基于三維熒光光譜結合平行因子分析對春季北黃海有色溶解有機物的研究

藥怡良， 趙衛(wèi)紅， 苗 輝

1. 中國科學院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室， 山東 青島 266071

2. 青島海洋科學與技術國家實驗室， 海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室， 山東 青島 266071

3. 中國科學院大學， 北京 100049

基于三維熒光光譜結合平行因子分析對春季北黃海有色溶解有機物的研究

藥怡良1，3， 趙衛(wèi)紅1，2*， 苗 輝1

1. 中國科學院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室， 山東 青島 266071

2. 青島海洋科學與技術國家實驗室， 海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室， 山東 青島 266071

3. 中國科學院大學， 北京 100049

利用三維熒光光譜(EEMs)結合平行因子分析(PARAFAC)， 對我國春季北黃海海水樣品的熒光光譜進行了研究和分析。 結果表明， 北黃海有色溶解有機物(CDOM)中的熒光溶解有機物(FDOM)可分為四個組分， 其中兩組為類腐殖熒光組分c1(260， 315/425)和c2(295， 355/490)， 兩組為類蛋白熒光組分c3(275/310)和c4(230， 290/345)。 四個組分之間不同程度的線性相關性說明了它們同源相似性， 類腐殖質兩組分之間的相關性最高， 類蛋白質兩組分次之。 四個熒光組分和總熒光強度在平面分布和垂直分布都呈現(xiàn)近岸高， 遠岸低的趨勢， 同時除去陸源輸入影響， 海洋自身的水團運動和生物活動也影響著北黃海CDOM的分布。 聚類分析進一步說明了北黃海不同區(qū)域的總熒光強度分布特征， 也體現(xiàn)了整體上CDOM的均一性。 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX在一定程度上指示了北黃海CDOM的來源， 說明近岸區(qū)域陸源的影響較大， 而向海一側則受生物活動的作用影響較大， 此結論與前述熒光組分的分布規(guī)律吻合。

三維熒光光譜； 平行因子分析； 有色溶解有機物； 北黃海

引 言

海洋有色溶解有機物(CDOM)是溶解有機物中的重要組成部分， 也是全球碳循環(huán)中的重要一環(huán)， 因而對CDOM的組成、 結構和來源進行研究具有重要價值和意義[1]。 三維熒光光譜技術(EEMs)結合平行因子分析(PARAFAC)是目前對水體中的熒光溶解有機物(FDOM)進行研究， 從而間接研究有色溶解有機物(CDOM)的重要方法， 具有易識別， 無污染， 準確高效的明顯優(yōu)點， 因而也被廣大學者應用于湖泊、 河流、 海灣、 大洋等不同天然水體的調查研究中[2]。 北黃海是山東半島， 遼東半島和朝鮮半島之間的半封閉海域， 海域面積約為8萬多km2， 平均水深40 m， 沿海分布著眾多經濟發(fā)達城市， 有鴨綠江等河流匯入， 屬我國近海， 對此海域進行的CDOM的研究目前仍然較少， 因而本研究對深入了解該水域有機物生物地球化學循環(huán)具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 樣品預處理

樣品采集于2007年4月22日—5月5日北黃海春季航次， 范圍在120°—124°E， 37°—40°N之間， 站位如圖1所示。 用Niscon采水器采集各站位0 m層、 10 m層和底層水樣， 經Whatman GF/F濾膜φ=0.25 mm過濾， 封裝于60 mL的棕色玻璃瓶中， 依次編號且冷凍保存。 GF/F膜和棕色玻璃瓶均在450 ℃下預灼燒4 h。

1.2 三維熒光光譜的測定

使用日立F-4500型熒光分光光度計對Milli-Q超純水和海水樣品進行測定， 配1 cm石英比色池； 激發(fā)波長范圍在200～500 nm， 發(fā)射波長范圍為250～650 nm， 步長均為5 nm， 其他參數(shù)設定參考文獻[3]。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

以Milli-Q超純水的三維熒光光譜作為空白對照， 各個樣品扣除空白以去除拉曼散射。 把數(shù)據(jù)控制在Ex+10

圖1 北黃海采樣站位

1.4 平行因子分析中因子數(shù)的選擇和組分判定

在Matlab2013a中調用DOMFlour工具箱， 對281個樣品的EEMs進行平行因子(PARAFAC)分析。 去除個別異常值之后， 剩余262個數(shù)據(jù)， 先用殘差法比較各組的殘差值大小， 再用一分為二法對2～7組分中的有效組分進行驗證， 最終確定4因子模型適合， 并得到了組分的相對熒光強度數(shù)據(jù)。

1.5 熒光強度

1.6 聚類分析

本研究中選用系統(tǒng)聚類法對所有樣品進行了分析， 并用歐式距離定義樣品之間的距離。 通過反復計算與合并， 最終的聚類結果由一個譜系圖展示出來。

1.7 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX

熒光指數(shù)FI的計算方法為： 激發(fā)波長λex=370 nm時， 發(fā)射光譜在450與500 nm處的熒光強度比值[6]。 通常認為FI具有指示CDOM來源的作用[6-7]。 腐殖化指數(shù)HIX為激發(fā)波長255 nm時， 發(fā)射波長在435～480與300～345 nm波段中的熒光強度積分值(或平均值)之比， 可用于估計溶解有機質的腐殖化程度[8-9]。 生源指數(shù)BIX為激發(fā)波長為λex=310 nm時， 發(fā)射波長在380與430 nm處熒光強度的比值， 可用于衡量新近的水生生物生產貢獻[9]。

2 結果與討論

2.1 北黃海溶解有機物的熒光組分

PARAFAC模型對EEMs解析得出4個熒光組分(圖2)， 分別為c1(260， 315/425)， c2(295， 355/490)， c3(270/

圖2 平行因子分析得到的4個組分及其激發(fā)發(fā)射波長

310)， c4(230， 290/345)。 經過與文獻對照和比較(表1)， 可以看出其中兩個組分可歸為類腐殖質組分： c1(260， 315/425)和 c2(295， 355/490)； 另兩個組分為類蛋白質組分： c3 (270/310)和 c4 (230， 290/345)。

表1 北黃海CDOM的熒光組分

根據(jù)Coble等[10]在1996年的報道， c1組分應該為M峰(312/380～420)與A峰(260/380～460)的結合， M峰的物質一般認為是海源腐殖質， A峰是陸源或海源腐殖質， 因而c1具有類腐殖質的熒光特征, Murphy等[12]在大西洋和太平洋的海洋天然水體中曾發(fā)現(xiàn)與本研究中的c1組分十分接近的物質。 c2的熒光峰具有陸源腐殖質特征， 廣泛發(fā)現(xiàn)于各類天然水體中， Stedmon[14]等在丹麥河口流域中曾發(fā)現(xiàn)相似的物質。 c3和c4組分分別是類酪氨酸和類色氨酸， 屬于類蛋白質， Baghoth等[16]2011年在向阿姆斯特丹供應飲用水的兩家處理站的樣品中， 以及Stedmon等[15]在丹麥霍森斯河口流域， 均有發(fā)現(xiàn)與本文c3和c4組分相對應的組分。

2.2 各熒光組分之間相關性分析

熒光組分之間相關性分析結果見表2， 四組熒光組分之間均呈現(xiàn)顯著的相關性， 類腐殖質c1與c2、 類蛋白質c3與c4之間相關性系數(shù)r均大于0.85， 表明兩種類腐殖質和兩種類蛋白質各有相近的來源。 c1和c3， c1和c4也有一定的相關性， 說明c1與其他三個組分在來源上均有一定聯(lián)系。 而c2組分與c3， c4組分之間相關性系數(shù)r均小于0.65， 體現(xiàn)了來源的差異性。

表2 4組分熒光強度之間的關系

2.3 各熒光組分的空間分布特征

組分c1和c2， c3和c4之間各自具有高度的相關性， 因而下文中均以c1和c3作為代表對各組分的平面分布和垂直

圖3 c1， c3和總熒光強度在3個水層上的水平分布

分布規(guī)律進行探討。

2.3.1 平面分布

圖3展示了熒光組分c1和c3以及總熒光強度在0， 10 m和底層的水平分布情況， 總體來說， 陸地沿岸和靠近渤海的站位等值線更加密集， 且熒光強度較高， 而離山東半島和遼東半島距離較遠的海域， 通常出現(xiàn)較低熒光強度， 這很可能是受到了陸地輸入和沿岸的人類活動的影響。 總熒光強度呈現(xiàn)西高東低的特點， 即總熒光強度從靠近渤海和陸地邊緣的海區(qū)向著離岸向海方向有逐漸減小的趨勢。

2.3.2 垂直分布

本文截取的C1， C5， C10和B1四個斷面的垂直分布情況如圖4。 在這四個斷面上， 組分c1， c3與總熒光強度的垂直分布規(guī)律呈現(xiàn)相似性， 可總結為： 近岸區(qū)域的熒光強度由于明顯受到陸源輸入影響而呈現(xiàn)高值， 遠離沿岸的區(qū)域熒光強度有逐漸減小的趨勢； 除陸源輸入的影響外， 熒光強度的高低分布還受到海流和海洋自生源的影響， 如C1斷面沿岸的高值區(qū)域可能受到富含有機物的渤海海水的輸入的影響， C5斷面山東半島一側中下層的熒光高值可能是山東半島的沿岸流系導致的， 而該斷面中部的中下層高值則是海洋生物產生的， C10斷面的中層受到生物活動影響， 熒光強度有一定升高， B1斷面沿岸受到了繞過山東半島南下的沿岸海流的輸入影響。

圖4 c1， c3和總熒光強度在斷面C1， C5， C10和 B1的垂直分布

2.4 聚類分析

聚類分析結果分為圖5所示的(a)， (b)， (c)和(d)四組。 (a)組中有C801， C904和C102站位， 它們分別緊鄰廣鹿島、 獐子島和大連市， 與圖3中TFI水平分布的高值區(qū)相對應， 這可能是人類活動的強烈影響造成的， 而C102可能還受到來自富含有機物的渤海水流的影響。 (b)組中站位C1001和A710位于調查海域的東北角， 該組很可能是受到來了來自鴨綠江的徑流輸入從而呈現(xiàn)出一定的高熒光強度特征。 (c)組包含了調查區(qū)域的大多數(shù)樣品(156個)和大部分站位， 說明了北黃海在整體上呈現(xiàn)出均一性。 (d)組包含的站位呈現(xiàn)出沿山東半島分布的特征， 這一區(qū)域工業(yè)區(qū)域密集， 水產業(yè)發(fā)達， 因而受人類活動影響強烈， 同時這與類蛋白質組分c3和c4在此區(qū)域的分布特征呈現(xiàn)一定的吻合性， 說明此區(qū)域的生源活動是一個重要的影響因素。

圖5 聚類站位分布

2.5 熒光指數(shù)FI、 腐殖化指數(shù)HIX和生源指數(shù)BIX

熒光指數(shù)FI整體上在0.94～1.35之間， 這說明調查海域的表層CDOM受陸源影響十分明顯。 表層連接南黃海的極小區(qū)域出現(xiàn)高值說明該海區(qū)受海洋自生源影響更大。 底層海區(qū)中部和與南黃海相連區(qū)域的FI出現(xiàn)高值， 體現(xiàn)了受到陸源影響減小的特點。 腐殖化指數(shù)HIX表層和10 m層的分

布特點為自沿岸至向海一側逐漸減小， 這與FI的分布有一定的一致性， 且隨著深度增大， 底層HIX的數(shù)值分布特征趨于均一， 這可能是底層受到陸源影響減小和底層再懸浮作用導致的。 BIX在0 m層、 10 m層和底層整體分布較均勻且都大于0.76， 說明北黃海在此三個水層都有比較強烈的生物活動， 尤其是遠離沿岸的海域， 生源特征明顯增加， 且在垂直梯度上， BIX的高值區(qū)域隨深度增加更加向遠離陸地的區(qū)域集中， 這與HIX的分布規(guī)律恰好相反。

3 結 論

(1) 利用PARAFAC模型分析之后得到春季北黃海的4個熒光組分： 類腐殖質熒光組分c1(260， 315/425)c2(295， 355/490)和類蛋白熒光組分c3(275/310)c4(230， 290/345)。

(2) 四種熒光組分都有顯著的相關性， 表明四種組分在來源或者結構上都有一定的聯(lián)系。 其中類腐殖熒光組分c1和c2的R值最高， 類蛋白熒光組分c3和c4次之， 說明同類型的熒光組分間， 來源更為相近。

(3) 各熒光組分的熒光強度與總熒光強度在水平方向上總體呈現(xiàn)近岸高， 遠海降低的趨勢。

(4) 各熒光組分和總熒光強度在垂直的四個斷面上有各自的分布特征， 在靠近陸地的海域主要受陸源輸入的影響， 而離岸較遠的區(qū)域受到的陸源作用減少， 同時受到了一定的海流影響。

(5) 三個熒光指數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)近岸受陸源影響大， 向海一側的區(qū)域海洋生源特征更加明顯的特點。

[1] JI Nai-yun(季乃云). Fluorescent Dissolved Organic Matter and Its Relationship with Environmental Factors in Jiaozhou Bay(膠州灣熒光溶解有機物機器與環(huán)境因子關系的研究). Graduate School of Chinese Academy of Sciences(中國科學院研究生院), 2005.

[2] Dainard P G, Gueguen C. Marine Chemistry, 2013, 157: 216.

[3] Lü Gui-cai, ZHAO Wei-hong, WANG Jiang-tao(呂桂才， 趙衛(wèi)紅， 王江濤). Chinese Journal of Analytical Chemistry (分析化學), 2010, 38(8): 144.

[4] GUO Wei-dong, CHENG Yuan-yue, WU Fang(郭衛(wèi)東， 程遠月， 吳 芳) . Journal of Marine Science Bulletin(海洋通報), 2007, 26(1): 98.

[5] ZHOU Qian-qian, SU Rong-guo, BAI Ying, et al(周倩倩， 蘇榮國， 白 瑩， 等). Environmental Science(環(huán)境科學), 2015, 36(1): 163.

[6] Mcknight D M, Boyer E W, Westerhoff P K, et al. Limnology and Oceanography, 2001, 46(1): 38.

[7] Battin T J. Organic Geochemistry, 1998, 28(9/10): 561.

[8] Zsolnay A, Baigar E, Jimenez M, et al. Chemosphere, 1999, 38(1): 45.

[9] Huguet A, Vacher L, Relexans S, et al. Organic Geochemistry, 2009, 40: 706.

[10] Coble P G. Marine Chemistry, 1996, 51: 325.

[11] Yamashita Y, Jaffé R, Maie N, et al. Limnology and Oceanography, 2008, 53: 1900.

[12] Murphy K R, Stedmon C A, Waite T D, et al. Marine Chemistry, 2008, 108: 40.

[13] Fellman J B, Hood E, Spencer R G M. Limnology and Oceanography, 2010, 55(6): 2452.

[14] Stedmon C A, Markager S, Bro R. Marine Chemistry, 2003, 82: 239.

[15] Stedmon C A, Markager S. Limnology and Oceanography, 2005, 50(2): 686.

[16] Baghoth S A, Sharma S K, Amy G L. Water Research, 2011, 45: 797.

Studied on Colored Dissolved Organic Matter of Spring in North Yellow

*Corresponding author

Sea with Three-Dimensional Fluorescence Spectroscopy Combined with Parallel Factor Analysis

YAO Yi-liang1,3, ZHAO Wei-hong1,2*， MIAO Hui1

1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

This paper conducted fluorescent spectra of dissolved organic matter of Spring China North Yellow Sea by using three-dimensional fluorescence spectroscopy (EEMs) combined with parallel factors analysis (PARAFAC). The results showed that the fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in colored dissolved organic matter (CDOM) of North Yellow Sea could be resolved to four components. Two components, c1 (260,315/425) and c2 (295,355/490) were identified as humic-like fluorescence components while c3 (275/310) and c4 (230,290/345) were protein-like components. The different linear correlations showed different degrees of similarities in the source or the chemical constitution, the relationship of the humic-like fluorescence components were most closely, followed by protein-like components. Four fluorescent components and total fluorescence intensity (TFI) in the horizontal and vertical directions had a higher intensity in coastal area than that of the area far away from the coast. Additionally, besides terrestrial input, the seawater mass movement also affects the distribution of CDOM in North Yellow Sea. Cluster analysis not only further illustrated the TFI characteristics of different areas of the North Yellow Sea, but also reflects the overall uniformity of the CDOM. Fluorescence Index (FI), Humification Index (HIX) and Biological Index (BIX) at some extent indicated the source of North Yellow Sea CDOM and the conclusion was that the near shore side gets greater influence from terrigenous sources while the sea side is more impacted by biological activity, which matched with the prior distribution patterns of fluorescence components.

Excitation-emission matrix spectroscopy; Parallel factor analysis (PARAFAC); Colored dissolved organic matter； North Yellow Sea

Jun. 23, 2015; accepted Oct. 12, 2015)

2015-06-23，

2015-10-12

國家基金委-山東省聯(lián)合基金項目(U1406403)， 國家自然科學基金項目(41276118)資助

藥怡良， 女， 1984年生， 中國科學院海洋研究所研究生 e-mail： yaoyiliang04@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： whzhao@qdio.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2532-06