鄱陽湖CDOM三維熒光光譜的平行因子分析

劉麗貞,黃 琪,吳永明,吳代赦,游海林 (.江西省科學院鄱陽湖研究中心,江西 南昌 0096；2.江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室,江西 南昌 0022；.南昌大學資源環境與化工學院,江西 南昌 00)

水體溶解性有機物(DOM)是全球地球化學循環中重要且十分活躍的組分,是有機成份的最主要部分.而有色溶解有機物(CDOM)作為DOM 中的重要組成部分,因其具有獨特的熒光特性,對研究DOM的組成、來源以及環境行為具有重要意義.三維熒光光譜(EEMs)技術可以快捷準確地獲取水體中 CDOM 的熒光組分的組成及濃度等信息,且具有快捷、不破壞樣品結構、用量少、靈敏度高等特點,并結合平行因子分析被廣泛應用到水環境CDOM研究中[1-6].鄱陽湖是中國最大的淡水湖泊,是典型的大型吞吐性湖泊.由于水位變化明顯,具有典型的通江湖泊特征.隨著環湖周邊地區經濟的快速發展以及人類活動的營養鹽排放的增加,鄱陽湖水質表現出下降的趨勢.目前已有大量關于湖泊CDOM 的研究[3,7-9],然而對于水位幅度變化大的通江湖泊鄱陽湖中的 CDOM 研究仍然較少.本研究根據鄱陽湖水文節律特征,應用EEMs結合平行因子分析技術獲得 CDOM 的熒光組分,分析其時空變化特征以及熒光光譜參數意義,探討 CDOM 熒光組分與氮磷營養鹽的關系,旨在為深入了解通江湖泊中有機物和營養鹽的生物地球化學循環提供參考.

1 采樣和方法測定

1.1 樣品采集

針對鄱陽湖獨特的水文節律(即枯水期---漲水---豐水---退水期),本研究于2016年枯水期(1月)、漲水期(4月)、豐水期(7月)和退水期(10月)進行水樣采集共119個樣品,采樣點如圖1所示,其中入湖河口樣點為三角形樣點.采集的水樣放入裝有冰塊的保溫箱避光低溫保存,立即運回實驗室,對樣品進行Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾處理,濾液需進一步使用0.2μm的濾膜過濾,全部濾后液于-20℃冰箱冷凍避光保存待測.

圖1 采樣點分布Fig.1 The distribution of sample sites

1.2 CDOM三維熒光光譜的測定

使用日立F-7000熒光光譜分析儀,配以1cm石英比色皿,以 Mill-Q 超純水為空白,進行熒光掃描,激發波長掃描范圍為200～450nm,發射波長掃描范圍為 250～550nm.拉曼散射、內濾效應校正以及樣品熒光強度標準化過程參考文獻[6,10]進行.

熒光指數FI(370)是指激發波長Ex為370nm時,熒光發射光譜Em在450nm和500nm處的熒光強度比值[11].生物源指數BIX是指激發波長Ex為310nm時,發射波長在380nm與430nm 處熒光強度的比值[12];腐殖化指數 HIX為激發波長Ex為254nm時,發射波長在435～480nm與300～345nm波段內的熒光強度積分值的比率[12,14].

1.3 氮磷營養鹽的測定

總氮(TN)、總磷(TP)、溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)的測定均參照《湖泊富營養化調查規范》[13],即TN、TP、DTN和DTP的測定采用過硫酸鹽氧化法,并用紫外分光光度計測定.

1.4 統計分析

采用ArcGIS10.3繪制參數空間分布圖和采樣點分布圖.運用Origin 8.5進行數據擬合分析,使用SPSS 11.5進行均值、標準差、相關分析以及方差分析. P ＜ 0.05為達到顯著檢測水平, P ＜0.01為極顯著水平.使用Matlab軟件運用平行因子分析法(PARAFAC)模型[4,6,15]對 117個水樣(119個樣品中剔除2個異常樣品)中CDOM的三維熒光光譜圖進行識別熒光組分特征.利用將數據庫隨機等分為2個子數據庫的方法 (split-half analysis) 來驗證組分識別的正確性.其中PARAFAC模型計算公式如下所示：

式中：χijk為第i個樣點在激發波長Ex為k、發射波長Em為j處的熒光強度;aif為因子得分,反映第 f個組分濃度占 i個樣品的濃度比例; bjf、ckf與為載荷,分別是與第f個組分的第k個激發光譜相對值和第j個發射光譜相對值;eijk是殘差元素;F為模型中選擇的組分因子數量.

2 結果與討論

2.1 鄱陽湖水質特征

綜合分析一年四季調查數據(圖2)可看出,鄱陽湖TN和TP濃度范圍值在0.48～4.13mg/L和0.011～0.612mg/L之間變化.高濃度N、P營養鹽出現在退水期,相對于其他水情條件,TN、DTN、TP和 DTP均值以退水期最高.通過潛在性富營養化評價得出[16],2016年鄱陽湖氮磷營養鹽污染仍為嚴重,其中以退水期氮磷富營養化最為嚴重.由 N/P比值(Redfield 比值)可以反映出[17],2016年鄱陽湖N/P均值大于16,表現為磷限制,氮污染相對比較嚴重.其中表現為磷限制的點位占總點位數的 63.2%.以漲水期氮污染最為嚴重,點位比例高達 93.3%,退水期次之(69.2%),豐水期最低(56.8%).

圖2 2016年鄱陽湖氮磷營養鹽Fig.2 The nitrogen and phosphorus concentrations in Poyang Lake in 2016

2.2 鄱陽湖水體CDOM的熒光組成和分布

圖3 鄱陽湖CDOM的3個組分的EEMS及最大激發/發射波長分布Fig.3 EEMs and the maximum excitation/emission wavelength distribution of three components of CDOM of Poyang Lake

運用 PARAFAC,將鄱陽湖117個樣品三維熒光光譜分解得到3個熒光組分(圖3).各組分特征與已有研究結果較為接近(表 1).其中組分C1(245/391nm),具有單一的激發峰和發射峰,主要代表了短波腐殖質,位于傳統的 A 峰(230～260/380～460nm)區域[18],被認為微生物作用類腐殖質[4].C2具有兩個激發峰和一個發射峰,其中255/453nm代表了短波陸源腐殖質,340/453nm代表了長波陸源腐殖質,位于傳統的 C峰(320～360/380～460nm)區域[18],代表傳統典型的陸源類腐殖質.組分 C3(275/304nm)代表了類蛋白組分特征,為類酪氨酸組分,位于傳統的B峰(275/ 305～310nm)區域.水體中溶解態類酪氨酸比類色氨酸更容易光降解[19],且在本研究中采集的水樣都為水體表層0.5m處的水體.而在本研究中通過PARAFAC分析得出,與2012年鄱陽湖水體DOM中熒光物質有所不同[20],在2016年鄱陽湖水體CDOM中發現類蛋白物質僅為類酪氨酸物質,未能解析分離出色氨酸物質,此結果表明鄱陽湖水體存在大量類酪氨酸物質的來源,具體來源機制則有待下一步研究探索.

表1 鄱陽湖CDOM的熒光組成特征Table 1 Fluorescence feature of the 3fluorescent components of chromophoric dissolved organic matters in Poyang Lake

圖4 不同水文節律下鄱陽湖CDOM各組分的熒光強度和相對豐度Fig.4 Fluorescence intensities (RU.) and relative abundance (%) of three CDOM fluorescence components in different water-level periods

在 CDOM 組成中,以類腐殖質物質為主.其中微生物作用類腐殖質C1占40.8%,陸源類腐殖質C2占30.8%,類酪氨酸物質C3占28.4%.如圖4通過比較 2016年不同水文時期的熒光強度(C1、C2、C3組分,總類腐殖質,以及總熒光),都以退水期為最大.其中微生物作用類腐殖質C1、陸源類腐殖質 C2以及總類腐殖質(C1+C2)熒光強度隨著節律變化順序為：退水期＞漲水期＞豐水期＞枯水期,各自對應的貢獻大小順序為：豐水期＞漲水期＞退水期＞枯水期.類酪氨基酸組分C3熒光強度隨著節律變化依次為：退水期＞枯水期＞漲水期＞豐水期,各自對應的貢獻大小順序為枯水期＞退水期＞漲水期＞豐水期.類腐殖質和類酪氨酸與高氮磷營養鹽在退水期最高的規律一致,即在退水期的熒光強度值最大.而在兩個極端水文條件下表現出不同規律,即類腐殖質在枯水期熒光強度和貢獻都為最低,在豐水期貢獻率最大.原因在于豐水期鄱陽湖流域降水較多,難降解的陸源性類腐殖質隨雨水和地表徑流持續輸入鄱陽湖.且由于江西省內降水多為酸雨,類腐殖質物質在酸雨條件下很容易從土壤中轉移至水體中[25].這很有可能是導致類腐殖質物質在豐水期的貢獻率最大的原因,相比而言,類酪氨酸物質在總熒光物質下的貢獻便不高.而類酪氨酸在豐水期,其熒光強度和貢獻為最低,在枯水期貢獻率最大.鑒于類蛋白物質直接與污水水質相關[1-2,26],豐水期鄱陽湖納污能力最大,而枯水期時鄱陽湖的納污能力最小[27],來自濱湖區城鎮污水中含有大量的類蛋白物質可導致枯水期類酪氨酸物質貢獻大.同時也由上可反映出,類腐殖質和類酪氨酸的來源具有差異性.通過分析各個水情條件下的類酪氨酸C3和類腐殖質(C1和C2)相關關系,我們發現,C1和 C2之間都呈現非常顯著的相關關系(P＜0.001, R＞0.94).在枯水期和漲水期間, C1和C2組分都與C3沒有顯著相關性(P＞0.05).而在豐水期和退水期間,C1和C2以及C3之間呈現顯著相關性(P＜0.05).這說明微生物作用類腐殖質和陸源類腐殖質具有極相似來源性,而與類酪氨酸物質的來源因水情條件不同具有差異性.

圖5 鄱陽湖不同水文節律下各熒光組分的空間分布特征Fig.5 The spatial distribution of CDOM components in Poyang Lake in different water-level periods

由圖5可看出,CDOM各熒光組分的熒光強度分布因水文條件不同而有所差異.總體而言,熒光組分在同一水文條件下,熒光強度變化趨勢相似.在 2016年枯水期和退水期,各組分的熒光強度值范圍波動都較小,且各熒光組分的高熒光強度值出現在北部入長江口處.這可能受到入江湖口城鎮的陸源輸入影響[28].在漲水期時,各熒光組分強度則以南部湖面較高,北部湖面較低,呈現南高北低的趨勢.并通過方差檢驗得出,河口區的C2熒光組分(陸源類腐殖質)、總熒光強度(C1+C2+C3)以及總類腐殖質(C1+C2)熒光強度顯著高于湖區(P＜0.05).這表明,漲水期CDOM物質空間分布受河流輸入的影響較大,CDOM由河口輸入至湖區的熒光物質隨著水流由南向北擴散輸送.這是由于漲水期間入湖河流的水量逐漸增加,水體含有大量CDOM也隨著河流輸入鄱陽湖.值得注意的是,盡管類腐殖質(C1和 C2)和類酪氨酸(C3)在枯水期和漲水期的空間分布格局類似,但如前面分析得出,這兩大類物質之間并沒有顯著相關性,具有不同的來源特征.在豐水期時,各組分高熒光強度值發生在鄱陽湖南部和中部區域,其中微生物類腐殖質 C1和陸源類腐殖質C2在南部主要集中在南磯濕地水域附近以及中部吳城濕地水域附近,這可能是水漲引起的濕地植物淹沒死亡降解釋放CDOM至水體中,從而導致各熒光組分熒光強度增加.有研究表明中部區域鄱陽湖初級生產力以老爺廟附近最高,且附近水體有養殖區域[29],受人類活動影響較大,這可能造成鄱陽湖中部區域熒光強度增強的原因.類酪氨酸C3組分在都昌縣城附近的熒光強度較高,這說明受人類活動較大.

2.3 熒光光譜參數

為進一步探討鄱陽湖水體中CDOM的來源屬性和腐殖化程度[3,12,30],采用熒光指數 FI(370),生物源指標BIX和腐殖化指標HIX來研究鄱陽湖水體中 CDOM 的來源性質特征.結果發現,鄱陽湖在整年中, FI(370)指數變化范圍為1.3～1.87,均值為1.64,介于1.4與1.9之間,這表明鄱陽湖水中 CDOM 呈現外源和內源的特征.其中枯水期FI(370)指數的變化范圍為 1.3～1.46,平均值為1.41,接近1.4,這表明枯水期鄱陽湖中CDOM以陸源性有機物輸入為主.對于漲水期, FI(370)指數變化范圍1.66～1.87,均值為1.72,盡管由圖4可知,漲水期CDOM熒光物質受河流輸入影響較大,然而FI指數并沒有呈現出外源特征,這與河口中FI(370)均值不高有關(FI均值為 1.73).通過生物源指標BIX顯示,整年中,鄱陽湖水體CDOM中BIX變化范圍為0.76～1.26,最高值出現在枯水期鄱陽湖湖面上,而最低值出現在豐水期贛江經過南磯山濕地水體中入湖處;整個水文周期下 BIX均值為 0.92,這表明鄱陽湖水體具有一定的微生物活性.枯水期時水體CDOM的BIX值變化范圍為 0.96～1.25,均值為 1.06,表明枯水期水體中CDOM雖然以外源輸入為主,但相比于其他水文條件下,也具有更高的微生物活性.腐殖化指數HIX可用于估算CDOM的腐殖化程度[12,14],HIX指數越高則腐殖化程度越高,芳香性越強. Zhang等[3]研究結果指出當HIX＜1.5時,CDOM具有生物自生源特征,本研究由圖6可以看出,整個水文周期內,HIX指數偏低,均小于 1.5,這表明整體而言,鄱陽湖水體腐殖化程度較弱,生物活性較強.此結論與生物源 BIX 指數結論一致.枯水期CDOM中的HIX值顯著高于其他水文節律(P ＜0.001),表明枯水期相對于其他水文條件下,盡管枯水期類腐殖質熒光強度最低(圖4),但由于儲水量小,易受外源輸入影響,從而導致 CDOM 腐殖化程度更高.

圖6 不同水文節律下鄱陽湖水體的熒光指數值Fig.6 Values and distribution of fluorescence indices in Poyang Lake in different water-level periods

2.4 CDOM熒光組成和氮磷營養鹽的相關性

由于 CDOM 的成分復雜性,因而不同水域的 CDOM 特征也有所不同.三維熒光光譜技術具有快速、高靈敏度、低檢測限、無需樣品提取和可以準確判別水體中CDOM組成的特點[3].目前有很多文獻研究了特定水域 CDOM 中熒光組成與氮磷營養鹽的顯著相關性,以期建立基于 CDOM 熒光手段來快速監測特定水域的水質狀況.如 Hur等[26]研究典型城市河流得出TN與微生物作用類腐殖質C1之間的相關性最好.Zhang等[3]通過研究38個云貴高原湖泊得出,類腐殖質物質與 TN、DTN、TP、DTP都呈現顯著的正相關(P＜0.01),而類蛋白物質(類酪氨酸和類色氨酸)則與氮磷營養鹽無顯著相關性.鄱陽湖作為典型通江湖泊,隨著周邊快速發展,富營養化加劇.為此本研究使用三維熒光技術結合平行因子分析法探討 CDOM 與氮磷營養鹽的關系,為日后實現快速、實時地進行水質監測和管理提供科技支撐.由表 3可看出,類腐殖質組分 C1、C2、C3、總類腐殖質熒光強度(C1+C2)以及總熒光強度值都與TN、DTN呈現極顯著正相關(P＜0.01).如前分析,鄱陽湖水體主要受氮污染特征較顯著,該顯著關系表明應用總熒光強度尤其是類腐殖質熒光強度可以很好地應用到鄱陽湖水質尤其是氮污染性水體表征中.此外,總熒光強度值和類酪氨酸組分與TP之間呈現顯著正相關.由此可以看出,類酪氨酸還可以較好地反映TP狀況.

表2 水質參數和CDOM組分熒光強度間的Pearson相關性Table 2 Pearson correlations between water quality and fluorescence intensities of CDOM components

3 結論

3.1 通過 PARAFAC 分析得出,鄱陽湖 CDOM以類腐殖質物質為主(占 71.6 %),主要由類微生物作用類腐殖質物質C1(245/391nm)、陸源性類腐殖質 C2(255(340)/453nm)和類酪氨酸物質 C3(275/304nm)構成.

3.2 類腐殖質和類酪氨酸在兩個極端水文條件下表現出截然不同規律,即類腐殖質在枯水期熒光強度和貢獻都為最低,在豐水期貢獻率最大,而類酪氨酸在豐水期,熒光強度和貢獻為最低,在枯水期貢獻率最大.

3.3 CDOM各組分熒光強度因水文條件不同具有差異性.各組分在枯水期和退水期,其熒光強度變化幅度較小,較高值出現在入江湖口處.漲水期則表現為南高北低特征,且河口的熒光強度值顯著大于湖體值,受河流輸入擴散影響較大.豐水期熒光強度較高值出現在濕地附近和受人類活動影響大的水域.

3.4 熒光光譜參數結果表明,鄱陽湖 CDOM 呈現外源和內源的特征,其中枯水期以外源輸入為主.CDOM各組成熒光強度、總熒光強度都與總氮、溶解性總氮呈現顯著正相關.類酪氨酸組分除跟氮營養鹽顯著正相關外,還與 TP呈現顯著正相關.

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