藥怡良， 趙衛(wèi)紅， 苗 輝

1. 中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室， 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071

3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

基于三維熒光光譜結(jié)合平行因子分析對春季北黃海有色溶解有機(jī)物的研究

藥怡良1，3， 趙衛(wèi)紅1，2*， 苗 輝1

1. 中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室， 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071

3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

利用三維熒光光譜(EEMs)結(jié)合平行因子分析(PARAFAC)， 對我國春季北黃海海水樣品的熒光光譜進(jìn)行了研究和分析。 結(jié)果表明， 北黃海有色溶解有機(jī)物(CDOM)中的熒光溶解有機(jī)物(FDOM)可分為四個(gè)組分， 其中兩組為類腐殖熒光組分c1(260， 315/425)和c2(295， 355/490)， 兩組為類蛋白熒光組分c3(275/310)和c4(230， 290/345)。 四個(gè)組分之間不同程度的線性相關(guān)性說明了它們同源相似性， 類腐殖質(zhì)兩組分之間的相關(guān)性最高， 類蛋白質(zhì)兩組分次之。 四個(gè)熒光組分和總熒光強(qiáng)度在平面分布和垂直分布都呈現(xiàn)近岸高， 遠(yuǎn)岸低的趨勢， 同時(shí)除去陸源輸入影響， 海洋自身的水團(tuán)運(yùn)動(dòng)和生物活動(dòng)也影響著北黃海CDOM的分布。 聚類分析進(jìn)一步說明了北黃海不同區(qū)域的總熒光強(qiáng)度分布特征， 也體現(xiàn)了整體上CDOM的均一性。 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX在一定程度上指示了北黃海CDOM的來源， 說明近岸區(qū)域陸源的影響較大， 而向海一側(cè)則受生物活動(dòng)的作用影響較大， 此結(jié)論與前述熒光組分的分布規(guī)律吻合。

三維熒光光譜； 平行因子分析； 有色溶解有機(jī)物； 北黃海

引 言

海洋有色溶解有機(jī)物(CDOM)是溶解有機(jī)物中的重要組成部分， 也是全球碳循環(huán)中的重要一環(huán)， 因而對CDOM的組成、 結(jié)構(gòu)和來源進(jìn)行研究具有重要價(jià)值和意義[1]。 三維熒光光譜技術(shù)(EEMs)結(jié)合平行因子分析(PARAFAC)是目前對水體中的熒光溶解有機(jī)物(FDOM)進(jìn)行研究， 從而間接研究有色溶解有機(jī)物(CDOM)的重要方法， 具有易識別， 無污染， 準(zhǔn)確高效的明顯優(yōu)點(diǎn)， 因而也被廣大學(xué)者應(yīng)用于湖泊、 河流、 海灣、 大洋等不同天然水體的調(diào)查研究中[2]。 北黃海是山東半島， 遼東半島和朝鮮半島之間的半封閉海域， 海域面積約為8萬多km2， 平均水深40 m， 沿海分布著眾多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市， 有鴨綠江等河流匯入， 屬我國近海， 對此海域進(jìn)行的CDOM的研究目前仍然較少， 因而本研究對深入了解該水域有機(jī)物生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品預(yù)處理

樣品采集于2007年4月22日—5月5日北黃海春季航次， 范圍在120°—124°E， 37°—40°N之間， 站位如圖1所示。 用Niscon采水器采集各站位0 m層、 10 m層和底層水樣， 經(jīng)Whatman GF/F濾膜φ=0.25 mm過濾， 封裝于60 mL的棕色玻璃瓶中， 依次編號且冷凍保存。 GF/F膜和棕色玻璃瓶均在450 ℃下預(yù)灼燒4 h。

1.2 三維熒光光譜的測定

使用日立F-4500型熒光分光光度計(jì)對Milli-Q超純水和海水樣品進(jìn)行測定， 配1 cm石英比色池； 激發(fā)波長范圍在200～500 nm， 發(fā)射波長范圍為250～650 nm， 步長均為5 nm， 其他參數(shù)設(shè)定參考文獻(xiàn)[3]。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以Milli-Q超純水的三維熒光光譜作為空白對照， 各個(gè)樣品扣除空白以去除拉曼散射。 把數(shù)據(jù)控制在Ex+10

圖1 北黃海采樣站位

1.4 平行因子分析中因子數(shù)的選擇和組分判定

在Matlab2013a中調(diào)用DOMFlour工具箱， 對281個(gè)樣品的EEMs進(jìn)行平行因子(PARAFAC)分析。 去除個(gè)別異常值之后， 剩余262個(gè)數(shù)據(jù)， 先用殘差法比較各組的殘差值大小， 再用一分為二法對2～7組分中的有效組分進(jìn)行驗(yàn)證， 最終確定4因子模型適合， 并得到了組分的相對熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1.5 熒光強(qiáng)度

1.6 聚類分析

本研究中選用系統(tǒng)聚類法對所有樣品進(jìn)行了分析， 并用歐式距離定義樣品之間的距離。 通過反復(fù)計(jì)算與合并， 最終的聚類結(jié)果由一個(gè)譜系圖展示出來。

1.7 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX

熒光指數(shù)FI的計(jì)算方法為： 激發(fā)波長λex=370 nm時(shí)， 發(fā)射光譜在450與500 nm處的熒光強(qiáng)度比值[6]。 通常認(rèn)為FI具有指示CDOM來源的作用[6-7]。 腐殖化指數(shù)HIX為激發(fā)波長255 nm時(shí)， 發(fā)射波長在435～480與300～345 nm波段中的熒光強(qiáng)度積分值(或平均值)之比， 可用于估計(jì)溶解有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度[8-9]。 生源指數(shù)BIX為激發(fā)波長為λex=310 nm時(shí)， 發(fā)射波長在380與430 nm處熒光強(qiáng)度的比值， 可用于衡量新近的水生生物生產(chǎn)貢獻(xiàn)[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 北黃海溶解有機(jī)物的熒光組分

PARAFAC模型對EEMs解析得出4個(gè)熒光組分(圖2)， 分別為c1(260， 315/425)， c2(295， 355/490)， c3(270/

圖2 平行因子分析得到的4個(gè)組分及其激發(fā)發(fā)射波長

310)， c4(230， 290/345)。 經(jīng)過與文獻(xiàn)對照和比較(表1)， 可以看出其中兩個(gè)組分可歸為類腐殖質(zhì)組分： c1(260， 315/425)和 c2(295， 355/490)； 另兩個(gè)組分為類蛋白質(zhì)組分： c3 (270/310)和 c4 (230， 290/345)。

表1 北黃海CDOM的熒光組分

根據(jù)Coble等[10]在1996年的報(bào)道， c1組分應(yīng)該為M峰(312/380～420)與A峰(260/380～460)的結(jié)合， M峰的物質(zhì)一般認(rèn)為是海源腐殖質(zhì)， A峰是陸源或海源腐殖質(zhì)， 因而c1具有類腐殖質(zhì)的熒光特征, Murphy等[12]在大西洋和太平洋的海洋天然水體中曾發(fā)現(xiàn)與本研究中的c1組分十分接近的物質(zhì)。 c2的熒光峰具有陸源腐殖質(zhì)特征， 廣泛發(fā)現(xiàn)于各類天然水體中， Stedmon[14]等在丹麥河口流域中曾發(fā)現(xiàn)相似的物質(zhì)。 c3和c4組分分別是類酪氨酸和類色氨酸， 屬于類蛋白質(zhì)， Baghoth等[16]2011年在向阿姆斯特丹供應(yīng)飲用水的兩家處理站的樣品中， 以及Stedmon等[15]在丹麥霍森斯河口流域， 均有發(fā)現(xiàn)與本文c3和c4組分相對應(yīng)的組分。

2.2 各熒光組分之間相關(guān)性分析

熒光組分之間相關(guān)性分析結(jié)果見表2， 四組熒光組分之間均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性， 類腐殖質(zhì)c1與c2、 類蛋白質(zhì)c3與c4之間相關(guān)性系數(shù)r均大于0.85， 表明兩種類腐殖質(zhì)和兩種類蛋白質(zhì)各有相近的來源。 c1和c3， c1和c4也有一定的相關(guān)性， 說明c1與其他三個(gè)組分在來源上均有一定聯(lián)系。 而c2組分與c3， c4組分之間相關(guān)性系數(shù)r均小于0.65， 體現(xiàn)了來源的差異性。

表2 4組分熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.3 各熒光組分的空間分布特征

組分c1和c2， c3和c4之間各自具有高度的相關(guān)性， 因而下文中均以c1和c3作為代表對各組分的平面分布和垂直

圖3 c1， c3和總熒光強(qiáng)度在3個(gè)水層上的水平分布

分布規(guī)律進(jìn)行探討。

2.3.1 平面分布

圖3展示了熒光組分c1和c3以及總熒光強(qiáng)度在0， 10 m和底層的水平分布情況， 總體來說， 陸地沿岸和靠近渤海的站位等值線更加密集， 且熒光強(qiáng)度較高， 而離山東半島和遼東半島距離較遠(yuǎn)的海域， 通常出現(xiàn)較低熒光強(qiáng)度， 這很可能是受到了陸地輸入和沿岸的人類活動(dòng)的影響。 總熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)西高東低的特點(diǎn)， 即總熒光強(qiáng)度從靠近渤海和陸地邊緣的海區(qū)向著離岸向海方向有逐漸減小的趨勢。

2.3.2 垂直分布

本文截取的C1， C5， C10和B1四個(gè)斷面的垂直分布情況如圖4。 在這四個(gè)斷面上， 組分c1， c3與總熒光強(qiáng)度的垂直分布規(guī)律呈現(xiàn)相似性， 可總結(jié)為： 近岸區(qū)域的熒光強(qiáng)度由于明顯受到陸源輸入影響而呈現(xiàn)高值， 遠(yuǎn)離沿岸的區(qū)域熒光強(qiáng)度有逐漸減小的趨勢； 除陸源輸入的影響外， 熒光強(qiáng)度的高低分布還受到海流和海洋自生源的影響， 如C1斷面沿岸的高值區(qū)域可能受到富含有機(jī)物的渤海海水的輸入的影響， C5斷面山東半島一側(cè)中下層的熒光高值可能是山東半島的沿岸流系導(dǎo)致的， 而該斷面中部的中下層高值則是海洋生物產(chǎn)生的， C10斷面的中層受到生物活動(dòng)影響， 熒光強(qiáng)度有一定升高， B1斷面沿岸受到了繞過山東半島南下的沿岸海流的輸入影響。

圖4 c1， c3和總熒光強(qiáng)度在斷面C1， C5， C10和 B1的垂直分布

2.4 聚類分析

聚類分析結(jié)果分為圖5所示的(a)， (b)， (c)和(d)四組。 (a)組中有C801， C904和C102站位， 它們分別緊鄰廣鹿島、 獐子島和大連市， 與圖3中TFI水平分布的高值區(qū)相對應(yīng)， 這可能是人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響造成的， 而C102可能還受到來自富含有機(jī)物的渤海水流的影響。 (b)組中站位C1001和A710位于調(diào)查海域的東北角， 該組很可能是受到來了來自鴨綠江的徑流輸入從而呈現(xiàn)出一定的高熒光強(qiáng)度特征。 (c)組包含了調(diào)查區(qū)域的大多數(shù)樣品(156個(gè))和大部分站位， 說明了北黃海在整體上呈現(xiàn)出均一性。 (d)組包含的站位呈現(xiàn)出沿山東半島分布的特征， 這一區(qū)域工業(yè)區(qū)域密集， 水產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)， 因而受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈， 同時(shí)這與類蛋白質(zhì)組分c3和c4在此區(qū)域的分布特征呈現(xiàn)一定的吻合性， 說明此區(qū)域的生源活動(dòng)是一個(gè)重要的影響因素。

圖5 聚類站位分布

2.5 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX

熒光指數(shù)FI整體上在0.94～1.35之間， 這說明調(diào)查海域的表層CDOM受陸源影響十分明顯。 表層連接南黃海的極小區(qū)域出現(xiàn)高值說明該海區(qū)受海洋自生源影響更大。 底層海區(qū)中部和與南黃海相連區(qū)域的FI出現(xiàn)高值， 體現(xiàn)了受到陸源影響減小的特點(diǎn)。 腐殖化指數(shù)HIX表層和10 m層的分

布特點(diǎn)為自沿岸至向海一側(cè)逐漸減小， 這與FI的分布有一定的一致性， 且隨著深度增大， 底層HIX的數(shù)值分布特征趨于均一， 這可能是底層受到陸源影響減小和底層再懸浮作用導(dǎo)致的。 BIX在0 m層、 10 m層和底層整體分布較均勻且都大于0.76， 說明北黃海在此三個(gè)水層都有比較強(qiáng)烈的生物活動(dòng)， 尤其是遠(yuǎn)離沿岸的海域， 生源特征明顯增加， 且在垂直梯度上， BIX的高值區(qū)域隨深度增加更加向遠(yuǎn)離陸地的區(qū)域集中， 這與HIX的分布規(guī)律恰好相反。

3 結(jié) 論

(1) 利用PARAFAC模型分析之后得到春季北黃海的4個(gè)熒光組分： 類腐殖質(zhì)熒光組分c1(260， 315/425)c2(295， 355/490)和類蛋白熒光組分c3(275/310)c4(230， 290/345)。

(2) 四種熒光組分都有顯著的相關(guān)性， 表明四種組分在來源或者結(jié)構(gòu)上都有一定的聯(lián)系。 其中類腐殖熒光組分c1和c2的R值最高， 類蛋白熒光組分c3和c4次之， 說明同類型的熒光組分間， 來源更為相近。

(3) 各熒光組分的熒光強(qiáng)度與總熒光強(qiáng)度在水平方向上總體呈現(xiàn)近岸高， 遠(yuǎn)海降低的趨勢。

(4) 各熒光組分和總熒光強(qiáng)度在垂直的四個(gè)斷面上有各自的分布特征， 在靠近陸地的海域主要受陸源輸入的影響， 而離岸較遠(yuǎn)的區(qū)域受到的陸源作用減少， 同時(shí)受到了一定的海流影響。

(5) 三個(gè)熒光指數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)近岸受陸源影響大， 向海一側(cè)的區(qū)域海洋生源特征更加明顯的特點(diǎn)。

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Studied on Colored Dissolved Organic Matter of Spring in North Yellow

*Corresponding author

Sea with Three-Dimensional Fluorescence Spectroscopy Combined with Parallel Factor Analysis

YAO Yi-liang1,3, ZHAO Wei-hong1,2*， MIAO Hui1

1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

This paper conducted fluorescent spectra of dissolved organic matter of Spring China North Yellow Sea by using three-dimensional fluorescence spectroscopy (EEMs) combined with parallel factors analysis (PARAFAC). The results showed that the fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in colored dissolved organic matter (CDOM) of North Yellow Sea could be resolved to four components. Two components, c1 (260,315/425) and c2 (295,355/490) were identified as humic-like fluorescence components while c3 (275/310) and c4 (230,290/345) were protein-like components. The different linear correlations showed different degrees of similarities in the source or the chemical constitution, the relationship of the humic-like fluorescence components were most closely, followed by protein-like components. Four fluorescent components and total fluorescence intensity (TFI) in the horizontal and vertical directions had a higher intensity in coastal area than that of the area far away from the coast. Additionally, besides terrestrial input, the seawater mass movement also affects the distribution of CDOM in North Yellow Sea. Cluster analysis not only further illustrated the TFI characteristics of different areas of the North Yellow Sea, but also reflects the overall uniformity of the CDOM. Fluorescence Index (FI), Humification Index (HIX) and Biological Index (BIX) at some extent indicated the source of North Yellow Sea CDOM and the conclusion was that the near shore side gets greater influence from terrigenous sources while the sea side is more impacted by biological activity, which matched with the prior distribution patterns of fluorescence components.

Excitation-emission matrix spectroscopy; Parallel factor analysis (PARAFAC); Colored dissolved organic matter； North Yellow Sea

Jun. 23, 2015; accepted Oct. 12, 2015)

2015-06-23，

2015-10-12

國家基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1406403)， 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276118)資助

藥怡良， 女， 1984年生， 中國科學(xué)院海洋研究所研究生 e-mail： yaoyiliang04@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： whzhao@qdio.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2532-06