呂偉偉，姚昕,，張保華

1. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252000；2. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所//湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008

有色可溶性有機物（Chromophoric Dissolved Organic Matter，CDOM）是水體中重要的有機碳庫，占DOC的60%以上（段洪濤等，2009），在全球碳循環(huán)過程中起著重要的作用；并極大地影響光在水生環(huán)境中的傳播等相關(guān)過程，對紫外輻射具有強烈的吸收作用，能夠減少紫外線輻射對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響（Williamson et al.，1996；Laurion et al.，2000）。另外，CDOM 也可以吸收可見光部分，影響浮游植物初級生產(chǎn)力以及生物量，同時容易發(fā)生光降解，礦化分解為無機鹽和小分子有機物，為水生植物和浮游生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，并釋放CO2、CH4等溫室氣體，加劇溫室效應(yīng)（Doxaran et al.，2002；Odermatt et al.，2012）。

CDOM因其重要性及其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和來源復(fù)雜，一直是生物地球化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一，近年來在內(nèi)陸湖泊中也開展了大量的研究工作。例如，Zhang et al.（2009）通過野外和實驗調(diào)查研究了浮游植物降解對CDOM的貢獻(xiàn)；Yao et al.（2011）運用三維熒光技術(shù)報道了太湖水體 CDOM 的來源特征；周永強等（2013）運用三維熒光光譜結(jié)合平行因子分析法對洪湖、東湖與梁子湖 CDOM 組成特征進(jìn)行了分析。三維熒光技術(shù)可有效區(qū)分有機物的組成成分，且操作簡便，不對樣品造成二次污染，目前已有較多學(xué)者采用三維熒光技術(shù)對 CDOM 進(jìn)行定量和定性表征。然而，關(guān)于大汶河對東平湖CDOM貢獻(xiàn)的研究鮮見報道。

東平湖作為南水北調(diào)東線工程最后一級調(diào)水湖，同時也是山東省西水東送的水源地，其水質(zhì)狀況對水輸入地用水安全極為重要。近年來，隨著流域內(nèi)特別是大汶河流域人口經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及水資源不合理利用，使得東平湖和大汶河富營養(yǎng)化，同時有機物污染較為嚴(yán)重（邢友華等，2010）。因此，揭示大汶河輸入對東平湖 CDOM 的貢獻(xiàn)，對維持湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和可持續(xù)發(fā)展有重要的理論指導(dǎo)意義?；诖耍狙芯窟\用三維熒光技術(shù)（Three-dimensional Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectra，EEMs）結(jié)合平行因子分析法（Parallel Factor Analysis，PARAFAC）對大汶河和東平湖水體 CDOM 的熒光特征及其與各水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為東平湖入流污染控制及治理提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　樣品采集與預(yù)處理

2014年8月24—26日，在大汶河和東平湖采集了共計43個表層水體樣品用于CDOM三維熒光光譜的測定及分析。其中，在大汶河由汶口壩至下游河口均勻布設(shè)7個采樣點，編號依次為-7到-1。在東平湖內(nèi)的 36個采樣點中選取沿入湖河口向北部湖區(qū)出湖口均勻分布的7個采樣點，編號為1-7，入湖河口點位編號為0（圖1）。采集水體表層0.5 m深處的水樣5 L，置于保溫箱中用冰塊冰凍保存。所有采樣瓶均先用10% HCl溶液浸泡、去離子水清洗及用現(xiàn)場水潤洗，并于采樣結(jié)束后直接送至實驗室放入冰箱內(nèi)冷藏、冷凍保存（周永強等，2013）。水體溫度、水深、濁度等物理指標(biāo)均在采樣現(xiàn)場測定。CDOM三維熒光光譜分析均在采樣結(jié)束后2～3 d內(nèi)完成。

1.2　樣品的測定

1.2.1CDOM三維熒光光譜分析

所有樣點的各平行水樣用0.45 μm的玻璃纖維濾膜（GF/F）（預(yù)先于450 ℃灼燒）過濾，用1020型TOC儀測定濾后水中DOC質(zhì)量濃度，經(jīng)GF/F膜過濾的水樣再用0.22 μm孔徑的微孔膜過濾后測定CDOM的三維熒光。

三維熒光光譜采用日立F-7000 FL分光光度計測定，激發(fā)和發(fā)射夾縫寬度為 5 nm，激發(fā)波長為200～450 nm，間隔為5 nm，發(fā)射波長250～600 nm，以1 nm間隔得到熒光光譜，減去加酸中和過后的NaOH三維熒光光譜以校正水的拉曼散射，同時利用0.01 mg·L-1硫酸奎寧進(jìn)行熒光定標(biāo)，并用吸光度校正三維熒光光譜的內(nèi)濾效應(yīng)（Mcknight et al.，2001）。

1.2.2CDOM 三維熒光光譜的平行因子分析法（PARAFAC）

EEM 是通過波譜形狀或波峰數(shù)量進(jìn)行組分個數(shù)和類別的假定，而PARAFAC法是通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法把OM復(fù)雜的熒光數(shù)據(jù)矩陣分離成不同的組分，將所有點位的整個三維熒光數(shù)據(jù)組分解成3個線性項和1個殘留數(shù)組，它是基于三線性理論的一種方法（Yao et al.，2012）。PARAFAC法計算過程可以稱為交替最小二乘（ALS）算法：

i=1, 2, …...I；j=1, 2, …..J；k=1, 2, ……K

式中，Xijk是第i個樣點再激發(fā)波長為k、發(fā)射波長為j處的熒光強度；aif是第i個樣點的第f次分析的含量；bjf和ckf分別是與第f次分析后激發(fā)波長為j、發(fā)射波長為k光譜的線性相關(guān)。eijk為系統(tǒng)殘差，是不受模型控制的變量。F為模型中選擇的組分因子數(shù)量。

本研究在MATLAB中使用DOMFluor工具箱運行PARAFAC法模型對樣點的三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2.3其他水質(zhì)參數(shù)的測定

采用分光光度法測定Chla質(zhì)量濃度，高錳酸鉀法測定 COD質(zhì)量濃度，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮（TN）質(zhì)量濃度，鉬酸銨分光光度法測定總磷（TP）質(zhì)量濃度。具體測定方法參考文獻(xiàn)（金相燦等，1990）。

1.3　繪圖及數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.2軟件繪制參數(shù)空間分布圖與采樣點分布圖，均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及相關(guān)性等采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行分析。相關(guān)分析用來檢測變量之間的關(guān)系；P＞0.05表示未達(dá)到顯著檢驗水平，0.01＜P＜0.05為顯著水平，P＜0.01為極顯著水平。

2　結(jié)果與討論

2.1　東平湖水體各水質(zhì)參數(shù)分布特征

由圖1可知，大汶河與東平湖水質(zhì)參數(shù)存在一定的差異。大汶河與東平湖 TN質(zhì)量濃度分別在5.22～9.41 mg·L-1和 0.79～3.73 mg·L-1之間變化，均值分別為(7.34±1.23) mg·L-1和(2.07±0.93) mg·L-1。TN質(zhì)量濃度明顯表現(xiàn)出河流值大于湖泊值（t=9.262，P=0.000），整體表現(xiàn)出由大汶河汶口壩向東平湖出湖口遞減的趨勢，表明以農(nóng)業(yè)為主的土地利用方式造成了大量氮元素直接從大汶河輸入東平湖；姚昕等（2016）也發(fā)現(xiàn)東平湖TN高值區(qū)集中在大汶河入湖區(qū)，東平湖氮元素主要受大汶河輸入的影響。大汶河與東平湖TP質(zhì)量濃度分別在0.05～0.19 mg·L-1和 0.06～0.12 mg·L-1之間變化，均值分別為(0.08±0.02) mg·L-1和(0.08±0.01) mg·L-1。大汶河和東平湖TP含量差異不顯著，沿河流流向從汶口壩至大汶河口TP質(zhì)量濃度逐漸降低，不過在東平湖內(nèi)又有所回升。這可能是受到大汶河周邊村鎮(zhèn)大量生活生產(chǎn)廢水輸入的影響，導(dǎo)致河流中含有大量的磷元素，隨著河流的稀釋自凈及分解作用，TP質(zhì)量濃度逐漸降低；由于東平湖北部湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域的磷肥施用及旅游區(qū)廢水排放，TP質(zhì)量濃度又有所回升。

圖1　大汶河和東平湖采樣點及各理化因子的空間分布Fig. 1　Distribution of the sampling sites and water quality parameters in Dongping Lake and Dawen River in summer

大汶河與東平湖 Chla質(zhì)量濃度分別在 4.02～110.92 mg·L-1和 32.60～79.25 mg·L-1之間變化，均值分別為(30.94±12.20) mg·L-1和(51.87±5.80) mg·L-1。大汶河與東平湖 COD質(zhì)量濃度分別在 4.80～8.50 mg·L-1和 7.00～8.50 mg·L-1之間變化，均值分別為(6.18±0.50) mg·L-1和(7.70±0.21) mg·L-1。Chla 和COD呈現(xiàn)和TP相似的空間分布特征，但Chla和COD均值均表現(xiàn)為湖泊大于河流，這應(yīng)該與湖泊富營養(yǎng)化有關(guān)。根據(jù)Chla質(zhì)量濃度對照中國湖泊富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)，判定東平湖目前仍處于中富-富營養(yǎng)化水平，這與姚昕等（2016）的研究結(jié)果一致。大汶河與東平湖 DOC質(zhì)量濃度分別在 3.24～3.47 mg·L-1和 3.72～4.40 mg·L-1之間變化，均值分別為(3.38±0.14) mg·L-1和(4.1±0.25) mg·L-1。DOC 質(zhì)量濃度明顯表現(xiàn)出湖泊大于河流（t=-7.025，P=0.000），整體表現(xiàn)出由大汶河汶口壩向東平湖出湖口遞增的趨勢。這可能是由于采樣時間屬于雨季，大量降雨導(dǎo)致河流水量增大，對原有河流中 DOC表現(xiàn)出稀釋作用；除此之外，DOC組成可以分為有色和無色兩部分，河流外源輸入以有色 DOC為主，浮游植物降解等內(nèi)源產(chǎn)生更多的無色 DOC（Zhang et al.，2009），當(dāng)進(jìn)入湖泊之后浮游植物降解等內(nèi)源產(chǎn)生的無色DOC補充到總DOC中，從而形成了由大汶河汶口壩向東平湖出湖口遞增的“異常”結(jié)果，這與調(diào)查采樣的瞬時性不無關(guān)系。

2.2　東平湖及大汶河CDOM三維熒光特征

圖2所示為大汶河上游、入湖區(qū)和出湖區(qū)典型站點三維熒光圖譜。從圖2可知，肉眼基本上可以識別的熒光峰一般有4個，其中包括2個類腐殖質(zhì)熒光峰A、C峰，2個類蛋白熒光峰B、D峰，這與劉明亮等（2009）的研究結(jié)果一致（。不同站點4個熒光峰的位置和強度存在一定的差異。從3個站點的對比來看，大汶河上游熒光峰強度最強，特別是2個類蛋白熒光峰顯著高于類腐殖質(zhì)熒光峰，而到出湖區(qū)類腐殖質(zhì)熒光則高于類蛋白熒光。從大汶河上游到出湖區(qū)，類蛋白熒光明顯下降，類腐殖質(zhì)熒光明顯增強，反映了大汶河外源輸入主要帶來類蛋白物質(zhì)。

將2014年8月的43個CDOM三維熒光樣品全部放入PARAFAC模型中進(jìn)行計算，一共得到4種熒光組分（C1～C4）（圖 3）。這 4種熒光組分的光譜特征與文獻(xiàn)報道的其他水生環(huán)境中得到的熒光組分很相似（Murphy et al.，2008；Yamashita et al.，2008；Stedmon et al.，2005a；Williams et al.，2010；Kowalczuk et al.，2010），各組分的主要特征和熒光類型見表1。由圖3和表1可知，C1在最大發(fā)射波長386 nm處有兩個最大激發(fā)波長，分別是＜225 nm和305 nm，其峰值與類腐殖質(zhì)熒光峰A峰、M峰相似，表征的是陸源短波類腐殖質(zhì)和浮游植物降解產(chǎn)生的類腐殖質(zhì)（Murphy et al.，2008；Yamashita et al.，2008）。C2最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是240 nm和360 nm，對應(yīng)的是類蛋白峰T峰，但相比傳統(tǒng)T峰發(fā)生的紅移，表征的是類蛋白熒光中生物降解的類色氨酸基團（Stedmon et al.，2005a；Williams et al.，2010）。C3最大激發(fā)波長在 260 nm，最大發(fā)射波長在432 nm，其峰值對應(yīng)類腐殖質(zhì)峰A峰，表征陸源類腐殖質(zhì)（Kowalczuk et al.，2010；Williams et al.，2010）。C4有兩個最大激發(fā)波長，分別在＜225 nm和275 nm處，最大發(fā)射波長在304 nm，對應(yīng)類蛋白峰B峰、D峰，代表的是生物降解來源的類酪氨酸物質(zhì)（Yamashita et al.，2008；Stedmon et al.，2005b）。

圖2　大汶河到東平湖典型站點的三維熒光圖譜Fig. 2　3DEEMs of typical sampling sites from river to open water

表1　有色溶解性有機物4組分熒光特征Table 1　Fluorescence Characteristics of four Components of Chromophoric Dissoived Organic Matter

圖3　大汶河和東平湖CDOM各熒光組分Fig. 3　Spectral shapes of the four components identified by PARAFAC

東平湖及大汶河 CDOM 總熒光強度差異不顯著（t=0.949，P=0.360），整體取值范圍在 28.62～54.43 QSU之間，均值為(36.48±1.57) QSU，沿河流流向從汶口壩至大汶河口熒光強度逐漸降低，不過在東平湖內(nèi)又有所回升（圖4）。這可能是受到大汶河周邊村鎮(zhèn)大量生活生產(chǎn)廢水輸入的影響，導(dǎo)致河流攜帶大量的熒光物質(zhì)，隨著河流的稀釋自凈及分解作用，熒光強度逐漸降低，由于東平湖北部湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖以及旅游區(qū)大量廢水的輸入，熒光強度又有所回升。

圖4　CDOM總熒光強度及各組分占比Fig. 4　Total fluorescence intensity and specific gravity of each component of CDOM

東平湖水體類腐殖質(zhì)熒光強度較河流高（t=-4.405，P=0.001），表現(xiàn)為由大汶河汶口壩向東平湖出湖口遞增的趨勢（圖4），與季乃云等（2006）在大沽河-膠州灣段發(fā)現(xiàn)的CDOM變化趨勢結(jié)果較為一致；這可能是由于水體中有機物質(zhì)逐漸腐殖化或土壤中腐殖質(zhì)不斷輸入到湖水中造成的（季乃云等，2006）。大汶河類蛋白熒光強度較湖區(qū)高（t=2.408，P=0.032），呈現(xiàn)由大汶河汶口壩向東平湖出湖口遞減的趨勢（圖4）；方芳等（2010）在三峽水庫小江回水區(qū)也獲得了類似的結(jié)論。

從各組分對總熒光強度的貢獻(xiàn)率來看，由于總熒光強度差異不顯著，從大汶河到東平湖，類腐殖質(zhì)組分貢獻(xiàn)越來越大，類蛋白組分貢獻(xiàn)率越來越?。▓D4）?？傮w而言，大汶河輸入類腐殖質(zhì)熒光較少，主要輸入類蛋白熒光。一般而言，較潔凈水體中通常類腐殖質(zhì)熒光強度比較高，有時甚至只有類腐殖質(zhì)熒光（McCallister et al.，2006），而受生活及工農(nóng)業(yè)廢水污染的河流 CDOM 的三維熒光光譜圖中往往類蛋白熒光強度極強（Baker，2002）。大汶河類蛋白熒光較強應(yīng)該與大汶河沿岸城鎮(zhèn)生活與工業(yè)廢水的大量輸入、周邊村落生活污水的直接排入有關(guān)；另外，由水體中大量微生物產(chǎn)生的類蛋白物質(zhì)也是不容忽視的。王志剛等（2006）在巢湖CDOM來源分析研究中也得出了類似結(jié)論，認(rèn)為受生活及工農(nóng)業(yè)廢水污染嚴(yán)重的河流輸入會帶來大量類蛋白熒光物質(zhì)。

2.3　大汶河、東平湖熒光強度與營養(yǎng)物質(zhì)的耦合關(guān)系

很多研究認(rèn)為CDOM熒光強度與Chla存在顯著的相關(guān)性，如江俊武等（2017）的研究表明，CDOM的熒光強度與Chla之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系；季乃云等（2006）指出，高Chla含量的水域?qū)?yīng)著高類蛋白熒光強度。但也有不少研究發(fā)現(xiàn)二者并無顯著相關(guān)性，如方芳等（2010）研究發(fā)現(xiàn)三峽水庫小江回水區(qū)CDOM熒光強度和Chla相關(guān)性較差；Mayer et al.（1999）對Maine河口的研究表明，不同區(qū)域類蛋白熒光強度與 Chla的相關(guān)性既有呈正相關(guān)的，也有呈負(fù)相關(guān)的。本研究結(jié)果顯示，Chla僅與大汶河CDOM類蛋白組分C2、C4存在極好的相關(guān)性（圖5a），這表明浮游植物是大汶河CDOM類蛋白熒光的主要來源；而東平湖類蛋白熒光強度和類腐殖質(zhì)熒光強度與Chla相關(guān)性不顯著（圖5a）?？赡艿脑蛴校恿髦械念惛迟|(zhì)物質(zhì)除了其中的浮游植物外，還有另一個甚至更重要的來源就是土壤腐殖質(zhì)，大汶河主要流經(jīng)農(nóng)村地區(qū)，土壤、農(nóng)田堆肥和腐爛植物等中的腐殖質(zhì)會隨雨水和灌溉水等進(jìn)入河流，使河流中腐殖質(zhì)的含量增加（季乃云等，2006），從而導(dǎo)致類腐殖質(zhì)熒光強度與 Chla含量相關(guān)關(guān)系不顯著。相對于類腐殖質(zhì)熒光物質(zhì)，類蛋白熒光物質(zhì)受微生物影響較大，除了水體中的浮游植物之外，排入河流的工業(yè)廢水和生活污水中也攜帶有大量微生物，且污染物質(zhì)的大量輸入會加劇水體中微生物活動（方芳等，2010），大汶河沿岸生活污水和工業(yè)廢水排放量較大，且大多是未經(jīng)處理排入水體，從而導(dǎo)致類蛋白熒光強度與Chla含量相關(guān)關(guān)系不顯著。

圖5　熒光強度與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)分析Fig. 5　Correlation between fluorescence intensity and water quality parameters

溶解性有機碳（DOC）是以碳含量表示水體中有機物含量的指標(biāo)。CDOM熒光強度與DOC中可發(fā)射熒光的物質(zhì)有關(guān)，通常天然水體 DOC中熒光物質(zhì)含量在 40%～60%之間（Leenheer et al.，2003）。很多研究者致力于探討熒光強度與DOC的相關(guān)性，并試圖通過熒光特征來反演 DOC含量。其中，很多研究認(rèn)為二者有顯著的相關(guān)性甚至存在線性關(guān)系，如Ferrari（2000）研究表明，Rhone河流和近岸水體中類腐殖質(zhì)熒光與 DOC存在一定正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r大于0.5；季乃云等（2006）指出，CDOM的熒光強度與DOC之間存在線性關(guān)系；劉學(xué)利等（2016）報道，東平湖 CDOM 的熒光強度與 DOC存在顯著相關(guān)關(guān)系。但也有不少研究發(fā)現(xiàn)二者并沒有顯著相關(guān)性，如宋曉娜等（2010）指出，太湖水體溶解性有機物熒光強度與 DOC之間相關(guān)性不顯著；Chen et al.（2002）的研究結(jié)果顯示，海洋CDOM樣品的熒光強度與DOC之間并無顯著相關(guān)性；傅平青等（2007）在研究高原湖泊CDOM時也發(fā)現(xiàn)，同一次采樣過程中垂直剖面不同深度CDOM中的DOC與其不同熒光峰強度之間相關(guān)性不顯著，原因可能是樣品中含有一些不能發(fā)射熒光的天然有機質(zhì)或有機污染物。由圖 5b可知，東平湖類腐殖質(zhì)組分C1、C3與DOC具有極顯著相關(guān)性，這表明類腐殖質(zhì)是東平湖 DOC的重要組成部分；而大汶河CDOM各組分均與DOC相關(guān)性不顯著（P＞0.05），可能是因為CDOM在大汶河中受光降解、微生物降解等作用以及水體pH的影響，造成大汶河 CDOM 組分中的腐殖酸、富里酸、蛋白類物質(zhì)以及一些非熒光類物質(zhì)在 DOC中所占比例不同。

化學(xué)需氧量（COD）反映了水中可被氧化劑氧化的有機物含量（季乃云等，2006），由于水體被有機物污染是很普遍的現(xiàn)象，該指標(biāo)也作為有機物相對含量的綜合指標(biāo)之一。由圖 5c可知，大汶河CDOM組分C2和東平湖CDOM組分C1均與COD具有相關(guān)性，這表明熒光強度在一定程度上可以反映被氧化的有機物含量。季乃云等（2006）研究了從大沽河到膠州灣的DOM熒光特征變化，發(fā)現(xiàn)類腐殖質(zhì)熒光強度與 COD之間存在較好的相關(guān)性，r=0.940；方芳等（2010）也發(fā)現(xiàn)，小江回水區(qū)3種熒光峰的熒光強度與COD存在較好的相關(guān)性。

3　結(jié)論

（1）通過三維熒光圖譜及平行因子分析法得出所有樣品點都含有4類熒光組分，即2種類蛋白組分及2種類腐殖質(zhì)組分；從大汶河汶口壩到東平湖出湖口處，類腐殖質(zhì)熒光強度逐漸增強，類蛋白熒光強度呈遞減趨勢，且大汶河類蛋白熒光較東平湖高（t=2.408，P=0.032），反映了夏季豐水期大汶河主要向東平湖輸入類蛋白熒光物質(zhì)。

（2）東平湖CDOM熒光組分C1、C3與DOC存在較好的相關(guān)性，表明類腐殖質(zhì)物質(zhì)是東平湖DOC的重要組成部分；東平湖熒光組分C1、大汶河熒光組分C2均與COD具有相關(guān)性，說明熒光強度可以間接反映水體中被氧化的有機物含量；大汶河類蛋白熒光組分C2、C4均與Chla存在相關(guān)關(guān)系，表明浮游植物是大汶河類蛋白物質(zhì)的重要來源。

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