店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體溶解性有機(jī)質(zhì)光譜時(shí)空分布特征

楊 欣, 夏 敏, 葉 寅*, 王 靜

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230031

引 言

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)廣泛存在于湖泊、 水庫(kù)、 海洋等水生態(tài)系統(tǒng)中[1], 不僅是水體微生物循環(huán)的營(yíng)養(yǎng)來源[2], 也具有豐富的環(huán)境效應(yīng)[3]。 DOM包含了上百種不同結(jié)構(gòu)和分子量的有機(jī)物[4], 是水體中普遍存在的活性組分, 伴隨著水生態(tài)系統(tǒng)碳素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[5], 探討其組成和時(shí)空分布特征可以反映流域的演變信息以及污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

有色可溶性有機(jī)質(zhì)(chromophoric dissolved organic matter, CDOM), 是DOM中具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)的—可以吸收紫外和可見光的有機(jī)物質(zhì)。 其中, 熒光溶解性有機(jī)質(zhì)(fluorescence dissolved organic matter, FDOM)是CDOM中吸收紫外-可見光后發(fā)出熒光的部分。 近年來, 紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)和三維熒光光譜(3D-EEMs)因其靈敏度高、 低成本高效率等優(yōu)勢(shì)逐漸成為水體CDOM特征解析的主要研究手段[6-7]。 其中, 紫外-可見光吸收光譜技術(shù)利用DOM自身豐富共軛體系特征, 對(duì)紫外光譜具有較強(qiáng)的吸收性, 其常用指標(biāo)可以用來表征DOM的濃度以及來源等。 劉堰楊等采用該方法對(duì)川西高海拔河流天然水體中的DOM組分及轉(zhuǎn)化機(jī)制展開了研究[8]; 李璐璐等應(yīng)用該方法研究三峽庫(kù)區(qū)典型消落帶的水體中DOM的濃度[9]。 三維熒光光譜反饋了發(fā)射波長(zhǎng)與激發(fā)波長(zhǎng)同時(shí)發(fā)生變換時(shí)的熒光強(qiáng)度信息。 其中, 主成分分析法(PCA)和平行因子分析法(PARAFAC)是用于識(shí)別DOM三維熒光光譜中熒光峰的主流方法, 相關(guān)研究采用這兩種方法對(duì)河流、 湖泊等水體DOM進(jìn)行了組分及來源分析研究[10-11]。 然而, 目前綜合使用紫外-可見吸收光譜和三維熒光光譜評(píng)價(jià)不同來源DOM貢獻(xiàn)率及遷移轉(zhuǎn)化的研究相對(duì)較少[12]。

店埠河流域是巢湖的主要水源地之一, 近年來, 該流域內(nèi)DOM的來源及組分受到了城鎮(zhèn)生活污水、 養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)排水逐年增加的影響, 本研究考慮到時(shí)空異質(zhì)性對(duì)該流域溶解性有機(jī)質(zhì)的來源和組成帶來的改變, 綜合利用紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)和三維熒光光譜(3D-EEMs)兩種技術(shù)對(duì)該流域DOM進(jìn)行光譜時(shí)空分布特征研究, 以期為該流域DOM循環(huán)過程和水體生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)

本研究區(qū)域?yàn)槌埠辈康瓴汉恿饔? 是一個(gè)典型以農(nóng)業(yè)為主的流域, 該流域面積約79.8 km2, 污染源主要包括畜禽養(yǎng)殖、 農(nóng)村生活污染和種植業(yè)等。 在以往研究[11]基礎(chǔ)上新增了9個(gè)代表性采樣點(diǎn), 共35個(gè)采樣點(diǎn), 以GPS定位采樣, 采樣點(diǎn)分布見圖1。 采樣期為2020年8月至2021年4月, 每月采樣一次, 每個(gè)采集點(diǎn)取3個(gè)平行樣, 水樣使用有機(jī)玻璃水質(zhì)采樣器采集, 裝于不透明琥珀色高密度聚乙烯瓶中并編號(hào), 立即放入低溫避光的保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室。 使用WhatmanGF/F玻璃纖維濾膜過濾水樣, 將所得濾液進(jìn)一步采用0.2 μm的濾膜過濾, 全部過濾后, 暫時(shí)放置在零下20 ℃冰箱中冷凍并避光待測(cè)。

圖1 店埠河流域采樣點(diǎn)分布

1.2 樣品分析

1.2.1 紫外-可見吸收光譜

樣品在室溫下解凍后, 使用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-170型, 日本島津公司)檢測(cè)樣品DOM的紫外光譜, 設(shè)定掃描波長(zhǎng)為200～700 nm, 間隔0.5 nm, 以Milli-Q超純水為參照, 用1 cm石英比色皿測(cè)定吸光度, 得到各水樣的紫外吸收曲線。

1.2.2 三維熒光光譜測(cè)定

樣品避光解凍至室溫后, 采用熒光光度計(jì)(日立F-4500, 日本)測(cè)定DOM三維熒光光譜, 以Milli-Q超純水作為空白。 掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正; 掃描波長(zhǎng)范圍為激發(fā)波長(zhǎng)(excitation wavelength, Ex)為210～500 nm, 發(fā)射波長(zhǎng)(emission wavelength, Em )為210～550 nm, 采樣間隔均為5 nm。 系統(tǒng)自動(dòng)去除拉曼及瑞利散射。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

從三維熒光光譜中扣除超純水信號(hào)后, 進(jìn)行Raman歸一化, 將歸一化之后的數(shù)據(jù)構(gòu)成三維矩陣數(shù)列, 進(jìn)行平行因子(PARAFAC)模型分析; 在樣品測(cè)定過程中, 溫度差異和解凍速度等偶然因素會(huì)導(dǎo)致異常樣品數(shù)據(jù)出現(xiàn), 影響分析結(jié)果, 因此去除異常樣品數(shù)據(jù)。

選用一系列光譜指數(shù)表征DOM的分子量大小、 來源和腐殖化程度等性質(zhì)。 用吸收系數(shù)α254表示DOM的相對(duì)濃度[14],

α′(λ)=(2.303A(λ)/L

(1)

α(λ)=α′(λ)-α700/700

(2)

式(1)和式(2)中,α′(λ)和α(λ)分別為未經(jīng)校正和經(jīng)過散射校正的波長(zhǎng)λ處的吸收系數(shù)(m-1);A(λ)為波長(zhǎng)λ處的吸光度;L為光程長(zhǎng)(m)。

紫外光譜指數(shù)E2/E3用于估算DOM分子量的大小[13],

E2/E3=A250/A365

(3)

式(3)中,A250和A365分別為波長(zhǎng)250和350 nm處的吸光度。

熒光指數(shù)FI370表征了芳香與非芳香氨基酸對(duì)DOM熒光強(qiáng)度的相對(duì)貢獻(xiàn)率, 表示DOM中腐殖質(zhì)的來源, 一定程度上反映DOM來源及降解程度[15],

FI370(FEm=470 nm, Ex=370 nm/FEm=520 nm, Ex=370 nm

(4)

式(4)中,F表示熒光強(qiáng)度。

生物源指數(shù)BIX表征新產(chǎn)生的DOM在整體DOM中所占的比例[15], 表示自生源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)率[見式(5)],

BIX=FEm=380 nm, Ex=310 nm/FEm=430 nm, Ex=310 nm

(5)

腐殖化指數(shù)HIX表征DOM腐殖化程度, 即激發(fā)波長(zhǎng)Ex=254 nm時(shí), 發(fā)射光譜Em波長(zhǎng)在435～480與300～345 nm波段內(nèi)的熒光強(qiáng)度積分值的比率[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 店埠河水體DOM的組分特征

采用PARAFAC方法對(duì)連續(xù)9個(gè)月35個(gè)采樣點(diǎn)的DOM的三維熒光光譜特征進(jìn)行分析, 如圖2(a, b)所示店埠河水體熒光特征呈現(xiàn)2個(gè)熒光組分, 包括1種類腐殖質(zhì)C1和1種類蛋白質(zhì)C2。 圖2(a, b)和圖3(a, b)分別為店埠河水體DOM的熒光強(qiáng)度分布圖及其激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)的載荷圖。 組分C1(Em/Ex, 415 /235 nm)、 C2(Em/Ex, 340/225 nm)分別屬于類富里酸和低激發(fā)類色氨酸組分, 其中組分C1占總組分熒光強(qiáng)度的53.9%, 具有1個(gè)激發(fā)峰和2個(gè)發(fā)射峰, 其熒光峰由外源輸入的腐殖酸和富里酸形成, 主要表征類富里酸物質(zhì), 屬于芳香類物質(zhì), 性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定且分子量較高。 組分C2占總組分熒光強(qiáng)度的46.1%, 包含2個(gè)激發(fā)峰和1個(gè)發(fā)射峰, 類似于色氨酸單體的熒光峰[15], 屬于生物降解的類蛋白質(zhì)物質(zhì), 與DOM中的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)有關(guān), 大部分是由陸生植物或土壤有機(jī)質(zhì)自生源產(chǎn)生過程生成。 C1和C2組分占比(53.9%和46.1%)表明, 該流域水體DOM以腐殖質(zhì)類物質(zhì)為主, 外源特征明顯。

圖2 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體DOM的2個(gè)組分

圖3 店埠河農(nóng)業(yè)小流域水體DOM的2個(gè)組分載荷

2.2 熒光參數(shù)時(shí)空特征分析

本研究通過計(jì)算熒光參數(shù)(FI, BIX, HIX)分析店埠河水體DOM的組分來源。

如圖4(a, b, c)所示為連續(xù)8個(gè)月的水體DOM各熒光特征參數(shù)的均值, 水體熒光指數(shù)FI值的范圍為1.14～1.75, 大部分采樣點(diǎn)的FI均值在1.3～1.9之間, 且各采樣點(diǎn)FI均值為1.45, 研究表明, 該流域水體DOM受陸源和內(nèi)源物質(zhì)的綜合影響, 部分采樣點(diǎn)的FI值小于1.3, 熒光發(fā)射基團(tuán)主要源于陸地和土壤, 分析認(rèn)為這些采樣點(diǎn)周邊存在漁場(chǎng)等養(yǎng)殖業(yè), 例如S4、 S9和S10采樣點(diǎn), 水體受到了周邊養(yǎng)殖業(yè)等農(nóng)業(yè)污染, 水體DOM相應(yīng)地受到了養(yǎng)殖飼料以及動(dòng)植物殘?bào)w等外源輸入的影響。 自生源指標(biāo)BIX值的范圍為0.50～1.70, 且均值位于0.6～0.8之間(0.73), 進(jìn)一步表明該流域水體受外源輸入和自生源的雙重影響, 且BIX值在0.6～0.7之間的采樣點(diǎn)分布較為密集, 表明DOM中自生成分較少, 主要為外源輸入的腐殖質(zhì)類富里酸組分, 但是小部分采樣點(diǎn)的BIX大于1.0, 這些采樣點(diǎn)表現(xiàn)出較強(qiáng)的自生源特征(如S5, S6采樣點(diǎn)), 分析認(rèn)為這些采樣點(diǎn)位于流域上游, 且無工業(yè)污染, 水體生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。 腐殖化指標(biāo)HIX值的范圍是1.66～4.78, 均值為3.07, 大部分采樣點(diǎn)HIX值大于3且小于6, 屬于強(qiáng)腐殖質(zhì)特征和微弱的新近自生源。

圖4 店埠河水體DOM的FI-BIX(a)、 FI-HIX(b)和BIX-HIX(c)分布

本研究對(duì)比分析了各采樣點(diǎn)在三個(gè)季節(jié)(9月秋季、 1月冬季、 4月春季)的熒光參數(shù)變化特征。 如圖5(a, b, c)所示, 總體上, 各采樣點(diǎn)在不同季節(jié)之間的熒光參數(shù)呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化差異, 且三個(gè)熒光參數(shù)指標(biāo)(FI、 BIX、 HIX)值在各采樣點(diǎn)呈現(xiàn)相似的波動(dòng)趨勢(shì)。 其中, S11和S16號(hào)采樣點(diǎn)在春季的熒光指數(shù)BIX值相對(duì)較高, 分析認(rèn)為這兩個(gè)點(diǎn)腐殖化程度相對(duì)較高, 其DOM主要來自于水體內(nèi)微生物有機(jī)質(zhì)的分解; 這兩個(gè)采樣點(diǎn)的熒光指數(shù)FI值和HIX值相對(duì)較低, 進(jìn)一步驗(yàn)證了該采樣點(diǎn)水體DOM受外源影響較弱。 三個(gè)季節(jié)各采樣點(diǎn)的熒光參數(shù)FI均值分別為1.48(9月秋季)、 1.57(1月冬季)、 1.30(4月春季), BIX均值分別為0.73(9月秋季)、 0.80(1月冬季)和0.65(4月春季), HIX均值分別為3.10(9月秋季)、 2.53(1月冬季)、 3.57(4月春季)。 分析認(rèn)為冬季水體環(huán)境相對(duì)于其他季節(jié)更加穩(wěn)定, 不易受到外源輸入的影響, 漁場(chǎng)等養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)污染相對(duì)微弱, 水體自身的微生物分解為DOM形成的主導(dǎo)作用。

圖5 店埠河水體3個(gè)季節(jié)(9月秋季、 1月冬季、 4月春季)DOM的FI(a)、 BIX(b)和HIX(c)值變化

2.3 紫外-可見光譜吸收特征分析

店埠河流域不同季節(jié)和不同采樣點(diǎn)的DOM在254 nm處吸收系數(shù)如表1所示, 各采樣點(diǎn)在9月秋季的α254均值為22.33 m-1, 1月冬季為16.34 m-1, 4月春季為31.32 m-1。 結(jié)果表明, 1月冬季水體DOM的相對(duì)濃度顯著低于4月春季和9月秋季, 分析認(rèn)為冬季水體生物代謝活動(dòng)特征較弱, 生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。 在各個(gè)采樣點(diǎn)之間, DOM的相對(duì)濃度呈現(xiàn)顯著的差異, 采樣點(diǎn)S4、 S9以及S10號(hào)相對(duì)濃度明顯較高, 最高達(dá)90.51 m-1(S9), 分析認(rèn)為該區(qū)域長(zhǎng)期受到周邊養(yǎng)殖飼料的輸入以及土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w的影響, DOM外源輸入作用較強(qiáng), 同時(shí), 周邊藕塘較高生物量使得水體溶解性有機(jī)質(zhì)含量較高。 S5、 S6采樣點(diǎn)的DOM相對(duì)濃度較低, 分析認(rèn)為該采樣點(diǎn)位于流域上游, 水深相對(duì)下游較淺, 且DOM外源影響較為微弱, 見圖4(a, b, c)。

表1 不同季節(jié)和不同采樣點(diǎn)的DOM在254 nm處吸收系數(shù)

續(xù)表1

紫外-可見吸收光譜指數(shù)E2/E3值越大, DOM分子量越小[13]。 如表2所示, 該流域不同季節(jié)和不同采樣點(diǎn)的DOM的E2/E3值總體上存在顯著差異。 各采樣點(diǎn)在9月秋季的E2/E3均值為6.28, 1月冬季為8.11, 4月春季為4.76, 1月冬季的E2/E3均值最大, 說明該流域冬季DOM分子量顯著低于秋季和春季。 在空間分布上, 各采樣點(diǎn)DOM分子量大小從河流上游到下游并未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律, 分析認(rèn)為該流域作為巢湖流域中典型的農(nóng)業(yè)小流域, 近年來同時(shí)受到了居民生活污染的影響, 流域生態(tài)結(jié)構(gòu)不夠單一, 大部分區(qū)域都受到了畜禽養(yǎng)殖、 居民生活等農(nóng)業(yè)面源污染, DOM來源既包含了水體自身的微生物分解, 又包含陸地和土壤等有機(jī)質(zhì)來源。

表2 不同季節(jié)和不同采樣點(diǎn)的DOM光譜指數(shù)E2/E3

3 結(jié) 論

(1)店埠河流域在特定時(shí)段(2020年9月—2021年4月)水體DOM主要包括2個(gè)組分, 即類腐殖質(zhì)熒光類富里酸組分C1(Em/Ex, 415/235 nm)及類蛋白質(zhì)低激發(fā)類色氨酸組分C2(Em/Ex, 340/225 nm), 其中類富里酸組分在DOM中所占比例較大。

(2)三個(gè)熒光參數(shù)(熒光指數(shù)FI、 自生源指標(biāo)BIX以及腐殖化指標(biāo)HIX)在各采樣點(diǎn)呈現(xiàn)相似的波動(dòng)趨勢(shì), 且各采樣點(diǎn)在不同季節(jié)(9月秋季、 1月冬季和4月春季)之間的熒光參數(shù)呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變異。 研究表明, 該流域水體DOM受陸源和內(nèi)源物質(zhì)的綜合影響, 具有強(qiáng)腐殖化、 弱自生源特征。

(3)紫外-可見光譜吸收特征參數(shù)(α254、E2/E3)在不同季節(jié)不同區(qū)域存在顯著差異。 總體上, 1月冬季水體的DOM相對(duì)濃度和分子量大小均低于其他兩個(gè)季節(jié)(9月秋季和4月春季); 在空間分布上, 各采樣點(diǎn)DOM分子量大小和相對(duì)濃度從河流上游到下游均未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。