隋聚艷，李丹丹，肖海紅，王玉振

(1 河南水利與環(huán)境職業(yè)學院，鄭州 450011；2 河南工程學院，鄭州 450011)

0 引 言

水中包含氨基酸、富里酸、腐殖酸以及芳香烴聚合物等物質(zhì)的一種可溶性有機物被稱作溶解有機物(CDOM)，構(gòu)成了水體中溶解有機物的主體。有色溶解有機物的濃度和成分變化時，會影響水下光強及初級生產(chǎn)力，其作用原理為該有機物在紫外光和可見光區(qū)有吸收作用。其一，有色溶解有機物可以保護水生生物表現(xiàn)在：一方面可以吸收有害紫外輻射，另一方面能夠發(fā)揮光漂白作用將有機大分子分解成小分子物質(zhì)，供水生生物使用。其二，當水體中CDOM含量過高時，陽光不容易穿透水體，也不容易對水體初級生產(chǎn)力產(chǎn)生影響作用。另外，CDOM還對金屬物質(zhì)的遷移和化學反應(yīng)物的形成具有一定的影響作用。而近些年來，人們在進行CDOM的研究分析時，往往會采用三維熒光光譜(EEMs)熒光分析技術(shù)，主要看重的是其靈敏度高、選擇性好、操作簡單等優(yōu)點。而人們在開展水環(huán)境CDOM熒光特性描述、來源解析等研究時，往往會采用平行因子法(PARAFAC)，這是因為其具有定性、定量描述CDOM、解析CDOM的EEMs圖譜等優(yōu)點。

在眾多分析研究方法中，三維熒光光譜結(jié)合平行因子的方法是最優(yōu)選擇，已經(jīng)被廣泛運用。三維熒光光譜，或被稱作激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜(EEMs)，能夠從定性和定量兩個方面準確地反映溶解性有機物在污染水體中的變化[11,12]。三維熒光光譜結(jié)合平行因子的方法的優(yōu)勢在于其靈敏度高、分析效率高，不僅能夠?qū)晒夤庾V數(shù)據(jù)發(fā)揮最大效果，有效分開CDOM重疊的熒光基團，精確識別出CDOM各組分的熒光強度，并且處理量大、耗時較短[13]。因此，該方法被作為研究CDOM分子結(jié)構(gòu)、組成以及來源辨析等信息的重要技術(shù)手段，已經(jīng)在海洋、表征河流、湖泊、河口、水庫、濕地、海灣和土壤等不同來源CDOM的結(jié)構(gòu)和來源解析[14-17]方面發(fā)揮了重要作用，且得到廣泛運用。當前，在全球變暖而引發(fā)的環(huán)境污染嚴重等問題背景下，三峽庫區(qū)等水體營養(yǎng)鹽污染物的輸入發(fā)生較大變化，從而給管理水源水庫的水體水質(zhì)帶來一定的麻煩和挑戰(zhàn)[18]。本文將研究對象瞄準三峽庫區(qū)不同營養(yǎng)水平的代表性湖蕩，運用PARAFAC解析EEMs圖譜，并參考水質(zhì)參數(shù)分布情況，分析三峽庫區(qū)CDOM的垂直分布特征及來源情況，主要目的是為修復三峽庫區(qū)的污染生態(tài)而服務(wù)，提前做好資料搜集與理論論證工作。

1 材料與方法

1.1 水質(zhì)采樣

1.2 溶解性有機物指標分析

1.2.1 DOC和POC

在測定水樣濃度時，先用GF/F 濾膜(玻璃纖維濾膜)(預先450 ℃灼燒4 h)過濾水樣形成濾液后，再用總有機碳測定儀(TOC5000A，島津)測定DOC濃度。需要注意的是，儀器檢測限為0.004 mg/L，標準偏差要求<2%。

在處理POC樣品時，需要放在室溫中先解凍，然后放至玻璃皿中，并用HCl(1 mol/L)去除無機碳后，再進行低溫烘干后用錫紙包裹，最后采用Perkin Elmer元素分析儀進行測定。需要注意的是，測量偏差要求小于0.3%，精密度要求小于0.2%。

DOC分析。DOC樣品用島津總有機碳分析儀配備自動進樣器完成DOC樣品處理，其標準物質(zhì)為鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)，平行測定3次經(jīng)酸化后的樣品。需要注意的是，分析誤差要求小于5μmol/L，分析精度要求小于4%。

1.2.2 紫外可見光譜掃描及吸收系數(shù)計算

為測定CDOM吸收及三維熒光光譜情況，可以采用GF/F膜過濾水樣后加0.22 μm Millipore 膜(混合纖維素酯微孔膜)過濾水樣的方法。水樣被過濾后，將其放置于1 cm 石英比色皿中，參考Milli-Q超純水，將掃描間距鎖定為0.5 nm，在200～800 nm 波長范圍內(nèi)利用紫外分光光度計(UV2700，島津)進行光譜掃描。而要消除過濾清液中殘留細小顆粒物的散射時，則需要進行散射效應(yīng)訂正，已校正反射效應(yīng)以及儀器基線的漂移等處理，這時需要借助700～800 nm 波段吸收系數(shù)的均值才能實現(xiàn)。最后還要計算CDOM各個吸收波段光譜吸收系數(shù)。

1.3 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j)

式中：TLI(j)表示第j種營養(yǎng)鹽濃度。當TLI<30時，表示其為貧營養(yǎng)級；當TLI在30～50之間，表示其為中營養(yǎng)級；當TLI>50之間，表示其為富營養(yǎng)級。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒有機碳(POC)、溶解有機碳(DOC)的垂直分布特征

由圖1可知，三峽庫區(qū)POC含量的垂直分布特征顯示，0～10 m百歲溪POC含量變化范圍在0.06～6.25 μmol/L之間，九畹溪POC含量變化范圍在0.06～6.25 μmol/L之間，沙鎮(zhèn)溪POC含量變化范圍在0.06～6.25 μmol/L之間，神農(nóng)溪POC含量變化范圍在0.06～6.25 μmol/L之間。在垂直方向，三峽庫區(qū)POC含量變化趨勢相一致，隨水深的增加而逐漸降低，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處POC含量基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

圖1 顆粒有機碳、溶解有機碳的垂直分布特征

三峽庫區(qū)水中DOC是有機碳的主要存在形式，其中代表了95%的有機碳。三峽庫區(qū)DOC含量的垂直分布特征顯示，0～10 m百歲溪POC含量變化范圍在31.5～62.3 μmol/L之間，九畹溪POC含量變化范圍在31.2～59.8 μmol/L之間，沙鎮(zhèn)溪POC含量變化范圍在30.1～57.2 μmol/L之間，神農(nóng)溪POC含量變化范圍在30.4～40.3 μmol/L之間。在垂直方向，三峽庫區(qū)POC含量變化趨勢相一致，隨水深的增加而逐漸降低，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處POC含量基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

2.2 營養(yǎng)鹽水平的垂直分布特征

三峽庫區(qū)營養(yǎng)鹽水平的垂直分布差異較大，由圖2可知，三峽庫區(qū)TP含量的垂直分布特征顯示，0～10 m百歲溪TP含量變化范圍在0.02～0.23 mg/L之間，九畹溪TP含量變化范圍在0.02～0.21 mg/L之間，沙鎮(zhèn)溪TP含量變化范圍在0.02～0.20 mg/L之間，神農(nóng)溪TP含量變化范圍在0.01～0.15 mg/L之間。在垂直方向，三峽庫區(qū)TP含量變化趨勢相一致，隨水深的增加而逐漸降低，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處TP含量基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

圖2 總氮和總磷的垂直分布特征

三峽庫區(qū)TN含量的垂直分布特征顯示，0～10 m百歲溪TN含量變化范圍在1.24～2.63 mg/L之間，九畹溪TN含量變化范圍在1.21～2.54 mg/L之間，沙鎮(zhèn)溪TN含量變化范圍在1.19～2.52 mg/L之間，神農(nóng)溪TN含量變化范圍在1.18～2.26 mg/L之間。在垂直方向，三峽庫區(qū)TN含量變化趨勢相一致，隨水深的增加而逐漸降低，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處TN含量基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

圖3 氨氮和硝氮的垂直分布特征

2.3 生物的垂直分布特征

三峽庫區(qū)生物的垂直分布差異較大，由圖4可知，三峽庫區(qū)細菌和真菌數(shù)目的垂直分布呈一致的變化規(guī)律，均隨深度的增加呈減小趨勢，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處細菌和真菌數(shù)目基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

圖4 生物的垂直分布特征

2.4 綜合營養(yǎng)指數(shù)

三峽庫區(qū)水質(zhì)較好，總體為Ⅱ～Ⅲ類，水生植物發(fā)育良好，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均為35，屬于中營養(yǎng)水平。其中TLI指數(shù)依次表現(xiàn)為百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，百歲溪、九畹溪、沙鎮(zhèn)溪、神農(nóng)溪TLI指數(shù)分別為51、43、36、25，百歲溪屬于富營養(yǎng)級，主要是由于N含量超標，九畹溪、沙鎮(zhèn)溪屬于中營養(yǎng)級，神農(nóng)溪屬于輕度富營養(yǎng)。

2.5 溶解有機碳(CDOM)吸收特征與熒光特征

CDOM結(jié)構(gòu)較為復雜，通常以a(350)和a(280)表征其濃度。本研究中百歲溪、九畹溪、沙鎮(zhèn)溪、神農(nóng)溪CDOM吸收系數(shù)a(280)分別為11.23、13.03、14.89、16.17，大小依次表現(xiàn)為百歲溪<九畹溪<沙鎮(zhèn)溪<神農(nóng)溪。百歲溪、九畹溪、沙鎮(zhèn)溪、神農(nóng)溪CDOM吸收系數(shù)a(350)分別為1.03、1.56、2.14、3.05，大小依次表現(xiàn)為百歲溪<九畹溪<沙鎮(zhèn)溪<神農(nóng)溪。此外，回歸分析顯示：POC和DOC均可利用CDOM的吸收系數(shù)表示，其中百歲溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(280)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)；九畹溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(350)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)；沙鎮(zhèn)溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(280)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)；神農(nóng)溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(350)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)。

2.6 溶解有機碳(CDOM)來源的辨識

CDOM來源可按陸源和生物源進行區(qū)分。熒光指數(shù)(FI)是在激發(fā)光波長為370 nm 時，熒光發(fā)射光譜強度在450、500 nm 處的比值，該指數(shù)可用來研究和表征CDOM中腐殖質(zhì)的來源，大于1.9說明主要來源于微生物代謝過程，小于1.4說明陸源占主要貢獻。本研究中(圖5)，三峽庫區(qū)熒光指數(shù)(FI)在1.32～1.43之間，均值為1.39，說明三峽庫區(qū)陸源占主要貢獻。生物指數(shù)(BIX)是指在激發(fā)波長為310 nm時，發(fā)射波長380和430 nm處熒光強度的比值，可用于估計內(nèi)源物質(zhì)對水體中CDOM的相對貢獻，反映內(nèi)源生物活性，在0.8～1.0之間時，具有較強自生源特征；大于1.0時是生物細菌活動產(chǎn)生。本研究中三峽庫區(qū)BIX在1.03～1.14之間，說明三峽庫區(qū)CDOM主要由生物細菌活動產(chǎn)生。腐殖化指數(shù)(HIX)是指在激發(fā)波長為254 nm時，發(fā)射波長在435～480 nm與300～345 nm波段內(nèi)的熒光強度平均值的比率，該指數(shù)可用于估算有機質(zhì)的腐殖化程度或成熟度。本研究中HIX在1.62～1.97之間，說明三峽庫區(qū)CDOM主要由生物細菌活動產(chǎn)生，這與BIX指數(shù)一致。

圖5 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

表1 CDOM吸收特征與熒光特征

圖6 CDOM來源的辨識

3 結(jié) 論

(1)三峽庫區(qū)POC和DOC含量具有相似的垂直分布特征，0～10 m百歲溪、九畹溪、沙鎮(zhèn)溪和神農(nóng)溪POC和DOC含量隨水深的增加而逐漸降低，其中表層最大，表層以下急劇降低，3 m以下降低趨勢區(qū)域緩和，10 m處POC和DOC含量基本相等。其中相同水深基本表現(xiàn)為：百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，局部有所波動。

(3)三峽庫區(qū)水質(zhì)較好，總體為Ⅱ～Ⅲ類，其中TLI指數(shù)依次表現(xiàn)為百歲溪>九畹溪>沙鎮(zhèn)溪>神農(nóng)溪，百歲溪屬于富營養(yǎng)級，主要是由于N含量超標，九畹溪、沙鎮(zhèn)溪屬于中營養(yǎng)級，神農(nóng)溪屬于輕度富營養(yǎng)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均值為35，屬于中營養(yǎng)水平。

(4)百歲溪、九畹溪、沙鎮(zhèn)溪、神農(nóng)溪CDOM吸收系數(shù)a(280)和a(350)均表現(xiàn)為百歲溪<九畹溪<沙鎮(zhèn)溪<神農(nóng)溪?；貧w分析顯示：百歲溪和沙鎮(zhèn)溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(280)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)；九畹溪和神農(nóng)溪POC和DOC與CDOM吸收系數(shù)a(350)呈顯著線性相關(guān)(p<0.01)。

(5)三峽庫區(qū)熒光指數(shù)(FI)在1.32～1.43之間，均值為1.39，說明三峽庫區(qū)陸源占主要貢獻。生物指數(shù)(BIX)在1.03～1.14之間，說明三峽庫區(qū)CDOM主要由生物細菌活動產(chǎn)生。腐殖化指數(shù)(HIX)在1.62～1.97之間，說明三峽庫區(qū)CDOM主要由生物細菌活動產(chǎn)生，與BIX指數(shù)一致。

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