2019, Vol. 39
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2. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 西安 710055;
3. 扬州大学环境科学与工程学院, 扬州 225009
2. School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055;
3. Department of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009
天然有机质(OM)广泛存在于各类水体中, 并含有丰富的碳、氮、磷等要素, 其形成、转化、归宿及其相伴随的营养盐再生过程是水生态系统营养盐生物地球化学循环的重要环节, 在湖库蓝藻水华暴发过程中势必也扮演着非常重要的营养盐供给者的角色(吕伟伟等, 2018).溶解性有机质(DOM)主要包括亲水性有机酸、类蛋白、类氨基酸、类腐殖酸和碳水化合物等(Driscoll et al., 1994).溶解性有机质不仅可以作为微生物的营养和能源来源(Kirchman, 2003), 而且还可以与金属及有机污染物相结合, 从而影响其化学形态(Guéguen et al., 2003), 并且在水处理过程中与消毒剂发生反应产生消毒副产物, 进而给水质安全带来潜在的危害(Beggs et al., 2011; Hur et al., 2013).由于溶解性有机质在全球碳循环中日益受到重视(Aufdenkampe et al., 2011), 因此, 关于溶解性有机物的组成及其特征的研究成为近年来的热点(Kalbitz et al., 2003).
紫外-可见光谱及三维荧光结合平行因子分析技术因其灵敏高效的特征, 被广泛用于表征河流(Knapik et al., 2015; Yu et al., 2016)、河口(Sun et al., 2014; Canuel et al., 2016)、湖泊(Kellerman et al., 2015; Ziegelgruber et al., 2013)、水库(方开凯等, 2017; 黄廷林等, 2016a; 2016b;卢松等, 2015)、海湾(Luciani et al., 2008; Chari et al., 2016)、湿地(Chen and Jaffé, 2014)、海洋(Dainard et al., 2013; Su et al., 2015)和土壤(李璐璐等, 2014)等不同来源DOM的组成结构和来源.然而, 目前大多研究往往集中于某一特定时期或特定区域的DOM光谱特征解析.例如, 朱爱菊等(2019)利用三维荧光光谱平行因子分析(EEMs-PARAFAC)技术, 对我国亚热带地区闽江、木兰溪、九龙江河口滨海陆基养虾塘水体的有色溶解性有机质(CDOM)进行了组分及来源分析；王晓江等(2018)对金盆水库表层沉积物中溶解性有机质(DOM)光谱的空间分布特征及来源进行了分析, 并探讨了沉积物DOM的荧光组分与可溶性有机氮(SON)、可溶性无机氮(SIN)之间的相关性；吕伟伟等(2018)利用POM-DOM和PARAFAC三维荧光模型解析了春、冬季节颗粒态有机质(POM)和溶解态有机质(DOM)的荧光特征及来源, 并探讨了POM和DOM各荧光组分之间及其与叶绿素a的关系；程琼等(2019)利用三维荧光光谱-平行因子分析技术(EEMs-PARAFAC)及微生物和光降解实验等方法, 分析了夏季闽江下游-河口区有色溶解有机质(CDOM)的组成、分布及其降解特征；刘兆冰等(2019)采集了2016年的4、8、12月和2017年2月渤海和北黄海表、中、底海水样品, 分析了海水中有色溶解有机物(CDOM)的紫外-可见光吸收光谱和三维荧光光谱, 探讨了渤海和北黄海海域CDOM的分布特征、影响因素和季节变化.但关于水源水库的溶解性有机物光谱特征的季节演变却鲜有报道.
周村水库作为枣庄市重要的水源水库, 其水质安全直接关系到人民的切身利益(曾明正等, 2016).本课题组前期开展了关于周村水库在热分层消亡期(张春华等, 2016)及形成初期(周石磊等, 2018)沉积物间隙水的DOM光谱演变特征的研究, 以及夏季水库DOM组成和空间分布特征的研究(方开凯等, 2017; 黄廷林等, 2016a), 并评估了水库夏、秋季降雨中有机物污染及光谱特征(周石磊等, 2019).然而, 关于周村水库四季演变过程中表层水体DOM的光谱解析还相对欠缺.因此, 本研究利用紫外可见吸收光谱及三维荧光光谱分析技术, 分析2015—2016年四季变化过程中周村水库表层水体的DOM组成和光谱特征.通过对周村水库表层水体溶解有机质组分及其荧光特征的研究, 了解DOM的结构、来源及对其生态环境效应的影响, 以期为周村水库水体水质污染防治及运行管理提供必要的科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 采样地点和时间周村水库位于山东省枣庄市孟庄镇周村南, 总库容为8404万m3, 是枣庄市主要的城市供水水源地.本研究选取2015年9月(秋季)、12月(冬季)及2016年3月(春季)、6月(夏季)水库表层的24个水样为研究对象, 具体取样点分布如图 1所示.
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| 图 1 周村水库表层水体采样点分布 Fig. 1 Locations of sampling sites in Zhoucun Reservoir |
用有机玻璃取样器采集春、夏、秋、冬四季的表层水库水体样品, 收集的水样用0.45 μm玻璃纤维滤膜(预先450 ℃灼烧5 h)进行过滤得到溶解性有机物水体样品.24 h内完成水样中溶解性总氮、总氮、总有机碳和溶解性有机碳的测定.其中, 溶解性总氮和总氮依据《水和废水监测分析方法》进行测定(魏复盛, 2002), 过滤的水样在72 h之内完成DOM的光谱分析.
2.3 紫外可见吸收光谱的测定紫外-可见光谱采用DR6000分光光度计(美国HACH公司)进行测定, 以Mill-Q水为空白, 用1 cm石英比色皿在200~700 nm范围内进行吸光度测定.本文采用文献(Bricaud et al., 1981; Keith et al., 2002)方法来计算吸收系数, 并选取a254和a355来表示溶解性有机质的相对浓度.计算SR(光谱斜率比, 为S275~295/S350~400), 以反映DOM的来源及分子量大小等信息(高洁等, 2015).E2/E3是250 nm和365 nm处的紫外吸光度之比, E2/E3值与相对分子质量大小成反比(牛城等, 2014; 李璐璐等, 2014).E3/E4是300 nm和400 nm处的紫外吸光度之比, 用来衡量腐殖质的腐殖化程度和芳香性.SUVA260(a260/DOC)用来表征DOM疏水组分的含量(高洁等, 2015), SUVA280(a280/DOC)用来表征DOM芳香性的强弱(梁俭等, 2016).
2.4 三维荧光光谱测定三维荧光光谱采用F97荧光分光光度计进行测定(黄廷林等, 2016b).利用超纯水扣除散射的影响, 并结合Delaunnay三角形内插值法修正去除拉曼峰散射和瑞利散射(Zepp et al., 2004).利用MATLAB 2014a软件采用N-way和DOMFluor工具箱进行平行因子分析(刘海龙等, 2008), 并通过核一致性分析确定荧光组分数(Stedmon et al., 2005).
2.5 三维荧光光谱的特征指数荧光指数FI被定义为激光波长为370 nm时, 荧光发射光谱在470 nm与520 nm处的强度比值(FI=F470/F520) (Cory et al., 2005; Lavonen et al., 2015).腐殖程度指标HIX(Ohno et al., 2007)被定义为在254 nm激光波长下435~480 nm间荧光峰值与300~345 nm间荧光峰值积分值之商(F435~480/F300~345), HIX指数越高则表示DOM腐殖化程度越高(Zsolnay et al., 1999).生物源指数指标BIX被定义为激发波长为310 nm时, 荧光发射波长在380 nm和430 nm处荧光强度的比值(BIX=F380/F430), 它被用来估计内源物质对DOM的相对贡献(Huguet et al., 2009).新鲜度指数(β:α)被定义为激发波长为310 nm时, 荧光发射波长在380 nm处荧光强度与荧光发射波长在420~435 nm区间最大荧光强度的比值, 是评估水体生物活性的重要依据.
2.6 数据分析应用皮尔逊相关性分析法在SPSS 22.0软件中对DOM中各荧光组分及各个特征指数、环境因子进行相关性分析.应用单因素方差分析来研究样品DOM间的差异性.应用Surfer12.0进行水库平面水质及荧光强度分布图的绘制, 图中***表示p < 0.001, **表示p < 0.01, *表示p < 0.05.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 水库溶解性总氮和溶解性有机碳的分布特征图 2和图 3分别为春、夏、秋、冬四季周村水库表层水体溶解性总氮的变化情况.由图可知, 夏、秋季表层水体的溶解性总氮浓度要低于冬、春季, 并且季节间呈现显著差异性(p < 0.01), 最高值出现在冬季((2.91±0.40) mg · L-1)(图 2b), 最小值出现在夏季((0.57±0.42) mg · L-1)(图 2d), 而且靠近入库支流(西北部)和库湾的部分浓度相对较大.夏、秋季表层水体的溶解性有机碳要高于冬、春季, 且季节间呈现显著差异(p < 0.01), 最高值出现在秋季, 达到(3.29±0.51) mg · L-1(图 3a), 最小值出现在春季, 为(1.17±0.25) mg · L-1(图 3c), 而且靠近入库支流(西北部)和库湾的部分浓度相对较大, 这与溶解性总氮的变化相一致.
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| 图 2 周村水库四季的溶解性总氮的分布特征 Fig. 2 Characteristics of distribution of dissolved total nitrogen in Zhoucun Reservoir |
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| 图 3 周村水库四季的溶解性有机碳的分布特征 Fig. 3 Characteristics of distribution of dissolved organic carbon in Zhoucun Reservoir |
本研究用a254和a355表示DOM的相对浓度.由图 4a和4b可知, 夏、秋季水库水体的a254和a355明显高于冬、春季, 与溶解性有机碳的分布特征相一致, 并且各季节间的a254和a355呈现显著差异(p < 0.001).研究表明(李帅东等, 2017; 李璐璐等, 2014)：SR>1时, 表征DOM主要为生物源；SR < 1时, 表征DOM主要为外源.本研究中春、秋和冬季的SR值为1.17~1.19, 夏季的SR偏小, 为1.00±0.05, 但四季的SR值均大于1, 表明该时期水中的DOM主要是生物源.
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| 图 4 周村水库表层水体DOM的a254(a)、a355(b)、SR(c) Fig. 4 The a254(a), a355(b), and SR(c) values of surface water DOM in Zhoucun Reservoir |
冬、春季样本DOM的E2/E3值相比于夏、秋季较大, 且夏、秋季样本分布较集中, 四季间E2/E3呈现显著差异性(图 5a)；从整体上看, 冬、春季样品的富里酸占比较大, 占DOM的33.72%~37.77%, 高于夏、秋季的30.04%~34.10%.一般而言, 当E3/E4 < 3.5时腐殖质以腐殖酸为主, E3/E4>3.5时以富里酸为主.如图 5b所示, 本研究中E3/E4的均值均大于3.5, 表明水库表层水体样品中DOM以富里酸为主；冬、春季的E3/E4相比于夏、秋季较高, 表明夏、秋季的腐殖化程度较高；并且冬季样品与春、夏、秋季样品呈显著差异性(图 5b).
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| 图 5 周村水库水体DOM的E2/E3(a)、E3/E4 (b)、SUVA260 (c)、SUVA280 (d) Fig. 5 E2/E3(a), E3/E4(b), SUVA260(c), SUVA280(d) values of surface water DOM in Zhoucun Reservoir |
春季样品的SUVA260最高, 表明春季样品的疏水性组分最高(图 5c).春季样品中SUVA280同样是最高的, 其余依次为夏季、冬季和秋季, 表明芳香化程度逐渐减弱(图 5d).四季样品中SUVA260和SUVA280呈现显著正相关关系(p < 0.01), 相关系数达到0.991, 表明疏水性和芳香性结构关系密切, 即芳香性结构主要存在于疏水组分中, 这与高洁等(2015)研究三峡库区消落带土壤中溶解性有机质的结论相一致.
3.3 表层水体DOM荧光组分特征分析 3.3.1 DOM的荧光组分分析通过平行因子分析对春、夏、秋、冬四季水体样品进行三维荧光解析, 分析DOM的成分构成.因为PARAFAC对组分数很敏感, 只有选择正确的组分数目且信噪比合适, 解析的结果才能反映真实的谱图.从图 6可以看到, 成分(F)从2变为3时, 残差平方和急剧变小, 而从F=3变成F=4时, 残差平方和变化不大, 初步确定成分F=3最合适.对F=3时的结果经过折半分析, 得到拆半曲线吻合.核一致性检验(图 7)表明, 成分为3时核一致性系数为75.88%, 位于80%附近, 并且处于急剧下降段, 因此, 最终确定成分F=3最合适.
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| 图 6 周村水库水体荧光组分的残差分析 Fig. 6 Residual analysis of EEM samples in Zhoucun Reservoir |
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| 图 7 周村水库水体荧光组分的核一致性检验 Fig. 7 Core consistency of EEM samples in Zhoucun Reservoir |
周村水库四季表层水体样品各组分的荧光光谱图如图 8所示, 共解析得到3种组分：类腐殖质(C1)、类富里酸(C2)及类蛋白(C3).结合前人研究的成果(表 1), 综合分析得到, C1的荧光峰位置是355 nm /460 nm(λEx/λEm), 为长波类腐殖质(C峰)；C2的荧光峰位置是340 nm/415 nm(λEx/λEm), 为长波类可见区富里酸；C3的荧光峰位置是280 nm/315 nm(λEx/λEm), 为类色氨酸.
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| 图 8 PARAFAC解析出的DOM中3个荧光组分及其激发、发射波长位置 Fig. 8 Fluorescence spectra of three components identified by PARAFAC model |
| 表 1 周村水库表层水体样品DOM的荧光组分特征 Table 1 Characteristics of components in surface water of Zhoucun reservoir |
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周村水库春、夏、秋、冬四季表层水体的DOM各荧光组分荧光强度的变化情况如图 9所示.其中, 图 9a~9c分别表示样品DOM荧光组分C1、C2和C3的差异性变化情况.如图所示, 各荧光组分大体呈现夏秋季较大、冬春季较小的特征.对荧光组分类腐殖质(C1)而言, 夏季水库表层水体样品的荧光强度最大, 为(824.01±20.53) A.U., 最小值为春季的(408.85±26.85) A.U., 夏季的C1荧光强度约为春季的2倍, 可能与夏季浮游植物的生长及径流输入有关.对荧光组分富里酸(C2)而言, 秋季水库表层水体样品的荧光强度最大, 为(673.21±18.13) A.U., 最小值为春季的(362.35±39.19) A.U., 秋季的C2荧光强度约为春季的1.86倍.对荧光组分类蛋白(C3)而言, 夏季水库表层水体样品的荧光强度最大, 达到(570.02±25.11) A.U., 最小值为春季的(302.90±50.50) A.U., 夏季的C3荧光强度约为春季的1.89倍.总荧光强度最高的为夏季, 达到(1993.52±40.84) A.U., 最低为春季的(1074.10±113.63) A.U., 夏季的总荧光强度约为春季的2倍.各荧光组分的荧光强度在各个季节间的差异性如图 9所示, 整体上显示各荧光组分荧光强度的季节性差异显著(p < 0.001).经平行因子分析得到的3种荧光组分中, 各个荧光组分在同一季节的相对含量差异不大, 夏、秋季的C1在DOM总荧光强度中的占比达到41.22%~41.35%, 高于冬、春季的37.97%~38.01%；冬季C2在总荧光强度的占比最大, 达到37.77%±1.42%, 远高于夏季的30.04%±1.28%；夏季的C3在DOM总荧光强度中的占比达到28.61%±1.32%, 高于冬季的24.22%±1.66%.
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| 图 9 周村水库表层水体DOM组分荧光强度四季的变化情况 Fig. 9 Seasonal variations of fluorescence intensity of surface water DOM in Zhoucun Reservoir |
通过对周村水库四季表层水体样品中各组分荧光强度进行相关性分析来研究各个组分间的相互关系, 结果如表 2所示.皮尔逊相关性分析得到类腐殖质(C1)与可见光区富里酸(C2)及类蛋白(C3)具有显著的相关性, 其相关系数分别为0.867(p < 0.01)、0.926(p < 0.01)；可见光区富里酸(C2)与类蛋白(C3)具有显著的相关性, 其相关系数为0.710(p < 0.01).预示着在周村水库表层水体DOM在四季演变过程中, 组分C1与C2、C3, 以及C2与C3有着相近的来源.
| 表 2 周村水库表层水体DOM中3个荧光组分的皮尔逊相关性 Table 2 Correlations of three components in in Zhoucun Reservoir |
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为了进一步分析周村水库四季表层水体样品DOM的光谱特征, 本文对DOM的荧光特征参数进行了分析, 具体情况如图 10所示.图 10a~10c分别表示周村水库四季表层水体DOM的FI-BIX、FI-HIX、FI-β:α分布情况.
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| 图 10 周村水库四季表层水体DOM的FI-BIX(a)、FI-HIX (b)、FI-β:α (c)分布 Fig. 10 FI-BIX(a), FI-HIX(b), and FI-β:α(c)distributions of surface water DOM in Zhoucun Reservoir |
Huguet等(2009)指出, BIX在0.7~0.8之间时, 具有中度新近自生源特征；BIX在0.8~1.0之间时, 具有较强的自生源特征；BIX大于1.0时, 为生物活动产生.由图 10a可知, 本实验中BIX在0.8~1.0之间, 表明周村水库四季的DOM呈现较强的自生源特征. Lavone等(2015)提出FI可以作为物质的来源及DOM的降解程度的指示指标, FI>1.8以自生源为主, FI < 1.2以陆源输入为主(Lavonen et al., 2015)).如图 10a所示, 冬季样品的FI为1.88±0.04, 春季样品的FI为1.80±0.06, 夏季样品的FI为1.70±0.04, 秋季样品的FI为1.41±0.02, 冬季样品的荧光指数FI要高于其他季节, 与冬季水库径流少、外源输入贡献量低相一致.
Hugue等(2009)指出, 4 < HIX < 6代表弱腐殖化特征, 以及较强的自生源特征；HIX < 4表示以自生源为主.本研究中周村水库四季表层水体DOM的HIX指数都小于4(图 10b), DOM腐殖化程度较弱, 以自生源为主, 与BIX指数及紫外-可见吸收光谱SR的结论非常吻合.如图 10b所示, 不同季节间HIX的差异显著, 表明不同季节表层水体的DOM来源存在差异.新鲜度指数(β:α)反映了新产生的DOM在整体DOM中所占的比例, 是评估水体生物活性的重要依据.周村水库β:α分布在0.85~1.00之间, 除春季样品的β:α与其他季节样品的β:α间存在显著差异(p < 0.05)外, 其他各季节间不存在差异, 表明周村水库四季间的水体样品DOM, 其新产生的DOM占整体DOM的比例随季节变化不明显(图 10c).
3.5 DOM的荧光组分与环境因子的相关分析为了进一步研究周村水库四季表层水体样品的DOM特征, 本研究对春、夏、秋、冬四季共96个表层水体样本进行了主成分分析(PCA)和皮尔逊相关性分析, 探讨了周村水库四季演变过程中DOM荧光组分和环境因子的关系.图 11a为周村水库四季表层水体样品的PCA分析结果, PC1和PC2总共解释了90.67%, PCA分析都能够很好地反映总体的变化.图 11a表明, 同一季节的水体样本分布相对集中, 不同季节间分布差异明显；冬、春两季的水体样品位于PCA1的正半轴, 而夏、秋两季的水体样品位于PCA1的负半轴.图 11b表明, a254、DOC与C1、C2、C3呈正相关, DTN、FI、HIX、BIX、β:α、SR、SUVA260及SUVA280与C1、C2、C3呈负相关.综上, 可以侧面解释周村水库四季表层水体DOM组分和特征差异.
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| 图 11 周村水库四季表层水体DOM特征及水质参数的主成分分析 Fig. 11 Principal component analysis of surface water DOM in Zhoucun Reservoir |
表 3为周村水库四季表层水体样品的3个荧光组分与DOM特征参数及水质参数的相关性.结果表明, 腐殖质组分C1与a254、SUVA260、SUVA280、SR、FI、BIX、β:α、DTN及DOC呈正相关(p < 0.01)；富里酸组分C2与a254、SUVA260、SUVA280、FI、HIX、β:α及DOC呈显著负相关；类蛋白C3与a254、SUVA260、SUVA280、SR、FI、HIX、β:α、DTN及DOC呈显著负相关(p < 0.01).因此, 将来可以通过应用水体的DOM特征参数和水质参数对水体DOM组分进行多元线性回归拟合, 利于评估季节演变过程中溶解性有机物特征, 便于水库管理人员对有机污染物进行评价.
| 表 3 周村水库四季表层水体中3个荧光组分与特征参数及水质的相关性 Table 3 Correlation matrix of DOM indices and three PARAFAC components of surface water in Zhoucun Reservoir |
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1) 紫外可见光谱特征显示, 夏、秋两季吸收系数a254和a355均高于冬、春季节, 与有机物的分布相一致；全年水体样品的E3/E4均大于3.5, 说明DOM以富里酸为主, 并且全年SR均大于1, 显示DOM主要为生物源；SUVA260和SUVA280呈现显著正相关关系(p < 0.01), 表明水体样品中DOM的芳香性结构主要存在于疏水组分中.
2) 三维荧光光谱解析得到1种类腐殖质(C1)、1种富里酸(C2)和1种类蛋白(C3).3种荧光组分具有显著的相关性(p < 0.01)；DOM总荧光强度及各组分荧光强度存在显著的季节性差异(p < 0.001)；荧光强度呈现夏、秋季高于冬、春季的特征.
3) 三维荧光特征指数BIX在0.8~1.0之间, 表明周村水库四季的DOM呈现较强的自生源特征, 与全年样品HIX指数的特征相一致, 结合FI、BIX及HIX得到周村水库表层水体DOM具有以自生源为主、低腐殖化的特点.
4) PCA分析显示, 周村水库全年的表层水体DOM荧光特征差异明显, 并且组分C1、C2、C3与DOM特征参数(a254、SUVA260、SUVA280、SR、HIX、FI、BIX、β:α)及水质参数(DTN、DOC)显著相关(p < 0.01).
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