西太平洋秋季130°E斷面有色溶解有機物的分布特征及光降解行為研究

劉可，楊琳，楊桂朋，張婧

( 1. 中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100；2. 中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東青島 266100)

1 引言

海洋溶解有機物（Dissolved Organic Matter, DOM）是地球表面上最大的還原碳庫之一[1]。DOM中能夠吸收紫外和可見光的組分，稱之為有色溶解有機物（Chromophoric DOM, CDOM）[2]。CDOM是一種復雜的混合物，是水環(huán)境中DOM重要的吸光部分，既能阻止有害紫外線對水生生物的傷害，保護水生生態(tài)系統(tǒng)，又能產(chǎn)生小分子有機物，為浮游植物所利用；但對可見光的吸收又會抑制光合作用，影響初級生產(chǎn)力[3]。CDOM吸光后能發(fā)出熒光的組分，稱為熒光溶解有機物（Fluorescent DOM, FDOM）[4]。目前采用三維熒光光譜（EEMs）結合平行因子分析（PARAFAC）技術來分析FDOM的熒光組分，進一步解析CDOM的來源[5]。

在海岸環(huán)境中，CDOM主要來自陸源的輸入[6]；而開闊大洋中CDOM主要來源于現(xiàn)場自生源[7]。目前，開放海域CDOM在海洋生態(tài)系統(tǒng)以及生物地球化學循環(huán)中的作用已有一定的研究，例如，CDOM既可作為海洋水色遙感中常用的參數(shù)[8]，也能作為光降解的底物[9]。光化學反應可將高分子有機物轉化為低分子有機物，為海洋浮游生物和微生物提供重要的營養(yǎng)物質[10]和碳源[11]，因此研究CDOM的光化學降解在海洋碳循環(huán)中的作用是非常有意義的。西太平洋處于中低緯度水團形成的十字路口[12]，環(huán)流系統(tǒng)復雜，且受到密度躍層的影響，因此整體具有高溫、寡營養(yǎng)鹽、低生產(chǎn)力的特征[13]。對西太平洋海域CDOM的分布特征已有一定了解[14–15]，而對該地區(qū)CDOM光降解行為的研究還較少。Yamashita和Tanoue[14]在太平洋海域的研究表明，熱帶和亞熱帶海區(qū)表層吸收系數(shù)a(320)和熒光強度分布基本相同。本文研究區(qū)域位于西太平洋熱帶海區(qū)，因此選取了一個站位來研究CDOM在太陽光模擬輻射過程中吸收光譜和熒光光譜的變化趨勢。

本文通過研究西太平洋130°E斷面上層200 m水體CDOM吸收光譜和熒光光譜的空間分布，以及CDOM在太陽光模擬實驗中的光降解行為，來探討該海域CDOM光降解對上層水體CDOM和FDOM分布特征的影響，這有助于進一步揭示西太平洋CDOM的化學組成和來源，及在西太平洋有機碳的生物地球化學循環(huán)中的作用。

2 材料和方法

2.1 樣品采集與預處理

本研究搭乘“科學”號海洋考察船，于2018年10月3日至11月5日對西太平洋進行現(xiàn)場調(diào)查，采樣范圍為2～21°N，130°E，總共采集了17個站位的樣品，如圖1所示。西太平洋中部的北赤道流在靠近菲律賓海岸時發(fā)生分流，一支是向北的黑潮（KC），另一支是向南的棉蘭老流（MC）[16]。隨著向南流動，在7°N和3°N附近分別形成了棉蘭老渦（ME）和哈馬黑拉渦（HE）兩渦旋，其中ME為冷渦[15–17]。此次調(diào)查采用CTD（SBE 911）和12 L的Niskin采水器在各站位采集水樣，采樣層次分別為表層、50 m、DCM（葉綠素濃度最大值水層）、150 m、200 m，用CTD測量深度、溫度和鹽度。

圖1 西太平洋秋季調(diào)查站位及主要環(huán)流Fig. 1 Sampling stations and the main currents in the western Pacific Ocean

樣品采集后立即取300 mL海水樣品用0.7 μm的GF/F膜過濾，濾液儲存于60 mL棕色玻璃瓶內(nèi)，用于CDOM的測定，冷藏避光保存直到實驗室進行分析。濾膜對折放入用錫紙包裹的10 mL離心管中用于葉綠素的測定，在?20°C冷凍保存。水樣進行光譜分析前，避光放置至室溫?，F(xiàn)場所用的濾膜、濾器、棕色玻璃樣品瓶和錫紙都預先在馬弗爐中450°C灼燒4 h[19]。另外取未過濾的100 mL水樣于聚乙烯瓶中用于營養(yǎng)鹽的測定，在?20°C冷凍保存。

2.2 測定分析

2.2.1 CDOM吸收光譜測定

CDOM的吸收光譜采用島津UV-2550紫外?可見分光光度計進行測定，在波長200～800 nm范圍內(nèi)進行掃描，間隔為1 nm，以Milli-Q水作為參比，配以10 cm的比色皿。通過減去700～800 nm范圍內(nèi)的平均值以校正由細小顆粒物散射和儀器引起的基線漂移[19]，吸收系數(shù)按以下公式計算：

式中，a(λ)為CDOM在波長 λ處的光吸收系數(shù)（單位：m?1）；A(λ )為波長 λ 時的吸光度；A(λo)為700～800 nm間吸光度的平均值；L為比色皿長度（單位：m）。在研究西太平洋海域時，Yamashita和Tanoue[14]及王澤華等[15]都表明用320 nm處的吸收系數(shù)能夠更好地表征CDOM的吸收光譜，故本研究也選取a(320)來表征CDOM的相對濃度。

光譜斜率計算公式如下[20]：

式中，a(λ)為光吸收系數(shù)； λo為參比波長；S為吸收光譜曲線的光譜斜率（單位：nm?1），在275～295 nm范圍內(nèi)對吸收曲線進行擬合得到S值（S275?295），參比波長選擇280 nm[19]；K為背景參數(shù)。光譜斜率S275?295是通過Origin軟件非線性擬合得到的，能很好地表征CDOM分子量的大小，還可示蹤CDOM在UV-B短波段內(nèi)的光化學反應，來預測CDOM的來源[21–22]。

2.2.2 FDOM三維熒光光譜測定

采用F-4500熒光分光光度計對樣品進行三維熒光分析測定，以Milli-Q水作為空白，進行熒光掃描。激發(fā)光源為150 W氙燈，光電倍增管電壓700 V，掃描速度為2400 nm/min，激發(fā)波長200～400 nm，發(fā)射波長250～500 nm，間隔均為5 nm。測定的熒光結果扣除Milli-Q水的空白后，采用德洛內(nèi)（Delaunay）三角形插值法[23]消除拉曼散射和瑞利散射[24]，并以Milli-Q水為參考基準，對所得到的信號進行歸一化處理，并以拉曼單位（Raman Unit, R.U.）來表示。在樣品的整個測試過程中，嚴格控制Milli-Q水和樣品的溫度、樣品空白等條件，以保證所獲得結果具有可靠性。最后將數(shù)據(jù)導入到MATLAB軟件中，采用平行因子分析來確定主要的組分數(shù)[25]。

2.2.3 葉綠素a的測定

采用熒光法測定葉綠素a（Chla）的含量[19]，主要步驟分為：在4°C的黑暗條件下，用10 mL 90%的丙酮溶液萃取濾膜24 h左右，然后在4000 r/min轉速下離心10 min，取上清液2 mL測定。用熒光分光光度計F-4500在激發(fā)波長為436 nm、發(fā)射波長為670 nm的條件下測定，然后根據(jù)Chla的標準曲線求得Chla濃度，該方法的檢測限為0.01 μg/L。

2.2.4 營養(yǎng)鹽的測定

取出樣品自然解凍至室溫，在實驗室用營養(yǎng)鹽自動分析儀（AutoAnalyzer 3，SEAL）測定，具體的實驗方法見參考文獻[26]。

2.3 溶解氧的采集與測定

打開Niskin采水器上方氣門，先放出少量海水洗滌溶解氧（DO）樣品瓶兩次，然后把玻璃管插到DO瓶底部，裝滿至海水溢出瓶體積約2倍時輕緩提起玻璃管移出，立即加入氯化錳和堿性碘化鉀溶液，蓋好瓶塞（注意不要有氣泡），再將瓶上下顛倒30余次，使之混合均勻，放在暗處。樣品固定1 h后，先加酸溶解，再用硫代硫酸鈉標準溶液滴定游離碘，換算DO濃度。

2.4 光化學降解

如圖1所示，在E130-30站位表層5 m采集大體積海水樣品，用聚醚砜膜（0.22 μm，PALL）過濾，除去大部分細菌，置于酸洗和灼燒過的1 L棕色玻璃瓶中。將水樣裝入密閉的石英管中（體積約95 mL），在模擬太陽光（CPS+）下照射，通過循環(huán)水來保證整個實驗過程中溫度恒定為25°C，分別在光照0，12 h，24 h，48 h，60 h取樣。為排除其他因素對光降解的影響，用錫箔紙包裹石英管（暗處理）在光照24 h和60 h后取樣，作為對照組。

3 結果與討論

3.1 西太平洋CDOM的吸收光譜特征

西太平洋調(diào)查海域秋季130°E斷面上層水體溫度、鹽度、a(320)、Chla、S275?295、DO的分布趨勢如圖2所示。由圖2a可知，海水表層溫度約為30°C，隨水深增加而逐漸降低，到100 m水深其溫度開始迅速降低出現(xiàn)溫躍層，最高值出現(xiàn)在E130-16站位表層。鹽度（圖2b）范圍為26.48～35.39，在表層低、次表層較高。Chla的濃度范圍為0.011～0.730 μg/L（圖2d），最高值出現(xiàn)在E130-26站位的75 m水深，Chla濃度低于1 μg/L，說明該海域具有低生產(chǎn)力的特征[13]。

吸收系數(shù)a(320)的變化范圍為0.025～0.640 m?1，平均值為（0.20±0.08） m?1，此值與王澤華等[15]研究的西太平洋冬季上層水體CDOM的吸收系數(shù)（0.01～1.07 m?1，平均值為0.18 m?1）相比，平均值相近。如圖2c所示a(320)在緯度方向的0～200 m水層呈高低交錯的垂直條帶分布，且在菲律賓海的5°～15°N范圍內(nèi)集中出現(xiàn)高值。在垂直方向上，a(320)表層相對較低，隨深度增加而增加，在100～200 m水層集中出現(xiàn)較高值，個別水域位于50～100 m水層。由圖2d可知在Chla出現(xiàn)高值的區(qū)域，a(320)均沒有出現(xiàn)高值，這可能與海洋浮游植物在生長期間新產(chǎn)生的溶解有機物在表層和真光層易發(fā)生光降解有關[27]。a(320)在100～200 m水體較高，DO濃度較表層低，Yamashita和Tanoue[14]發(fā)現(xiàn)a(320)與DO在太平洋也有類似的分布特征，DO濃度較低是由于海洋內(nèi)部的生物活動，說明a(320)在西太平洋出現(xiàn)高值可能與次表層的生物活動有關。吸收系數(shù)a(320)與溫度、鹽度、DO、營養(yǎng)鹽的相關性分析如表2所示，a(320)與DO有明顯的負相關性，但與氮、磷、硅營養(yǎng)鹽有顯著正相關性。西太平洋上層水體鹽度范圍基本在30～35之間，受河流等陸源物質輸入影響較小，故此海域CDOM可能主要源于生物的生產(chǎn)活動。

光譜斜率S275?295可以用來表征分子量的大小和來源，S275?295越高，分子量越小[21–22]。Helms等[22]發(fā)現(xiàn)S275?295在開闊海域中較高，近岸河口海域較低。S275?295的分布如圖2e所示，S275?295變化范圍介于0.016～0.112nm?1之間，平均值為（0.035±0.009） nm?1，具有表層較高、75 m以下較低的特征，表明研究海域表層CDOM分子量較小，75 m以下CDOM分子量較大。del Vecchio和Blough[28]發(fā)現(xiàn)海洋中S275?295在0.02～0.03 nm?1范圍內(nèi)，而西太平洋海域S275?295平均值高于此數(shù)值范圍，說明研究海域有機質具有明顯海源性特征。在研究區(qū)域上層水體中，a(320)在50 m以淺水體相對較低，但該水層S275?295較高、海水溫度高于25°C，推測是由于太陽輻射使現(xiàn)場生產(chǎn)的CDOM發(fā)生較強的光漂白降解所致[28]。S275?295在站位E130-16（9°N）表層出現(xiàn)最高值，而a(320)最低、溫度最高，可能由于此站位CDOM的光降解程度更為劇烈。a(320)在站位E130-24的150 m水層上下出現(xiàn)最高值，S275?295相應最低，說明分子量最大，可推測該處存在CDOM的再生產(chǎn)或積累作用。

3.2 FDOM的熒光光譜特征

3.2.1 熒光組分特征

對研究區(qū)域FDOM的三維熒光光譜進行平行因子分析，鑒別出兩種熒光組分如表1所示。與文獻進行對比可知：分別為類酪氨酸組分C1和類腐殖質組分C2。C1峰對應的激發(fā)/發(fā)射波長為（270（225）nm/310 nm）與類酪氨酸B峰相似[30–31]，屬于典型的類蛋白質組分，主要來源于微生物降解或生物殘骸[29]。C2（290 nm/410 nm）峰為海洋類腐殖質，也稱為“M”熒光團[29]，在太平洋[14]和大西洋海灣[34]中已經(jīng)觀測到，其主要與海洋微生物對有機物的降解有關[30]。

圖2 西太平洋上層水體溫度、鹽度、a(320)、Chl a濃度、S275-295、DO濃度的分布Fig. 2 Distribution of temperature, salinity, a(320), Chl a concentration, S275-295, DO concentration in the upper waters of the western Pacific Ocean

表1 西太平洋上層水體FDOM的主要熒光組分Table 1 Principle fluorescent component of FDOM in the upper waters of the western Pacific Ocean

3.2.2 FDOM熒光組分的分布特征

上層水體中兩種熒光組分的熒光強度分布如圖3所示，類酪氨酸C1的熒光強度范圍為0.00046～0.03600 R.U.，平均值為（0.00890±0.00940） R.U.。海洋類腐殖質C2的熒光強度范圍為0～0.0160 R.U.，平均值為（0.0056±0.0046） R.U.。C1的平均熒光值高于C2。類酪氨酸C1在棉蘭老渦處附近（E130-20站位）出現(xiàn)較強的熒光強度（圖3a），可能因為棉蘭老冷渦所伴隨的上升流將較深處的營養(yǎng)物質帶至上層水體[4,26]，促進浮游植物的生產(chǎn)活動并使Chla濃度升高，說明C1與浮游植物的生產(chǎn)活動有關；75 m水深以下水溫較低（＜25°C），光照較弱，Chla濃度、DO濃度均相對較低（圖2d，圖2f），說明浮游植物活動性較弱，C1在該水體熒光值較高可能受微生物利用棉蘭老渦?上升流攜帶的營養(yǎng)物質進行生物活動的影響[11]。結果表明棉蘭老冷渦?上升流所帶來的營養(yǎng)物質促進浮游植物生產(chǎn)和微生物活動，同時促進類酪氨酸C1產(chǎn)生。

圖3 西太平洋上層水體中C1和C2熒光強度的分布Fig. 3 Distribution of C1 and C2 fluorescence intensity in the upper waters of the western Pacific Ocean

表2 西太平洋上層水體a(320)和熒光組分與溫度、鹽度、DO濃度、Chl a濃度、營養(yǎng)鹽的相關性分析Table 2 Correlation analysis of a(320) and fluorescent components with temperature, salinity, DO concentration, Chl a concentration,and nutrients in the upper waters of the western Pacific Ocean

如圖3b所示垂直方向上，類腐殖質C2在100～200 m水層較高（除7°N附近），表層較低，可能因為表層較強的太陽輻射促進海水FDOM發(fā)生光化學降解[4]。Chla濃度與C2熒光值的分布沒有相關性（表2），Rochelle-Newall和Fisher[35]研究表明，海洋類腐殖質熒光物質不來源于海洋浮游植物，源于細菌生物量的增加。另外，類腐殖質C2在E130-4站位出現(xiàn)最高熒光值（圖3b），此站位位于黑潮源區(qū)[16,36]，具有較明顯的高溫、高鹽特征（圖2a，圖2b）。故C2可能來源于黑潮在流經(jīng)呂宋島東側暖渦所帶來的東南、北向流交替而產(chǎn)生的海洋類腐殖質[16]。

3.3 CDOM的光化學降解

3.3.1 CDOM的光降解

為更好地了解CDOM在光化學降解過程中的組成成分及性質的變化規(guī)律，同樣選取吸收系數(shù)a(320)作為研究對象。在E130-30站位采集的表層水樣可能已經(jīng)在海洋中發(fā)生過光降解，但在實驗室進行光照模擬實驗發(fā)現(xiàn)CDOM仍能發(fā)生劇烈光降解，如圖4a所示。a(320)在光照60 h后吸收系數(shù)從開始的0.063 m?1下降到0.010 m?1。a(320)在前12 h降解速率很快，降解到初始的60.9%。a(320)從12～48 h一直逐漸增加，可能是因為前12 h降解較快，生成大量的低分子DOM，在光誘導下這些低分子量有機物會發(fā)生合成作用[37]，使CDOM逐漸升高在48 h時達到最大。但隨光照時間的增加，由光誘導作用合成的CDOM會逐漸降解，到60 h時CDOM下降為0.01 m?1。而對照組即暗處理在相同的實驗條件下，吸收系數(shù)基本上保持不變，可以說明實驗過程中a(320)的減少是因為光降解引起的。由圖4b可知，S275?295在前12 h逐漸增加，之后逐漸下降，到48 h出現(xiàn)最低值（0.039 nm?1），最后又逐漸增加，到60 h出現(xiàn)最高值為0.067 nm?1。結果表明，光降解中a(320)減小，S275?295會增加，說明光降解導致CDOM分子量降低。在整個光照實驗中，考慮暗處理對S275?295的影響后，光輻射下發(fā)生的光化學反應使S275?295增加45%。

圖4 a(320)和S275-295在E130-30站位隨光照時間的變化曲線Fig. 4 Variation curve of a(320) and S275-295 at the E130-30 during irradiation time

圖5 CDOM的特征吸收光譜（a）和吸收損失光譜（b）的變化曲線Fig. 5 Variation curve of characteristic absorption spectrum (a)and absorption loss spectrum (b) of CDOM

由圖5a發(fā)現(xiàn)，在光照24 h和48 h時，吸收系數(shù)在400～500 nm波長范圍內(nèi)有所升高，說明這兩個時間段可能生成了中間產(chǎn)物[38]。在60 h時，吸收系數(shù)在400～500 nm波長范圍內(nèi)趨近于0，表明隨光照時間增加，CDOM發(fā)生劇烈光降解。從圖5b可以看出不同波長處吸收值的損失速率不同，光照60 h后，UVB波段（280～320 nm）（吸收系數(shù)損失的平均值為（0.24±0.077） m?1）較UV-A波段（320～400 nm）（（0.12±0.028） m?1）損失多，在可見光（400～550 nm）范圍內(nèi)吸收系數(shù)的損失速率很?。ǎ?.062±0.0094） m?1），表明CDOM在光降解過程中紫外區(qū)吸收值的降解更加顯著。郭衛(wèi)東和程遠月[39]在研究天然日光照射下九龍江口CDOM的光降解中和李奕潔[38]在夏季長江口的光降解行為研究均表明，CDOM的光降解主要發(fā)生在紫外區(qū)，且吸收系數(shù)隨波長增大呈指數(shù)減小。

3.3.2 FDOM的光降解

類酪氨酸C1和海洋類腐殖質C2熒光組分的光降解行為如圖6所示。由圖可知光照60 h后，C1和C2分別降解97.5%和53.3%。其中C1在前12 h降解速率最快，降解到初始的85.9%；C2降解速率較慢，到12 h僅降解12.3%。說明類酪氨酸組分更易發(fā)生光降解，且光降解程度大于海洋類腐殖質組分。目前光化學研究已有類似的結果，如Helms等[40]在光照68 d后發(fā)現(xiàn)酪氨酸熒光（峰B）的光降解程度更大；Zhu等[41]在研究長江口及鄰近海域時表明類酪氨酸熒光是一種中間體，易受光降解影響；對于海源類腐殖質不易發(fā)生光化學降解可能因為芳香性較低[27,38]。而暗處理即對照組在相同的實驗條件下，兩類熒光組分的熒光強度與初始值相比變化都不大，說明實驗中CDOM熒光強度的損失是由光降解引起的。

圖6 C1和C2熒光組分的光降解曲線Fig. 6 Photodegradation curves of C1 and C2 fluorescent components

綜上所述，通過對光模擬實驗中吸收系數(shù)和熒光光譜隨輻照時間變化趨勢的研究，能進一步解釋西太平洋上層水體的分布特征。西太平洋上層水體表層a(320)顯示CDOM相對濃度較低，S275?295相對較高，與光模擬實驗中a(320)減小、S275?295增大變化趨勢相一致，表明西太平洋表層水體a(320)較低是由于光降解的作用。在光降解模擬實驗中C1易發(fā)生光降解，且光降解程度大于C2，可以進一步解釋C1在緯度方向上（除7°N以外）有較低的熒光強度與其易發(fā)生光化學降解有關；C2光降解速率相對較慢，在表層較低與受到強太陽輻射發(fā)生光降解有關。這些結果表明光降解是西太平洋海域CDOM的重要去除途徑。

4 結論

為進一步了解西太平洋溶解有機物的生物地球化學過程，本文對2018年秋季西太平洋130°E斷面上層水體CDOM吸收和熒光光譜的分布特征、及光降解實驗過程相應參數(shù)變化進行研究，可以得出如下結論：

(1)西太平洋上層水體CDOM的吸收系數(shù)a(320)在表層相對較低，主要與CDOM的光漂白去除有關；在100～200 m水層較高與次表層的生物活動有關。a(320)與Chla高值區(qū)的空間位置不一致，可能與海洋浮游植物在生長期間新產(chǎn)生的溶解有機物在表層和真光層易發(fā)生光降解有關。

(2)利用三維熒光光譜?平行因子分析技術對FDOM進行三維熒光分析，得到兩種熒光組分，類酪氨酸組分（C1）和海洋類腐殖質組分（C2）。C1主要源于棉蘭老冷渦?上升流所帶來的營養(yǎng)物質對浮游植物生產(chǎn)活動和微生物活動的促進作用；C2主要源于黑潮所帶來的海洋類腐殖質的輸入。

(3)光化學降解實驗發(fā)現(xiàn)，CDOM吸收值的損失主要發(fā)生在紫外波段。光照60 h后，C1和C2分別降解97.5%和53.3%，說明類酪氨酸組分相較于海洋類腐殖質組分更易發(fā)生光降解。通過對光模擬實驗中吸收系數(shù)和熒光光譜隨輻照時間變化的研究，能進一步解釋西太平洋上層水體的分布特征，還表明光降解是CDOM的重要去除途徑。