二龙湖表层水体有色溶解有机物的光学特性及来源

纪美辰，李思佳，常 明*，张继权，马文娟，王 蕊，胡妍玢

1.中国环境科学研究院流域水污染综合治理研究中心，北京 100012 2.东北师范大学环境学院自然灾害研究所，吉林 长春 130024

DOM (dissolved organic material, 溶解性有机物)是全球有机质地球化学循环中重要且十分活跃的组分，具有独特荧光特性的CDOM (colored dissolved organic material, 有色溶解有机物)物质是DOM中吸收紫外光和可见光的部分. 在天然水体中，CDOM主要是由水生动植物降解形成的腐殖酸、富里酸、芳烃聚合物等一系列物质组成的有机质[1].

从1978年开始逐渐有学者对CDOM光学特性进行研究，多年来，诸多学者利用荧光光谱技术对不同类型水体中CDOM的来源和迁移转化进行研究. CDOM中含有芳香及不饱和脂肪链等结构，具有较低能量π-π*跃迁，使得CDOM具有荧光性质. 以CDOM的特征差异为依据，可将CDOM荧光分为由高度芳香性的酪氨酸、色氨酸等氨基酸组成的类蛋白质(protein-like)荧光和由腐殖酸、富里酸等物质组成的类腐殖(humic-like)荧光[2].

CDOM荧光分析方法包括同步荧光光谱法、荧光光谱法和三维荧光光谱法，其中三维荧光光谱，即EEMs (excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy，激发-发射矩阵荧光光谱)[3-4]是近阶段最常用的方法. FRI (fluorescence regional integration, 荧光区域一体化)方法被广泛的应用于分析CDOM性质及三维荧光光谱[5-6]，每个荧光区代表一类FDOM (fluorescence dissolved organic material,荧光溶解性有机物). ZHAO等[7]在2017年应用EEM-FRI方法评价了我国典型河流中CDOM的特性. 利用EEMs技术分析河流、湖泊荧光团的谱峰组成及荧光强度变化，有助于从定性和定量两个角度同时探究CDOM在河流和湖泊中的性质、浓度变化的特征及其控制因素与机制.

该研究以二龙湖为研究对象，利用FRI分析技术，对2017—2018年丰水期、枯水期、平水期的二龙湖水体中CDOM的吸收特性、荧光组分的空间分布特征及其来源进行了分析研究，并结合相关性分析对CDOM来源做了进一步解析，探讨了CDOM各组分与各水质参数在来源上的关联性，从而更好地揭示了二龙湖CDOM来源及其环境行为特征与水体内部各要素之间的内在关系，以期为二龙湖水体的环境污染控制提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 样品的采集及现场测定

二龙湖位于吉林省四平市东北部、东辽河流域中上游，是拦截东辽河干流和北大河而形成的弯月型人工湖，湖两岸山势低缓，植被破坏，水土流失严重. 二龙湖一直发挥着防洪、灌溉、养殖、饮水、发电、旅游等多种功能，为库区周边约 6 700 hm2耕地提供灌溉. 东辽河是二龙湖的主要补给水源，作为辽河东部一大支流的东辽河，流经吉林省多个工业城市，受到工业、农业及生活废水的严重污染，湖泊中生物多样性减少、生态退化，水体自身的自净能力等原有功能逐渐减弱.

于2017年6月(丰水期)、2017年10月(枯水期)及2018年5月(平水期)在二龙湖采集水样，其中丰水期和平水期设置25个采样点，枯水期设置20个采样点(见图1)，采集表层水样(距离水面0～0.2 m)2.5 L，用棕色玻璃瓶于车载保温箱(恒定4 ℃)保存送回实验室.

注：丰水期和平水期为1～25号采样点，枯水期为1～20号采样点. 图1 二龙湖采样点分布Fig.1 Map of the sampling sites in Erlong Lake

1.2 参数测定

1.2.1水质指标的测定

水样采用0.45 μm GF/F玻璃纤维滤膜过滤，膜上的颗粒物用90%的丙酮溶液进行萃取，萃取液用紫外分光光度计(UV-2006 PC, 日本岛津公司)进行测定，选取630、647、664和750 nm处的吸光度值计算ρ(Chla)[8].ρ(CODCr)通过GB 11914—1989《重铬酸钾法》测定；ρ(NH3-N)通过GB 7479—1987《纳氏试剂比色法》测定；ρ(TP)采用GB 11893—1989《钼蓝分光光度法》测定；ρ(DOC)采用总有机碳分析仪(TOC-VCPN，日本岛津公司)测定，测定前水样先用0.45 μm的微孔滤膜过滤；ρ(TSM) (TSM为总悬浮颗粒物)、ρ(ISM) (ISM为无机悬浮颗粒物)和ρ(OSM)(OSM为有机悬浮颗粒物)采用GB/T 11901—1989《重量分析法》测定.

1.2.2CDOM吸收光谱分析

将50 mL CDOM水样依次通过0.70 μm的玻璃纤维微孔滤膜和0.22 μm的聚碳酸酯膜进行过滤，过滤后的样品放入1 cm的石英槽比色皿中，用紫外分光光度计(UV-2600，日本岛津公司)测量波长为200～800 nm处的吸光度，以Milli-Q水作参比.

α(CDOM的吸收系数)与λ为指数关系，在紫外光区吸收最大，到红外光区降为零[9]：

ɑCDOM(λ)=ɑCDOM(λ0)exp[-Sg(λ-λ0)] (1)

式中：ɑCDOM(λ)为波长λ时CDOM的吸收系数,m-1，其反映水体中ρ(CDOM)；Sg为光谱斜率，用于反映CDOM的光密度随波长增加而逐渐降低的程度，在一定程度上表征了CDOM的平均分子量，其与组分有关，与浓度无关；λ0为参照波长，该研究λ0为440 nm.

ɑCDOM′(λ)的计算公式[9]：

ɑCDOM′(λ)=2.303A(λ)/γ

(2)

式中：A(λ)为波长λ时的吸光度；γ为比色皿长度，m，为校正水样与参比的Milli-Q水样之间折射率差异以及水样中细小颗粒物、胶体的反射和散射引起的基线漂移，所有吸光值均扣除740～750 nm波长范围的平均值; ɑCDOM′(λ)为在波长λ处矫正后CDOM的吸收系数,m-1.

用式(3)校正残留在过滤液中的一些细颗粒物和胶体：

ɑCDOM(λ)=ɑCDOM′(λ)-ɑCDOM′(750)(λ/750)

(3)

式中，ɑCDOM′(750)为在波长750 nm处未被矫正的CDOM吸收系数,m-1.

Sg(光谱斜率)常用于表征CDOM的平均分子量，其数值的大小与波段的选择和CDOM组成有关，与CDOM的浓度无关. 研究表明，Sg与腐殖酸的分子量之间具有很好的相关性[10-11]，且可用于半定量分析样品中腐殖酸和富里酸的含量[12]，其数值的大小与富里酸含量成正比. SUVA254 nm为波长254 nm处的吸光度值与该溶液中ρ(DOC)的比值，即SUVA254 nm=αCDOM(254)/[DOC]〔[DOC]为ρ(DOC)〕，水体中物质的芳香性随着其值的增加而增加，是反映水生态系统中DOC的重要指标[13-14].

1.2.3CDOM三维荧光光谱的测定

将采集的水样先依次经过0.70 μm的玻璃纤维微孔滤膜和0.22 μm的聚碳酸酯膜过滤，再利用日立F-7000荧光光度计(日本)，以700 V氙灯作为光源进行三维荧光光谱的测定[15]. CDOM三维荧光光谱因受到瑞利散射、拉曼散射及内部滤波器的影响，需要对其进行一定的校正，进而获得CDOM真实的荧光光谱数据[15-16]. 比色皿用1 cm的石英槽，用Milli-Q水作空白来消除水的拉曼散射峰[17]. 激发和发射单色仪的狭缝宽度设为5 nm，其中λEx(激发波长)范围为220～450 nm，波长步长为5 nm；λEm(发射波长)为250～600 nm，波长步长为1 nm，扫描速率为 1 200 nm/min，扫描信号的积分时间为0.05 s，以同步测定的硫酸奎宁做参照，用QSU表示.

1.3 CDOM荧光的分析方法

激发-发射光谱矩阵区域积分法即FRI分析法，是将水溶性有机物的荧光区域依据不同的λEx和λEm将EEMs划分为5个区域，对CDOM荧光光谱进行处理和解读，全面揭示DOM的结构及其异质性. 每一区域代表一种荧光区域，这5种荧光区域主要包括类酪氨酸(R1)、类色氨酸(R2)、类富里酸(R3)、类微生物作用产生的类蛋白(R4)和类腐殖酸(R5)的荧光区域.

最后利用Matlab 2014a软件进行分析，去除拉曼散射和瑞利散射的影响，并进行归一化. 5个代表性区域：Ⅰ区，类酪氨酸〔λEx(200～250 nm)、λEm(280～330 nm)〕；Ⅱ区，类色氨酸〔λEx(200～250 nm)、λEm(330～380 nm)〕；Ⅲ区，类富里酸〔λEx(200～250 nm)、λEm(380～550 nm)〕；Ⅳ区，类微生物作用产生的类蛋白〔λEx(250～400 nm)、λEm(280～380 nm)〕；Ⅴ区，类腐殖酸〔λEx(250～400 nm)、λEm(380～550 nm)〕[18]. 其中，类酪氨酸、类色氨酸和类微生物作用产生的类蛋白属于类蛋白质物质，类富里酸和类腐殖酸属于类腐殖质物质. 在三维荧光图谱下每个区域体积的集合，标准化为单位DOC浓度下对应区域的投影面积，得到用来反映每个区域荧光强度的特有参数FRi.

FDOM在EEMs下5个区域(i为1、2、3、4、5)的积分体积用FRi(Φi)(i为1、2、3、4、5)表示，简化的表达方式为FRi(i为1、2、3、4、5).

FRi的计算公式[19]：

FRi=∑Ex∑Em[I(λExλEm)ΔλExλEm]

(4)

1.4 荧光指数(FI)的计算

荧光指数FI370 nm是由在λEx为370 nm处，λEm为450 nm处的荧光强度值除以λEm为500 nm处的荧光强度值得出，用于区分陆源(FI370 nm<1.4)与微生物源(FI370 nm>1.9)的富里酸组分. 用于确定CDOM内源贡献率的荧光指数FI310 nm是由在λEx为310 nm处，λEm为380 nm处的荧光强度值除以λEm为430 nm处的荧光强度值得出，FI310 nm小于0.7说明有少量的内源CDOM，FI310 nm大于0.8说明微生物的活动导致水体中大量的CDOM来自于内源[20-21].

2 结果与讨论

2.1 水质参数的分布

2017年6月(丰水期)、2017年10月(枯水期)和2018年5月(平水期)的月均降水量分别为50.55、1.52、24.38 mm. 表1为二龙湖3个水文期ρ(DOC)、ρ(Chla)、ρ(TP)、ρ(NH3-N)、ρ(CODCr)、ρ(ISM)和ρ(OSM). 由表1可见，不同水文期，水质参数间存在着明显的差异性. 水体中DOC的含量与水中生物的代谢、细菌的活动和浮游植物的光合作用等紧密相关[21-22]. 丰水期的降水作用将泥沙及陆源有机物带入湖中，农忙期人为因素带来大量的有机物进入到二龙湖周边土壤及湖水中；平水期温度较低，藻类和微生物的活性较低，分解的残渣减少，使得丰水期二龙湖水体中的ρ(DOC)、ρ(Chla)、ρ(CODCr)、ρ(ISM)和ρ(OSM)均高于枯水期与平水期. 在枯水期，夏季过后水中微生物和藻类植物分解后残渣增加，使得ρ(DOC)、ρ(Chla)、ρ(ISM)、ρ(CODCr)和ρ(OSM)介于丰水期与平水期之间. 水体中ρ(DOC)与水相中有机物的污染水平紧密相关，丰水期受到人为活动以及农耕活动带来的有机污染物的影响，较高的ρ(DOC)出现在丰水期. 在枯水期未受到降水稀释作用的影响，水体中具有较高的ρ(TP)和ρ(NH3-N).

2.2 CDOM吸收特性

对比分析3个水文期水样中CDOM的吸收光谱(200～450 nm)，发现不同水文期CDOM的吸收基本一致. CDOM在350 nm的吸收可以用来指示水体中ρ(CDOM)[23]，由图2可见，每个采样点枯水期的ρ(CDOM)均高于丰水期和平水期，平水期的ρ(CDOM)基本上均高于丰水期，18～25号采样点，3个水文期的ɑCDOM(350)均明显减少.

表1 3个水文期二龙湖水质参数的平均值

环境因素(水质、土壤、植被、土地利用和降雨量)不仅会影响水体中CDOM的组成与分布特性，还会影响CDOM在特定波长处的吸收与荧光特性[24]. 表2为3个水文期二龙湖水体中CDOM的吸收系数值. CDOM在254 nm处的吸收值可指示水体中CDOM的芳香性[25]. 枯水期ɑCDOM(350)和ɑCDOM(254)明显高于丰水期和平水期，且丰水期最低. 光谱斜率Sg(275～295 nm)和E250 nm:365 nm〔ɑCDOM(250)/ɑCDOM(365)〕用来指示陆源DOC的相对含量，可进一步获得CDOM的分子大小在不同水文期的差异[26].Sg(275～295 nm)和E250 nm:365 nm在3个水文期的关系均为丰水期>平水期>枯水期，说明枯水期二龙湖水体中CDOM的芳香族化合物以及高分子量的富里酸组分占比较大，其次是平水期，丰水期受到降水的影响稀释了二龙湖水体中CDOM的芳香性组分和高分子量的富里酸组分，使其占比最小. 丰水期Sg(275～295 nm)值较大，表明丰水期内源有机质较多，相反，枯水期的Sg(275～295 nm)值较小，枯水期来自外源有机质的DOC较多. Helms等[11]认为，CDOM的相对平均分子量用Sg(275～295 nm)或Sg(275～295 nm)与Sg(350～400 nm)比值SR来表征更加合理.SR在3个水文期的大小依次为丰水期>平水期>枯水期，较小的SR值出现在枯水期，说明二龙湖水体在枯水期受陆源输入的影响较大，在CDOM的组成上大分子量有机质占比较高. 随着降水量的增加和气温的升高，SR值逐渐增大，陆源输入势力减弱，微生物的降解能力增强，产生大量小分子量有机物，在相对较高温度下丰富的营养盐，对浮游植物的生长十分有利，使得水体中新生成的CDOM含量升高. 这说明丰水期二龙湖水体中的藻类和微生物活动对CDOM吸收贡献率较大.

图2 3个水文期二龙湖采样点水体中aCDOM(350)Fig.2 The value of the aCDOM(350) in Erlong Lake during three water seasons

表2 3个水文期二龙湖水体中CDOM的吸收系数

SUVA254 nm〔ɑCDOM(254)/[DOC]〕可作为水体中ρ(DOC)、DOM芳香性和分子量大小的有效评价指标[14,27]. 较高的SUVA254 nm值代表水体中含有丰富维管植物的输入，水体中有机物主要来源于外界大分子有机物的输入[14,27]；反之，较低的SUVA254 nm值代表水体中的有机物主要来自水体本身，如藻类和微生物的代谢活动. 3个水文期中，丰水期光降解和微生物降解的作用导致SUVA254 nm值较低，说明CDOM的芳香性组分较少；枯水期较高的SUVA254 nm值说明了维管植物组分在水体DOM中占比高于丰水期和平水期，并且在枯水期水体中具有更加丰富的高分子量溶剂型有机物. 从图3可以看出，3个水文期中18～25号采样点，SUVA254 nm值明显低于其他采样点，说明这8个采样点所在区域水体中CDOM的芳香性较弱、分子量也较小，且该区域水体中外源大分子有机物污染物的占比较小.

图3 3个水文期二龙湖采样点水体的SUVA254 nm值Fig.3 The value of the SUVA254 nm in Erlong Lake during three water seasons

2.3 荧光指数(FI)的分布及季节的变化

FI用于指示CDOM的来源及降解程度[28]. 二龙湖水体中3个水文期荧光指数FI310 nm的平均值均大于0.8，且存在着空间差异性. 丰水期的FI310 nm平均值(1.036±0.081)明显高于枯水期和平水期，说明丰水期二龙湖水体中微生物活性较高，以生物来源的CDOM为主. 枯水期二龙湖水体中FI310 nm的平均值为0.81±0.029，且1号、5号、6号、10号、15号和19号采样点均具有较高FI310 nm值；平水期二龙湖水体中FI310 nm的平均值为0.976±0.088，且较高的FI310 nm值出现在4号、21号、23号、24号、25号采样点. 这说明二龙湖南部区域的FI310 nm值大于北部区域的FI310 nm值，且微生物活动带来的内源CDOM在二龙湖南部较多.

由表3可见，二龙湖水体在丰水期时的FI370 nm平均值为1.391±0.069，高于枯水期(1.141±0.026)和平水期(1.293±0.088)，且3个水文期的FI370 nm平均值均小于1.4，说明二龙湖水体中CDOM以陆源为主. 在丰水期，较高的FI370 nm值出现在二龙湖中部采样点；另外在枯水期，较高的FI370 nm值分布在二龙湖北部采样点；在平水期，二龙湖中部采样点的FI370 nm值较小. 总的来说，从荧光指数的时空变化特征(见图4)来看，研究区CDOM来源受降水量的影响较大.

表3 二龙湖水体的荧光指数范围及平均值

2.4 CDOM的EEM-FRI分析

应用FRI分析法对二龙湖水样的三维荧光光谱特征进行解析，结果见图5. 每个区域的荧光相对丰度Pi可定量反映指定区域所代表的特定结构物质的相对丰度，即P1(酪氨酸类物质的相对丰度)、P2(色氨酸类物质的相对丰度)、P3(富里酸类物质的相对丰度)、P4(微生物蛋白质类副产物的相对丰度)、P5(腐殖酸类物质的相对丰度). 另外，P3+P5表示DOM中腐殖质类物质的相对丰度；P1+P2+P4表示蛋白质类物质的相对丰度；(P3+P5)(P1+P2+P4)反映DOM中腐殖质类物质和蛋白质类物质的相对含量；P5/P3反映腐殖质类物质中腐殖酸物质和富里酸类物质的相对含量；P2/P1反映蛋白质类物质中色氨酸类物质和酪氨酸类物质的相对含量.

5个区域的荧光强度FRi(i为1、2、3、4、5)与每个区域的荧光相对丰度Pi(i为1、2、3、4、5)在不同水文期有明显的差别. 从FRI区域荧光强度的积分图(见图6)可知，在丰水期、平水期和枯水期二龙湖水体的总荧光强度Fmax分别为6.1×1010、5.8×1011和3.4×1010nm. 在3个水文期腐殖酸类物质的荧光相对丰度P5均较大，分别为38.1%、40.07%和49.45%. 3个水文期中，二龙湖水体中的荧光组分均以外源组分R3(富里酸类物质)和R5(腐殖酸类物质)为主，分别占总荧光强度的60.41%(丰水期)、70.02%(枯水期)和51.34%(平水期)，表明枯水期二龙湖水体中外源CDOM占比高于丰水期和平水期. 与直接观察荧光峰所在的位置相比，FRI分析法可以更准确地描述3D-EEM图中所包含的荧光信息.

类微生物作用产生的类蛋白荧光强度FR4和腐殖酸类物质荧光强度FR5之间具有较高的相关性(见表4)，说明它们具有相似的来源. 酪氨酸类物质的荧光强度FR1与色氨酸类物质的荧光强度FR2之间具有较高的相关性，相反FR1与FR3、FR4和FR5的相关性较弱，可知FR1荧光组分的来源差别于R2、R3、R4和R5组分.

2.5 CDOM的FRI组分与水质参数的关系

aCDOM(350)可用来指示水体中ρ(CDOM)，该研究将3个水文期5个FRI荧光区域与ρ(DOC)、ρ(Chla)及a(350)进行相关性分析，结果如表5所示. 从表5可以看出，在丰水期与枯水期，aCDOM(350)与CDOM的荧光组分R2(R=0.74)、R3(R=0.75)、R4(R=0.74)和R5(R=0.75)均有较好的相关性. 由于平水期数据结果不理想，相关性较弱，数据比较离散，规律性不强，所以对平水期的相关性进行了单独的分析. 二龙湖地处东北地区，年结冰期大于150 d，一般在11月开始结冰直至翌年4月开始解冻. 冰雪融水的大量供给使得二龙湖各采样点位置水量不同，冰雪中本身所含有的ρ(DOC)也存在差异[29-30]，导致二龙湖水体中CDOM荧光组分与ρ(CDOM)的相关性较差. 5月浮游植物和微生物复苏，水体中的荧光组分主要为外源组分R3(富里酸类物质)和R5(腐殖酸类物质)，占总荧光强度的60.41%，ρ(Chla)较低，对有机物的分解有限，导致CDOM荧光组分与湖水中ρ(Chla)具有较弱的相关关系. 在丰水期和枯水期，二龙湖水体中ρ(Chla)与CDOM的荧光组分R2(R=0.73)和R3(R=0.75)具有较好的相关性，说明色氨酸类组分与富里酸类组分的来源与植物的新陈代谢和降解紧密相关. 水体中的ρ(DOC)与CDOM的荧光组分R4(R=0.80)相关性较好，与CDOM的荧光组分R2(R=0.71)和R5(R=0.73)中等相关，说明水体中的DOC组分主要来源于可溶性微生物代谢副产物及浮游植物降解的产物，少部分来源于外源物质(如生活排污水及土壤径流中的农业化肥残留等有机物). 基于以上差异，推断出二龙湖水体中CDOM主要组成为内源的色氨酸与微生物蛋白质类副产物，以及外源的富里酸类与腐殖酸类有机物. 在某一特定湖泊，由于冰冻、降水、生活污水排放、农业废水和水生植物等因素影响，使得CDOM的组分与来源十分复杂.

图4 二龙湖水体的荧光指数的空间分布Fig.4 The spatial distribution of fluorescence index in Erlong Lake

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸、类微生物作用产生类蛋白、类腐殖酸.图5 二龙湖水体中CDOM的三维荧光光谱图Fig.5 EEM fluorescence spectra of chromophoric-dissolved organic matterin in Erlong Lake

图6 5个FRI荧光组分的分布和FDOM组分的荧光相对丰度百分比分布Fig.6 Distributions of FRI-extracted FDOM componentsand distributions of percentages of FRI-extracted FDOM components

表4 5个FRI荧光组分荧光强度之间的相关性

表5 5个FRI荧光组分荧光强度与水质参数的相关性

3 结论

a) 二龙湖水体中CDOM的吸收存在明显的时空特征. 不同水文期CDOM的吸收曲线形状基本一致，随着波长的增加，CDOM的吸收系数呈减小趋势. 对比分析3个水文期的光谱斜率Sg(275～295 nm)、E250 nm：365 nm、SR和SUVA254 nm可以发现，降水和微生物活动是水体中CDOM的组分和来源的主要影响因素.

b) 二龙湖水体中CDOM的荧光特征也表现出较强的时空特征. 丰水期FI310 nm值高于枯水期和平水期，说明丰水期微生物活性较高，生物来源的CDOM占比较高. FI370 nm在3个水文期的平均值均小于1.4，水体中陆源CDOM占比较高. 从荧光指数的ArcGIS空间分布特征来看，3个水文期二龙湖水体中微生物活动带来的内源CDOM在二龙湖南部较多，水体中CDOM的来源主要受到岸边的土地利用类型、降水量及人为活动的影响.

c) 二龙湖水体中CDOM的组成和来源存在显著的时空特征. 二龙湖水体中的荧光组分主要为外源组分R3(富里酸类物质)和R5(腐殖酸类物质)，占总荧光强度的60.41%(丰水期)、70.02%(枯水期)和51.34%(平水期).P3+P5值在枯水期高于丰水期和平水期，说明枯水期二龙湖水体中的外源CDOM占比多于丰水期和平水期.

d) 对水质参数与荧光组分的相关性分析发现，水体中的DOC组分主要来源于可溶性微生物代谢副产物及浮游植物降解的产物，少部分来源于外源物质(如生活排污水及土壤径流中的农业化肥残留等有机物). 总体来说，二龙湖水体中CDOM主要组分为内源的色氨酸与微生物蛋白质类副产物以及外源的富里酸类与腐殖酸类有机物.