紫外輻射在不同水體衰減影響因素分析

薛 艷， 王錦旗， 宋玉芝， 鄭建偉

(1.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇南京 210044； 2.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044；3.南京信息工程大學江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術重點實驗室，江蘇南京 210044；4.南京信息工程大學大氣環境與裝備技術協同創新中心，江蘇南京 210044)

近幾十年來，人類活動引起的全球平流層臭氧總量減少己被許多觀測事實所證實，隨著臭氧層變薄，到達地面的紫外輻射(ultra violet radiation，簡稱UVR)也逐漸增加。日益強烈的UVR給全球生態系統、氣候和環境變化[1]、生物效應及人類健康[2-3]帶來了不容忽視的影響。因此，各國在UVR方面都積極開展了相關研究，我國也不例外[4-5]。深入研究我國廣大地區地面紫外線的分布狀況，對采取一定的有效措施預防紫外線對生態系統的破壞，提高環境生態質量顯得十分必要[4]。

紫外線一直影響著生命進化。最新研究發現，在某些特定環境中(如高山湖泊)水生生物已經適應長期高強度的紫外線B(ultra violet-B radiation，簡稱UV-B)輻射[6]，如紫外線對水體底棲硅藻及無脊椎動物物種組成已經產生深遠的影響，在一些靜水和流水環境中物種組成已經發生明顯變化，這些變化能夠證實是由于UVR的變化引起的群落結構變化[7]。隨著南極臭氧減少、北極臭氧在春季和夏初減少，地表獲得的UV-B得以增加，UV-B增加通過北極區可覆蓋北極、北歐、中歐甚至阿爾卑斯地區的水體、海洋中，紫外線可深入水下很深深度[8]。除了兩極地區UVR增強外，在中緯度地區UV-B水平也在增加，加上水體人為酸化(酸化會進一步減小 UV-B 衰減系數)和臭氧層變薄可能會使更多UV-B滲透進入水體，使UV-B對水生生態系統的影響加劇[7]。而我國東部淺水型湖泊中紫外線進入水體后衰減規律又如何呢？不同水體對紫外線衰減是否有影響？研究紫外線在我國東部地區水體中的分布狀況，研究其衰減的影響因素，為進一步探索紫外線衰減規律，減少對水生生物的傷害有重要意義。

1 材料與方法

1.1 紫外線分布監測點概況

分別選擇泥沙型、富營養化、清潔水體作為UVR在水體中分布的監測對象，作者所在課題組選擇泥沙含量及富營養化均較高的玄武湖北湖區(32.08°N，118.78°E)為泥沙型水體，該湖區面積為玄武湖3個湖區中最大，湖區風浪較大，水體紊動程度最高，水體濁度為18.3～31.3 NTU，平均濁度為25.1 NTU。富營養化水體選取玄武湖西南湖區，該湖區面積為3個湖區中最小，水體富營養化程度較高，濁度介于10.4～19.5 NTU之間，平均濁度為 14.3 NTU，藻類Chla質量濃度為388.65 mg/m3。清潔水體選擇南京仙林大學城仙林賓館前一池塘(32.11°N，118.91°E)，該池塘無外源污染，為自然降水匯流池塘，水體無任何外源污染，水體來源為天然降水，水體清澈見底，濁度最低，僅為 5.1～7.1 NTU。

1.2 監測方案

分別測定上述3種水體紫外線A(ultra violet-A radiation，簡稱UV-A)、UV-B強度，測定時從水面約1～2 mm 處開始，每隔10 cm測定1次UV-A、UV-B強度，直至UV-B強度衰減到0，因SpectroSense2紫外光譜測量儀是利用電源電壓轉換成UV-A、UV-B強度，穿透深度指的是SpectroSense2讀數表測定到小數點后連續2位數字均為0時，即認為UV-A或UV-B衰減為0，若該深度再向下測量，儀表上會出現負值。該測量儀使用單位為mW/m2，1 mW/m2=0.1 μW/cm2。另外，由于UV-A強度較高，一般直至測定到水底時，強度仍不會低于0，故測定UV-B為0時終止監測。每次測定重復3次，取平均值。

對上述3種不同水體監測時間隨機，有上午、中午、下午，有晴天、陰天、暴雨，其中玄武湖北湖區、西南湖區各隨機監測9次，清潔水體監測8次，合計26個樣本，監測時間段從4月底持續至7月，每隔1～2周監測1次。

1.3 紫外線劑量及紫外線衰減影響因子測定方法

1.3.1 UV-A及UV-B劑量測定 采用英國Skye公司的SpectroSense2 4通道手持表測定，連接SKU 420UV-A傳感器(315～380 nm)及SKU 430UV-B傳感器(280～315 nm)，自水面向下每隔10 cm測定1次水體中的UV-A及UV-B強度。

1.3.2 濁度、透明度(secchi disc，簡稱SD)、總溶解性固體(TDS)測定 采用透明度盤(塞氏盤)于現場測定水體透明度；濁度用HACH濁度儀測定；TDS質量濃度用上海三信儀表廠生產的5031TDS計測定；同時在水下5 cm處取水樣，帶回實驗室分析其余指標。

1.3.3 溶解性有機碳(dissolved organic carbon，簡稱DOC)測定 將水樣經0.20 μm聚酯纖維濾膜過濾，用總有機碳分析儀(Multi N/C 3000)測定水體的DOC質量濃度。

1.3.4 有色可溶性有機物(chrornophoric dissolved organic matter，簡稱CDOM)測定 由于CDOM物質質量濃度無法直接測定，故國際一般測定其在280、355、440 nm 處的吸收峰，CDOM的光譜吸收系數測定采用GF/F濾膜過濾的水樣在MAPADAUV-1100分光光度計下先測定其吸光度，然后根據公式(1)計算各波長的吸收系數：

ag(λ′)=2.303Dλ/r。

(1)

式中：ag(λ′)為波長λ未校正的吸收系數；Dλ為在波長λ處的吸光度；r為光程路徑；λ為波長。

由于過濾清液還有可能殘留細小顆粒，會引起散射，為此作如下散射效應訂正：

ag(λ)=ag(λ′)-ag(700′)·λ/700。

(2)

式中：ag(λ)為波長λ的吸收系數；吸收系數越大表示CDOM濃度越高[9]。

1.3.5 藻類葉綠素a質量濃度測定 浮游植物葉綠素a質量濃度測定參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)[10]，將100 mL水樣經 0.45 μm 乙酸纖維濾膜過濾，濾膜保存，利用丙酮提取測定。

1.4 紫外線衰減系數確定

UVR、UV-A、UV-B在3種水體中的衰減均呈指數衰減模式，紫外輻射衰減系數用公式(3)計算獲得。

Ed=E0·e-Kd。

(3)

式中：Ed為水下d深度的UVR、UV-A、UV-B強度；E0為入射紫外線強度；K為衰減系數；d為水深。其中UVR衰減系數以KUVR表示，UV-A衰減系數以KUV-A表示，UV-B衰減系數以KUV-B表示，衰減系數為水下每隔10 cm測得的衰減系數。

1.5 數據分析

試驗數據用Excel和SPSS軟件進行統計分析及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 紫外線衰減系數與濁度關系

由圖1可見，UVR、UV-A、UV-B在水體中的衰減均隨濁度的增大，其衰減系數增大，三者衰減系數均與濁度呈極顯著相關(|r|>0.479為極顯著相關，0.374<|r|≤0.479為顯著相關，|r|≤0.374為不相關，下同)，相關系數分別達0.86、0.91、0.93(n=26)。當濁度高于20.0 NTU時，KUVR大于0.127，KUV-A、KUV-B均大于0.105；當濁度低于10.0 NTU時，KUVR小于0.083，KUV-A、KUV-B均小于 0.071；當濁度最高高達31.3 NTU時，KUV-A也達到最高，為0.126，KUV-B達0.157，在所有監測樣本中位列第3，KUVR達 0.125，在所有監測樣本中位列第2；當濁度最低為4.94 NTU時，KUVR、KUV-A、KUV-B分別為0.041、0.041、0.052，均達各組中的最低值。

2.2 紫外線衰減系數與SD關系

由圖2可見，水體中UVR、UV-A、UV-B均隨SD的增大其衰減系數逐漸減少，兩者呈極顯著負相關關系，其相關系數分別為-0.86、-0.89、-0.90(n=26)。當SD低于40 cm時，KUVR、KUV-A均大于0.100，KUV-B大于0.120；當SD大于 90 cm 時，KUVR、KUV-A、KUV-B均小于0.071；其中當SD最大為105 cm時，KUVR、KUV-A、KUV-B均達最低值，分別為0.041、0.041、0.052；當KUVR、KUV-A、KUV-B達最高值時，SD均處于 35～38 cm之間。總體而言，隨著SD增加，UV-A衰減系數減少，兩者呈極顯著負相關關系。

2.3 紫外線衰減系數與TDS的關系

由圖3可見，水體中UVR、UV-A、UV-B的衰減系數隨TDS質量濃度的增高而逐漸減小，兩者呈極顯著負相關關系，相關系數分別達-0.74、-0.77、-0.78(n=26)。當TDS質量濃度為219 mg/L時，KUVR、KUV-A約為0.040～0.048，KUV-B為0.052～0.059之間，三者均為各組中的最低值；當TDS質量濃度為180～181 mg/L時，KUVR、KUV-A均達最高值，分別為 0.153、0.126，KUV-B也較高。TDS質量濃度與水體清潔程度有關，水體越清潔，水體中TDS質量濃度越高，清潔水體TDS質量濃度較高，KUVR、KUV-A、KUV-B較低，渾濁水體與富營養化水體TDS質量濃度較低，KUVR、KUV-A、KUV-B則較高。

2.4 紫外線衰減系數與不同波長CDOM吸光系數的關系

由圖4可見，KUVR、KUV-B與CDOM在280 nm處吸收系數呈顯著正相關，相關系數分別為0.479、0.417(n=26)，KUV-A與CDOM在280 nm處吸收系數呈極顯著正相關，相關系數為0.490(n=26)。

由圖5可見，CDOM在355 nm處的吸收系數與KUVR、KUV-B均無顯著相關性(相關系數分別為0.37、0.38，n=26)，而與KUV-A呈顯著正相關(相關系數為0.40，n=26)。

由圖6可見，CDOM在440 nm處的吸收系數與KUVR、KUV-A、KUV-B無顯著關系。但總體而言，CDOM含量對UV-A在水體中的衰減有一定的影響，特別是在280 nm處吸收系數表現突出，KUVR、KUV-A、KUV-B隨CDOM吸收光系數增加而增加。

2.5 紫外線衰減系數與DOC質量濃度關系

由圖7可見，KUVR、KUV-A與水體DOC質量濃度呈極顯著正相關關系(相關系數分別0.52、0.53)，KUV-B與水體DOC質量濃度呈顯著正相關關系(相關系數為0.48，n=26)，總體上隨水體中DOC質量濃度的增高，KUVR、KUV-A、KUV-B也隨之增高。其中，當DOC質量濃度大于200 mg/L時，KUVR、KUV-A>0.120，KUV-B>0.149；當DOC質量濃度小于20 mg/L時，KUVR、KUV-A<0.055，KUV-B<0.067；但當KUVR、KUV-A、KUV-B達最高值時，DOC質量濃度為80～135 mg/L之間；但DOC質量濃度的極值與KUVR、KUV-A、KUV-B極值不能完全吻合。

2.6 紫外線衰減系數與水體Chla質量濃度關系

由圖8可見，水體Chla質量濃度與KUVR、KUV-A、KUV-B均呈極顯著正相關，KUVR、KUV-A、KUV-B隨葉綠素a質量濃度增加而增加，其相關系數分別為0.56、0.62、0.59(n=26)。但當葉綠素a質量濃度低于100 mg/m3時，KUVR、KUV-A均低于0.062，KUV-B低于0.083；而當葉綠素a質量濃度高于 510 mg/m3時，KUVR、KUV-A分別大于0.010及0.099，KUV-B大于0.120。

3 結論與討論

國外對紫外線在水體中衰減的研究主要集中在UV-B的衰減研究上，研究區域主要集中在海洋和高山湖泊[6]。已有研究認為，UV-B在水中的傳輸主要受水中組成物質的影響，包括黃色物質、懸浮物質以及浮游藻類等[11]。不同的物質組成對UV-B的衰減影響不同，在清潔的海水中UV-B可滲入水下30 m，而UV-B的生物效應可達60～70 m[12]。在高山深水湖泊中，UV-B的穿透深度也常達20 m以上，對阿爾卑斯和比利牛斯山脈上26個湖泊UV-B的真光層深度進行測定，其平均深度為8 m，最深達27 m[7]。在受人類活動影響較大和富營養化的淺水湖泊中，由于水中溶解性有機物質對 UV-B的強烈吸收，其真光層深度往往要小得多，說明不同類型的湖泊對UV-B輻射衰減的影響差異顯著[13]。太陽輻射在水下的傳輸和分布主要受制于4種物質的吸收和散射，即純水、非生物懸浮顆粒物、溶解性有機物及浮游植物，其中水分子對紅外光譜有強烈的吸收性，溶解性有機物對紫外光有強烈的吸收作用，水體各組分及其含量的不同會造成水體吸收和散射的變化[14]。在這幾種物質中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發生明顯吸收外，其余3種物質分別選擇吸收一定波長范圍的光[15]。

濁度是由水中所存在的顆粒物質如黏土、淤泥、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物形成的，它是水對光的散射和吸收能力的量度，與水中顆粒的數量、大小、折光率及入射光的波長有關。形成水的濁度的顆粒大小變動于1 nm～1 mm之間[16]。水的渾濁程度以渾濁度作指標，渾濁度是一種光學效應，它表現為光線透過水層時受到阻礙的程度，這種光學效應與顆粒的大小及形狀有關[17]。濁度物質的存在降低了水的透光率，降低了紫外線透過率[18]。水的渾濁度越高，反射光和散射光越強，而透射光越弱；反之，水的濁度越低，反射光和散射光越弱，而透射光越強[17]。因此，水體濁度越大，阻礙太陽光透過水體，故水體濁度越大，SD越低，UVR、UV-A、UV-B 衰減系數越大。

據研究表明，水體中的黃色物質、葉綠素a、其他光合色素、有機或非有機顆粒物均能影響紫外線的水體滲透，UV-B輻射能分解高分子量物質，使之成為細菌能利用的物質[19]。DOC、顆粒性有機碳微粒狀有機物及腐殖質影響紫外線滲入水下[8]，DOC能吸收短波輻射，特別是在海濱區及淡水生態系統中，如阿比斯庫瑞典(68°N，19°E)、加那利群島(27°N，17°W)、北海、波羅的海、卡特加特海峽、地中海東部和西部、北大西洋等海域。由于腐殖質難以被細菌分解，一旦分解，其產物(甲醛、乙醛、乙醛酸、丙酮酸)易被浮游細菌利用。但腐殖質能強烈吸收紫外線，進而加劇DOC分解，其產物被細菌利用，紫外線可更深入水下。然而水表強烈的紫外線不僅能抑制浮游細菌的生長活性，又能抑制DOC分解，進而使紫外線難以深入水下[20]。由此可見，DOC和腐殖質是控制湖泊UV-B衰減的重要因素。自然酸化的湖泊具有高濃度的腐殖質，可在表層水體幾厘米范圍內使UV-B迅速衰減[21]。從上述分析也可以看出，DOC質量濃度與CDOM吸光系數與UVR、UV-A、UV-B衰減系數均呈正相關關系，也證實了DOC、CDOM能吸收紫外線，阻礙紫外線更多地滲透進入水下，很多研究也表明了DOC對紫外線的衰減作用較為明顯[22-23]。因此，水體中DOC、CDOM物質含量越高，水體 UV-B 滲透深度越低。這些結果與本研究的3種水體CDOM和DOC質量濃度越高，UVR、UV-A、UV-B衰減越快是一致的。Figueroa等的研究也證實了水體中葉綠素a質量濃度也影響水體紫外線的滲透，即水體中藻類葉綠素a質量濃度越高，UVR、UV-A、UV-B衰減系數越大，水體UV-B滲透深度越低[24]。

江蘇省南京地區水體中紫外線衰減是水體中多種環境因子的共同作用，而濁度在多種環境因子中起主導作用，水體濁度、CDOM物質含量、DOC質量濃度、TDS質量濃度、藻類葉綠素a質量濃度等均對水體中的UVR、UV-A、UV-B衰減有重要影響，水體中CDOM物質含量、DOC質量濃度、TDS質量濃度、Chla質量濃度等對紫外線在水體衰減的影響程度不及濁度。