岳龍飛,李洪波

(1.河北大學 生態(tài)環(huán)境學院,河北 保定 071002;2.河北省生態(tài)環(huán)境科學研究院,河北 石家莊 050037;3.河北省水環(huán)境科學實驗室,河北 石家莊 050037;)

溶解有機物(DOM)是一類廣泛存在于各種環(huán)境中的結構復雜的混合物[1],由芳烴、碳水化合物、蛋白質、腐殖質和富里酸等物質組成[2-4].水體環(huán)境中的DOM主要由原地生產和外來輸入2種途徑產生[5].DOM在水體生態(tài)系統(tǒng)中扮演著促進有機物和營養(yǎng)物質循環(huán)的驅動者角色,其生成、遷移和轉化,對碳、氮、磷等重要營養(yǎng)元素的地球化學循環(huán)以及重金屬的遷移轉化和污染物的生物毒性有著深遠的影響[6-7].因此,DOM的研究對水環(huán)境管理和生態(tài)保護具有重要意義[8].

發(fā)色團溶解有機物(CDOM)和熒光溶解有機物(FDOM)是DOM中以光吸收和熒光為特征的光學敏感部分[9].二者是DOM的重要組成部分,含有豐富的芳香族化合物,其腐殖化特性、自產特性和光漂白等一系列生物地球化學特性與不同來源密切相關[10].研究表明:紫外-可見(UV-vis)光譜是評估CDOM來源、組成、結構以及去除過程的有效工具,而激發(fā)-發(fā)射矩陣光譜(EEMs)結合平行因子分析(PARAFAC),已被廣泛用作研究和追蹤CDOM來源、傳輸、混合和轉化過程[5,11].光學分析具有采樣方便、靈敏度高的優(yōu)點[4,12],研究中通常使用CDOM代替化學上更廣泛的DOM.此外,通過研究DOM與常規(guī)水質參數的關系,可以進一步明確不同來源有機物對水體的影響,方便水質監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境的保護.在過去幾十年,國內外利用該方法對海洋[13]、河口[14]、湖泊[15]、水庫[16]甚至土壤[17]等各種環(huán)境中CDOM開展了廣泛的研究.眾所周知,河流[18]是陸地和水體之間有機物傳輸的重要通道,對河流生態(tài)系統(tǒng)中DOM的研究,不僅有助于探索有機物遷移轉化的規(guī)律,而且可以為研究元素的地球化學循環(huán)提供必要支撐.

孝義河位于中國河流污染較嚴重的海河流域,處于白洋淀上游,是常年有水入淀的四河之一.由于海河流經城市較多,長期以來污染較重,水環(huán)境狀況不容樂觀.本研究以孝義河為研究對象,利用紫外-可見光譜技術以及三維熒光光譜技術結合平行因子分析法重點研究孝義河枯、豐水期河水CDOM光譜特征及沿程變化,分析其CDOM的組成、分布以及來源,并探討不同來源有機物對水質參數的具體貢獻.研究成果不僅揭示了孝義河CDOM與時空因素之間的基本關系,同時為孝義河流域、白洋淀流域治理提供了重要的理論支持和參考依據.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

孝義河位于河北省保定市境內(38°44′～38°59′N,115°45′～116°26′E),年平均氣溫和降水量分別為7.3～12.7 ℃和564 mm.孝義河長約90 km,流域面積1 262 km2.目前孝義河舊河道已經廢棄,新河道起始于王快水庫,由西南向東北在安新縣境內注入白洋淀.如圖1所示,河流沿岸城市區(qū)和農業(yè)區(qū)交替出現.水源主要由水庫生態(tài)補水及沿岸污水處理廠尾水構成.通常3至6月份由于降水和生態(tài)補水較少,河流處于枯水期,7至11月份降水集中,生態(tài)補水充足,河流處于豐水期.

圖1 孝義河流域土地利用類型和采樣點分布圖Fig.1 Land use types and sampling points distribution in Xiaoyi River Basin

1.2 樣品采集

1.3 CDOM紫外可見吸收光譜和熒光光譜測量

使用事先燒過(450 ℃,恒溫5 h)的玻璃纖維濾膜(GF/F,Whatman,U.K)過濾樣品,儲存在4 ℃的冰箱內備用.使用島津TOC-LCPH總有機碳分析儀(日本)測定水樣的DOC濃度.使用Agilent 8453紫外-可見分光光度計(美國)在10 mm比色皿中以1 nm的間隔在200～800 nm測量UV-vis吸收光譜.通過減去純水的吸光度對樣品吸光度進行基線校正,通過扣減700 nm處的吸光度校正吸收光譜.吸收系數(a)由吸光度乘2.303/r得出,其中r是光程長度(m).研究表明:CDOM的相對濃度由350 nm處的吸收系數a(350)表示[19].吸光度也可以用來表征CDOM的地化特征,本文用250 nm和365 nm處吸光度之比(E2/E3)表征DOM分子相對質量大小和胡敏酸(HA)/富里酸(FA)質量比值[20].文獻[21]還提出用254 nm處的摩爾吸光度(SUVA254)表征DOM芳香性,SUVA254越大,芳香化程度越高[21].

越來越多的研究表明CDOM的光譜斜率與DOM濃度無關,與DOM的來源和成分特征強烈相關,通過將吸收數據擬合到方程(1)中得到光譜斜率S,

α(λ)=α(λ0)×exp(S(λ0-λ)),

(1)

式中,λ0為參考波長,光譜斜率比Sr,即較短波長(275～295 nm)與較長波長(350～400 nm)的光譜斜率S的比值,與樣品中DOM分子相對質量大小、富里酸和腐殖酸的比例、光化學反應活性及陸生和水生CDOM的比值密切相關[22].

使用F98熒光分光光度計(中國)測量CDOM的EEM光譜,光源為450 W氙燈,激發(fā)波長220～500 nm,間隔5 nm,發(fā)射波長250～600 nm,間隔1 nm,狹縫寬度均為5 nm,掃描速度10 000 nm/min.使用超純水作為空白對照以消除拉曼散射[4],使用激發(fā)-發(fā)射矩陣分解工具箱(drEEM)校正內濾效應和消除瑞利散射.

熒光指數(FI)是在激發(fā)波長370 nm下,發(fā)射波長470 nm與520 nm處熒光強度的比值,可表征DOM中腐殖質的來源,FI值>1.9表示水生微生物DOM來源,FI<1.4表示陸地腐殖質來源[23].近期原地生物活性指數(BIX),定義為激發(fā)波長310 nm時,發(fā)射波長380 nm與430 nm處熒光強度的比值,表征本地生物活性,當BIX>1時,表明DOM為自生來源,且為新近產生,BIX在0.6～0.7時表明水體自生生產力較低.修正的腐殖化指數(HIXb)可用來表征CDOM的芳香度和腐殖化程度,定義為激發(fā)波長254 nm時,發(fā)射波長435～480 nm的積分值比300～345 nm和435～480 nm的積分值之和[24].熒光峰強度比值r(T/C)是指類蛋白熒光峰T與類腐殖熒光峰C熒光強度的比值,表征內源貢獻比重,近幾年該值也用于評估水污染情況[25].

1.4 平行因子分析

使用drEEM和N-way工具箱在MATLAB R2018a中進行PARAFAC建模.應用非負約束以避免負濃度和熒光強度.將具有2～7個組件的PARAFAC模型擬合到數據.為了驗證模型,在保證去除異常值并開發(fā)初步模型之前,執(zhí)行對半檢驗以確定最佳組件.最終,輸出參數表明:四組件模型解釋了總EEMs變量的99%以上[26-27].單個熒光組分的最大熒光強度(Fmax)用于表示熒光溶解有機物(FDOM)相應部分的實際濃度.將由模型得到的每種組分的最大熒光強度(Fmax)相加以計算樣品的總熒光強度(Ftot).然后將PARAFAC組分X的相對豐度計算為C(X)=Fmax(X)/Ftot×100%[28].

1.5 統(tǒng)計分析

使用ArcGIS 10.8繪制研究區(qū)域和采樣點分布圖.使用SPSS 21.0、Origin2021和R-studio 4.1.2軟件程序,對其他數據進行均值、標準差、方差分析、相關性分析、回歸分析和繪圖.在線性回歸和t檢驗分析中,P<0.05的結果被認為是顯著的,P<0.01被認為是極顯著的.

2 結果

2.1 紫外-可見光譜參數特征和空間分布

光譜參數能夠快速評估CDOM的數量和組成的變化,如圖2所示.豐水期和枯水期的CDOM吸收系數a(350)平均值分別為(7.75±2.44) m-1和(16.14±2.36) m-1.枯水期的a(350)值顯著高于豐水期(P<0.01).從空間上看,從上游到下游a(350)值顯著增大(P<0.01),表明CDOM在河流流動過程中的累積.枯水期的SUVA254平均值為(10.55±0.84) L/(mg·m),顯著(P<0.01)高于豐水期的均值(6.94±1.42)L/(mg·m).值得注意的是枯水期SUVA254值在采樣點之間變化較大,而豐水期SUVA254值波動較小,表明枯水期河流芳香性受沿岸污水處理廠排污影響較大.這主要是由于枯水期河流水量小,且以污水處理廠來源為主,而豐水期水量大,污水處理廠尾水對河流原本水質擾動較小,SUVA254值波動也較小.此外,豐水期和枯水期下游SUVA254值均呈升高趨勢,可能是由于下游以農業(yè)區(qū)為主,高芳香性的陸地腐殖質輸入增加所致.本研究中,枯水期和豐水期的E2/E3均值為2.12±0.14和4.43±1.39,差異顯著(P<0.01).通常E2/E3越高,DOM分子相對質量越小,FA所占比例越高.空間上,枯水期E2/E3變化不大,從上游到下游略有上升,豐水期E2/E3呈下降趨勢,表明沿途有高分子相對質量物質的輸入.枯水期和豐水期的光譜斜率比Sr值分別為1.16±0.13和1.19±0.06,沒有統(tǒng)計學差異.此外,枯水期Sr值下游顯著高于中上游(P<0.01),豐水期Sr值沒有空間差異.

a.CDOM相對濃度的指標a(350)的沿程變化;b.芳香性指標SUVA254的沿程變化;c.分子相對質量指標E2/E3的沿程變化;d.光譜斜率比Sr的沿程變化圖2 光譜參數的沿程變化Fig.2 Variation of spectral parameters along the path

2.2 DOM熒光特性的比較

2.2.1 熒光參數特征

如圖3所示,枯水期和豐水期FI平均值為2.03±0.12和2.14±0.12,差異顯著(P=0.04).BIX的枯水期和豐水期的平均值分別為0.89±0.13和0.82±0.23,沒有顯著差異(P>0.05).表明孝義河的腐殖質主要來源于自生源,且孝義河的本地微生物活性較強.空間上,FI在枯、豐水期均沒有顯著變化(P>0.05),BIX下游顯著高于上游(P<0.05).此外,對應河段的BIX值枯水期高于豐水期,表明枯水期微生物活性強于豐水期.本研究中枯、豐水期HIXb的平均值為0.46±0.16和0.52±0.2,沿程逐漸降低,上游區(qū)域顯著高于中、下游區(qū)域(P<0.05).豐水期的HIXb值略高于枯水期對應河段的HIXb,但沒有統(tǒng)計學差異.熒光峰比值r(T/C)的分布特征與BIX類似,在枯、豐水期的均值分別為1.64±0.86和1.24±1.16,r(T/C)大于1,表明孝義河受人為活動干擾嚴重.空間上,r(T/C)下游顯著高于上游(P<0.05),表明孝義河沿程受人為活動影響逐漸增加.時間上,枯水期各段略高于豐水期,但差異不顯著.

圖3 熒光參數箱線Fig.3 Box diagram of fluorescence parameters

2.2.2 PARAFAC模型組分

使用OpenFluor在線數據庫將PARAFAC得到的4個FDOM組分與已發(fā)布的PARAFAC模型進行了比較,激發(fā)和發(fā)射相似性得分超過0.95(圖4和表1).組分C1最大激發(fā)波長為330 nm,最大發(fā)射波長410 nm,傳統(tǒng)類腐殖質峰M與微生物活動有關[29-32].C2的激發(fā)發(fā)射波長分別為360 nm和445 nm,屬于類腐殖質峰C,與高分子相對質量的陸地芳香分子有關,廣泛存在于各種環(huán)境中[33].C3激發(fā)發(fā)射波長分別為395 nm和496 nm,被認為是傳統(tǒng)C峰的延伸,與大型植物降解、土壤中黃腐酸物質相關[30,34-35].C4在285 nm有激發(fā)峰,320 nm處有發(fā)射峰,與本地類蛋白熒光峰B相似,并且對微生物降解敏感,同時也是人類活動的重要指標[11,36-38].

表1 利用PARAFAC模型識別的4個組分特性描述

圖4 PARAFAC模型鑒定的4種組分(左)和分半驗證結果(右)Fig.4 Four components identified by PARAFAC model (left) and results of split-half verification (right)

豐水期和枯水期各組分的Fmax沿程變化如圖5a所示.豐水期和枯水期Ftot的平均值分別為(8.67±2.94)和(8.59±5.11),沒有顯著差異,表明枯、豐水期孝義河水質變化不明顯,從上游到下游Ftot逐漸增加.豐水期組分C1的Fmax平均值為(2.16±0.25),略高于枯水期平均值(1.88±0.66).豐水期和枯水期C2的Fmax平均值分別為(2.31±0.15)和(1.83±0.47),豐水期顯著高于枯水期(P<0.05).豐水期和枯水期之間C3的Fmax沒有顯著差異(P>0.05).枯水期C4的Fmax平均值(3.82±3.71)顯著高于豐水期(P<0.05).空間上,枯水期各組分的Fmax從上游到下游顯著增加(P<0.01),豐水期僅組分C4的Fmax下游顯

a.組分熒光強度;b.各組分的質量分數圖5 孝義河PARAFAC模型組分的沿程變化Fig.5 Changes of PARAFAC components along Xiaoyi river

著高于上游(P<0.01),C1、C2和C3上下游之間沒有顯著變化.這主要是由于類腐殖質和富里酸物質的相對難降解性.時間上,豐水期C1、C2和C3略高于枯水期,C4略低于枯水期,差異不顯著,從熒光組分的占比來看(圖5b),類蛋白組分C4占比逐漸增加,類腐殖質組分逐漸降低,枯水期類蛋白占比在大多數采樣點略高于豐水期,表明枯水期微生物活性較強.

3 討論

3.1 豐水期和枯水期中FDOM組分來源的差異

FDOM中各組分熒光強度與光譜參數的皮爾遜相關性分析結果如圖6所示.枯水期,各FDOM組分的Fmax之間均具有極顯著相關性(R>0.96,P<0.001),且各組分對a(350)都有相當大的貢獻(R>0.77),表明枯水期的組分來源幾乎一致.豐水期,類腐殖質組分C1的Fmax與類蛋白組分C4的Fmax極顯著相關(R=0.97,P<0.001),與C2的Fmax顯著相關(R=0.83,P<0.01).組分C2與C3、C4的Fmax顯著相關,R分別為0.70和0.68(P=0.05).表明豐水期組分C1和C4來源一致,C2的來源與C1關系密切,C3僅與C2來源有關.據文獻[29-33]報道,類腐殖質組分C1和C2的來源分別是微生物轉化和陸地腐殖質,類蛋白質組分C4來自微生物活動和污水排放.研究表明:在水生植物降解實驗期間,C3的Fmax迅速增加[39],因此推斷C3可能與陸地類腐殖質物質的微生物降解有關.此外,由于它的激發(fā)峰是在UVA390～400 nm,而大多數太陽光的紫外光是UVA光,因此,它還可能與光降解有關.這一方面解釋了在枯、豐水期組分C2和組分C3之間相關性均較強的原因,另一方面也解釋了枯水期Sr與組分C3相關性較強(R=0.74,P<0.01)的原因.

圖6 枯水期(a)和豐水期(b)FDOM組分及光譜參數的相關性分析Fig.6 Correlation analysis of FDOM components and spectral parameters in dry (a) season and wet (b) season

枯水期,FDOM組分的Fmax與BIX和r(T/C)顯著正相關(R>0.88,P<0.001),與HIXb顯著負相關(R<-0.88,P<0.001),表明枯水期各組分與微生物活動和人為活動有關.因此,認為枯水期FDOM主要來源于污水處理廠排放的尾水,這與枯水期孝義河實際的水源情況一致.豐水期,BIX與組分C1、C2和C4顯著正相關(R>0.62,P<0.05),r(T/C)與組分C1、C4極顯著正相關(R>0.82,P<0.01),與組分C2顯著相關(R=0.66,P<0.05).HIXb與組分C1、C2和C4顯著負相關,與C4負相關性最強(R=-0.91,P<0.001).表明豐水期FDOM組分C1和C4仍然以污水處理廠尾水來源為主,組分C2和C3部分來自污水處理廠排污,部分可能來自隨降雨徑流和河水沖刷進入水中的陸地植物和土壤,豐水期C2的Fmax和C3的Fmax大于枯水期也很好地證明了這一點.

此外,CDOM吸收系數a(350)與腐殖質C1、C2和C4的Fmax顯著線性相關,但與C3的相關性弱(枯水期)或不相關(豐水期),表明a(350)的變化主要受污水處理廠來源的有機物影響.同時組分C1、C2與a(350)相關性高于組分C4,表明類腐殖質物質對CDOM吸收的影響強于類蛋白質成分,與Chen等[30]在太湖和洪澤湖的研究結果一致.枯水期CDOM的光譜斜率比Sr與各組分相關性顯著,表明枯水期CDOM組分的光漂白活性較好.

3.2 豐水期和枯水期CDOM生物地球化學特性的差異

由2個季節(jié)的HIXb值(圖3c)可知,孝義河上游的CDOM主要受腐殖質特性的影響,沿程逐漸降低,下游的CDOM具有較強的生物學特性.與枯水期相比,豐水期的CDOM具有較高的相對芳香度和腐殖化程度,較低的礦化率和含氧官能團的百分比.文獻[40]研究表明,BIX值可以反映 FDOM中類蛋白物質的含量,BIX指數越大,類蛋白組分的含量越大,這一規(guī)律與本研究結果一致.根據BIX值的差異,與豐水期相比,枯水期的CDOM具有更高的自養(yǎng)生產力和更強的微生物活性.此外,從上游到下游自養(yǎng)生產力和微生物來源有機質逐漸增加,同時下游類蛋白質組分的含量遠大于上游.

隨著E2/E3和Sr值的增加,CDOM的分子相對質量、光漂白及微生物降解活性降低.枯水期的E2/E3值顯著低于豐水期,表明枯水期的CDOM分子相對質量高于豐水期CDOM分子相對質量.豐水期CDOM的分子相對質量沿程逐漸增加,表明高分子相對質量物質的不斷輸入.大多數陸地CDOM具有高分子相對質量,而內源性CDOM物質具有較強的生物利用度,容易轉化為低分子相對質量物質[41],進一步證明了豐水期陸地DOM的輸入.枯、豐水期Sr值的差異表明與豐水期相比,枯水期具有更高的光漂白和微生物降解活性,與相關性分析的結論一致,這主要是由于枯水期河流水量小,流速慢,水深淺,同時枯水期水溫高,光照時間長,具有更好的光降解和微生物降解條件.同時,文獻[21]研究表明Sr可以用來區(qū)分不同來源的CDOM,通常陸地來源的CDOM具有較低的Sr,微生物降解會增加Sr值,與本研究中Sr值在中下游逐漸增加的研究結果一致.

3.3 DOM及其熒光成分對水環(huán)境的指示意義

表2 水質參數與熒光組分的相關性

表3 水質參數與熒光組分的回歸分析

4 結論

1)時間上,孝義河枯水期CDOM濃度、芳香性、平均分子相對質量和光漂白及微生物降解的反應活性(Sr)均顯著高于豐水期,豐水期腐殖化程度(HIXb)高于枯水期.空間上,孝義河下游CDOM濃度、芳香性、本地生物活性(BIX)和受污染程度r(T/C)顯著高于上游,光化學反應活性和腐殖化程度上游高于下游.

2)河流FDOM中包含3個類腐殖質組分(C1、C2和C3)和1個類蛋白組分(C4).各組分的熒光強度和構成比例時空差異顯著(P<0.05),表明其來源不同.枯水期類腐殖質和類蛋白組分來源于點源排放,豐水期類蛋白組分以點源為主,類腐殖質組分則為點、面混合來源.