店埠河農業(yè)小流域水體溶解性有機質三維熒光光譜的平行因子分析

楊 欣，吳支行，葉 寅*，陳曉芳，袁自然，王 靜

1.安徽省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，安徽 合肥 230031 2.養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031 3.蕪湖市農業(yè)技術中心，安徽 蕪湖 241000

引 言

水體中的溶解性有機質(dissolved organic matter,DOM)對于其水生生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物學特征有較大的影響[1]，探討其動力特征、組分及來源可以更好的理解其在生態(tài)系統(tǒng)的功能及其環(huán)境地球化學循環(huán)過程。

現(xiàn)有的研究中，對于DOM的來源及其理化性質的研究方法主要包括：氣相色譜法、13C固態(tài)核磁共振波譜技術(13C-NMR)、高效液相色譜法(HPLC)、色譜-質譜聯(lián)用技術、紫外-可見吸收光譜法(UV-Vis)以及三維熒光光譜法(3D-EEMs)等[2]。近年來，三維熒光光譜法由于其低成本高效率，被普遍用以直接測定水體蛋白質、氨基酸、芳香烴、腐殖質等有熒光特性的DOM[3-5]。通過平行因子分析法解析三維熒光光譜從而提取熒光特征，可對其熒光組分進行定性鑒定和定量分析[6]。近年來，結合EEMs-PARAFAC技術對各種水體中DOM的組成及來源進行分析已經逐漸成為國內外學者研究熱點。朱愛菊等利用該技術通過對我國亞熱帶地區(qū)閩江、木蘭溪、九龍江河口濱海陸基養(yǎng)蝦塘水體的有色溶解性有機質(CDOM)進行組分及來源分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)蝦塘水體CDOM熒光光譜中包括兩種類蛋白質物質和兩種類腐殖酸物質，并得知養(yǎng)蝦塘水體具有強自生源弱腐殖化特征[7]。太湖中大多數來自東部和東南部平原下游地區(qū)的河流樣品具有類似的腐殖質樣熒光的相對豐度且河流下游類色氨酸的貢獻比上游地區(qū)的少，類酪氨酸熒光的貢獻更多[8]；Wang等利用三維熒光光譜平行因子分析技術對岷江水庫河流POM進行了研究，鑒定出了5種熒光組分，得出結論水庫養(yǎng)魚可能促進了POM的生產[9]。

店埠河流域作為巢湖的主要水源地之一，近年來，受自然條件和人為因素的影響，流域內城鎮(zhèn)生活污水、養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)排水逐年增加，流域內景觀格局的強烈變化直接或間接地改變了水體 DOM的來源及其遷移轉化機制，進而影響到水體DOM的生態(tài)功能與環(huán)境地球化學循環(huán)過程。本研究以店埠河農業(yè)小流域為研究對象，采用平行因子分析法對該流域三維熒光光譜進行解譜分析，從而定性上鑒定DOM組分及其來源，定量上分析各組分貢獻率，以期為該流域水質狀況及水生態(tài)環(huán)境治理提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)及概況

本文選擇巢湖北部店埠河農業(yè)小流域為研究區(qū)(如圖1)，南淝河是對巢湖污染貢獻最大的三條入湖河流之一，全長42 km，流域面積873 km2，店埠河是南淝河的最大支流，是一個典型以農業(yè)為主的流域。店埠河小流域面積約79.8 km2，流域內無工業(yè)生產，水系的污染源主要包括畜禽養(yǎng)殖、農村生活污染和種植業(yè)等。采樣期為2020年9月中旬，采樣期間正是當地藕塘中蓮藕長勢旺盛的時期。在流域范圍內，選取典型的支流，依據實際情況，沿每條支流布設采樣點，共布設了26個采樣點，利用GPS定位采樣，表1對各采樣點進行了較為詳細的位置描述。實地所采的水樣需立即放入低溫避光的保溫箱中保存，保溫箱中需要裝有冰塊，并盡快運回實驗室，然后使用WhatmanGF/F玻璃纖維濾膜對水樣過濾操作，接著將所得濾液進一步采用0.2 μm的濾膜過濾，全部過濾后，暫時放置在零下20 ℃冰箱中冷凍并避光待測。

圖1 店埠河流域研究區(qū)域及實測站點分布Fig.1 Spatial distribution of the study area and in-situ sites in the Dianbu River

表1 采樣點位置描述Table 1 Location description of sampling point

1.2 樣品測定

采用熒光光度計(F-4500，日立)進行DOM三維熒光光譜測定，以Millipore超純水作為空白，用10 cm石英比色皿在240～800 nm范圍內進行光吸收測定，測量精度為±0.001，系統(tǒng)自動進行去除拉曼及瑞利散射相關處理。掃描光譜進行儀器自動校正；掃描波長范圍為激發(fā)波長(excitation wavelength，Ex)為210～550 nm，發(fā)射波長(emission wavelength，Em)為 210～650 nm，采樣間隔均為5 nm。預處理后的樣品用總有機碳分析儀-穩(wěn)定同位素質譜聯(lián)用儀(variocubeTOC-isoprime100，Elementar公司)測定樣品中溶解性有機碳(DOC)含量值，同樣采用Millipore超純水作為空白。

1.3 數據處理

從水樣測定的三維熒光光譜中扣除空白樣品即超純水的信號后，進行Raman歸一化，而后將歸一化之后的數據構成三維矩陣數列，用Matlab R2014b軟件進行PARAFAC模型分析；此外，在樣品測定過程中，溫度差異等偶然因素會導致異常樣品的出現(xiàn)，為了防止這些異常樣品影響分析結果，需要分析并去除異常樣品。因此，需通過半檢驗法(split-half analysis)和殘差分析來檢驗平行因子模型的穩(wěn)定性，從而確定相應的組分。熒光指數FI(370)即激發(fā)波長Ex等于370 nm時，熒光發(fā)射光譜Em波長在470和520 nm處的熒光強度比值，該指數指示的是芳香與非芳香氨基酸對DOM熒光強度的相對貢獻率，可一定程度上反映DOM來源及降解程度[11]；生物源指數BIX是指當激發(fā)波長Ex等于310 nm時，發(fā)射波長在380與430 nm處熒光強度的比值，該指數可反映新產生的DOM在整體DOM中所占的比例[11]；腐殖化指數HIX是指激發(fā)波長Ex等于254 nm時，發(fā)射光譜Em波長在435～480與300～345 nm波段內的熒光強度積分值的比率，可一定程度上反映DOM輸入源特征[10]。

2 結果與討論

2.1 店埠河水體DOM的三維熒光光譜特征

已有的研究將DOM劃分為6類[3]，分別為類富里酸、類腐殖酸、低激發(fā)色氨酸類、高激發(fā)色氨酸類、低激發(fā)酪氨酸類、高激發(fā)酪氨酸類，這些溶解性有機質廣泛存在于河流和湖泊水體中。采用PARAFAC方法對本次26個采樣點的DOM的三維熒光光譜特征進行分析，如圖2結果所示店埠河水體熒光特征呈現(xiàn)兩個熒光組分，包括1種類蛋白質C1和1種類腐殖質C2。圖2和3分別為店埠河水體DOM的熒光強度分布圖及其激發(fā)和發(fā)射波長的載荷圖。組分C1(Ex/Em,275 nm/335 nm)、C2(Ex/Em,250 nm/415 nm)分別屬于類色氨酸和類富里酸組分，其中組分C1包含有兩個激發(fā)峰以及一個發(fā)射峰，其中激發(fā)與發(fā)射波長與色氨酸單體的熒光峰類似[8]，體現(xiàn)的是類色氨酸類蛋白物質，屬于生物降解的類蛋白質物質，大多數是陸生植物或土壤有機質自生源產生過程生成的蛋白質成分或其降解出來的較少的縮氨酸[9]。組分C2具有一個激發(fā)峰、一個發(fā)射峰，其反映的主要是類富里酸物質，類富里酸物質屬于芳香氨基酸腐殖物質，分子量較大，反映來自外源輸入的腐殖酸和富里酸所形成的熒光峰，與腐殖質結果中羥基及羧基有關[11-12]。

圖2 店埠河農業(yè)小流域水體DOM的兩個組分Fig.2 Two components of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

圖3 店埠河農業(yè)小流域水體DOM的兩個組分載荷Fig.3 Two component loads of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

2.2 店埠河水體DOM的三維熒光組分比例

本研究對店埠河流域水體DOM進行了三維熒光光譜的平行因子分析，如圖4所示，店埠河流域水體DOM主要成分分別為C1(類色氨酸)和C2(類富里酸)兩種組分，占比例分別為31.37%～84.89%和15.11%～68.63%。其中，C1組分即類色氨酸類蛋白質物質所占比例較大，這主要是由于水體內部陸生植物等微生物代謝活動過程中分泌大量的蛋白質物質；C2組分即類富里酸組分相對而言所占比例較小，這是由于采樣時間為9月中旬，正是當地藕塘(S2號采樣點)蓮藕生長旺盛時期，大量的植物代謝導致水體有機質維持在一個相對較高的水平，同時，此時期較高的水溫促進了水體微生物活動并加快了有機物分解，從而使得類色氨酸類蛋白質熒光組分濃度顯著增加。然而，S4和S9采樣點的C1組分低于C2組分，這主要是由于采樣點周圍環(huán)境所致。S4點原是魚塘，現(xiàn)水壩不再通水，周邊居民產生的生活污水也排到該點水體中(表1)，S9點周邊有畜禽養(yǎng)殖戶(表1)，其水體受到周邊養(yǎng)殖飼料的輸入以及周邊土壤中的動植物殘體的影響，故表現(xiàn)為DOM中腐殖質類富里酸占較大比例。

圖4 店埠河農業(yè)小流域水體DOM的兩個組分載荷Fig.4 Two component loads of DOM in the agricultural watershed of the Dianbu River

2.3 店埠河水體DOM的熒光特征參數分析

研究通過計算并分析店埠河水體DOM的熒光特征參數來進一步驗證其組分來源。其中，熒光指數(FI)值常用來指示DOM中腐殖質的來源，當FI>1.9時，表明水體自生源特征明顯，DOM主要源于其自身微生物活動；當FI<1.4時，DOM以外源輸入為主，水體自身生產力貢獻相對較低[13-14]。自生源指標BIX反映了DOM自生源的相對貢獻，BIX值大于1.0時說明DOM降解程度高，其自生源組分特征明顯，當其值的范圍在0.6～0.8之間表示自生源貢獻較少[11]。腐殖化指數HIX可以一定程度上反映DOM腐殖化程度，其值為消除內濾效應干擾后的改進值，值越高則表明有機質腐殖化程度越高[11]。

總體上，水體FI指標的范圍位于1.99～2.77(均值為2.25)，表明該流域水體自生源特征明顯，這主要是由于該流域水體生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定，DOM受水體微生物活動因素主導；自生源指標BIX的范圍是0.95～1.65(均值為1.09)，這進一步表明該流域水體自生源組分特征明顯；腐殖化指標HIX值的范圍是0.15～0.40(均值為0.27)，這說明該流域水體腐殖化程度相對較低。造成該現(xiàn)象的原因主要是由于店埠河流域作為南淝河的最大支流，是一個典型的以農業(yè)為主的流域，無工業(yè)污染，水環(huán)境相對封閉，水體生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定，與外界水體幾乎沒有發(fā)生較為明顯的交換，故而該流域水體的溶解性有機質主要由自生源產生。然而，由圖5可以看出，其中的S4采樣點和S9采樣點的腐殖化指標HIX值均達到較高，F(xiàn)I和BIX指標值相對較低，結合2.2小節(jié)中該采樣點C1類蛋白質組分貢獻大小低于C2組分，表明此采樣點的DOM主要為來自外源輸入的類腐殖質物質。

圖5 店埠河農業(yè)小流域水體各采樣點DOM的熒光指數Fig.5 DOM fluorescence index of each sampling point in the agricultural watershed of the Dianbu River

綜上，根據各采樣點熒光特征參數計算結果及3個指標的意義，可推測出該流域水體中DOM主要由水體內部浮游植物和微生物代謝活動產生，同時部分采樣點(S4、S9號)受外源輸入的影響(生活污水和養(yǎng)殖飼料的輸入)。

2.4 店埠河水體DOM的熒光特征與水質參數的相關性

對DOM組分和各熒光光譜指標、水體理化性質進行相關性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)兩組分(C1、C2)與溶解性有機碳(DOC)均正相關(p<0.01)，其中與C1呈現(xiàn)極顯著正相關，這與前人的研究結論相似[15-16]，類蛋白質熒光與DOC存在正相關關系說明了類色氨酸組分對該流域水體DOC有著重要影響，類蛋白質熒光組分可用于該流域水體的DOC動態(tài)追蹤。水體pH值與C2類富里酸組分呈現(xiàn)正相關，這說明當地水體pH值和水體外源類富里酸組分同步增加，這可能是受水體周邊當地生活污水排放導致水體堿化的影響(S4號采樣點)；溶解氧(DO)與C1類色氨酸組分呈現(xiàn)負相關，說明了該水體類蛋白質物質受到水體溶解氧含量的影響，這可能是由于溶解氧變化影響水體微生物活性。此外，熒光指數FI與兩組分均呈現(xiàn)正相關。自生源指標BIX與C1類蛋白質熒光呈現(xiàn)較為顯著的正相關(p<0.01)，而腐殖化指數HIX與C1類蛋白質組分呈現(xiàn)較為顯著的負相關(p<0.01)，這進一步說明了該流域水體DOM的類蛋白質物質主要由自生源而非外源產生。

表2 店埠河水體的熒光特征與水質參數相關性分析Table 2 Correlation analysis of fluorescence characters and water quality parameters of Dianbu River water body

3 結 論

(1)店埠河農業(yè)流域水體DOM主要包括兩個組分，即類蛋白質熒光類色氨酸組分C1(Ex/Em，275 nm/335 nm)及類腐殖質熒光類富里酸組分C2(Ex/Em，250 nm/415 nm)，其中類色氨酸組分是店埠河農業(yè)流域水體DOM的主要組成部分。

(2)熒光指數FI、自生源指標BIX以及腐殖化指標HIX表明店埠河農業(yè)流域水體DOM具有較為顯著的自生源特征且腐殖化程度較低。水體中DOM的內源主要來源于藕塘內部植物及水體其他微生物代謝活動，產生的主要是C1類色氨酸類蛋白質物質；而外源主要來自于生活污水及養(yǎng)殖飼料的輸入，以及周邊土壤中的動植物殘體形成，產生的主要為C2類富里酸類腐殖質物質，其中內源為水體DOM主要貢獻。

(3)DOC與DOM中的類色氨酸組分(C1)均呈現(xiàn)極顯著的正相關，類色氨酸組分可用于該流域水體的DOC動態(tài)追蹤。水體pH值與C2類富里酸組分呈現(xiàn)正相關，溶解氧(DO)與C1類蛋白質組分呈現(xiàn)負相關。這說明當地水體pH值和水體外源類富里酸組分同步增加，而類蛋白組分則受到水體溶解氧含量的影響。