紫外辐射在不同水体衰减影响因素分析

薛 艳， 王锦旗， 宋玉芝， 郑建伟

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京 210044； 2.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044；3.南京信息工程大学江苏省大气环境监测与污染控制高技术重点实验室，江苏南京 210044；4.南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心，江苏南京 210044)

近几十年来，人类活动引起的全球平流层臭氧总量减少己被许多观测事实所证实，随着臭氧层变薄，到达地面的紫外辐射(ultra violet radiation，简称UVR)也逐渐增加。日益强烈的UVR给全球生态系统、气候和环境变化[1]、生物效应及人类健康[2-3]带来了不容忽视的影响。因此，各国在UVR方面都积极开展了相关研究，我国也不例外[4-5]。深入研究我国广大地区地面紫外线的分布状况，对采取一定的有效措施预防紫外线对生态系统的破坏，提高环境生态质量显得十分必要[4]。

紫外线一直影响着生命进化。最新研究发现，在某些特定环境中(如高山湖泊)水生生物已经适应长期高强度的紫外线B(ultra violet-B radiation，简称UV-B)辐射[6]，如紫外线对水体底栖硅藻及无脊椎动物物种组成已经产生深远的影响，在一些静水和流水环境中物种组成已经发生明显变化，这些变化能够证实是由于UVR的变化引起的群落结构变化[7]。随着南极臭氧减少、北极臭氧在春季和夏初减少，地表获得的UV-B得以增加，UV-B增加通过北极区可覆盖北极、北欧、中欧甚至阿尔卑斯地区的水体、海洋中，紫外线可深入水下很深深度[8]。除了两极地区UVR增强外，在中纬度地区UV-B水平也在增加，加上水体人为酸化(酸化会进一步减小 UV-B 衰减系数)和臭氧层变薄可能会使更多UV-B渗透进入水体，使UV-B对水生生态系统的影响加剧[7]。而我国东部浅水型湖泊中紫外线进入水体后衰减规律又如何呢？不同水体对紫外线衰减是否有影响？研究紫外线在我国东部地区水体中的分布状况，研究其衰减的影响因素，为进一步探索紫外线衰减规律，减少对水生生物的伤害有重要意义。

1 材料与方法

1.1 紫外线分布监测点概况

分别选择泥沙型、富营养化、清洁水体作为UVR在水体中分布的监测对象，作者所在课题组选择泥沙含量及富营养化均较高的玄武湖北湖区(32.08°N，118.78°E)为泥沙型水体，该湖区面积为玄武湖3个湖区中最大，湖区风浪较大，水体紊动程度最高，水体浊度为18.3～31.3 NTU，平均浊度为25.1 NTU。富营养化水体选取玄武湖西南湖区，该湖区面积为3个湖区中最小，水体富营养化程度较高，浊度介于10.4～19.5 NTU之间，平均浊度为 14.3 NTU，藻类Chla质量浓度为388.65 mg/m3。清洁水体选择南京仙林大学城仙林宾馆前一池塘(32.11°N，118.91°E)，该池塘无外源污染，为自然降水汇流池塘，水体无任何外源污染，水体来源为天然降水，水体清澈见底，浊度最低，仅为 5.1～7.1 NTU。

1.2 监测方案

分别测定上述3种水体紫外线A(ultra violet-A radiation，简称UV-A)、UV-B强度，测定时从水面约1～2 mm 处开始，每隔10 cm测定1次UV-A、UV-B强度，直至UV-B强度衰减到0，因SpectroSense2紫外光谱测量仪是利用电源电压转换成UV-A、UV-B强度，穿透深度指的是SpectroSense2读数表测定到小数点后连续2位数字均为0时，即认为UV-A或UV-B衰减为0，若该深度再向下测量，仪表上会出现负值。该测量仪使用单位为mW/m2，1 mW/m2=0.1 μW/cm2。另外，由于UV-A强度较高，一般直至测定到水底时，强度仍不会低于0，故测定UV-B为0时终止监测。每次测定重复3次，取平均值。

对上述3种不同水体监测时间随机，有上午、中午、下午，有晴天、阴天、暴雨，其中玄武湖北湖区、西南湖区各随机监测9次，清洁水体监测8次，合计26个样本，监测时间段从4月底持续至7月，每隔1～2周监测1次。

1.3 紫外线剂量及紫外线衰减影响因子测定方法

1.3.1 UV-A及UV-B剂量测定 采用英国Skye公司的SpectroSense2 4通道手持表测定，连接SKU 420UV-A传感器(315～380 nm)及SKU 430UV-B传感器(280～315 nm)，自水面向下每隔10 cm测定1次水体中的UV-A及UV-B强度。

1.3.2 浊度、透明度(secchi disc，简称SD)、总溶解性固体(TDS)测定 采用透明度盘(塞氏盘)于现场测定水体透明度；浊度用HACH浊度仪测定；TDS质量浓度用上海三信仪表厂生产的5031TDS计测定；同时在水下5 cm处取水样，带回实验室分析其余指标。

1.3.3 溶解性有机碳(dissolved organic carbon，简称DOC)测定 将水样经0.20 μm聚酯纤维滤膜过滤，用总有机碳分析仪(Multi N/C 3000)测定水体的DOC质量浓度。

1.3.4 有色可溶性有机物(chrornophoric dissolved organic matter，简称CDOM)测定 由于CDOM物质质量浓度无法直接测定，故国际一般测定其在280、355、440 nm 处的吸收峰，CDOM的光谱吸收系数测定采用GF/F滤膜过滤的水样在MAPADAUV-1100分光光度计下先测定其吸光度，然后根据公式(1)计算各波长的吸收系数：

ag(λ′)=2.303Dλ/r。

(1)

式中：ag(λ′)为波长λ未校正的吸收系数；Dλ为在波长λ处的吸光度；r为光程路径；λ为波长。

由于过滤清液还有可能残留细小颗粒，会引起散射，为此作如下散射效应订正：

ag(λ)=ag(λ′)-ag(700′)·λ/700。

(2)

式中：ag(λ)为波长λ的吸收系数；吸收系数越大表示CDOM浓度越高[9]。

1.3.5 藻类叶绿素a质量浓度测定 浮游植物叶绿素a质量浓度测定参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[10]，将100 mL水样经 0.45 μm 乙酸纤维滤膜过滤，滤膜保存，利用丙酮提取测定。

1.4 紫外线衰减系数确定

UVR、UV-A、UV-B在3种水体中的衰减均呈指数衰减模式，紫外辐射衰减系数用公式(3)计算获得。

Ed=E0·e-Kd。

(3)

式中：Ed为水下d深度的UVR、UV-A、UV-B强度；E0为入射紫外线强度；K为衰减系数；d为水深。其中UVR衰减系数以KUVR表示，UV-A衰减系数以KUV-A表示，UV-B衰减系数以KUV-B表示，衰减系数为水下每隔10 cm测得的衰减系数。

1.5 数据分析

试验数据用Excel和SPSS软件进行统计分析及图表制作。

2 结果与分析

2.1 紫外线衰减系数与浊度关系

由图1可见，UVR、UV-A、UV-B在水体中的衰减均随浊度的增大，其衰减系数增大，三者衰减系数均与浊度呈极显著相关(|r|>0.479为极显著相关，0.374<|r|≤0.479为显著相关，|r|≤0.374为不相关，下同)，相关系数分别达0.86、0.91、0.93(n=26)。当浊度高于20.0 NTU时，KUVR大于0.127，KUV-A、KUV-B均大于0.105；当浊度低于10.0 NTU时，KUVR小于0.083，KUV-A、KUV-B均小于 0.071；当浊度最高高达31.3 NTU时，KUV-A也达到最高，为0.126，KUV-B达0.157，在所有监测样本中位列第3，KUVR达 0.125，在所有监测样本中位列第2；当浊度最低为4.94 NTU时，KUVR、KUV-A、KUV-B分别为0.041、0.041、0.052，均达各组中的最低值。

2.2 紫外线衰减系数与SD关系

由图2可见，水体中UVR、UV-A、UV-B均随SD的增大其衰减系数逐渐减少，两者呈极显著负相关关系，其相关系数分别为-0.86、-0.89、-0.90(n=26)。当SD低于40 cm时，KUVR、KUV-A均大于0.100，KUV-B大于0.120；当SD大于 90 cm 时，KUVR、KUV-A、KUV-B均小于0.071；其中当SD最大为105 cm时，KUVR、KUV-A、KUV-B均达最低值，分别为0.041、0.041、0.052；当KUVR、KUV-A、KUV-B达最高值时，SD均处于 35～38 cm之间。总体而言，随着SD增加，UV-A衰减系数减少，两者呈极显著负相关关系。

2.3 紫外线衰减系数与TDS的关系

由图3可见，水体中UVR、UV-A、UV-B的衰减系数随TDS质量浓度的增高而逐渐减小，两者呈极显著负相关关系，相关系数分别达-0.74、-0.77、-0.78(n=26)。当TDS质量浓度为219 mg/L时，KUVR、KUV-A约为0.040～0.048，KUV-B为0.052～0.059之间，三者均为各组中的最低值；当TDS质量浓度为180～181 mg/L时，KUVR、KUV-A均达最高值，分别为 0.153、0.126，KUV-B也较高。TDS质量浓度与水体清洁程度有关，水体越清洁，水体中TDS质量浓度越高，清洁水体TDS质量浓度较高，KUVR、KUV-A、KUV-B较低，浑浊水体与富营养化水体TDS质量浓度较低，KUVR、KUV-A、KUV-B则较高。

2.4 紫外线衰减系数与不同波长CDOM吸光系数的关系

由图4可见，KUVR、KUV-B与CDOM在280 nm处吸收系数呈显著正相关，相关系数分别为0.479、0.417(n=26)，KUV-A与CDOM在280 nm处吸收系数呈极显著正相关，相关系数为0.490(n=26)。

由图5可见，CDOM在355 nm处的吸收系数与KUVR、KUV-B均无显著相关性(相关系数分别为0.37、0.38，n=26)，而与KUV-A呈显著正相关(相关系数为0.40，n=26)。

由图6可见，CDOM在440 nm处的吸收系数与KUVR、KUV-A、KUV-B无显著关系。但总体而言，CDOM含量对UV-A在水体中的衰减有一定的影响，特别是在280 nm处吸收系数表现突出，KUVR、KUV-A、KUV-B随CDOM吸收光系数增加而增加。

2.5 紫外线衰减系数与DOC质量浓度关系

由图7可见，KUVR、KUV-A与水体DOC质量浓度呈极显著正相关关系(相关系数分别0.52、0.53)，KUV-B与水体DOC质量浓度呈显著正相关关系(相关系数为0.48，n=26)，总体上随水体中DOC质量浓度的增高，KUVR、KUV-A、KUV-B也随之增高。其中，当DOC质量浓度大于200 mg/L时，KUVR、KUV-A>0.120，KUV-B>0.149；当DOC质量浓度小于20 mg/L时，KUVR、KUV-A<0.055，KUV-B<0.067；但当KUVR、KUV-A、KUV-B达最高值时，DOC质量浓度为80～135 mg/L之间；但DOC质量浓度的极值与KUVR、KUV-A、KUV-B极值不能完全吻合。

2.6 紫外线衰减系数与水体Chla质量浓度关系

由图8可见，水体Chla质量浓度与KUVR、KUV-A、KUV-B均呈极显著正相关，KUVR、KUV-A、KUV-B随叶绿素a质量浓度增加而增加，其相关系数分别为0.56、0.62、0.59(n=26)。但当叶绿素a质量浓度低于100 mg/m3时，KUVR、KUV-A均低于0.062，KUV-B低于0.083；而当叶绿素a质量浓度高于 510 mg/m3时，KUVR、KUV-A分别大于0.010及0.099，KUV-B大于0.120。

3 结论与讨论

国外对紫外线在水体中衰减的研究主要集中在UV-B的衰减研究上，研究区域主要集中在海洋和高山湖泊[6]。已有研究认为，UV-B在水中的传输主要受水中组成物质的影响，包括黄色物质、悬浮物质以及浮游藻类等[11]。不同的物质组成对UV-B的衰减影响不同，在清洁的海水中UV-B可渗入水下30 m，而UV-B的生物效应可达60～70 m[12]。在高山深水湖泊中，UV-B的穿透深度也常达20 m以上，对阿尔卑斯和比利牛斯山脉上26个湖泊UV-B的真光层深度进行测定，其平均深度为8 m，最深达27 m[7]。在受人类活动影响较大和富营养化的浅水湖泊中，由于水中溶解性有机物质对 UV-B的强烈吸收，其真光层深度往往要小得多，说明不同类型的湖泊对UV-B辐射衰减的影响差异显著[13]。太阳辐射在水下的传输和分布主要受制于4种物质的吸收和散射，即纯水、非生物悬浮颗粒物、溶解性有机物及浮游植物，其中水分子对红外光谱有强烈的吸收性，溶解性有机物对紫外光有强烈的吸收作用，水体各组分及其含量的不同会造成水体吸收和散射的变化[14]。在这几种物质中，除了悬浮物在其自然浓度条件下对光不发生明显吸收外，其余3种物质分别选择吸收一定波长范围的光[15]。

浊度是由水中所存在的颗粒物质如黏土、淤泥、胶体颗粒、浮游生物及其他微生物形成的，它是水对光的散射和吸收能力的量度，与水中颗粒的数量、大小、折光率及入射光的波长有关。形成水的浊度的颗粒大小变动于1 nm～1 mm之间[16]。水的浑浊程度以浑浊度作指标，浑浊度是一种光学效应，它表现为光线透过水层时受到阻碍的程度，这种光学效应与颗粒的大小及形状有关[17]。浊度物质的存在降低了水的透光率，降低了紫外线透过率[18]。水的浑浊度越高，反射光和散射光越强，而透射光越弱；反之，水的浊度越低，反射光和散射光越弱，而透射光越强[17]。因此，水体浊度越大，阻碍太阳光透过水体，故水体浊度越大，SD越低，UVR、UV-A、UV-B 衰减系数越大。

据研究表明，水体中的黄色物质、叶绿素a、其他光合色素、有机或非有机颗粒物均能影响紫外线的水体渗透，UV-B辐射能分解高分子量物质，使之成为细菌能利用的物质[19]。DOC、颗粒性有机碳微粒状有机物及腐殖质影响紫外线渗入水下[8]，DOC能吸收短波辐射，特别是在海滨区及淡水生态系统中，如阿比斯库瑞典(68°N，19°E)、加那利群岛(27°N，17°W)、北海、波罗的海、卡特加特海峡、地中海东部和西部、北大西洋等海域。由于腐殖质难以被细菌分解，一旦分解，其产物(甲醛、乙醛、乙醛酸、丙酮酸)易被浮游细菌利用。但腐殖质能强烈吸收紫外线，进而加剧DOC分解，其产物被细菌利用，紫外线可更深入水下。然而水表强烈的紫外线不仅能抑制浮游细菌的生长活性，又能抑制DOC分解，进而使紫外线难以深入水下[20]。由此可见，DOC和腐殖质是控制湖泊UV-B衰减的重要因素。自然酸化的湖泊具有高浓度的腐殖质，可在表层水体几厘米范围内使UV-B迅速衰减[21]。从上述分析也可以看出，DOC质量浓度与CDOM吸光系数与UVR、UV-A、UV-B衰减系数均呈正相关关系，也证实了DOC、CDOM能吸收紫外线，阻碍紫外线更多地渗透进入水下，很多研究也表明了DOC对紫外线的衰减作用较为明显[22-23]。因此，水体中DOC、CDOM物质含量越高，水体 UV-B 渗透深度越低。这些结果与本研究的3种水体CDOM和DOC质量浓度越高，UVR、UV-A、UV-B衰减越快是一致的。Figueroa等的研究也证实了水体中叶绿素a质量浓度也影响水体紫外线的渗透，即水体中藻类叶绿素a质量浓度越高，UVR、UV-A、UV-B衰减系数越大，水体UV-B渗透深度越低[24]。

江苏省南京地区水体中紫外线衰减是水体中多种环境因子的共同作用，而浊度在多种环境因子中起主导作用，水体浊度、CDOM物质含量、DOC质量浓度、TDS质量浓度、藻类叶绿素a质量浓度等均对水体中的UVR、UV-A、UV-B衰减有重要影响，水体中CDOM物质含量、DOC质量浓度、TDS质量浓度、Chla质量浓度等对紫外线在水体衰减的影响程度不及浊度。