两个水库型湖泊中溶解性有机质三维荧光特征差异

卢 松，江 韬，2，3*，张进忠，2，闫金龙，王定勇，2，魏世强，2，梁 俭，高 洁

（1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400716；2.重庆市农业资源与环境研究重点实验室，重庆 400716；3. Department of Forest Ecology and Management， Swedish University of Agricultural Sciences， Umeå， SE-90183， Sweden）

两个水库型湖泊中溶解性有机质三维荧光特征差异

卢 松1，江 韬1，2，3*，张进忠1，2，闫金龙1，王定勇1，2，魏世强1，2，梁 俭1，高 洁1

（1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400716；2.重庆市农业资源与环境研究重点实验室，重庆 400716；3. Department of Forest Ecology and Management， Swedish University of Agricultural Sciences， Umeå， SE-90183， Sweden）

应用三维荧光光谱技术（3D-EEM），研究了两个典型水库型湖泊（长寿湖和大洪海）水体中溶解性有机质（DOM）的荧光光谱特征，结合沿岸生态系统差异，讨论其对两个湖泊中DOM性质及来源的影响.结果表明，沿岸生态系统的差异性（尤其是人为干扰）是导致两个水体DOM地球化学特征存在明显差异的重要原因.两湖水体中DOM均存在4个荧光峰，且长寿湖样本中类蛋白物质含量更高；而大洪海水体中腐殖化程度较高的组分（C峰）含量较高.相关性分析表明，两湖DOM样本中类蛋白和类腐殖组分来源不同，而A、C峰代表的类腐殖组分存在共源性.通过荧光参数分析显示，沿岸以森林系统为主的大洪海水体DOM陆源性更强，腐殖化程度高；而长寿湖受两岸农田、果园的输入以及人为排放影响，其水体DOM具有明显的自生源特征，新生DOM含量较高，其荧光特征也反映了该区域水体受人为干扰较大.与其他不同湖泊对比，进一步表明沿岸生态系统类型及人为土地利用是决定水体DOM来源和特性的关键因素.

三维荧光；沿岸生态系统；溶解性有机质；天然有机质

溶解性有机质（DOM）广泛存在于各种水域环境中，它不但是水生环境食物网中重要一环，也与全球碳循环密切相关，同时在污染物的迁移转化、生物降解等方面也扮演着重要角色.因此了解DOM地球化学特征是进一步认识其生态环境效应的重要前提.

近几年，DOM荧光光谱特征成了追踪DOM演化过程的重要手段之一，在研究水体DOM的空间分布差异、光降解、生物化学转化、与污染物相互作用等领域得到广泛应用.自然水体中DOM的化学组成和性质与其来源有着密切关系，水体中DOM的主要来源包括外源输入以及水体内源生物的代谢活动.而水体周边生态系统和土地利用类型会对DOM地化特征产生明显影响.有研究发现沿岸农田数量增加、湿地数量减少，将导致相邻水体的DOM中新生有机物含量增加，腐殖化程度降低［1］；此外较高的人为土地利用率，会使水体中DOM的生物可利用性提高，从而增强水体微生物活性［2］.相反，有研究显示，和森林、湿地生态系统相比，农田生态系统更能增加相邻水体DOM腐殖化程度［3］.沿岸土地利用方式可能影响陆源营养物质进入水体，同时会改变水体透光能力，进而影响总初级生产力和生物群落的呼吸作用［4］.此外，水体生物的代谢活动以及营养物质的生物化学循环，对DOM浓度和性质上的空间差异性也起着重要作用［5］.由此可见，研究不同水体沿岸生态环境特征对水体DOM的影响，是进一步解析DOM地化特征的重要基础.

目前，国内对水体DOM荧光光谱特性的研究主要集中在其时空分布以及水质监测等方面［6］，而对于周边环境，尤其是土地利用类型对水体DOM地化特征影响的报道较少.本研究以两个沿岸生态系统存在明显差异的水库型湖泊（长寿湖和大洪海）为例，对其水体DOM的荧光光谱特征进行分析，并结合沿岸生态环境特征，进一步辨识周边生态环境对水体DOM地化特征的影响.对进一步认识大型水库、河坝形成的湖泊中DOM地化特征提供参考.

1 材料与方法

1.1 采样点及样品采集

长寿湖（29°50′N～30°04′N，107°15′E～107°25′E）于重庆市长寿区境内，位于长江支流龙溪河下游，是我国“一五”期间重点工程狮子滩水电站拦河大坝建成以后形成，是目前西南地区最大的人工淡水湖，也是重庆市最大的湖泊旅游风景区.长寿湖水域面积约65.5km2，一般水深15m，库容10亿m3，湖周边土地利用形式复杂，以人工林、果园、耕地、居民用地为主，人为干扰较大.大洪海位于重庆市江津区南部四面山景区内，全长6850m，宽60到200m，最深处约12m，蓄水310余万m3.大洪海是1970年当地筑坝蓄水，拦截头道河形成的人工水库，沿岸主要是亚热带原始常绿阔叶林带，人为活动干扰较小.

2013年6～11月分别采集14个长寿湖表层水样本，8个大洪海表层水样品.具体采样点见图1.水样采集后，采用多参数水质测定计现场测定pH值、电导度（EC）、溶解性总固体（TDS）指标，放入4℃的保温箱内保存送回实验室.

图1 采样点示意Fig.1 Sampling locations of dissolved organic matter in two lalces

1.2 分析方法

表1 采样点水体的基本性质Table 1 Basic characteristics of water samples in two lakes

水样过0.45μm醋酸纤维滤膜后样品保存于4℃的冰箱内备用，水样基本性质见表1.DOM浓度采用GE InnovOx®Laboratory TOC分析仪测定，水体叶绿素a（Chl-a）采用丙酮萃取法测定［7］. DOM三维荧光光谱采用Horiba公司Aqualog®荧光光谱仪测定，激发波长（Ex）：230～450nm，扫描间隔5nm，发射波长（Em）：250～620nm；激发光源为150W氙弧灯；响应时间3s.样品分析中，以Millipore®超纯水（18.2MΩ.cm）作为空白. Aqualog®系统自动扣除瑞利和拉曼散射.荧光峰采用Origin8.0软件寻峰功能定位.荧光峰A（Ex/ Em=250nm/430～440nm）为紫外光区类腐殖质荧光峰；荧光峰C（Ex/Em=320～335nm/423～436nm）为可见光区类腐殖质峰；荧光峰B（Ex/Em=230nm/ 300～310nm）为类酪氨酸荧光峰；荧光峰T（Ex/Em= 230nm/335～351nm）属于类色氨酸荧光峰［8］.通常A、C峰被认为与DOM的陆源输入有关，B、T峰被认为与微生物降解或外来污水输入有关［9］.另外全文采用SPSS 17.0对相关数据进行T检验（t-test）及相关性分析.

1.3 荧光光谱参数

Fn（355）为Ex=355nm时，Em在440～470nm间最大荧光强度，代表类腐殖物质的相对浓度水平.Fn（280）是Ex=280nm时，Em在340～360nm间最大荧光强度，代表类蛋白物质相对浓度水平［10］.荧光指数（FI）是Ex=370nm时，Em在470nm和520nm处的荧光强度比值（f470/520），常用来表征DOM来源［11］：FI＞1.9时DOM主要源于水体自身微生物活动，自生源特征明显；FI＜1.4时DOM以外源输入为主，水体自身生产力贡献相对较低.腐殖化指数（HIX）是评价DOM腐殖程度的重要指标，能一定程度上反映DOM输入源特征.分别采用HIXa和HIXb对两湖水体DOM腐殖化程度进行表征.HIXa是Ex=254nm下，Em在435～480nm荧光强度积分值和300～345nm荧光积分值之比［12］；HIXb是254nm激发波长下，Em在435～480nm荧光强度积分值除以300～345nm间的荧光强度积分值与435～480nm间的荧光强度积分值之和.高HIX值表明DOM腐殖化程度较高［13］.自生源指标（BIX）是Ex=310nm时，Em在380nm与430nm处荧光强度比值［14］.该值反映了水体中DOM自生来源的相对贡献.r（A/C）是紫外光区类腐殖物质荧光峰（A峰）与可见光区类腐殖质荧光峰（C峰）的荧光强度之比，该值与水体有机质结构和成熟度有关［15］.新鲜度指数（β：α）是Ex=310nm时，Em在380nm处荧光强度与Ex在420～435nm区间最大荧光强度的比值，反映新生DOM在整体DOM中所占比例，是评估水体生物活性的重要依据［8］.

2 结果与讨论

2.1 DOM荧光峰特征

两个人工湖DOM样本中均观察到4个荧光特征峰（图2）.长寿湖B、T峰荧光强度明显高于大洪海，表明长寿湖水体中类蛋白物质含量相对较高，一方面可能跟周边居民生活废水排放、农田面源污染的直接输入有关；另一方面，长寿湖DOM浓度较高（表1），氮磷通过周边农田径流输入水体，微生物有相对充足的可利用碳源，生物代谢活跃，有助于提高DOM中类蛋白物质.通常C峰被认为与稳定高分子腐殖质有关［16］，总体上大洪海样本C峰荧光强度明显高于长寿湖，说明大洪海高腐殖化程度的组分比例较高.

图2 两湖典型DOM样本荧光光谱Fig.2 Typical fluorescence spectra of DOM samples from two lakes

为进一步探讨2个湖泊DOM不同组分来源归趋性，对4个峰作相关性分析（表2和表3）.两个湖泊样品中，A、C峰均显著相关（P＜0.01），而与类蛋白峰（B和T峰）无显著相关性，同时类蛋白峰之间相关性也不显著.这表明两湖DOM样本中类蛋白和类腐殖组分来源不同，而A、C峰所代表的类腐殖组分存在共源性.

对于两个湖泊而言，尽管A、C峰存在共源性，但相关性决定系数长寿湖（r=0.97）大于大洪海（r=0.88），说明后者类腐殖质组分更为复杂.Wilson等［1］报道了土壤落干会导致临近水体中DOM结构复杂程度降低.长寿湖每年存在较明显水位消涨，尤其在落水期，微生物有氧分解使得沿岸出露的底泥有机质腐殖化程度降低.另一方面，长寿湖周边是以农田和人工林为主的生态系统，土壤腐殖质发育程度低于森林系统［17］，从陆源输入的腐殖质其结构和组成上也相比森林来源简单.与之相比，大洪海周边常绿阔叶森林中土壤腐殖质发育程度较高，因而其陆源输入的DOM结构更为复杂，而且大洪海几乎无明显干湿交替过程，底泥有机质的腐化过程相对稳定.因此，通过对两个类腐殖质峰相关性分析，一定程度上反映出水体周边生态环境对DOM陆源输入组分的不同影响.

表2 长寿湖水体DOM不同荧光峰之间相关性Table 2 Corelationship among different fluorescence components of DOM from Changshou Lake

表3 大洪海水体DOM不同荧光峰之间相关性Table 3 Corelationship among different fluorescence components of DOM from Dahonghai

2.2 荧光组分相对浓度

图3 两湖DOM样本的Fn（355）和Fn（280）Fig.3 Comparisons of Fn（355） and Fn（280） of DOM samples from two lakes

Fn（355）可以代表类腐殖质组分相对浓度，而Fn（280）代表了类蛋白物质组分相对浓度，两个指标分别用来表征陆源和自生源对水体DOM组成的贡献［10］.由图3可见，长寿湖样本Fn（355）（均值3630.79±552.57）低于大洪海（均值4677.25± 88.63），而Fn（280）（均值3824.36±266.54）大于大洪海（均值2419.75±157.30），差异极显著（P＜0.01），说明长寿湖DOM中类蛋白物质浓度相对较高，而类腐殖物质浓度相对较低.这和前面荧光峰强识别的结果是一致的.长寿湖周边土地利用类型包括农业用地，氮磷随径流进入水体系统中，有助于初级生产力增加，DOM自生源特征增强，长寿湖叶绿素a含量为（18.36±6.18）μg/L，远高于大洪海DOM样本中叶绿素a含量（5.41± 2.70）μg/L（表1），进一步证明以藻类为主的内源代谢，是长寿湖DOM中类蛋白质组分的重要来源.

2.3 荧光特征参数

有文献报道HIXa＞16代表DOM具有强腐殖化特征，以陆源输入为主；在6～10之间代表较强腐殖化特征，以及较弱自生源贡献；在4～6之间代较弱腐殖化特征，且有较强自生源特征；小于4表示以自生源为主［14］.图4所示，长寿湖样品HIXa在3.18～6.30之间（均值4.36±0.76），腐殖化程度较弱，自生源特征较强；大洪海HIXa在15.24～68.44之间（均值34.95±17.33），DOM具有强腐殖化特征，以陆源输入为主.两湖样本HIXa差异性显著（P＜0.01）.为避免内滤效应干扰，采用归一化HIX值（HIXb），依旧证明大洪海样本腐殖化程度更高（大洪海0.97±0.01＞长寿湖0.81± 0.02）.另外，长寿湖样品自生源指数（BIX）在0.81～0.87（均值0.86±0.03），而大洪海样品BIX值0.63～0.65（均值0.64±0.00）.有研究认为BIX在0.8～1.0之间，表示样本中存在新生的自生源DOM较多；而0.6～0.8之间表示自生源贡献较少［18］.整体而言，长寿湖DOM腐殖化程度低，新生内源DOM贡献较大（图4a），微生物及藻类的代谢活动比大洪海更为旺盛，这和DOM的新鲜度指数（β：α）表征结果是一致的（长寿湖0.82± 0.03＞大洪海0.63±0.00）.

图4 两湖DOM样本的BIX-HIX和FI-HIX分布Fig.4 BIX-HIX and FI-HIX distributions of DOM from two lakes

FI值被广泛用来追踪DOM来源：当FI＞1.9时，DOM主要源于微生物和藻类的生物活动，以自生源特征为主；FI＜1.4时，DOM以外源输入为主，水体自身生产力的贡献较低［11］.由图4可见，长寿湖样品FI值在1.57～1.67之间（均值1.61± 0.03），表明既有陆源输入又有自生源贡献.而大洪海采样点样品FI值在1.48～1.52之间（均值1.49±0.01），更接近于临界值1.4，表明以陆源输入更占主导.有研究指出以陆源输入为主的水体DOM，其腐殖化程度较高［14］.FI值与DOM芳香性成负相关关系，FI越高，芳香性越弱，腐殖化程度越低［18］，这与本研究结果一致.大洪海周围是以亚热带常绿阔叶林为主的原始森林，人为干扰小，森林腐殖土丰富，而湖泊水源补给主要为降水，以及由降水产生的地表径流和渗流，因此使得较多陆源腐殖物质输入到水体中，同时沿岸森林及灌木枯落物（木质素含量较高）掉入水中，其后续降解也成为DOM的重要来源.相比之下，长寿湖水体DOM来源除了两岸林地、果园的输入之外，还受周边居民生活污水以及氮磷的农业面源输入影响.同时底泥磷素生物可利用性增加［5］，导致湖泊内源代谢活动增强，这也可能是该区域DOM自生源特征明显的重要原因.

图5 两湖DOM的r（A/C）-r（T/C）分布Fig.5 r（A/C）-r（T/C） distribution of DOM from two lakes

有研究表明紫外光区荧光主要由一些低分子量（高荧光效率）腐殖物质引起；而可见光区荧光则来自相对稳定的高分子量腐殖组分［14，16］，因此，r（A/C）值可用来反映DOM中腐殖组分发育程度［11］.r（A/C）越大，DOM中稳定腐殖组分比重越低.r（T/C）是类蛋白荧光与类腐殖质荧光的比值，可用以评价内源贡献比重.近几年该值也用来评估水体污染情况［19］：一般地，受人为排放影响的水体DOM值＞2.1［16］.本研究中（图6），对长寿湖样本而言，一方面类腐殖质组分较为“年轻”，r（A/C）均值2.35±0.08，另一方面人为排放影响，尤其是上游龙溪河的输入也是导致其表观内源指标（BIX、r（T/C））高于大洪海的原因.因此，当对DOM进行溯源分析时，对其内源评价指标的解读应该结合具体环境，除自生源贡献外，DOM类蛋白质组分增加也有可能是外源直接输入导致.

由于类腐殖质峰C的光化学活性强于A峰，更易发生光降解，因此r（A/C）也常用来评估DOM光降解情况.结构复杂的大分子有机质被光降解成低分子量有机质，进而导致r（A/C）值升高.长寿湖湖面开阔，光照充足；而大洪海湖面狭窄（湖面最宽～200m），周围森林密度极高，日光辐照有限.因此长寿湖水体DOM的高r（A/C）值也可能和DOM频繁的光化学行为有关.

2.4 与文献对比

由表4可见，大多数湖泊DOM外源输入主要通过地表径流补给，但部分湖泊还受工农业污水、生活废水以及入湖河流的影响.对于沿岸以森林生态系统为主且人为影响较小的湖泊DOM（如大洪海、Lumpen、Stensjön等），其FI、 β：α均较低，而HIX值较高，表明水体DOM以腐殖化程度较高的陆源输入占主导，水体生物代谢缓慢，微生物源的新生有机质含量低.而城市湖泊（如Moghioros湖、Circului湖等）由于城市土地利用以及污水排放等人为因素影响，水体有机负荷（BOD）高，其水体DOM具有较低HIX值和高β：α值，这与富营养化水体、自生源DOM占主导的水体类似.整体上，农田比森林系统更能影响水体DOM的内源贡献，这可能和氮、磷以及有机农药的径流输入有关.

同时，以陆源输入和人为排放影响很小的洞穴水、泉水DOM作为对照.其水体DOM具有较高FI、BIX、β：α值，而HIX值较低，说明DOM来源主要是微生物或者藻类代谢产物（例如氨基酸），而腐殖质含量很少.

本文作为三峡库区DOM地化过程研究工作的一部分，所选两湖都属于三峡库区腹地内陆湖，而且都是因为修建水库而形成.和库区相比，规模非常小，尽管不能完全反映库区情况，但是作为一种具有类似共性的湖泊生态系统而言，其研究结果仍能提供一定的参考价值，对下一步了解三峡库区DOM地化过程提供参考.

表4 不同类型湖泊的对比Table 4 Comparison of different types of lakes

3 结论

3.1 两湖DOM样本均存在4个特征峰，相关性分析显示，类腐殖荧光峰（A、C）存在共源性，而类蛋白与类腐殖组分来源不同.长寿湖DOM样本中类蛋白物质浓度相对较高，而大洪海水体中腐殖化程度较高的组分（C峰）含量较高.

3.2 沿岸以森林系统为主的大洪海水体DOM陆源性更强（FI值在1.48～1.52之间），腐殖化程度高（HIXa值在15.24～68.44之间），而长寿湖受两岸农田、果园的输入以及人为排放影响，其水体DOM具有明显的自生源特征，新生DOM含量较高（BIX值在0.81～0.87之间），两湖沿岸生态系统的差异性（尤其是人为干扰）是导致两湖水体DOM地球化学特征存在明显差异的主要原因.

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Three-dimensional fluorescence characteristic differences of dissolved organic matter （DOM） from two typical reservoirs.

LU Song1， JIANG Tao1，2，3*， ZHANG Jin-zhong1，2， YAN Jin-long1， WANG Ding-yong1，2， WEI Shi-qiang1，2， LIANG Jian1， GAO Jie1
（1.College of Resources and Environment， Southwest University， Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region， Ministry of Education， Chongqing 400716， China；2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment， Chongqing 400716， China；3.Department of Forest Ecology and Management，Swedish University of Agricultural Sciences， Umea， SE-90183， Sweden）

China Environment Science， 2015，35（2）：516～523

Three-dimensional （3D） excitation emission matrix （EEM） fluorescence spectroscopy was used to investigate the characteristics of dissolved organic matter （DOM） in two typical reservoirs， Changshou Lake and Dahonghai Lake. Characteristics of DOM were analyzed in view of the riparian ecosystems， which was the predominant cause of variance and the source of DOM in the reservoirs. The difference between two riparian ecosystems was significant due to anthropogenic impacts. Four fluorescent peaks were seen in DOM from both lakes. More protein-like components were observed in Changshou Lake， while more of the high-humic component （peak C） was seen in Dahonghai Lake. Additionally， correlation analysis suggested different sources for the protein-like and humic-like components. However， the two humic-like components （peak A and peak C） were from similar sources. Furthermore， specific fluorescence parameters indicated a higher degree of humification and allochthonous （terrigenous） DOM in Dahonghai， where riparian ecosystem was dominated by forest environment. DOM in Changshou Lake was significantly autochthonous （authigenic） and fresh because of human impacts in the riparian ecosystem such as agricultural runoff from farms and orchards. Comparison of the fluorescence characteristics with historical

confirmed that riparian ecosystems， and especially land uses related to human activities were important factors in the DOM characteristics of adjacent aquatic environments.

three-dimensional fluorescence；riparian ecosystem；dissolved organic matter；natural organic matter

X524

A

1000-6923（2015）02-0516-08

卢 松（1985-），男，山东烟台人，西南大学博士研究生，主要从事环境地球化学研究.发表论文1篇.

2014-03-15

国家自然科学基金（41403079）；中国博士后科学基金资助项目（2013M542238）；中央高校基本科研业务费专项基金资助（XDJK2013C151）；西南大学博士基金（SWU112098）

* 责任作者， 讲师， Jiangtower666@163.com