白洋淀秋季溶解性有機質(zhì)組分與浮游植物的關(guān)系研究*

賈世琪 楊 芳 王希歡 柏楊巍 馬文娟 李秋華 廖海清# 陳少華

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

近年來隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，湖庫水體營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)含量總體較高，富營養(yǎng)化程度和范圍呈不斷擴大趨勢[1]。水體中溶解性有機質(zhì)(DOM)在湖庫水體的物質(zhì)循環(huán)中起到重要作用[2]。水環(huán)境中DOM的來源可以分為外源和內(nèi)源，外源主要來自人為活動和自然代謝[3-4]，內(nèi)源包括沉積物釋放、水生和浮游動植物的生長釋放及消亡降解[5]。浮游植物是湖泊有機質(zhì)的重要來源，其可以通過光合作用合成DOM，同時浮游植物參與DOM在水體中遷移轉(zhuǎn)化過程[6-7]。浮游植物在生長與細胞死亡時都會不停向水體中釋放各種代謝物質(zhì)，如氨基酸、脂類、維生素、酶、有機磷、毒素及抑制/促進因子，其中細胞死亡時還會釋放高分子量的DOM[8-10]。浮游植物中至少有5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～10%物質(zhì)以DOM形式釋放到水體中，甚至有的浮游植物DOM釋放量可達10%～25%[11]。DOM與浮游植物等影響因素的變化特征已成為湖泊內(nèi)源精準(zhǔn)治理的重要理論依據(jù)和研究熱點。

白洋淀是華北平原最大的天然淡水湖泊，淀內(nèi)有大小淀泊143個，具有灌溉蓄水、調(diào)洪滯瀝、補充地下水、調(diào)節(jié)局部小氣候、提供生物棲息地等多種生態(tài)功能，有“華北明珠”之稱。近年來，白洋淀水環(huán)境發(fā)生了重大變化，水位下降，上游河流污染物負荷排入淀內(nèi)[12]，且生態(tài)系統(tǒng)脆弱，自凈能力逐漸降低，導(dǎo)致湖水水質(zhì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，富營養(yǎng)化程度依然嚴(yán)重。近年來，已在白洋淀水生態(tài)環(huán)境方面開展了大量研究工作，闡明了白洋淀湖泊水質(zhì)指數(shù)與周圍植物生態(tài)系統(tǒng)特征[13]，評估了白洋淀濕地生態(tài)系統(tǒng)沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險[14]，研究了浮游植物群落結(jié)構(gòu)的特征[15-16]。洪志強等[17]探究了白洋淀水生植物腐解產(chǎn)物中DOM的組分特點；袁冬海等[18]研究了白洋淀沉水植物腐解DOM與重金屬的相互作用。目前，鮮見有白洋淀水體DOM與浮游植物關(guān)系研究。

該研究以白洋淀水體中的DOM和浮游植物為對象，擬通過開展秋季水體DOM三維熒光光譜和浮游植物豐度空間分布研究，應(yīng)用平行因子法解析秋季DOM的主要組分特征，對比秋初和秋末浮游植物豐度和DOM熒光強度，探究水體中浮游植物的空間分布與DOM組分之間的關(guān)系，初步估算浮游植物消亡對DOM內(nèi)源貢獻，以期為白洋淀污染治理與生態(tài)環(huán)境修復(fù)政策制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 采樣點及實驗方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀位于河北省保定市、滄州市交界(38°45′N～39°2′N,115°38′E～116°6′E)，總面積為366 km2，地處海河流域大清河水系的九河下梢，由從南、西、北三面流來的潴龍河、唐河、府河等8條河流匯集而成，是華北平原最大的淺水湖泊群[19]。淀區(qū)之間通過溝渠相互連接，淀區(qū)內(nèi)大約分布著39個村莊[20]。本研究結(jié)合相關(guān)資料以及白洋淀水體環(huán)境特征，選取白洋淀11個代表性采樣點(包含生活區(qū)、蘆葦區(qū)、荷花區(qū)、水草區(qū)及燒車淀、光淀張莊、圈頭、采蒲臺、南劉莊5個國控點位)，于2019年秋初(9月)和秋末(11月)采集表層水體，研究區(qū)域及采樣點信息見圖1和表1。

圖1 白洋淀采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baiyangdian Lake

表1 白洋淀采樣點信息

1.2 樣品采集與檢測

采集白洋淀表層水(水面以下0.5 m)，水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后進行分析。采用熒光分光光度計(F-7000)進行三維熒光光譜檢測。激發(fā)光源為150 W氙弧燈，光電倍增管(PMT)電壓為700 V，激發(fā)波長(Ex)為200～450 nm，發(fā)射波長(Em)為260～550 nm，狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為2 400 nm/min。用超純水作為空白，每隔5個樣品用超純水的拉曼光譜強度監(jiān)控儀器穩(wěn)定性，同時利用0.01 mg/L硫酸奎寧進行熒光定標(biāo)[21]。

為檢測浮游植物(本研究主要關(guān)注藻類)豐度，取1 L表層水，現(xiàn)場加入15 mL魯哥試劑固定，帶回實驗室靜置沉淀24～48 h后，用虹吸法吸取上清液，濃縮至30 mL，浮游植物豐度通過鏡檢計數(shù)獲得[22]。

1.3 分析方法

采樣平行因子法對水樣三維熒光光譜進行分析，利用折半分析來驗證結(jié)果可靠性，三維熒光光譜的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 三維熒光光譜相關(guān)參數(shù)特征1)

FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355等熒光光譜參數(shù)常用來研究和表征水體中DOM來源。FI<1.2時，DOM以陸源輸入為主；FI>1.8時，DOM以自生源為主；1.2≤FI≤1.8時，DOM受陸源與自生源共同影響[27]。HIX<4時，DOM主要由內(nèi)源物質(zhì)產(chǎn)生；HIX介于4～6表示DOM具有較弱的腐殖化特征和較強自生源特征；HIX介于6～10表示DOM具有較強腐殖化特征及較弱的自生源特征；HIX>16時，DOM具有強腐殖化特征，陸源物質(zhì)是其主要輸入源[28]。0.61.0 時，DOM以生物或者細菌等內(nèi)源為主[29]。參考文獻[30]計算優(yōu)勢度指數(shù)，優(yōu)勢度指數(shù)≥0.02為優(yōu)勢種，優(yōu)勢度指數(shù)>0.1為絕對優(yōu)勢種。

2 結(jié)果與討論

2.1 白洋淀水環(huán)境特征

根據(jù)之前相關(guān)研究，對白洋淀2018年1月至2019年8月高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量情況進行分析。白洋淀2018年高錳酸鹽指數(shù)較高，5個國控點位平均值為8.49 mg/L，符合Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)評價，下同)，其中2018年6—8月高錳酸鹽指數(shù)均較高，2018年8月達到峰值，且采蒲臺和圈頭均超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；2019年高錳酸鹽指數(shù)較2018年降低2.25 mg/L，5個國控點位平均值為6.24 mg/L，接近Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；2019年6—8月，高錳酸鹽指數(shù)逐漸遞增。白洋淀化學(xué)需氧量5個國控點位2019年平均值為25.56 mg/L，較2018年降低3.25 mg/L；2018年6—8月化學(xué)需氧量達到全年高值，峰值出現(xiàn)在8月(平均值33.80 mg/L)；2019年6—8月，化學(xué)需氧量不斷上升，并在8月達到峰值(平均值35.60 mg/L)。

2.2 DOM組分解析

對白洋淀淀區(qū)22個水樣的三維熒光光譜矩陣數(shù)據(jù)進行分析，參考文獻[31]至[35]，共識別出3個有效熒光組分(記為C1～C3，見圖2)。組分C1的熒光峰與色氨酸單體的熒光T峰(峰值出現(xiàn)于Ex為220～240、260～280 nm，Em為320～350 nm)一致，反映的是來源于藻類、微生物降解的類色氨酸；組分C2主要體現(xiàn)了類富里酸，熒光峰對應(yīng)紫外區(qū)類富里酸A峰(峰值出現(xiàn)于Ex為235～270 nm，Em為375～445 nm)，富里酸一般來自陸源，也可能來源于降解過程中細菌呼吸作用的副產(chǎn)物。組分C3為類酪氨酸，其熒光峰對應(yīng)類蛋白熒光B峰(Ex為210～230、260～280 nm，Em為280～315 nm)，類酪氨酸為典型的DOM的類蛋白信號。這3個組分的熒光峰位置與其他文獻的報道結(jié)果基本一致(見表3)。

表3 3種DOM組分的熒光峰位置對比

圖2 白洋淀水體DOM中3個熒光組分的Ex/Em分布Fig.2 Ex/Em of three different fluorescent components in DOM of Baiyangdian Lake

研究發(fā)現(xiàn)白洋淀水體DOM中類色氨酸組分所占比例較高，為主要來源，類富里酸組分的熒光強度占總熒光強度的比例相對較低。類色氨酸組分占比高說明白洋淀水體DOM來源可能是微生物作用下的外源和內(nèi)源，其中藻類等浮游植物生長繁殖的區(qū)域會造成類色氨酸增多。

2.3 浮游植物分布特征

研究區(qū)域共鑒定出7門93種浮游植物，其中秋初鑒定出7門83種，秋末鑒定出7門93種。綠藻門(Chlorophyta)種類達48種，占總種類數(shù)的51.61%；其次為藍藻門(Cyanophyta)20種，占21.51%；硅藻門(Bacillariophyta)14種，占15.05%；裸藻門(Englenophyta)5種，占5.38%；甲藻門(Dinophyta)2種，占2.15%；金藻門(Chrysophyta)3種，占3.23%；隱藻門(Cryptophyta)1種，占1.08%。浮游植物以綠藻門、藍藻門和硅藻門為主。如表4所示，鑒定出白洋淀秋初和秋末浮游植物優(yōu)勢種共4門13種。優(yōu)勢種的種類和優(yōu)勢度在不同時段均有差異，但藍藻門優(yōu)勢種在秋初和秋末均占主導(dǎo)，秋末硅藻門優(yōu)勢種高于秋初。假魚腥藻為秋季主要的絕對優(yōu)勢種，且其在秋末優(yōu)勢度(0.505)最高，豐度(1.13×108個/L)最大。白洋淀未檢測到指示水質(zhì)清潔的黃藻門(Xanthophyceae)，可能與上游工業(yè)廢水和村鎮(zhèn)生活污水排入有關(guān)[40]。

表4 浮游植物優(yōu)勢種豐度及優(yōu)勢度

由圖3可以看出，秋初浮游植物總豐度為2.29×106～1.27×108個/L，平均為4.57×107個/L，圈頭、采蒲臺、蘆葦區(qū)浮游植物豐度較高，且采蒲臺和蘆葦區(qū)藍藻門的豐度占比均95%以上，南劉莊浮游植物豐度最低。秋末浮游植物總豐度為2.04×105～4.25×107個/L，平均為1.02×107個/L，采樣點之間浮游植物豐度差別較大，圈頭浮游植物豐度明顯高于其余采樣點，且藍藻門占比較大，南劉莊浮游植物豐度最低。白洋淀秋初浮游植物總豐度約為秋末的4.48倍，由于秋末大部分浮游植物已衰亡，因此浮游植物豐度呈下降趨勢，同時，種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，藍藻門占比減小，硅藻門占比增大。

圖3 白洋淀浮游植物空間分布Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton in Baiyangdian Lake

從整體上看，采蒲臺、蘆葦區(qū)和圈頭的浮游植物豐度較高，荷花區(qū)、水草區(qū)、燒車淀、光淀張莊等采樣點的浮游植物豐度較低，南劉莊最低。采蒲臺和蘆葦區(qū)曾為水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，水體流動性相對較差，營養(yǎng)物質(zhì)長期累積，為浮游植物生長提供了充足的營養(yǎng)來源；圈頭周邊養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展較好，為浮游植物生長提供了持續(xù)的營養(yǎng)來源。南劉莊為入淀河流匯口，承納上游河流生活污水和工業(yè)廢水，盡管營養(yǎng)鹽充足，但氨氮含量高，一定程度抑制了浮游植物的生長。

2.4 DOM來源及途徑分析

為進一步明確白洋淀水體DOM的來源，對FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355進行分析，結(jié)果見圖4。

圖4 白洋淀水體DOM的FI、BIX、HIX、Fn280與Fn355分布Fig.4 The distribution of FI,BIX,HIX,Fn280 and Fn355 of DOM in Baiyangdian Lake

白洋淀秋初FI平均為1.90，秋末平均為1.87，表明淀區(qū)沉水植物和浮游植物在生長繁殖以及消亡腐爛過程中，造成類色氨酸增多，生物自生源影響高于陸源輸入影響[41]。秋初BIX平均為0.96，秋末平均為0.89，表明白洋淀有較強的自生源特征，DOM受水體浮游植物、沉積物、微生物作用影響明顯。秋初HIX平均為1.95，秋末平均為1.88，表明水體DOM腐殖化程度較弱，不易被微生物降解。由此可見，以上3個參數(shù)均表明白洋淀DOM以內(nèi)源為主。

秋初Fn280為60.36～757.40，秋末為63.42～304.4；秋初Fn355為40.45～112.90，秋末為48.93～88.62。從整體上看Fn280高于Fn355，但變化趨勢大致相似，表明白洋淀水體DOM的自生源特征強，腐殖質(zhì)含量低，類蛋白含量高，與FI、BIX和HIX結(jié)果基本一致。

2.5 浮游植物對DOM熒光組分的影響

解析出的各個熒光組分根據(jù)其最大熒光強度計算兩次采樣中每個采樣點的各個熒光組分熒光強度，結(jié)果見圖5。不同采樣時段，各熒光組分的熒光強度和貢獻率均不同。從整體上看，秋季類色氨酸貢獻率最大，為46.77%，類酪氨酸貢獻率為28.38%，類富里酸貢獻率為24.84%。從不同采樣點的熒光組分分布來看，秋初類色氨酸貢獻率為40.99%～54.65%，類富里酸為9.25%～43.66%，類酪氨酸為14.62%～39.52%；秋末類色氨酸貢獻率為37.78%～46.77%，類富里酸為18.89%～49.08%，類酪氨酸為11.86%～34.34%。

圖5 熒光組分的熒光強度分布Fig.5 Fluorescence intensity distribution of fluorescent components

熒光強度的區(qū)域分布能夠指示DOM濃度的空間分布，秋初從熒光強度的空間變化趨勢來看，采蒲臺、蘆葦區(qū)和圈頭類色氨酸貢獻率為49.00%～54.65%(其中，采蒲臺和蘆葦區(qū)熒光強度較大)，說明DOM貢獻主要來自于浮游植物生長代謝，這與前文中浮游植物豐度分析一致。秋末不同采樣點各個熒光組分熒光強度差異明顯，圈頭浮游植物豐度較高，熒光強度較大且類色氨酸貢獻率較大，秋末藻類開始消亡，浮游植物在消亡后會產(chǎn)生類色氨酸[42]。南劉莊入河淀口類色氨酸貢獻率較小，類富里酸貢獻率較大，表明入淀河口外源影響較大。

白洋淀秋初浮游植物豐度高，且白洋淀優(yōu)勢種基本源于藍藻門，與其他水生植物相比，藍藻門更易分解有機質(zhì)[43]，對水體中DOM有重要貢獻。根據(jù)DOM熒光組分貢獻率分析，白洋淀類色氨酸貢獻率較大，浮游植物為類色氨酸影響因素，與冬季冰封期白洋淀水體DOM特征研究結(jié)果相符[44]。隨著氣溫下降，秋末浮游植物豐度較秋初下降約80%，類色氨酸熒光強度下降約40%，浮游植物豐度與類色氨酸強度關(guān)系密切，白洋淀秋季浮游植物可能是DOM中類色氨酸的重要影響因素。

3 結(jié) 論

(1) 白洋淀水體DOM以自生內(nèi)源為主。秋初類色氨酸貢獻率為40.99%～54.65%，采蒲臺和蘆葦區(qū)熒光強度較大；秋末類色氨酸貢獻率為37.78%～46.77%，圈頭熒光強度較大。

(2) 2019年秋季，白洋淀共鑒定出7門93種浮游植物，以藍藻門、綠藻門和硅藻門為主。圈頭、采蒲臺、蘆葦區(qū)浮游植物豐度較高，南劉莊浮游植物豐度最低。

(3) 從秋初到秋末，浮游植物豐度降低，DOM中類色氨酸下降趨勢明顯，浮游植物可能是DOM中類色氨酸的主要影響因素。