階梯式景觀河流夏季溶解性有機質構成與分布

陳旭東， 高良敏*， 龐振東， 陳曉晴， 王慧， 張金昕， 童榮榮

(1.安徽理工大學地球與環境學院， 淮南 232001； 2.淮南市環境保護監測站， 淮南 232001)

城市景觀河流是城市生態系統的重要一環，其水質狀況變化對其生態功能與景觀價值有重要影響。溶解性有機質(dissolved organic matter，DOM)是由成千上萬種芳香族和脂肪族化合物組成復雜異質體(包括羧基、苯酚、醌基、醛、酯、酮、羥基和氨基等)，是水體中最活躍的組分之一[1-2]。DOM具有高反應性和強遷移性[3- 4]，廣泛存在于土壤和水生環境中，為水環境中的微生物提供了必需的營養和能量，是生物地球化學循環中重要的一環[5- 6]。DOM的含量與構成在時空分布上有很大差異[7]，對水體生態環境狀況具有很好的指示作用[8-9]。目前已有多種技術來表征DOM的環境行為，而光譜法由于其獨特的優勢，如簡便、速度快、成本低和靈敏度高等，是研究DOM最有效的工具之一[10-12]。基于光譜學的水質監測、評價和管理是一種很有前景的策略[13-15]。

同步熒光光譜(synchronous fluorescence spectrum，SFS)常用來分析和表征樣品間DOM含量與構成變化情況[16]。冗余分析(redundancy analysis，RDA)可以用于分析DOM構成對水環境變化的響應[14]。DOM的異質性使其光譜重疊度高，組分間難以識別和分離，二維相關光譜(two-dimensional correlation spectroscopy，2D-COS)通過外部施加擾動(如時間、濃度、溫度、磁場、pH和空間等)所產生的一系列光譜，經過Herbert-NODA變換擴展到二維空間，提高了光譜分辨率并識別出不同組分發生變化的先后順序[17-18]。同步熒光光譜結合二維相關分析(SFS-2D-COS)對研究水體中DOM的構成與變化有著極其廣泛的應用[19]。同步熒光光譜結合主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種快速有效的光譜分析方法，可以針對DOM光譜變化特點進行分類與解析并消除光譜噪聲[20]。

基于此，以夏季階梯式景觀河流不同高程水體作為研究對象，采用SFS熒光強度區域積分校正因子法解析水體DOM的含量與構成變化。通過SFS-RDA、SFS-2D-COS和SFS-PCA等方法探究DOM含量與構成變化和水環境參數間的相互關系，對城市景觀河流水質監測、水污染防治和生態修復具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

1.1.1 研究區概況

如圖1所示，研究區內階梯式景觀河流位于安徽省淮南市田家庵區(117°00′30″E～117°01′30″E，32°33′05″N～32°33′35″N)。河流水體主要由周邊雨水匯集而成，地勢西高東低，呈現階梯狀，東西落差近22 m。百川河不同海拔區間設置多級堤壩維持水面高度，類似于多個湖泊串聯相通，降水時表現出河流的特征，水體依靠重力自流由研究區東部流出。河流周圍植被覆蓋茂盛，綠化面積較高，流域內存在大量建筑與道路，無裸露土地。作為景觀河流，部分區域水面覆蓋著挺水和浮水植物。流經道路時，河流通過暗渠相連。

S1～S8為采樣點

1.1.2 樣品采集

樣品采集時間為2021年7月，采樣前一星期有短暫降水過程。使用有機玻璃采水器，每個點位采集3份水樣，基礎水質指標采用便攜式儀器現場測定，水樣于4 ℃下避光保存，3 d內完成所有指標測定。采樣時估計采樣區域水面覆蓋率Cover，單位：%。

1.2 樣品測定

1.2.1 水質參數測定

1.2.2 SFS測定

SFS測定過程中樣品全程避光，待樣品恢復至室溫后開始測定。采用RF-5301PC(Shimadzu，日本)測定水樣SFS，儀器參數為：150 W無臭氧氙氣光源；激發與發射狹縫寬度均為5 nm；在激發波長Ex：220～490 nm范圍掃描，波長間隔1 nm掃描速度為250 nm/min，恒定波長偏移為60 nm(選擇60 nm 的值作為偏移量，以提供比其他偏移量更高的熒光強度和更好的分辨率)；每個樣品掃描三次取平均光譜以消除測量誤差，同時測定超純水的SFS作為空白校正。

1.3 數據分析方法

1.3.1 綜合營養狀態指數

采用綜合營養狀態指數(trophic level index，TLI)來衡量研究區水體的營養狀態，TLI以TN、TP、CODMn、SD和葉綠素a(Chla)作為5種因子，通過皮爾遜相關性加權計算TLI指數[9]。根據營養狀態的分級標準，當TLI<30時，水體處于貧營養狀態；當30≤TLI≤50，水體處于中營養狀態；當TLI>50時，水體處于富營養狀態[22-23]。

1.3.2 數據統計與繪圖

統計學分析使用R(4.0.5)軟件進行(不同統計學水平上的顯著性差異以P<0.05、P<0.01、P<0.001表示)。單因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)及LSD事后檢驗使用R(4.0.5)中“agricolae”(1.3-5)包完成；使用“vegan”(2.5-7)包進行去趨勢分析(detrended correspondence analysis，DCA)和RDA分析；以河流水面海拔高程變化為擾動變量，利用“corr2D”(1.0.2)包進行SFS-2D-COS分析[24]；“factoextra”(1.0.7)包和“FactoMineR”(2.4)包進行SFS-PCA分析。使用“ggplot2”(3.3.5)包、Origin2021b(學習版)、Adobe Illustrator2021和ArcMap10.2繪圖。數據以均值(mean)±標準偏差(SD)表示。

2 結果與討論

2.1 水體基本參數與水質指標

如表1所示，各采樣點位水面海拔高度依次降低，海拔高度變化范圍為56.11～41.21 m。夏季采樣水體溫度維持在較高水平[(29.19±0.36)℃]。水體中EC[(325.26±13.59)μS/cm]和TDS[(210.2±8.99)mg/L]均表現出隨海拔降低過程逐步升高的趨勢。除S6外，其他點位TUR均處于較低水平，S6水深僅有0.3 m，水體易受底層沉積物影響，S6擁有最高的TUR(13.6 NTU)和最低的SD(0.22 m)。S5和S8處Cover最高(>80%)，水面覆蓋著大量的植物使水體受到的陽光輻射減少，水體藻類的活動受到影響，光合作用產生的DO減少，同時，水面覆蓋也影響了水體大氣復氧過程。

表1 采樣點基本參數

如圖2所示，河流水體各水質指標在S1～S8(每個點位采集3份水樣，即樣品數n=3)的分布均存在顯著性差異(P<0.05，ANOVA，n=3)，S1處的TN[(0.62±0.02)mg/L]和TP[(0.35±0.03)mg/L]顯著高于其他點位(P<0.001，LSD)。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，除S1外，其他點位水質符合地表水環境質量Ⅲ類標準，TP為S1首要污染指標，符合地表水環境質量Ⅴ類標準。如圖2(b)所示，S1為河流源頭，周邊存在大量的草地、林地及未開發荒地(研究區北部為未開發荒地)，降水形成的面源輸入過程將周圍土壤中的磷帶入水體，其TP與TDP含量顯著高于其他點位(P<0.001，LSD)。S2～S8周邊以道路和建筑區域為主，面源輸入水平較弱，TP與TDP在流程內受到降水稀釋、面源輸入、和生物活動等復雜環境因素的影響下呈現出波動性分布。如圖2(d)所示，TLI分布表明S1(52.45±0.46)和S6(50.41±2.26)處水體于輕度富營養化的狀態，而其他點位處于中營養狀態。S5與S8水體中Chla濃度分別為(3.72±0.22) μg/L和(4.78±0.30)μg/L，低于其他點位，S5和S8處的藻類活動受到抑制。

以*、**、***(P<0.05、P<0.01、P<0.001，ANOVA)表示顯著性差異水平；柱高表示均值(mean)，誤差棒表示標準偏差(SD)

2.2 SFS分析

如圖3所示，根據水樣DOM構成，將SFS劃分為4個區域，分別為類酪氨酸區(TYRLF，220～250 nm)、類色氨酸區(TRPLF，250～300 nm)、微生物源類腐殖質區(MHLF，300～340 nm)和陸源類腐殖質區(HLF，340～490 nm)。其中，TYRLF接近DOM三維熒光光譜“B峰”區域，TRPLF則接近“T峰”區域，兩者與水體生物活動所產生的DOM類蛋白物質密切相關，同時也有報道稱其與人類生活尾水排放有密切關系[20]。MHLF接近于DOM海洋類腐殖質“M峰”區域，與水體中的微生物代謝活動關系緊密[25-26]。HLF穿過了“C峰”與“D”峰區域，歸類為類富里酸和類胡敏酸區域，與陸地輸入水體的DOM陸源類腐殖質有關，可以衡量水體DOM陸源輸入強度[27-28]。

圖3 采樣點同步熒光光譜

SFS不同區域熒光強度積分面積，可以解釋相應區域所代表的DOM組分含量及相對豐度信息。為了消除積分區域范圍大小差異對結果產生的影響，提高SFS熒光強度區域積分半定量分析的準確性，參考Chen等[29]提出的三維熒光區域積分(fluorescence regional integration，FRI)區域校正倍增因子MFi。引入SFS積分校正因子SFi，每個區域的SFi等于積分區域總波長范圍除以每個區域的波長范圍。如表2所示，熒光區域積分面積Si乘以相應的SFi，得到校正后的熒光強度區域積分面積Sin。

表2 SFS積分校正因子

各點位水體SFS校正熒光強度區域積分結果如圖4(a)所示，S1(24 970.92 a.u.)、S2(23 723.02 a.u.)、S5(23 823.66 a.u.)和S8(25 339.82 a.u.)總熒光

圖4 SFS各組分熒光強度與豐度占比

強度積分高于S3(21 435.96 a.u.)、S4(22 041.05 a.u.)、S6(21 430.62 a.u.)和S7(21 226.04 a.u.)。S1周圍存在大面積綠化用地及未開發荒地，降水時的陸地面源輸入強度高于其它區域，水體中熒光DOM含量較高。S5和S8點位水面覆蓋度高于80%，DOM光化學氧化受到抑制，光化學氧化是DOM降解的主要途徑之一[9]。各區域水體DOM熒光組分豐度如圖4(b)所示，研究區水體DOM主要由TYRLF(8%～15%)、TRPLF(29%～39%)和MHLF(34%～44%)構成，其占比總和達到80%以上，而代表陸地源輸入的HLF占比較低(11%～18%)。HLF類物質主要來源于降水過程中陸地土壤面源輸入水體，而研究區內主要土地利用類型為建筑、道路和綠化用地等。水體中來源于陸地輸入的HLF類DOM物質含量遠低于水體生物活動所產生的DOM。TYRLF組分呈現出逐漸降低的趨勢，TYRLF所代表的低相對分子質量、弱疏水性和不飽和度的DOM組分，更易被水體中微生物利用，在河流整個流程中逐漸降低。李崇蔚等[30]利用SFS研究了內蒙古烏梁素海水體中DOM組分，MHLF為其研究區內DOM的主要組分。MHLF主要由水體中微生物活動產生，研究區內水體系統中生長著大量水生植物，水底存在著大量的植物殘體，微生物分解活動劇烈，MHLF為DOM主要組分。TRPLF多由水體藻類活動產生，S8處河道狹窄，且植被茂密，水中生長了大片挺水植物，藻類活動受到抑制，TRPLF含量29%低于其他點位。S5處雖然水體覆蓋度達到85%，但此處水面寬闊，且其上游點位與下游點位水面覆蓋都處于低水平，研究區水體處于不斷更替中，外部環境影響對其有顯著影響。

2.3 SFS-RDA分析

圖5 RDA分析

2.4 SFS-2D-COS分析

階梯式景觀河流水體SFS-2D-COS分析結果如圖6所示，在圖6(a)中存在4個自動峰位，分別位于230/230、280/280、320/320、360/360 nm處，分別對應著TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4個區域的SFS峰位。根據自動峰的峰強可以判斷出4個DOM組分在河流水體中的變化情況，其變化強弱為：HLF(27.20)>MHLF(22.78)>TYRLF(8.87)>TRPLF(5.94)。DOM中的HLF和MHLF組分在河流流程中的變化幅度大于TYRLF和TRPLF組分，DOM中的類腐殖質組分相對于類蛋白質組分具有更大的變化幅度，更易受到周邊環境的影響。圖6(a)中交叉峰符號可以體現出峰位間的變化方向，4個峰位的交叉峰分別位于230/280(+)、230/320(-)、230/360(-)、280/320(-)、280/360(-)和320/360 nm(+)。根據SFS-2D-COS同步圖交叉峰的符號，TYRLF和TRPLF組分變化方向與MHLF和HLF組分變化方向相反。

圖6 SFS-2D-COS分析

SFS-2D-COS同步圖[圖6(a)]與異步圖[圖6(b)]對應峰位符號結合NODA規則[當同步圖6中(X1、X2)和異步圖中(X1，X2)符號正負相同時，X1波長處的光譜強度變化先于X2波長處發生，否則相反；同步圖中(X1，X2)≠0而異步圖中(X1，X2)=0時，X1和X2的光譜強度變化完全同步，當同步圖(X1，X2)=0，二者變化順序無法斷定]可以判斷水體流動過程中DOM熒光組分變化先后順序[31-32]。同步圖與異步圖對應峰位的SFS-2D-COS符號如表3所示，根據NODA規則，河流水體中DOM各組分的變化先后順序為：230 nm(TYRLF)>280 nm(TRPLF)>360 nm(HLF)>320 nm(MHLF)。在河流水體中類蛋白組分先于類腐殖質發生變化，類蛋白組分更易參與水體中的生物活動，從而發生變化，而微生物活動所產生的類腐殖質(MHLF)則擁有最高的穩定性。Ishii等[33]研究表明，接近“M峰”位置的微生物源類腐殖質(MHLF)比靠近“C峰”位置的陸源類腐殖質(HLF)更耐光化學氧化分解。

表3 NODA規則

2.5 SFS-PCA

對水樣SFS進行PCA分析，KMO值為0.81，Bartlett檢驗P<0.001，水體DOM的SFS數據適合進行PCA分析[20, 34]。PCA的兩個主成分共解釋了SFS數據集99.8%方差變化，其中，PC1解釋了96.9%方差變化，PC2解釋了2.9%方差變化。根據圖7(a)中的PC1和PC2波長得分分布情況，PC1正載荷方向代表了DOM的TRPLF和MHLF組分，負載荷方向代表了TYRLF和HLF組分。PC2正載荷方向為DOM類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)，負載荷方向為DOM類腐殖質組分(MHLF和HLF)。

圖7(b)中展示了不同點位的分布情況，所有采樣點位均位于PC1的正載荷方向，表明水體中的DOM以TRPLF和MHLF組分為主要成分。S3和S4位于PC2的正載荷方向，表明其DOM組分以類蛋白為主，而S8位于PC2的負載荷方向，其DOM以類腐殖質組分為主。SFS-PCA所得到的組分分布與SFS區域積分結果類似，可以作為水體DOM組分構成快速分類的依據。

圖7 SFS-PCA分析

3 結論

(1)根據DOM的熒光特性將SFS劃分為TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4個區域。采用SFS熒光強度積分校正因子對區域積分面積進行校正，提高了SFS半定量分析準確性。

(2)夏季階梯式景觀河流水體中DOM以類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)和微生物源類腐殖質(MHLF)為主(>80%)，陸源類腐殖質(HLF)占比較低(<20%)。SFS-2D-COS揭示了隨著水體的運移，DOM中的類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)與類腐殖質組分(MHLF和HLF)變化趨勢相反，且變化先后順序為：TYRLF>TRPLF>HLF >MHLF。

(3)RDA分析表明水體中DOM的構成受到了水面覆蓋與陸地面源輸入的雙重影響。

(4)同步熒光光譜主成分分析(SFS-PCA)可以根據熒光峰值的分布對水樣進行分類，識別出不同水體DOM構成差異。