湖泊384个站点营养状态指数和有色可溶性有机物254nm处吸收系数，构建了如下关系模型，通过有色可溶性有机物吸收系数的测定即可快速计算湖泊综合营养状态指数：

TLI＝23.07lna(254)-1.42(r²＝0.92，n＝348，p＜0.001) (1)

式中TLI为湖泊综合营养状态指数，a(254)为有色可溶性有机物在254nm处吸收系数。

(6)采用有色可溶性有机物在254nm处吸收系数对湖泊营养状态进行划分：根据营养状态指数对湖泊富营养化类型的划分标准，基于有色可溶性有机物特征波长吸收系数与营养状态指数的关系模型，确定基于有色可溶性有机物在254nm处吸收系数开展湖泊富营养化分类的标准和阈值。

a(254)<4为贫营养；4≤a(254)≤9为中营养；a(254)>9为富营养，其中9<a(254)≤15为轻度富营养，15<a(254)≤22为中度富营养，a(254)>22为重度富营养。

Claims (7)

1.一种基于有色可溶性有机物吸收系数的湖泊富营养化评价方法，其特征在于，采用湖泊有色可溶性有机物在254nm处吸收系数对湖泊营养状态进行划分，具体包括以下步骤：

(1)测定湖泊水体有色可溶性有机物在254nm处的吸收系数，用a(254)表示；

(2)根据有色可溶性有机物在254nm处吸收系数a(254)对湖泊营养状态进行划分：a(254)<4为贫营养；4≤a(254)≤9为中营养；a(254)>9为富营养，其中9<a(254)≤15为轻度富营养，15<a(254)≤22为中度富营养，a(254)>22为重度富营养。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述有色可溶性有机物测定方法为：采用Millipore膜过滤，后用分光光度法测定其吸光度计算得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湖泊营养状态方法划分方法基于综合营养状态指数(TLI)获取。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据测定的湖泊水体有色可溶性有机物吸收系数a(254)，获取湖泊综合营养状态指数(TLI)，其关系模型公式为：

TLI＝23.07lna(254)-1.42(r²＝0.92，n＝348，p＜0.001) (1)

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有色可溶性有机物吸收系数a(254)和湖泊综合营养状态指数TLI的关系模型构建方式如下：

(1)测定湖泊总氮、总磷、叶绿素a、透明度和有色可溶性有机物吸收系数；

(2)基于测定的湖泊总氮、总磷、叶绿素a、透明度数值，计算湖泊综合营养状态指数，其计算公式为：

$TLI=\underset{j=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{W}_j\&times;TLI\left(j\right)---\left(2\right)$

式中，W_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重，其中叶绿素a、总氮、总磷和透明度的权重分别为0.326、0.219、0.230、0.225；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数，其计算式如下：

TLI(Chl.a)＝10(2.5+1.086lnChl.a) (3)

TLI(TP)＝10(9.436+1.624lnTP) (4)

TLI(TN)＝10(5.453+1.694lnTN) (5)

TLI(SD)＝10(5.118-1.94lnSD) (6)

(3)构建有色可溶性有机物254nm处吸收系数a(254)与湖泊综合营养状态指数的关系模型，获取公式(1)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤(1)总氮、总磷采用如下测定方法：碱性过硫酸钾消解、钼锑抗显色紫外分光光度法；

叶绿素a采用如下测定方法：Whatman公司GF/F滤膜过滤，热乙醇萃取提取，分光光度法测定665nm、750nm波长吸光度计算得到；

透明度采用如下测定方法：30cm黑白透明度盘测定；

有色可溶性有机物吸收系数采用如下测定方法：Millipore膜过滤，分光光度法测定其吸光度计算得到。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，TLI指数划分方式为：TLI<30为贫营养；30≤TLI≤50为中营养；TLI>50为富营养，其中50<TLI≤60为轻度富营养，60<TLI≤70为中度富营养，TLI>70为重度富营养；

基于TLI指数数值分类范围和关系模型获取利用有色可溶性有机物在254nm处吸收系数a(254)进行湖泊富营养化评价的数值划分范围。