楊 欣，吳支行，葉 寅*，陳曉芳，袁自然，王 靜

1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，安徽 合肥 230031 2.養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 3.蕪湖市農(nóng)業(yè)技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241000

引 言

水體中的溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter,DOM)對(duì)于其水生生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征有較大的影響[1]，探討其動(dòng)力特征、組分及來(lái)源可以更好的理解其在生態(tài)系統(tǒng)的功能及其環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。

現(xiàn)有的研究中，對(duì)于DOM的來(lái)源及其理化性質(zhì)的研究方法主要包括：氣相色譜法、13C固態(tài)核磁共振波譜技術(shù)(13C-NMR)、高效液相色譜法(HPLC)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、紫外-可見吸收光譜法(UV-Vis)以及三維熒光光譜法(3D-EEMs)等[2]。近年來(lái)，三維熒光光譜法由于其低成本高效率，被普遍用以直接測(cè)定水體蛋白質(zhì)、氨基酸、芳香烴、腐殖質(zhì)等有熒光特性的DOM[3-5]。通過(guò)平行因子分析法解析三維熒光光譜從而提取熒光特征，可對(duì)其熒光組分進(jìn)行定性鑒定和定量分析[6]。近年來(lái)，結(jié)合EEMs-PARAFAC技術(shù)對(duì)各種水體中DOM的組成及來(lái)源進(jìn)行分析已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)。朱愛菊等利用該技術(shù)通過(guò)對(duì)我國(guó)亞熱帶地區(qū)閩江、木蘭溪、九龍江河口濱海陸基養(yǎng)蝦塘水體的有色溶解性有機(jī)質(zhì)(CDOM)進(jìn)行組分及來(lái)源分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)蝦塘水體CDOM熒光光譜中包括兩種類蛋白質(zhì)物質(zhì)和兩種類腐殖酸物質(zhì)，并得知養(yǎng)蝦塘水體具有強(qiáng)自生源弱腐殖化特征[7]。太湖中大多數(shù)來(lái)自東部和東南部平原下游地區(qū)的河流樣品具有類似的腐殖質(zhì)樣熒光的相對(duì)豐度且河流下游類色氨酸的貢獻(xiàn)比上游地區(qū)的少，類酪氨酸熒光的貢獻(xiàn)更多[8]；Wang等利用三維熒光光譜平行因子分析技術(shù)對(duì)岷江水庫(kù)河流POM進(jìn)行了研究，鑒定出了5種熒光組分，得出結(jié)論水庫(kù)養(yǎng)魚可能促進(jìn)了POM的生產(chǎn)[9]。

店埠河流域作為巢湖的主要水源地之一，近年來(lái)，受自然條件和人為因素的影響，流域內(nèi)城鎮(zhèn)生活污水、養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)排水逐年增加，流域內(nèi)景觀格局的強(qiáng)烈變化直接或間接地改變了水體 DOM的來(lái)源及其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，進(jìn)而影響到水體DOM的生態(tài)功能與環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。本研究以店埠河農(nóng)業(yè)小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用平行因子分析法對(duì)該流域三維熒光光譜進(jìn)行解譜分析，從而定性上鑒定DOM組分及其來(lái)源，定量上分析各組分貢獻(xiàn)率，以期為該流域水質(zhì)狀況及水生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)及概況

本文選擇巢湖北部店埠河農(nóng)業(yè)小流域?yàn)檠芯繀^(qū)(如圖1)，南淝河是對(duì)巢湖污染貢獻(xiàn)最大的三條入湖河流之一，全長(zhǎng)42 km，流域面積873 km2，店埠河是南淝河的最大支流，是一個(gè)典型以農(nóng)業(yè)為主的流域。店埠河小流域面積約79.8 km2，流域內(nèi)無(wú)工業(yè)生產(chǎn)，水系的污染源主要包括畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污染和種植業(yè)等。采樣期為2020年9月中旬，采樣期間正是當(dāng)?shù)嘏禾林猩徟洪L(zhǎng)勢(shì)旺盛的時(shí)期。在流域范圍內(nèi)，選取典型的支流，依據(jù)實(shí)際情況，沿每條支流布設(shè)采樣點(diǎn)，共布設(shè)了26個(gè)采樣點(diǎn)，利用GPS定位采樣，表1對(duì)各采樣點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的位置描述。實(shí)地所采的水樣需立即放入低溫避光的保溫箱中保存，保溫箱中需要裝有冰塊，并盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，然后使用WhatmanGF/F玻璃纖維濾膜對(duì)水樣過(guò)濾操作，接著將所得濾液進(jìn)一步采用0.2 μm的濾膜過(guò)濾，全部過(guò)濾后，暫時(shí)放置在零下20 ℃冰箱中冷凍并避光待測(cè)。

圖1 店埠河流域研究區(qū)域及實(shí)測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Spatial distribution of the study area and in-situ sites in the Dianbu River

表1 采樣點(diǎn)位置描述Table 1 Location description of sampling point

1.2 樣品測(cè)定

采用熒光光度計(jì)(F-4500，日立)進(jìn)行DOM三維熒光光譜測(cè)定，以Millipore超純水作為空白，用10 cm石英比色皿在240～800 nm范圍內(nèi)進(jìn)行光吸收測(cè)定，測(cè)量精度為±0.001，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行去除拉曼及瑞利散射相關(guān)處理。掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正；掃描波長(zhǎng)范圍為激發(fā)波長(zhǎng)(excitation wavelength，Ex)為210～550 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(emission wavelength，Em)為 210～650 nm，采樣間隔均為5 nm。預(yù)處理后的樣品用總有機(jī)碳分析儀-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀(variocubeTOC-isoprime100，Elementar公司)測(cè)定樣品中溶解性有機(jī)碳(DOC)含量值，同樣采用Millipore超純水作為空白。

1.3 數(shù)據(jù)處理

從水樣測(cè)定的三維熒光光譜中扣除空白樣品即超純水的信號(hào)后，進(jìn)行Raman歸一化，而后將歸一化之后的數(shù)據(jù)構(gòu)成三維矩陣數(shù)列，用Matlab R2014b軟件進(jìn)行PARAFAC模型分析；此外，在樣品測(cè)定過(guò)程中，溫度差異等偶然因素會(huì)導(dǎo)致異常樣品的出現(xiàn)，為了防止這些異常樣品影響分析結(jié)果，需要分析并去除異常樣品。因此，需通過(guò)半檢驗(yàn)法(split-half analysis)和殘差分析來(lái)檢驗(yàn)平行因子模型的穩(wěn)定性，從而確定相應(yīng)的組分。熒光指數(shù)FI(370)即激發(fā)波長(zhǎng)Ex等于370 nm時(shí)，熒光發(fā)射光譜Em波長(zhǎng)在470和520 nm處的熒光強(qiáng)度比值，該指數(shù)指示的是芳香與非芳香氨基酸對(duì)DOM熒光強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)率，可一定程度上反映DOM來(lái)源及降解程度[11]；生物源指數(shù)BIX是指當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)Ex等于310 nm時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)在380與430 nm處熒光強(qiáng)度的比值，該指數(shù)可反映新產(chǎn)生的DOM在整體DOM中所占的比例[11]；腐殖化指數(shù)HIX是指激發(fā)波長(zhǎng)Ex等于254 nm時(shí)，發(fā)射光譜Em波長(zhǎng)在435～480與300～345 nm波段內(nèi)的熒光強(qiáng)度積分值的比率，可一定程度上反映DOM輸入源特征[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 店埠河水體DOM的三維熒光光譜特征

已有的研究將DOM劃分為6類[3]，分別為類富里酸、類腐殖酸、低激發(fā)色氨酸類、高激發(fā)色氨酸類、低激發(fā)酪氨酸類、高激發(fā)酪氨酸類，這些溶解性有機(jī)質(zhì)廣泛存在于河流和湖泊水體中。采用PARAFAC方法對(duì)本次26個(gè)采樣點(diǎn)的DOM的三維熒光光譜特征進(jìn)行分析，如圖2結(jié)果所示店埠河水體熒光特征呈現(xiàn)兩個(gè)熒光組分，包括1種類蛋白質(zhì)C1和1種類腐殖質(zhì)C2。圖2和3分別為店埠河水體DOM的熒光強(qiáng)度分布圖及其激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)的載荷圖。組分C1(Ex/Em,275 nm/335 nm)、C2(Ex/Em,250 nm/415 nm)分別屬于類色氨酸和類富里酸組分，其中組分C1包含有兩個(gè)激發(fā)峰以及一個(gè)發(fā)射峰，其中激發(fā)與發(fā)射波長(zhǎng)與色氨酸單體的熒光峰類似[8]，體現(xiàn)的是類色氨酸類蛋白物質(zhì)，屬于生物降解的類蛋白質(zhì)物質(zhì)，大多數(shù)是陸生植物或土壤有機(jī)質(zhì)自生源產(chǎn)生過(guò)程生成的蛋白質(zhì)成分或其降解出來(lái)的較少的縮氨酸[9]。組分C2具有一個(gè)激發(fā)峰、一個(gè)發(fā)射峰，其反映的主要是類富里酸物質(zhì)，類富里酸物質(zhì)屬于芳香氨基酸腐殖物質(zhì)，分子量較大，反映來(lái)自外源輸入的腐殖酸和富里酸所形成的熒光峰，與腐殖質(zhì)結(jié)果中羥基及羧基有關(guān)[11-12]。

圖2 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體DOM的兩個(gè)組分Fig.2 Two components of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

圖3 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體DOM的兩個(gè)組分載荷Fig.3 Two component loads of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

2.2 店埠河水體DOM的三維熒光組分比例

本研究對(duì)店埠河流域水體DOM進(jìn)行了三維熒光光譜的平行因子分析，如圖4所示，店埠河流域水體DOM主要成分分別為C1(類色氨酸)和C2(類富里酸)兩種組分，占比例分別為31.37%～84.89%和15.11%～68.63%。其中，C1組分即類色氨酸類蛋白質(zhì)物質(zhì)所占比例較大，這主要是由于水體內(nèi)部陸生植物等微生物代謝活動(dòng)過(guò)程中分泌大量的蛋白質(zhì)物質(zhì)；C2組分即類富里酸組分相對(duì)而言所占比例較小，這是由于采樣時(shí)間為9月中旬，正是當(dāng)?shù)嘏禾?S2號(hào)采樣點(diǎn))蓮藕生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，大量的植物代謝導(dǎo)致水體有機(jī)質(zhì)維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，同時(shí)，此時(shí)期較高的水溫促進(jìn)了水體微生物活動(dòng)并加快了有機(jī)物分解，從而使得類色氨酸類蛋白質(zhì)熒光組分濃度顯著增加。然而，S4和S9采樣點(diǎn)的C1組分低于C2組分，這主要是由于采樣點(diǎn)周圍環(huán)境所致。S4點(diǎn)原是魚塘，現(xiàn)水壩不再通水，周邊居民產(chǎn)生的生活污水也排到該點(diǎn)水體中(表1)，S9點(diǎn)周邊有畜禽養(yǎng)殖戶(表1)，其水體受到周邊養(yǎng)殖飼料的輸入以及周邊土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w的影響，故表現(xiàn)為DOM中腐殖質(zhì)類富里酸占較大比例。

圖4 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體DOM的兩個(gè)組分載荷Fig.4 Two component loads of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

2.3 店埠河水體DOM的熒光特征參數(shù)分析

研究通過(guò)計(jì)算并分析店埠河水體DOM的熒光特征參數(shù)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其組分來(lái)源。其中，熒光指數(shù)(FI)值常用來(lái)指示DOM中腐殖質(zhì)的來(lái)源，當(dāng)FI>1.9時(shí)，表明水體自生源特征明顯，DOM主要源于其自身微生物活動(dòng)；當(dāng)FI<1.4時(shí)，DOM以外源輸入為主，水體自身生產(chǎn)力貢獻(xiàn)相對(duì)較低[13-14]。自生源指標(biāo)BIX反映了DOM自生源的相對(duì)貢獻(xiàn)，BIX值大于1.0時(shí)說(shuō)明DOM降解程度高，其自生源組分特征明顯，當(dāng)其值的范圍在0.6～0.8之間表示自生源貢獻(xiàn)較少[11]。腐殖化指數(shù)HIX可以一定程度上反映DOM腐殖化程度，其值為消除內(nèi)濾效應(yīng)干擾后的改進(jìn)值，值越高則表明有機(jī)質(zhì)腐殖化程度越高[11]。

總體上，水體FI指標(biāo)的范圍位于1.99～2.77(均值為2.25)，表明該流域水體自生源特征明顯，這主要是由于該流域水體生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，DOM受水體微生物活動(dòng)因素主導(dǎo)；自生源指標(biāo)BIX的范圍是0.95～1.65(均值為1.09)，這進(jìn)一步表明該流域水體自生源組分特征明顯；腐殖化指標(biāo)HIX值的范圍是0.15～0.40(均值為0.27)，這說(shuō)明該流域水體腐殖化程度相對(duì)較低。造成該現(xiàn)象的原因主要是由于店埠河流域作為南淝河的最大支流，是一個(gè)典型的以農(nóng)業(yè)為主的流域，無(wú)工業(yè)污染，水環(huán)境相對(duì)封閉，水體生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，與外界水體幾乎沒有發(fā)生較為明顯的交換，故而該流域水體的溶解性有機(jī)質(zhì)主要由自生源產(chǎn)生。然而，由圖5可以看出，其中的S4采樣點(diǎn)和S9采樣點(diǎn)的腐殖化指標(biāo)HIX值均達(dá)到較高，F(xiàn)I和BIX指標(biāo)值相對(duì)較低，結(jié)合2.2小節(jié)中該采樣點(diǎn)C1類蛋白質(zhì)組分貢獻(xiàn)大小低于C2組分，表明此采樣點(diǎn)的DOM主要為來(lái)自外源輸入的類腐殖質(zhì)物質(zhì)。

圖5 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體各采樣點(diǎn)DOM的熒光指數(shù)Fig.5 DOM fluorescence index of each sampling point in the agricultural watershed of the Dianbu River

綜上，根據(jù)各采樣點(diǎn)熒光特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果及3個(gè)指標(biāo)的意義，可推測(cè)出該流域水體中DOM主要由水體內(nèi)部浮游植物和微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生，同時(shí)部分采樣點(diǎn)(S4、S9號(hào))受外源輸入的影響(生活污水和養(yǎng)殖飼料的輸入)。

2.4 店埠河水體DOM的熒光特征與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性

對(duì)DOM組分和各熒光光譜指標(biāo)、水體理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)兩組分(C1、C2)與溶解性有機(jī)碳(DOC)均正相關(guān)(p<0.01)，其中與C1呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)論相似[15-16]，類蛋白質(zhì)熒光與DOC存在正相關(guān)關(guān)系說(shuō)明了類色氨酸組分對(duì)該流域水體DOC有著重要影響，類蛋白質(zhì)熒光組分可用于該流域水體的DOC動(dòng)態(tài)追蹤。水體pH值與C2類富里酸組分呈現(xiàn)正相關(guān)，這說(shuō)明當(dāng)?shù)厮wpH值和水體外源類富里酸組分同步增加，這可能是受水體周邊當(dāng)?shù)厣钗鬯欧艑?dǎo)致水體堿化的影響(S4號(hào)采樣點(diǎn))；溶解氧(DO)與C1類色氨酸組分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說(shuō)明了該水體類蛋白質(zhì)物質(zhì)受到水體溶解氧含量的影響，這可能是由于溶解氧變化影響水體微生物活性。此外，熒光指數(shù)FI與兩組分均呈現(xiàn)正相關(guān)。自生源指標(biāo)BIX與C1類蛋白質(zhì)熒光呈現(xiàn)較為顯著的正相關(guān)(p<0.01)，而腐殖化指數(shù)HIX與C1類蛋白質(zhì)組分呈現(xiàn)較為顯著的負(fù)相關(guān)(p<0.01)，這進(jìn)一步說(shuō)明了該流域水體DOM的類蛋白質(zhì)物質(zhì)主要由自生源而非外源產(chǎn)生。

表2 店埠河水體的熒光特征與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of fluorescence characters and water quality parameters of Dianbu River water body

3 結(jié) 論

(1)店埠河農(nóng)業(yè)流域水體DOM主要包括兩個(gè)組分，即類蛋白質(zhì)熒光類色氨酸組分C1(Ex/Em，275 nm/335 nm)及類腐殖質(zhì)熒光類富里酸組分C2(Ex/Em，250 nm/415 nm)，其中類色氨酸組分是店埠河農(nóng)業(yè)流域水體DOM的主要組成部分。

(2)熒光指數(shù)FI、自生源指標(biāo)BIX以及腐殖化指標(biāo)HIX表明店埠河農(nóng)業(yè)流域水體DOM具有較為顯著的自生源特征且腐殖化程度較低。水體中DOM的內(nèi)源主要來(lái)源于藕塘內(nèi)部植物及水體其他微生物代謝活動(dòng)，產(chǎn)生的主要是C1類色氨酸類蛋白質(zhì)物質(zhì)；而外源主要來(lái)自于生活污水及養(yǎng)殖飼料的輸入，以及周邊土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w形成，產(chǎn)生的主要為C2類富里酸類腐殖質(zhì)物質(zhì)，其中內(nèi)源為水體DOM主要貢獻(xiàn)。

(3)DOC與DOM中的類色氨酸組分(C1)均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，類色氨酸組分可用于該流域水體的DOC動(dòng)態(tài)追蹤。水體pH值與C2類富里酸組分呈現(xiàn)正相關(guān)，溶解氧(DO)與C1類蛋白質(zhì)組分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明當(dāng)?shù)厮wpH值和水體外源類富里酸組分同步增加，而類蛋白組分則受到水體溶解氧含量的影響。