長江溶解有機質三維熒光光譜的平行因子分析

甘淑釵,吳 瑩,鮑紅艷,張 經

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

溶解有機質(DOM)是全球碳循環的重要組成,對水體的碳、生源要素等的生物地球化學循環具有重要意義,河流是陸源DOM的傳輸者和反應池,自然、人文等環境因素在其組成上有所反映.由于成分復雜,已能在分子水平鑒別的DOM成分不到11%[1],且操作繁瑣,儀器要求較高,對新的組分識別手段提出了迫切需要.三維熒光—激發發射矩陣光譜(EEMs)是近年來廣泛用于研究DOM來源及動力學特征的一種熒光光譜分析技術[2-6]通過平行因子法(PARAFAC)解譜[5,7]提取熒光特征,可對不同熒光組分進行定性、定量分析,具有操作便捷、靈敏度高、樣品量少且無需富集等優點,已有學者通過此手段在亞馬遜河[8]、剛果河[9]、珠江[10]、九龍江[11]等流域對水體DOM進行了研究.

長江是我國最大的河流,占東海所有河流徑流輸入的90%～95%[12],其有機碳輸送對整個東海特別是近岸海域的物質循環和生態系統具有重要意義[13-14].對長江顆粒態有機質的研究雖已有報道[13-15],但通過三維熒光以及平行因子法解譜來認識長江流域溶解態有機質分布規律的報道鮮見,對DOM生物地球化學過程的認識還不明確.本文利用EEMs-PARAFAC,探討了長江上游至河口水體DOM的組成、來源、生物地球化學過程以及人文活動的影響.

1 采樣區域與方法

2009年9月9日～10月13日采集長江口至上游近4000km區域表層水樣(圖1),時間順序為依次從上游至下游進行采樣.

圖1 采樣站位示意Fig.1 Map of sampling site in Yangtze River

DOC：水樣用 0.45μmol/L 的尼龍膜過濾,濾液保存至安培瓶,于-20℃冰箱冷凍保存,測試方法見文獻[14].葉綠素a：GF/F膜過濾,濾膜用90%丙酮萃取18h,萃取液在F2500熒光計上進行測定.紫外可見吸收光譜[16-17]：采樣方法同DOC,避光冷凍保存,用 Cary100(Varian,美國)測定,以Milli-Q水為空白,經散射校正,換算為350nm處的吸收系數a350(m-1).三維熒光光譜與平行因子法[7]：采樣方法同a350,測試前于4℃冰箱避光解凍,再恢復至室溫,用F4500(Hitachi)熒光分光光度計進行測定,激發波長(Ex)范圍250～410nm、發射波長(Em)范圍 300～550nm(波長增量均為 3nm),以Milli-Q水為空白,校正散射后,利用軟件MATLAB,采用平行因子法對112個三維熒光光譜譜圖進行模擬識別,得到5組分,用折半分析驗證結果可靠性.各個組分的值以熒光峰最高處的熒光強度即Fmax(RU)來表示.

2 結果與討論

2.1 DOC與a350分布

長江DOC均值為90.7μmol/L,其中上、中、下游分別為76.7,115.8,108.3μmol/L.水體向下游遷移過程中,距長江口2200km處DOC開始迅速增加(圖2),對應區域為萬州至宜昌之間的庫區,三峽大壩則落在此區間末.中下游DOC濃度相當且較穩定,高出上游約50%.

圖2 水體DOC和a350,∑P和∑H 隨河口距離的變化Fig.2 Variation of DOC and a350,∑P and ∑H along Yangtze River

本文用a350表征有色溶解有機質(CDOM)的濃度,發現a350與DOC的分布較相似(圖2a),上、中、下游平均值分別為1.21,1.63m,1.34m-1,而DOC濃度在上游亦逐漸增加.a350在庫區后趨于平緩,其中,三峽庫區所在的萬州至宜昌段增加最為迅速,這一趨勢和DOC一致,不同的是庫區后a350下降的幅度更大,相比庫區下降近18%.

總體上,在宜昌及以上區域即庫區及庫前,DOC和a350逐漸增加,說明有機質從上游向庫區遷移的過程中有明顯添加富集作用;從三峽庫區至庫后a350下降了18%,幅度大于DOC(6.5%),CDOM對DOC的貢獻有所下降.

2.2 三維熒光組分識別和分布

結合平行因子法(PARAFAC)解譜,分析得到3種類腐殖質H1、H2、H3及2種蛋白質組分P1、P2(圖3),結合已有文獻報道[18-23]對峰的類型及指示意義的判斷如表1.∑P、∑H分別為類蛋白質峰、類腐殖質峰之和,上游∑P的均值為0.11RU,萬州至宜昌有所增加,∑H在此區間增幅較為明顯,庫區以后即宜昌至河口段維持在0.49RU左右.∑P均值明顯小于∑H,約為后者的1/3,這與許多河流以腐殖質信號為優勢的結果相近[2,5],該比值小于受人文活動影響較大的水體,如珠江口∑P/∑H 約 2～3,污染地下水則達到9(來自實驗室未發表數據).

圖3 平行因子法得到的五個熒光組分P1,P2,H1,H2,H3Fig.3 Five fluorescent components P1,P2,H1,H2,H3identified by PARAFAC model

2.3DOC、CDOM相關性分析

綜上,DOC和光譜信號說明三峽庫區前后水體差異顯著,本文將長江干流分為3個區域進行分析討論：庫前,三峽庫區(分別以萬州、宜昌為始末點),庫后即宜昌至河口的區域.宜昌及以上區域水體a350與DOC的線性相關較好(R2=0.94),可見空間差異并沒有引起CDOM比重的差異,說明水體條件或DOM來源具有相似性.而宜昌以下區域數據明顯偏離趨勢線(圖4a),而a350指征的CDOM是一類易于吸收光而發生光漂白或降解的物質,這暗示長江的DOM在空間上有明顯成分差異以及可能存在不同的降解、轉化主導過程,濁度較低且徑流量較大的中下游,水體自凈能力相對較強[15],較低的a350可能與更強的光降解有關[2].

表1 五種熒光峰位置及指示意義[18-23]Table 1 Fluorescence groups and implications

圖4 a350、∑Fluo與DOC的相關性Fig.4 Correlation analysis between DOC and a350,∑Fluo

有研究者[23-24]曾通過a350、DOC二者的相關性來說明CDOM預測DOC的可行性,或指示河口區咸淡水的混合,本文的結果說明,對于具有來源和成分差異顯著的水體二者的線性相關不明顯,成分差異可能與物源和選擇性降解有關[19-20,25].Stedmon[19]在研究Horsens河時發現,水體流經湖泊后對DOC濃度無影響,但引起了CDOM吸收系數的下降并認為光降解是重要原因,這與本文的結論相符.而宜昌及以上區域∑Fluo(5組分Fmax之和)與DOC相關性亦較高,與a350不同的是,庫區后的數據沒有明顯偏離趨勢線(圖4b),將該區域數據并入線性計算,R2達0.92.a350、∑Fluo兩種信號的差異在于,∑Fluo是不同激發發射波段峰強的總和,代表了不同類別的熒光性有機物,這說明在水體差異較大的情況下,相對a350,三維熒光作為綜合指標仍可以較好地示蹤DOC,從側面說明對各組分信息的綜合反映優于吸收光譜,為了更明確這一點,后面將四類熒光峰(兩個類蛋白質峰不能分別作物源示蹤因而合并為一類峰∑P)與DOC進行相關性分析.

2.4 三維熒光對DOM組成的反映

蛋白質峰三峽庫區后均值高于庫前,增幅近30%,略小于類腐殖質,對比發現,庫區后的∑P/∑H從0.36降至0.33,說明類蛋白質組分在熒光信號的比重有所下降.與a350不同,∑P在庫區及以庫前水體與DOC無明顯線性相關(R2=0.17).類蛋白質組分的生物可利用性較高,在水體中的消耗速度較快,是水體較為活躍的一部分DOM,從來源上看,這一組分可能與現場生產的貢獻有關,另外來自外源輸入如生活污水等也可能影響∑P的大小[18-19],雖然可以通過類蛋白質組分來判斷有機質來源,但在有限的輸入和較大的徑流下,可能被相對快速的遷移轉化過程削弱來源的信號,或對水體總體特征的反映可能較不敏感.

圖5 類腐殖質峰與DOC的線性相關關系Fig.5 Correlation between 3 Humic-like components and DOC

不同類腐殖質峰與DOC線性相關關系不同(圖5),三峽庫區及庫前類腐殖質隨水體向下遷移而增加,H1、H2所代表的長波激發類腐殖質與DOC呈顯著線性正相關,R2分別為0.93、0.95.庫區后水體類腐殖質峰偏離趨勢線,其中H1、H2數據均落于趨勢線下方,這一分布與a350相仿,而相對難降解成份(H3代表的短波激發類腐殖質)呈相反趨勢,在向河口遷移的過程中比重增大,這反映了長江水體組成在空間分布上的差異,這種差異可能與物質來源以及選擇性的降解轉化過程有關[20].具體的來源和遷移轉化過程將在后面討論.

2.5DOM來源分析

不同來源(如現場生產、人為污染物排放、土壤淋溶與植物碎屑衍生等)的有機質組成有所差異,可以通過三維熒光光譜來反映DOM的來源信息.自生源是水體DOM來源之一,庫區后葉綠素a(表2)高于庫前兩倍,相應區域的類蛋白質峰增加了30%,已有研究說明在浮游植物豐度較高的水體(如水華區)蛋白質峰明顯較高,體現了現場生產對水體蛋白質類物質的貢獻[2,25-27],但本文中葉綠素a與∑P(R2=0.40)、DOC(R2=0.53)的弱正相關說明現場生產并不能主導類蛋白質組分和DOM的分布.如表2所示,比較發現上游水體的懸浮顆粒物濃度(TSM)較大(高于庫區及庫后近10倍,這一差異可能與三峽大壩有關,且隨季節氣候而變[14]),可能導致光限制而使現場生產下降,尤其是浮游植物的貢獻減少,因此現場生產對庫前DOM的貢獻小于庫后.總的來說,由于濁度對光的限制,加上快速的消耗利用及大量陸源DOM的輸入,浮游植物衍生有機質的貢獻量十分有限,這與Wu等[13]通過碳穩定同位素13C分析顆粒態有機質物源所得到的結論一致.

以上結果說明,現場生產對DOC濃度應為非主導性因素,長江水體的DOM組成和轉化包括了其他外源DOM的影響,如土壤淋溶、人為排放等.FI是在370nm激發波處450nm與500nm發射波強度的比值,可用來表征陸源物質和微生物降解的比重,大于1.9說明主要來源于微生物等過程,小于1.4說明陸源占主要貢獻,長江干流水體FI均值1.65,體現了兩個端元同時貢獻[28].類腐殖質峰H1在海水中被認為直接或間接源自現場生產,在陸源水體,一般認為在受外源的農田、廢水影響的水體中峰較明顯[18-19],庫前H1為0.10RU,庫區增加至0.16RU,與人文活動的影響增大的事實相符.與此相應的是,文獻報道[29]水體污染對三峽庫區的影響十分嚴重,重慶市每年排放的工業廢水約10億噸,Liu等[30]發現,長江距河口2000～3000km段溶解無機氮迅速增加,本文中DOC以及a350、熒光信號最大增幅區亦始于庫前即距河口2100km左右,隨后趨于平緩,說明庫區及其附近人文活動的增加導致了水體的變化,在有機質組成和含量上已有所反映.Wu等[13]通過長江不同支流人口密度與DOC的線性正相關認為DOC的增加與流域非點源污染的貢獻增加有關,這也輔助說明了人為因素對有機質分布的影響.

表2 TSM、葉綠素a、熒光信號在長江三峽庫區及前后的平均值Table 2 TSM,Chlorophyll-a,Fluorescence average value of Yangtze River

2.6 DOM的遷移轉化過程以及三峽大壩的潛在影響

光降解和生物作用是水體DOM降解轉化的兩個重要途徑,中下游水體濁度較低、停留時間較長、徑流量較大,在三峽大壩的作用下,水體動力條件差異更加明顯,DOM光降解的速度和比重明顯大于上游地區,遷移過程中發生了陸源土壤淋溶等難降解的物質的累積,在海洋表層也觀察到了由于光降解導致的類腐殖質H3的積累[23],3類腐殖質不同趨勢從側面說明了光降解的存在和選擇性.而生物可利用性較大的物質則優先被生物降解,如類蛋白質組分[20-21],對土壤衍生的以腐殖質為主的DOM降解能力較小,庫區前后光限制條件的差異將導致對腐殖質的光降解能力不同,因此在長時間的遷移過程中導致了DOM選擇性降解和庫區前后的成分差異.

Hong等[2]對九龍江的研究中提出了大壩對DOM的截留和停留時間的改變導致的DOM組成和循環的變化,這一觀點與庫區溶解有機質的持續增加相符,雖然附近沒有大的支流匯入,但沿岸城市及小支流仍帶來大量外源物質,可能截留于壩區無法及時降解轉化[14].

2.7 長江與其他河流的DOM分布特征對比

長江的DOC濃度范圍 55.9～124.8μmol/L,明顯低于人文活動影響較大的珠江[38](表3),亦小于流經熱帶雨林、陸源輸入通量較大的亞馬遜河以及高緯度地區的育空河(Yukon)(尤其在春季)[37],a350表征的CDOM濃度亦如此.比較a350/DOC后發現,育空河和阿查法拉亞河(Atchafalaya)最高,亞馬遜河、長江、珠江次之(表3),該比值反映了CDOM對溶解有機質的貢獻或者有機質的光吸收能力,與物源和光降解程度有關,如寒帶河流——育空河在春季冰融汛期比值達 0.29[L/(μmol·m)],該時期土壤層和植被碎屑層冰融后釋放大量有機質,未經水體充分降解,可能導致CDOM相對貢獻較大;而長江地處溫帶,上游植被覆蓋較小、土壤風化導致有機質較老[13],經歷充分淋溶降解,在下游較大的徑流和較長的停留時間下有機質降解更加充分,可能導致CDOM對DOC的貢獻減小,而同緯度的密西西比河支流——阿查法拉亞河(Atchafalaya)該比值均值 0.023[L/(μmol·m)],相對干流明顯增加,該支流流域遍布沼澤水洼等濕地,有研究出沼澤地植被及富含有機質的土壤對CDOM有重要貢獻[32-33];對于熱帶河流——亞馬遜河,物源以植物碎屑和富含有機質的新鮮土壤居多,但較充分的光照和有限的濁度可能導致CDOM有效降解,故而比值僅略高于長江.

長江中下游DOC與熒光信號較為穩定,這一特征與亞馬遜河和奧里諾科河(Orinoco)[34]等世界性大河相仿.從FI值看物源,發現長江DOM的陸源特征明顯低于熱帶河流——剛果河(FI 1.22～1.44)[9],高于人文活動影響較明顯的珠江,后者這一值達1.86,與之相應的是,類蛋白質在湖泊和人文活動影響較大的河流較高,而類腐殖質信號在長江、亞馬遜河、麥肯吉河(Mackenzie)[35]等河流中占優勢,后者均為陸源土壤淋溶、植物碎屑輸入占主導的水體.以上結果反映了a350及三維熒光能夠對不同河流的人文影響和物源植被特征進行表征,是示蹤DOM的有效手段.

表3 長江及其他區域的DOC、a350、熒光信號對比Table 3 DOC、a350、fluorescence of Yangtze River and other regions

3 結論

3.1 上游至河口的∑Fluo與DOC的良好相關性說明三維熒光比吸收光譜更能有效預測、表征DOC的濃度,并可靈敏示蹤反演DOM來源和轉化過程.

3.2 長江DOM熒光組分以腐殖質為主,陸源特征明顯,蛋白質峰∑P小于∑Fluo的1/4,這與人為排放和現場生產有限的DOM受稀釋或快速降解轉化有關.

3.3 上游至河口,DOM有明顯降解程度和來源的空間差異：庫區及以上水體DOM來源或者轉化途徑相似性大于下游,DOC、CDOM信號的增強說明了遷移過程中外源的添加;庫后信號趨于穩定,體現了中下游水體通過多種生物地化過程(光降解、生物、物理等)對有機質組成有較強的平衡能力.

3.4 不同熒光組分的變化趨勢有所差異,說明了長江向河口輸送過程中DOM遷移轉化的選擇性,三峽大壩可能加劇了上游和中下游水體環境差異,進而影響區域物質結構和循環.本文未能對季節差異進行對比,而在不同季節氣候下DOM的來源和轉化過程有所不同,或將在三維熒光上有所反映.

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