湿地溶解性有机质(DOM)源识别方法研究

谢秀风，郗敏，李悦，孔范龙，董成仁

青岛大学化学化工与环境学院, 山东青岛，266071

内容提要: 湿地是位于水陆生态系统之间的重要生态交错带，而溶解性有机质(DOM)是陆地向水生生态系统输送营养物质的重要载体物质。湿地中DOM的来源分为内源和外源。对湿地中DOM的来源进行识别有助于认识湿地中营养物质的生物化学循环特征，从而进一步了解水陆生态系统之间的物质循环。目前，对湿地DOM进行源识别的方法较多。根据各种方法在研究中应用的广泛性和可用性，本文主要介绍了光学法、同位素法、C/N比值法和生物标志法在湿地DOM源识别中的应用。综合分析表明,光学法、同位素法和C/N比值法在湿地DOM源识别研究中的应用较多。近几年，由于生物标志物(特别是木质素)不仅能够对来源进行识别，而且对源的变化很敏感，因此生物标志法在湿地DOM源识别中的应用成为研究的热点。论文在分析各种湿地DOM源识别方法的基础上，指出了目前研究中存在的问题，并提出进一步研究的方向。

溶解性有机质(DOM)是指能够通过0.45μm孔径滤膜的天然有机质混合体(吴丰昌等，2008)，是一种不均一的复杂混合物(Jessica et al.,2010)，同时也是陆地向水生生态系统输送营养物质的重要载体物质。而湿地是连接水生生态系统和陆地生态系统的一种重要的生态交错带(郗敏等，2006)，了解湿地中DOM的来源有助于了解水陆生态系统之间的物质循环，能够为两生态系统的保护提供一定的理论依据。

湿地中DOM的来源主要分为内源和外源。内源是湿地生态系统自身产生的，主要是其中的微生物、浮游植物或者藻类等通过自身的腐烂分解产生；外源主要是大气、陆地等系统中的有机质通过降雨、地表径流以及渗滤等过程进入湿地(郗敏等，2006)。DOM组成组分复杂多样，可以根据各组分表现出的特性选择合适的方法进行源识别。近几年来，经过国内外大量的研究，对DOM进行源识别的方法基本可以分为：光学法、同位素法、C/N比值法以及生物标志法。如可以用DOM的三维荧光光谱的峰值来反映DOM组分的来源，也可以根据光学法获得的光谱斜率S以及荧光指数的大小来估测DOM内外源的比例。另外，DOM是全球最大的碳储存库，可以用碳同位素进行源示踪。同时，13C与14C的耦合，既可以反映DOM的来源也可以反映其来源的相对年龄。DOM中C与N的比值(C/N)大小以及木质素的浓度大小也可以指示其来源，并能反映来源的变化情况。

本文就目前湿地中DOM源识别方法进行了综述，利用多种有效方法揭示不同湿地中DOM的来源，并对各种方法的优缺点进行比较，为DOM源识别的研究提供定性和定量的参考。

1 光学法在湿地DOM源识别中的应用

1.1 三维荧光光谱法在湿地DOM源识别中的应用

荧光光谱分析法是进行物质分析的主要光学方法之一，具有较高的灵敏度、较快的分析速率、高的选择性、所需样品少和对样品结构无损害等特点，因此，人们用各种荧光光谱技术来研究河流、湖泊、海洋、湿地等不同来源的DOM。目前，对DOM来源进行识别的荧光光谱法很多，如荧光激发光谱、荧光发射光谱以及三维荧光光谱等(傅平青等，2004；Coble，1996； Reynolds et al.,1997; McKnight et al.,2001; Sierra et al., 2001; Baker et al.,2001,2004; Cannavo et al.,2004; Holbrook et al.,2006)。其中。三维荧光(3DEEM)技术能够获得激发波长和发射波长同时变化时的荧光强度信息，能够对多组分复杂体系中荧光光谱(激发/发射，Ex/Em)重叠的对象进行光谱识别和表征，是一种很有效的光谱指纹技术(Reynolds et al.,1997; 宋晓娜等,2010)。

不同的DOM组分内含有的荧光基团具有一定的差异性，因此，不同的DOM组分具有特定的荧光光谱，表现在三维荧光光谱图上就是DOM各组分具有特定的激发/发射(Ex/Em)荧光中心。宋晓娜等(2010)运用三维荧光技术对太湖水体中DOM的来源进行示踪分析，结果表明，湖泊表层与中底层水体样品中DOM的荧光峰类型相似，主要有四类：类蛋白峰(D峰)，类蛋白峰(B峰)，紫外区类富里酸峰(A峰)，可见区类富里酸峰(C峰)。一般认为，A、C峰反映的是与外源输入有关的腐殖酸和富里酸的荧光峰，与类富里酸和腐殖质结构中的羧基和羟基有关(Chen J et al.,2003; Jaffe et al.,2004)；B峰与D峰都是类蛋白质物质的荧光峰值。其中，B峰反映的是来自于生物降解的色氨酸类物质(Battin,1998)，D峰则是来源于生物降解的酪氨酸荧光峰值，是与微生物降解产生的芳香性蛋白类结构的荧光基团有关(Coble et al.,1998)。由此可知，若对DOM的荧光光谱进行分析，荧光峰值出现较强的A、C两峰时，那代表了DOM主要来源于外源物质的输入；若B、D两峰值较强，则说明来自于微生物降解的类蛋白质物质占主要，即DOM的内源产物占主体。但是，工业废水和生活污水的排入，含有大量的有机污染物，使得水体中DOM的类蛋白荧光强度增加。因此，单纯的从荧光峰的强度上无法判别出现较高类蛋白荧光强度的那部分DOM是来自于内源还是外源污染物的排入。这种估测法只能估算内、外源的大体比例，如两种峰值类似时，并不能根据荧光光谱的峰值定量分析DOM内外源的相对贡献。

在利用三维荧光光谱进行湿地DOM源识别时，结合研究区周边环境因素，根据荧光强度的峰值，特别是类蛋白峰的峰值，可以判别湿地周边工业、企业以及生产生活过程中产生的有机污染物对研究区域的影响。根据DOM类蛋白峰的强度，追踪DOM的外源，从而从根源上做到治理环境污染的目的。

1.2 荧光指数与光谱斜率法在湿地DOM识别中的应用

由于DOM是来自于各种环境的一种复杂的混合物，对它并不能进行单一的分离性的研究，那么，能够发出荧光的荧光基团的信息就比较难获得。但是，荧光指数(FI)和光谱斜率(S)值的大小能够指示DOM的不同来源，因此可以用FI和荧光光谱斜率S对DOM的来源进行分析研究。

FI=f450/f500是指激发波长为370 nm时，荧光发射光谱强度在450nm与500nm处的比值。McKnight等(2001)研究指出，当DOM的FI的值处于1.40左右时，表明DOM的荧光基团主要是由陆源产生的；当FI的值处于1.90左右时，说明DOM的荧光发射基团主要来自于水生生物(Baker et al.,2001; Baker,2001; 郭旭晶等,2012； 冯伟莹等,2013)。冯伟莹等(2013)研究发现乌梁素海沉积物中DOM的FI处于1.74～1.96之间，说明其DOM 的来源表现出内源和外源的双重特性，其中内源主要是由芦苇等植物死亡腐烂分解产生，而外源主要来自于周围农田退水的大量输入。郭旭晶等(2012)研究发现，乌梁素海沉积物孔隙水中DOM的FI处于1.57～1.82之间，但总体而言，FI更接近于1.6，这说明DOM的陆源输入占较大的比重。同时，用三维荧光光谱对其DOM的研究发现，DOM的三维荧光光谱中有A、B、C、D四个荧光峰，并且紫外区的荧光峰A、B强于可见区的荧光峰C、D峰。Baker等(2001)研究表明，类蛋白峰的荧光强度与外源输入的河流中DOM受工业污染的程度密切相关。乌梁素海上游地区的工业废水和城市生活污水以及农业退水在此被稀释降解。他们的研究都可以说明该水域DOM的类蛋白质物质主要是来自于工业废水、生活污水和农业退水的输入，这证明了用FI对DOM源识别的结果，即该区域外源输入的DOM占主导。

另外，用紫外光谱法可以获得光谱斜率S。与更多的外源性DOM相比，内源物质在较长波长处的吸收并不强烈，使得内源性DOM的S值较大。另外，富里酸物质和腐殖质物质对光谱斜率具有一定程度的影响。一般情况下，外源输入的物质中腐殖质物质所占的比例较大，而富里酸结构的物质所占比例较小，DOM的分子量较大，S值较低(Markager et al.,2000)。因此S可以用来确定内源和外源相应的特征。也就是说，S值越大，表明DOM的内源性越强；S值越小，则DOM的外源性越强。Jessica等(2010)在地表—地下水域DOM的来源和季节性变化模式的研究中指出，春季和夏季水流中DOM的S值比较大，这表明春夏季该区域水体中DOM主要来源于内源；而在秋季时S值较低，说明秋季该区域水体中DOM主要来自于外源。这种情况出现的原因可能与该研究区域春季和夏季时阳光比较强烈，浮游植物的初级净生产力比较大有关。浮游植物通过光合作用产生大量内源性DOM，远大于由春季融雪和夏季降雨径流带来的外源性DOM的量。同时，秋季植物凋落物的量比较大，由凋落物带来的外源性DOM的量比较大，而此时光照降低，叶绿素浓度减小，由水体浮游植物产生的DOM的量要明显小于外源输入的DOM的量。由此表现在S值上，即秋季DOM的S值较小，而春夏季的S值较大。

2 同位素法在湿地DOM源识别中的应用

同位素是指具有相同质子数，但中子数不同的同一种元素的总称，包括稳定性同位素和放射性同位素两种。在湿地DOM的源识别中，通常使用稳定同位素13C识别不同来源的DOM，还可结合放射性碳同位素14C对其来源的年龄进行进一步估测。

2.1 稳定性碳同位素比值(δ13C)法在湿地DOM源识别中应用

δ13C为湿地DOM外源和内源中碳同位素比值，对DOM中δ13C进行测定，在很大程度上能说明DOM的来源。Anne-Catherine等(2011)运用同位素和质量平衡相结合的方法研究了富营养化水库中DOC的来源，研究结果表明，该富营养化水库中DOC都来源于外源的输入。在富营养条件下，藻类的数量大量增加，但是在该时期测得的δ13C值与外源河流中输入到该水库中DOC的δ13C值在统计学上并没有差别，也就是说该水库中DOC的浓度与藻类细胞数量之间并没有显著的相关关系。而且，在垂直方向上，DOC随深度的变化不大，这说明水库中DOC的量与叶绿素a或光照之间也没有正相关关系。这些研究结果都显示该富营养化水库中DOC都来源于外源的输入。但在该研究中有一个特殊现象，即在3月和5月的风暴流时期，水库中DOC的浓度有一个显著增加，但是DOC和注入的水流之间并没有相关性。那就说明增加的这部分DOC不是外源输入的，那可能就是内源产生的。由此可以推断，这种方法仅限于了解一般条件下DOC的内、外源情况，若出现特殊情况，比如水生生态系统中存在着能分解利用外源不稳定DOM的微生物，那么用这种方法确定的DOM内外源情况就可能会存在较大误差。

在具有不同潜在来源的地区，若这些来源具有不同的碳同位素特征，那么碳同位素仍可以作为示踪DOM来源的有效示踪剂。陆地植被根据它们的光合途径被分为含有两种不同碳同位素特征的植物：利用C4或阴影性边缘光合途径的C4植物以及利用C3或辰光合途径的C3植物(Deines,1980; O'Leary,1988; Farquhar et al.,1989)。C3植物在进行光合作用时对13CO2的利用率要比C4植物小的多。由这种同位素分馏现象可知，根据DOM中13C含量的多少能够判定沼泽湿地中C3或C4植物占DOM总来源比例的相对大小。另外，不同生长环境的植物具有不同的稳定性碳同位素值，而相同生长环境的同种植物具有相似的碳同位素值(Deines,1980)。因此可推测，DOM与其来源的植物含有相似的δ13C值，因此，差异显著的光合型植物的δ13C值能够用来确定DOM的来源(Parker et al.,1972; Spiker et al.,1975; Farquhar et al.,1989; Murphy et al.,1986)。

2.2 14C和13C相结合的方法

用13C对不同来源DOM进行示踪，可以估测DOM的不同来源和各个来源所占的大致比例。但是该方法有很大缺陷。例如，Raymond等(2001)对河口、河岸和沿海中DOC和POC来源和循环的评估研究中提到，在河岸和河口迁移过程中，由于内源产生的补给，异养细菌的清除以及与非生物过程的共同作用，通常会使DOC中13C变得更加丰富，而其中的14C则被消耗降解。细菌利用实验也说明，在细菌的生命活动中，DOC作为它们的一种能源，会优先利用富含14C的那部分DOC。另外，湿地中DOM的来源多样，并受多种因素影响，单独利用13C进行来源研究，一方面，我们并不能保证DOM中所有组分的组成结构都含有13C；另一方面，我们也不能保证含有13C的组分仅仅代表了一种特定的来源。DOM组成部分之间具有很大的重叠性。因此，单一的利用一种同位素进行来源识别存在着很多误差。该研究还说明大量的DOC仍有较丰富的14C(约70%)，与过去50年内固定的有机物的量一致，但美国一些西部河流中DOC却处于贫14C状态，可能的原因是年限较老的有机物对这些系统的贡献。这些研究区域以前具有较大的农场和农业用地，农业实践活动为此提供了很大一部分较老的有机物质(Howarth et al.,1991)。但由于研究中缺乏这部分贫14C的DOC中13C的相关数据，我们并不能肯定的说明这部分DOM就来自于较老土层的贡献。它也可能来自于被矿化吸附和解析掉的14C的有机质物质(Mayer et al.,1998；Keil et al.,1997)。尽管我们并不能对此做出精确判断，但相对于颗粒有机碳(POC)，DOC总是富含14C。这是由于来自于富含14C的新土层和凋落物的贡献(Meybeck,1993)。由此我们可以知道，富含14C的DOM来源较新，而贫14C的DOM来源较老。另外，放射性碳同位素14C的半衰期为5730年，由此也证明14C可以用来区分老的土壤或是沉积物中具有较新来源的那部分DOM(Wang Y et al.,2002)。

Wang Y等(2002)也认为碳同位素年龄可作为识别DOM来源的重要工具。他们在对美国北部大沼泽地DOM的来源和迁移转化的化学和碳同位素证据的研究中发现，DOC中放射性碳同位素的年龄介于新生成的到距今2400年之间，这说明该沼泽湿地中的DOC既来源于历史泥炭地的沉积物，也来源于现代生长的植被。该研究中的每个采样点中，大分子量的溶解有机碳(HMW DOM)的碳同位素年龄要比低分子量溶解有机碳(LMW DOM)的碳同位素年龄老，这说明美国北部沼泽区的HMW DOM来源于老的泥炭沉积物。由此可知，利用放射性碳同位素的年龄来识别DOM的来源，在含有泥炭地的沼泽湿地中比较适用。

同位素法不仅能识别湿地水体DOM的源，还能够对DOM整个迁移过程进行示踪，精确追踪到每一部分稳定DOM的具体来源物质，从而有助于我们从源头对有机污染进行控制和管理。

3 C/N比值法在湿地DOM源识别中的应用

McKnight等(1991)和Aiken等(1992)在对黄腐酸中的元素进行分析和对13C核磁共振谱(13C-NMR)特性的描述中发现，内源有机质(如藻类或微生物的分解)中富里酸C/N比低于外源。McKnight等(1994)研究认为微生物细胞中氮的含量通常比高等植物亚麻科类中氮含量高。由此可见，C/N比可以反映DOM内、外源的相对贡献。C/N比越低，DOM的来源中内源所占比例就越大；相反，若C/N比越高，DOM的外源输入所占比例就越大。

Eran等(2005)对落基山水流中DOM的来源进行分析显示，在高山区收集的水样中DOM的N负荷较高，碳含量较低，那么C/N比就较低，说明高山区水流中DOM主要来源于自身生产，内源占主导。在亚高山则恰好相反。这与Baron等(1991)，McKnight等(1997，2001)在落基山脉用化学和荧光光谱技术对DOM来源进行研究的结果一致。他们的研究结果指出，在没有湖泊的河流段，DOM主要来源于陆地源类的腐殖质物质，而在有湖泊的地区，特别是在夏季光合作用比较强时，水中DOM主要由湖泊中的藻类通过自身作用产生。另外，Milliman等(1984)采用C/N比来研究冬季长江口区有机物的来源，并把C/N比作为DOM来源的分析值做了定量化规定，他们规定陆源输入有机物的C/N比大于12，海源输入的有机质C/N比一般都小于8，受到陆地和海洋双重影响的沉积物中有机质C/N比大于5或8。宋金明(2003)通过研究C和N元素之间的相关关系，认为可以用C/N比来判别DOM中的物质来源。另外，Lamb等(2006)也认为不同沉积环境和类型的DOM，C/N比也不相同。

近年来，由于农业生产发展和人类活动的影响，使有机肥等含氮物质得到广泛使用，它们经降雨或雷电等过程进入水体，使水体中营养物质增加。藻类等水生植物通过吸收含氮营养物质而生长，从而使藻类释放的DOM增加。由此可推断，在将来的水生生态系统中，内源产生的DOM可能会持续增加，而C/N比作为示踪DOM来源的准确性和可用性也会提高。

4 生物标志法在DOM源识别中的应用

在用生物标志法对DOM进行源识别时，最常见的生物标志物是木质素。木质素是仅存在陆生维管植物组织中的一种生物聚合物。根据植物来源发现，木质素在各环境中具有较高的稳定性和抗降解能力，因此它能够用来指示物质的植物来源(Hedges et al.,1979)。而且木质素等生物标志物对物源的变化很敏感，可以反映出更细致的物源变化。

木质素分解产物的单体有P、V、C、S四类(Hedges et al.,1979)，其中S/V较高的值说明DOM来源于被子植物，较低的值说明来源于裸子植物(Hedges et al.,1979)。一般而言，在讨论非降解的植物组织时，S/V的值大于0.9时，说明是来源于木本被子植物，而C/V的值在0.3～1.2时则说明是来源于草本植物(Hedges et al.,1979,1982)。Hedges等(1997)认为木质素酚的丰度反映了陆地输入有机物质的含量，在河流流量最大时，它的值也最大，这就说明在一年的某个时间里，河流中DOM的来源是一些难治理的陆地源。这就表明在高流量时期，河流中DOM主要来自于外源，特别是来自于维管束植物。另外，Amon等(2012)在研究北极大河流中DOM的来源时认为，河流中DOM的组成越年轻或越新鲜，木质素的浓度就越高，那么14C的含量也越高。这与用放射性同位素对DOM进行源识别的研究结果一致。由此认为，可以将DOM中放射性碳同位素14C的特性与木质素含量相结合，对DOM的来源作出更准确的判断。

5 存在问题与展望

目前，在对湿地中DOM的来源进行识别的研究中存在着以下问题：

(1)湿地是连接水陆生态系统的交错带，湿地中DOM来源更为广泛和复杂。而且多种来源的DOM具有重叠性，这样就会使得湿地DOM源识别研究结果存在较大误差。

(2)湿地中存在着各种各样的生物化学行为，DOM进入湿地后会发生一系列的物理化学转化。而且湿地环境大多都是开放流动的，进入其中的DOM会经过渗流或是地表径流等过程进入其它生态环境，但我们并不是无时无刻的对样品进行采集和测定，因此所测的DOM仅仅是进入到湿地中比较稳定和固定的那一部分。

(3)我们所运用的源识别方法之间都是单一孤立的，不同方法之间的耦合性较小。即便是对相同地区用多种方法进行源识别研究，也会因为所用仪器、处理过程等的不同，使得研究结果之间存在很大差别。

基于湿地DOM源识别研究中存在的以上问题，今后应侧重于以下三个方面的研究：

(1)加强各个方法之间差异性比较和相通性研究，找出不同方法之间的互补性，综合运用各种方法进行源识别。利用同种方法不同示踪剂之间的互补性进行研究，例如对于重叠性较高的DOM，可以运用两种或两种以上的同位素进行标记，以免对其来源进行重复识别，这样能够使结果更为准确。

(2)湿地土壤中存在许多反应机制(如微生物对DOM的分解和吸附作用)，也影响了各种方法对湿地DOM进行源识别的结果。湿地中DOM的迁移转化给源识别研究带来了一些困难。因此结合适宜的源识别方法研究湿地中DOM的迁移转化机制，可以作为将来湿地DOM源识别研究的一个重要方向。

(3)不同的湿地生态环境具有其自身的结构和来源特点，研究需结合各种方法的优缺点，对生态系统进行精确细小的划分，如湿地水体可分为淡水、半咸水和咸水水体，而淡水系统又进一步划分为静水和动水。划分的越精细，生态系统的宏观复杂性就越低，系统与系统之间的作用机理就越清晰，各种影响因素也就越明显，再结合各种识别方法的特点，选择合适的研究方法，找出相对应的计算分析模型，使定量化分析更可行。由细分到总括的来分析各个系统中DOM更精确的来源可以作为湿地DOM源识别的另一个重要研究方向。