濕地溶解性有機質(DOM)源識別方法研究

謝秀風，郗敏，李悅，孔范龍，董成仁

青島大學化學化工與環(huán)境學院, 山東青島，266071

內容提要: 濕地是位于水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的重要生態(tài)交錯帶，而溶解性有機質(DOM)是陸地向水生生態(tài)系統(tǒng)輸送營養(yǎng)物質的重要載體物質。濕地中DOM的來源分為內源和外源。對濕地中DOM的來源進行識別有助于認識濕地中營養(yǎng)物質的生物化學循環(huán)特征，從而進一步了解水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的物質循環(huán)。目前，對濕地DOM進行源識別的方法較多。根據(jù)各種方法在研究中應用的廣泛性和可用性，本文主要介紹了光學法、同位素法、C/N比值法和生物標志法在濕地DOM源識別中的應用。綜合分析表明,光學法、同位素法和C/N比值法在濕地DOM源識別研究中的應用較多。近幾年，由于生物標志物(特別是木質素)不僅能夠對來源進行識別，而且對源的變化很敏感，因此生物標志法在濕地DOM源識別中的應用成為研究的熱點。論文在分析各種濕地DOM源識別方法的基礎上，指出了目前研究中存在的問題，并提出進一步研究的方向。

溶解性有機質(DOM)是指能夠通過0.45μm孔徑濾膜的天然有機質混合體(吳豐昌等，2008)，是一種不均一的復雜混合物(Jessica et al.,2010)，同時也是陸地向水生生態(tài)系統(tǒng)輸送營養(yǎng)物質的重要載體物質。而濕地是連接水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的一種重要的生態(tài)交錯帶(郗敏等，2006)，了解濕地中DOM的來源有助于了解水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的物質循環(huán)，能夠為兩生態(tài)系統(tǒng)的保護提供一定的理論依據(jù)。

濕地中DOM的來源主要分為內源和外源。內源是濕地生態(tài)系統(tǒng)自身產生的，主要是其中的微生物、浮游植物或者藻類等通過自身的腐爛分解產生；外源主要是大氣、陸地等系統(tǒng)中的有機質通過降雨、地表徑流以及滲濾等過程進入濕地(郗敏等，2006)。DOM組成組分復雜多樣，可以根據(jù)各組分表現(xiàn)出的特性選擇合適的方法進行源識別。近幾年來，經過國內外大量的研究，對DOM進行源識別的方法基本可以分為：光學法、同位素法、C/N比值法以及生物標志法。如可以用DOM的三維熒光光譜的峰值來反映DOM組分的來源，也可以根據(jù)光學法獲得的光譜斜率S以及熒光指數(shù)的大小來估測DOM內外源的比例。另外，DOM是全球最大的碳儲存庫，可以用碳同位素進行源示蹤。同時，13C與14C的耦合，既可以反映DOM的來源也可以反映其來源的相對年齡。DOM中C與N的比值(C/N)大小以及木質素的濃度大小也可以指示其來源，并能反映來源的變化情況。

本文就目前濕地中DOM源識別方法進行了綜述，利用多種有效方法揭示不同濕地中DOM的來源，并對各種方法的優(yōu)缺點進行比較，為DOM源識別的研究提供定性和定量的參考。

1 光學法在濕地DOM源識別中的應用

1.1 三維熒光光譜法在濕地DOM源識別中的應用

熒光光譜分析法是進行物質分析的主要光學方法之一，具有較高的靈敏度、較快的分析速率、高的選擇性、所需樣品少和對樣品結構無損害等特點，因此，人們用各種熒光光譜技術來研究河流、湖泊、海洋、濕地等不同來源的DOM。目前，對DOM來源進行識別的熒光光譜法很多，如熒光激發(fā)光譜、熒光發(fā)射光譜以及三維熒光光譜等(傅平青等，2004；Coble，1996； Reynolds et al.,1997; McKnight et al.,2001; Sierra et al., 2001; Baker et al.,2001,2004; Cannavo et al.,2004; Holbrook et al.,2006)。其中。三維熒光(3DEEM)技術能夠獲得激發(fā)波長和發(fā)射波長同時變化時的熒光強度信息，能夠對多組分復雜體系中熒光光譜(激發(fā)/發(fā)射，Ex/Em)重疊的對象進行光譜識別和表征，是一種很有效的光譜指紋技術(Reynolds et al.,1997; 宋曉娜等,2010)。

不同的DOM組分內含有的熒光基團具有一定的差異性，因此，不同的DOM組分具有特定的熒光光譜，表現(xiàn)在三維熒光光譜圖上就是DOM各組分具有特定的激發(fā)/發(fā)射(Ex/Em)熒光中心。宋曉娜等(2010)運用三維熒光技術對太湖水體中DOM的來源進行示蹤分析，結果表明，湖泊表層與中底層水體樣品中DOM的熒光峰類型相似，主要有四類：類蛋白峰(D峰)，類蛋白峰(B峰)，紫外區(qū)類富里酸峰(A峰)，可見區(qū)類富里酸峰(C峰)。一般認為，A、C峰反映的是與外源輸入有關的腐殖酸和富里酸的熒光峰，與類富里酸和腐殖質結構中的羧基和羥基有關(Chen J et al.,2003; Jaffe et al.,2004)；B峰與D峰都是類蛋白質物質的熒光峰值。其中，B峰反映的是來自于生物降解的色氨酸類物質(Battin,1998)，D峰則是來源于生物降解的酪氨酸熒光峰值，是與微生物降解產生的芳香性蛋白類結構的熒光基團有關(Coble et al.,1998)。由此可知，若對DOM的熒光光譜進行分析，熒光峰值出現(xiàn)較強的A、C兩峰時，那代表了DOM主要來源于外源物質的輸入；若B、D兩峰值較強，則說明來自于微生物降解的類蛋白質物質占主要，即DOM的內源產物占主體。但是，工業(yè)廢水和生活污水的排入，含有大量的有機污染物，使得水體中DOM的類蛋白熒光強度增加。因此，單純的從熒光峰的強度上無法判別出現(xiàn)較高類蛋白熒光強度的那部分DOM是來自于內源還是外源污染物的排入。這種估測法只能估算內、外源的大體比例，如兩種峰值類似時，并不能根據(jù)熒光光譜的峰值定量分析DOM內外源的相對貢獻。

在利用三維熒光光譜進行濕地DOM源識別時，結合研究區(qū)周邊環(huán)境因素，根據(jù)熒光強度的峰值，特別是類蛋白峰的峰值，可以判別濕地周邊工業(yè)、企業(yè)以及生產生活過程中產生的有機污染物對研究區(qū)域的影響。根據(jù)DOM類蛋白峰的強度，追蹤DOM的外源，從而從根源上做到治理環(huán)境污染的目的。

1.2 熒光指數(shù)與光譜斜率法在濕地DOM識別中的應用

由于DOM是來自于各種環(huán)境的一種復雜的混合物，對它并不能進行單一的分離性的研究，那么，能夠發(fā)出熒光的熒光基團的信息就比較難獲得。但是，熒光指數(shù)(FI)和光譜斜率(S)值的大小能夠指示DOM的不同來源，因此可以用FI和熒光光譜斜率S對DOM的來源進行分析研究。

FI=f450/f500是指激發(fā)波長為370 nm時，熒光發(fā)射光譜強度在450nm與500nm處的比值。McKnight等(2001)研究指出，當DOM的FI的值處于1.40左右時，表明DOM的熒光基團主要是由陸源產生的；當FI的值處于1.90左右時，說明DOM的熒光發(fā)射基團主要來自于水生生物(Baker et al.,2001; Baker,2001; 郭旭晶等,2012； 馮偉瑩等,2013)。馮偉瑩等(2013)研究發(fā)現(xiàn)烏梁素海沉積物中DOM的FI處于1.74～1.96之間，說明其DOM 的來源表現(xiàn)出內源和外源的雙重特性，其中內源主要是由蘆葦?shù)戎参锼劳龈癄€分解產生，而外源主要來自于周圍農田退水的大量輸入。郭旭晶等(2012)研究發(fā)現(xiàn)，烏梁素海沉積物孔隙水中DOM的FI處于1.57～1.82之間，但總體而言，F(xiàn)I更接近于1.6，這說明DOM的陸源輸入占較大的比重。同時，用三維熒光光譜對其DOM的研究發(fā)現(xiàn)，DOM的三維熒光光譜中有A、B、C、D四個熒光峰，并且紫外區(qū)的熒光峰A、B強于可見區(qū)的熒光峰C、D峰。Baker等(2001)研究表明，類蛋白峰的熒光強度與外源輸入的河流中DOM受工業(yè)污染的程度密切相關。烏梁素海上游地區(qū)的工業(yè)廢水和城市生活污水以及農業(yè)退水在此被稀釋降解。他們的研究都可以說明該水域DOM的類蛋白質物質主要是來自于工業(yè)廢水、生活污水和農業(yè)退水的輸入，這證明了用FI對DOM源識別的結果，即該區(qū)域外源輸入的DOM占主導。

另外，用紫外光譜法可以獲得光譜斜率S。與更多的外源性DOM相比，內源物質在較長波長處的吸收并不強烈，使得內源性DOM的S值較大。另外，富里酸物質和腐殖質物質對光譜斜率具有一定程度的影響。一般情況下，外源輸入的物質中腐殖質物質所占的比例較大，而富里酸結構的物質所占比例較小，DOM的分子量較大，S值較低(Markager et al.,2000)。因此S可以用來確定內源和外源相應的特征。也就是說，S值越大，表明DOM的內源性越強；S值越小，則DOM的外源性越強。Jessica等(2010)在地表—地下水域DOM的來源和季節(jié)性變化模式的研究中指出，春季和夏季水流中DOM的S值比較大，這表明春夏季該區(qū)域水體中DOM主要來源于內源；而在秋季時S值較低，說明秋季該區(qū)域水體中DOM主要來自于外源。這種情況出現(xiàn)的原因可能與該研究區(qū)域春季和夏季時陽光比較強烈，浮游植物的初級凈生產力比較大有關。浮游植物通過光合作用產生大量內源性DOM，遠大于由春季融雪和夏季降雨徑流帶來的外源性DOM的量。同時，秋季植物凋落物的量比較大，由凋落物帶來的外源性DOM的量比較大，而此時光照降低，葉綠素濃度減小，由水體浮游植物產生的DOM的量要明顯小于外源輸入的DOM的量。由此表現(xiàn)在S值上，即秋季DOM的S值較小，而春夏季的S值較大。

2 同位素法在濕地DOM源識別中的應用

同位素是指具有相同質子數(shù)，但中子數(shù)不同的同一種元素的總稱，包括穩(wěn)定性同位素和放射性同位素兩種。在濕地DOM的源識別中，通常使用穩(wěn)定同位素13C識別不同來源的DOM，還可結合放射性碳同位素14C對其來源的年齡進行進一步估測。

2.1 穩(wěn)定性碳同位素比值(δ13C)法在濕地DOM源識別中應用

δ13C為濕地DOM外源和內源中碳同位素比值，對DOM中δ13C進行測定，在很大程度上能說明DOM的來源。Anne-Catherine等(2011)運用同位素和質量平衡相結合的方法研究了富營養(yǎng)化水庫中DOC的來源，研究結果表明，該富營養(yǎng)化水庫中DOC都來源于外源的輸入。在富營養(yǎng)條件下，藻類的數(shù)量大量增加，但是在該時期測得的δ13C值與外源河流中輸入到該水庫中DOC的δ13C值在統(tǒng)計學上并沒有差別，也就是說該水庫中DOC的濃度與藻類細胞數(shù)量之間并沒有顯著的相關關系。而且，在垂直方向上，DOC隨深度的變化不大，這說明水庫中DOC的量與葉綠素a或光照之間也沒有正相關關系。這些研究結果都顯示該富營養(yǎng)化水庫中DOC都來源于外源的輸入。但在該研究中有一個特殊現(xiàn)象，即在3月和5月的風暴流時期，水庫中DOC的濃度有一個顯著增加，但是DOC和注入的水流之間并沒有相關性。那就說明增加的這部分DOC不是外源輸入的，那可能就是內源產生的。由此可以推斷，這種方法僅限于了解一般條件下DOC的內、外源情況，若出現(xiàn)特殊情況，比如水生生態(tài)系統(tǒng)中存在著能分解利用外源不穩(wěn)定DOM的微生物，那么用這種方法確定的DOM內外源情況就可能會存在較大誤差。

在具有不同潛在來源的地區(qū)，若這些來源具有不同的碳同位素特征，那么碳同位素仍可以作為示蹤DOM來源的有效示蹤劑。陸地植被根據(jù)它們的光合途徑被分為含有兩種不同碳同位素特征的植物：利用C4或陰影性邊緣光合途徑的C4植物以及利用C3或辰光合途徑的C3植物(Deines,1980; O'Leary,1988; Farquhar et al.,1989)。C3植物在進行光合作用時對13CO2的利用率要比C4植物小的多。由這種同位素分餾現(xiàn)象可知，根據(jù)DOM中13C含量的多少能夠判定沼澤濕地中C3或C4植物占DOM總來源比例的相對大小。另外，不同生長環(huán)境的植物具有不同的穩(wěn)定性碳同位素值，而相同生長環(huán)境的同種植物具有相似的碳同位素值(Deines,1980)。因此可推測，DOM與其來源的植物含有相似的δ13C值，因此，差異顯著的光合型植物的δ13C值能夠用來確定DOM的來源(Parker et al.,1972; Spiker et al.,1975; Farquhar et al.,1989; Murphy et al.,1986)。

2.2 14C和13C相結合的方法

用13C對不同來源DOM進行示蹤，可以估測DOM的不同來源和各個來源所占的大致比例。但是該方法有很大缺陷。例如，Raymond等(2001)對河口、河岸和沿海中DOC和POC來源和循環(huán)的評估研究中提到，在河岸和河口遷移過程中，由于內源產生的補給，異養(yǎng)細菌的清除以及與非生物過程的共同作用，通常會使DOC中13C變得更加豐富，而其中的14C則被消耗降解。細菌利用實驗也說明，在細菌的生命活動中，DOC作為它們的一種能源，會優(yōu)先利用富含14C的那部分DOC。另外，濕地中DOM的來源多樣，并受多種因素影響，單獨利用13C進行來源研究，一方面，我們并不能保證DOM中所有組分的組成結構都含有13C；另一方面，我們也不能保證含有13C的組分僅僅代表了一種特定的來源。DOM組成部分之間具有很大的重疊性。因此，單一的利用一種同位素進行來源識別存在著很多誤差。該研究還說明大量的DOC仍有較豐富的14C(約70%)，與過去50年內固定的有機物的量一致，但美國一些西部河流中DOC卻處于貧14C狀態(tài)，可能的原因是年限較老的有機物對這些系統(tǒng)的貢獻。這些研究區(qū)域以前具有較大的農場和農業(yè)用地，農業(yè)實踐活動為此提供了很大一部分較老的有機物質(Howarth et al.,1991)。但由于研究中缺乏這部分貧14C的DOC中13C的相關數(shù)據(jù)，我們并不能肯定的說明這部分DOM就來自于較老土層的貢獻。它也可能來自于被礦化吸附和解析掉的14C的有機質物質(Mayer et al.,1998；Keil et al.,1997)。盡管我們并不能對此做出精確判斷，但相對于顆粒有機碳(POC)，DOC總是富含14C。這是由于來自于富含14C的新土層和凋落物的貢獻(Meybeck,1993)。由此我們可以知道，富含14C的DOM來源較新，而貧14C的DOM來源較老。另外，放射性碳同位素14C的半衰期為5730年，由此也證明14C可以用來區(qū)分老的土壤或是沉積物中具有較新來源的那部分DOM(Wang Y et al.,2002)。

Wang Y等(2002)也認為碳同位素年齡可作為識別DOM來源的重要工具。他們在對美國北部大沼澤地DOM的來源和遷移轉化的化學和碳同位素證據(jù)的研究中發(fā)現(xiàn)，DOC中放射性碳同位素的年齡介于新生成的到距今2400年之間，這說明該沼澤濕地中的DOC既來源于歷史泥炭地的沉積物，也來源于現(xiàn)代生長的植被。該研究中的每個采樣點中，大分子量的溶解有機碳(HMW DOM)的碳同位素年齡要比低分子量溶解有機碳(LMW DOM)的碳同位素年齡老，這說明美國北部沼澤區(qū)的HMW DOM來源于老的泥炭沉積物。由此可知，利用放射性碳同位素的年齡來識別DOM的來源，在含有泥炭地的沼澤濕地中比較適用。

同位素法不僅能識別濕地水體DOM的源，還能夠對DOM整個遷移過程進行示蹤，精確追蹤到每一部分穩(wěn)定DOM的具體來源物質，從而有助于我們從源頭對有機污染進行控制和管理。

3 C/N比值法在濕地DOM源識別中的應用

McKnight等(1991)和Aiken等(1992)在對黃腐酸中的元素進行分析和對13C核磁共振譜(13C-NMR)特性的描述中發(fā)現(xiàn)，內源有機質(如藻類或微生物的分解)中富里酸C/N比低于外源。McKnight等(1994)研究認為微生物細胞中氮的含量通常比高等植物亞麻科類中氮含量高。由此可見，C/N比可以反映DOM內、外源的相對貢獻。C/N比越低，DOM的來源中內源所占比例就越大；相反，若C/N比越高，DOM的外源輸入所占比例就越大。

Eran等(2005)對落基山水流中DOM的來源進行分析顯示，在高山區(qū)收集的水樣中DOM的N負荷較高，碳含量較低，那么C/N比就較低，說明高山區(qū)水流中DOM主要來源于自身生產，內源占主導。在亞高山則恰好相反。這與Baron等(1991)，McKnight等(1997，2001)在落基山脈用化學和熒光光譜技術對DOM來源進行研究的結果一致。他們的研究結果指出，在沒有湖泊的河流段，DOM主要來源于陸地源類的腐殖質物質，而在有湖泊的地區(qū)，特別是在夏季光合作用比較強時，水中DOM主要由湖泊中的藻類通過自身作用產生。另外，Milliman等(1984)采用C/N比來研究冬季長江口區(qū)有機物的來源，并把C/N比作為DOM來源的分析值做了定量化規(guī)定，他們規(guī)定陸源輸入有機物的C/N比大于12，海源輸入的有機質C/N比一般都小于8，受到陸地和海洋雙重影響的沉積物中有機質C/N比大于5或8。宋金明(2003)通過研究C和N元素之間的相關關系，認為可以用C/N比來判別DOM中的物質來源。另外，Lamb等(2006)也認為不同沉積環(huán)境和類型的DOM，C/N比也不相同。

近年來，由于農業(yè)生產發(fā)展和人類活動的影響，使有機肥等含氮物質得到廣泛使用，它們經降雨或雷電等過程進入水體，使水體中營養(yǎng)物質增加。藻類等水生植物通過吸收含氮營養(yǎng)物質而生長，從而使藻類釋放的DOM增加。由此可推斷，在將來的水生生態(tài)系統(tǒng)中，內源產生的DOM可能會持續(xù)增加，而C/N比作為示蹤DOM來源的準確性和可用性也會提高。

4 生物標志法在DOM源識別中的應用

在用生物標志法對DOM進行源識別時，最常見的生物標志物是木質素。木質素是僅存在陸生維管植物組織中的一種生物聚合物。根據(jù)植物來源發(fā)現(xiàn)，木質素在各環(huán)境中具有較高的穩(wěn)定性和抗降解能力，因此它能夠用來指示物質的植物來源(Hedges et al.,1979)。而且木質素等生物標志物對物源的變化很敏感，可以反映出更細致的物源變化。

木質素分解產物的單體有P、V、C、S四類(Hedges et al.,1979)，其中S/V較高的值說明DOM來源于被子植物，較低的值說明來源于裸子植物(Hedges et al.,1979)。一般而言，在討論非降解的植物組織時，S/V的值大于0.9時，說明是來源于木本被子植物，而C/V的值在0.3～1.2時則說明是來源于草本植物(Hedges et al.,1979,1982)。Hedges等(1997)認為木質素酚的豐度反映了陸地輸入有機物質的含量，在河流流量最大時，它的值也最大，這就說明在一年的某個時間里，河流中DOM的來源是一些難治理的陸地源。這就表明在高流量時期，河流中DOM主要來自于外源，特別是來自于維管束植物。另外，Amon等(2012)在研究北極大河流中DOM的來源時認為，河流中DOM的組成越年輕或越新鮮，木質素的濃度就越高，那么14C的含量也越高。這與用放射性同位素對DOM進行源識別的研究結果一致。由此認為，可以將DOM中放射性碳同位素14C的特性與木質素含量相結合，對DOM的來源作出更準確的判斷。

5 存在問題與展望

目前，在對濕地中DOM的來源進行識別的研究中存在著以下問題：

(1)濕地是連接水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯帶，濕地中DOM來源更為廣泛和復雜。而且多種來源的DOM具有重疊性，這樣就會使得濕地DOM源識別研究結果存在較大誤差。

(2)濕地中存在著各種各樣的生物化學行為，DOM進入濕地后會發(fā)生一系列的物理化學轉化。而且濕地環(huán)境大多都是開放流動的，進入其中的DOM會經過滲流或是地表徑流等過程進入其它生態(tài)環(huán)境，但我們并不是無時無刻的對樣品進行采集和測定，因此所測的DOM僅僅是進入到濕地中比較穩(wěn)定和固定的那一部分。

(3)我們所運用的源識別方法之間都是單一孤立的，不同方法之間的耦合性較小。即便是對相同地區(qū)用多種方法進行源識別研究，也會因為所用儀器、處理過程等的不同，使得研究結果之間存在很大差別。

基于濕地DOM源識別研究中存在的以上問題，今后應側重于以下三個方面的研究：

(1)加強各個方法之間差異性比較和相通性研究，找出不同方法之間的互補性，綜合運用各種方法進行源識別。利用同種方法不同示蹤劑之間的互補性進行研究，例如對于重疊性較高的DOM，可以運用兩種或兩種以上的同位素進行標記，以免對其來源進行重復識別，這樣能夠使結果更為準確。

(2)濕地土壤中存在許多反應機制(如微生物對DOM的分解和吸附作用)，也影響了各種方法對濕地DOM進行源識別的結果。濕地中DOM的遷移轉化給源識別研究帶來了一些困難。因此結合適宜的源識別方法研究濕地中DOM的遷移轉化機制，可以作為將來濕地DOM源識別研究的一個重要方向。

(3)不同的濕地生態(tài)環(huán)境具有其自身的結構和來源特點，研究需結合各種方法的優(yōu)缺點，對生態(tài)系統(tǒng)進行精確細小的劃分，如濕地水體可分為淡水、半咸水和咸水水體，而淡水系統(tǒng)又進一步劃分為靜水和動水。劃分的越精細，生態(tài)系統(tǒng)的宏觀復雜性就越低，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的作用機理就越清晰，各種影響因素也就越明顯，再結合各種識別方法的特點，選擇合適的研究方法，找出相對應的計算分析模型，使定量化分析更可行。由細分到總括的來分析各個系統(tǒng)中DOM更精確的來源可以作為濕地DOM源識別的另一個重要研究方向。