白洋淀秋季溶解性有机质组分与浮游植物的关系研究*

贾世琪 杨 芳 王希欢 柏杨巍 马文娟 李秋华 廖海清# 陈少华

(1.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统和生态环境保护重点实验室,贵州 贵阳 550001；2.中国环境科学研究院,北京 100012)

近年来随着经济快速发展，湖库水体营养盐和有机质含量总体较高，富营养化程度和范围呈不断扩大趋势[1]。水体中溶解性有机质(DOM)在湖库水体的物质循环中起到重要作用[2]。水环境中DOM的来源可以分为外源和内源，外源主要来自人为活动和自然代谢[3-4]，内源包括沉积物释放、水生和浮游动植物的生长释放及消亡降解[5]。浮游植物是湖泊有机质的重要来源，其可以通过光合作用合成DOM，同时浮游植物参与DOM在水体中迁移转化过程[6-7]。浮游植物在生长与细胞死亡时都会不停向水体中释放各种代谢物质，如氨基酸、脂类、维生素、酶、有机磷、毒素及抑制/促进因子，其中细胞死亡时还会释放高分子量的DOM[8-10]。浮游植物中至少有5%(质量分数，下同)～10%物质以DOM形式释放到水体中，甚至有的浮游植物DOM释放量可达10%～25%[11]。DOM与浮游植物等影响因素的变化特征已成为湖泊内源精准治理的重要理论依据和研究热点。

白洋淀是华北平原最大的天然淡水湖泊，淀内有大小淀泊143个，具有灌溉蓄水、调洪滞沥、补充地下水、调节局部小气候、提供生物栖息地等多种生态功能，有“华北明珠”之称。近年来，白洋淀水环境发生了重大变化，水位下降，上游河流污染物负荷排入淀内[12]，且生态系统脆弱，自净能力逐渐降低，导致湖水水质出现超标现象，富营养化程度依然严重。近年来，已在白洋淀水生态环境方面开展了大量研究工作，阐明了白洋淀湖泊水质指数与周围植物生态系统特征[13]，评估了白洋淀湿地生态系统沉积物中重金属生态风险[14]，研究了浮游植物群落结构的特征[15-16]。洪志强等[17]探究了白洋淀水生植物腐解产物中DOM的组分特点；袁冬海等[18]研究了白洋淀沉水植物腐解DOM与重金属的相互作用。目前，鲜见有白洋淀水体DOM与浮游植物关系研究。

该研究以白洋淀水体中的DOM和浮游植物为对象，拟通过开展秋季水体DOM三维荧光光谱和浮游植物丰度空间分布研究，应用平行因子法解析秋季DOM的主要组分特征，对比秋初和秋末浮游植物丰度和DOM荧光强度，探究水体中浮游植物的空间分布与DOM组分之间的关系，初步估算浮游植物消亡对DOM内源贡献，以期为白洋淀污染治理与生态环境修复政策制定提供基础数据。

1 采样点及实验方法

1.1 研究区域概况

白洋淀位于河北省保定市、沧州市交界(38°45′N～39°2′N,115°38′E～116°6′E)，总面积为366 km2，地处海河流域大清河水系的九河下梢，由从南、西、北三面流来的潴龙河、唐河、府河等8条河流汇集而成，是华北平原最大的浅水湖泊群[19]。淀区之间通过沟渠相互连接，淀区内大约分布着39个村庄[20]。本研究结合相关资料以及白洋淀水体环境特征，选取白洋淀11个代表性采样点(包含生活区、芦苇区、荷花区、水草区及烧车淀、光淀张庄、圈头、采蒲台、南刘庄5个国控点位)，于2019年秋初(9月)和秋末(11月)采集表层水体，研究区域及采样点信息见图1和表1。

图1 白洋淀采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baiyangdian Lake

表1 白洋淀采样点信息

1.2 样品采集与检测

采集白洋淀表层水(水面以下0.5 m)，水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后进行分析。采用荧光分光光度计(F-7000)进行三维荧光光谱检测。激发光源为150 W氙弧灯，光电倍增管(PMT)电压为700 V，激发波长(Ex)为200～450 nm，发射波长(Em)为260～550 nm，狭缝宽度均为5 nm，扫描速度为2 400 nm/min。用超纯水作为空白，每隔5个样品用超纯水的拉曼光谱强度监控仪器稳定性，同时利用0.01 mg/L硫酸奎宁进行荧光定标[21]。

为检测浮游植物(本研究主要关注藻类)丰度，取1 L表层水，现场加入15 mL鲁哥试剂固定，带回实验室静置沉淀24～48 h后，用虹吸法吸取上清液，浓缩至30 mL，浮游植物丰度通过镜检计数获得[22]。

1.3 分析方法

采样平行因子法对水样三维荧光光谱进行分析，利用折半分析来验证结果可靠性，三维荧光光谱的相关参数见表2。

表2 三维荧光光谱相关参数特征1)

FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355等荧光光谱参数常用来研究和表征水体中DOM来源。FI<1.2时，DOM以陆源输入为主；FI>1.8时，DOM以自生源为主；1.2≤FI≤1.8时，DOM受陆源与自生源共同影响[27]。HIX<4时，DOM主要由内源物质产生；HIX介于4～6表示DOM具有较弱的腐殖化特征和较强自生源特征；HIX介于6～10表示DOM具有较强腐殖化特征及较弱的自生源特征；HIX>16时，DOM具有强腐殖化特征，陆源物质是其主要输入源[28]。0.61.0 时，DOM以生物或者细菌等内源为主[29]。参考文献[30]计算优势度指数，优势度指数≥0.02为优势种，优势度指数>0.1为绝对优势种。

2 结果与讨论

2.1 白洋淀水环境特征

根据之前相关研究，对白洋淀2018年1月至2019年8月高锰酸盐指数与化学需氧量情况进行分析。白洋淀2018年高锰酸盐指数较高，5个国控点位平均值为8.49 mg/L，符合Ⅳ类标准(基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)评价，下同)，其中2018年6—8月高锰酸盐指数均较高，2018年8月达到峰值，且采蒲台和圈头均超过Ⅴ类标准；2019年高锰酸盐指数较2018年降低2.25 mg/L，5个国控点位平均值为6.24 mg/L，接近Ⅲ类标准；2019年6—8月，高锰酸盐指数逐渐递增。白洋淀化学需氧量5个国控点位2019年平均值为25.56 mg/L，较2018年降低3.25 mg/L；2018年6—8月化学需氧量达到全年高值，峰值出现在8月(平均值33.80 mg/L)；2019年6—8月，化学需氧量不断上升，并在8月达到峰值(平均值35.60 mg/L)。

2.2 DOM组分解析

对白洋淀淀区22个水样的三维荧光光谱矩阵数据进行分析，参考文献[31]至[35]，共识别出3个有效荧光组分(记为C1～C3，见图2)。组分C1的荧光峰与色氨酸单体的荧光T峰(峰值出现于Ex为220～240、260～280 nm，Em为320～350 nm)一致，反映的是来源于藻类、微生物降解的类色氨酸；组分C2主要体现了类富里酸，荧光峰对应紫外区类富里酸A峰(峰值出现于Ex为235～270 nm，Em为375～445 nm)，富里酸一般来自陆源，也可能来源于降解过程中细菌呼吸作用的副产物。组分C3为类酪氨酸，其荧光峰对应类蛋白荧光B峰(Ex为210～230、260～280 nm，Em为280～315 nm)，类酪氨酸为典型的DOM的类蛋白信号。这3个组分的荧光峰位置与其他文献的报道结果基本一致(见表3)。

表3 3种DOM组分的荧光峰位置对比

图2 白洋淀水体DOM中3个荧光组分的Ex/Em分布Fig.2 Ex/Em of three different fluorescent components in DOM of Baiyangdian Lake

研究发现白洋淀水体DOM中类色氨酸组分所占比例较高，为主要来源，类富里酸组分的荧光强度占总荧光强度的比例相对较低。类色氨酸组分占比高说明白洋淀水体DOM来源可能是微生物作用下的外源和内源，其中藻类等浮游植物生长繁殖的区域会造成类色氨酸增多。

2.3 浮游植物分布特征

研究区域共鉴定出7门93种浮游植物，其中秋初鉴定出7门83种，秋末鉴定出7门93种。绿藻门(Chlorophyta)种类达48种，占总种类数的51.61%；其次为蓝藻门(Cyanophyta)20种，占21.51%；硅藻门(Bacillariophyta)14种，占15.05%；裸藻门(Englenophyta)5种，占5.38%；甲藻门(Dinophyta)2种，占2.15%；金藻门(Chrysophyta)3种，占3.23%；隐藻门(Cryptophyta)1种，占1.08%。浮游植物以绿藻门、蓝藻门和硅藻门为主。如表4所示，鉴定出白洋淀秋初和秋末浮游植物优势种共4门13种。优势种的种类和优势度在不同时段均有差异，但蓝藻门优势种在秋初和秋末均占主导，秋末硅藻门优势种高于秋初。假鱼腥藻为秋季主要的绝对优势种，且其在秋末优势度(0.505)最高，丰度(1.13×108个/L)最大。白洋淀未检测到指示水质清洁的黄藻门(Xanthophyceae)，可能与上游工业废水和村镇生活污水排入有关[40]。

表4 浮游植物优势种丰度及优势度

由图3可以看出，秋初浮游植物总丰度为2.29×106～1.27×108个/L，平均为4.57×107个/L，圈头、采蒲台、芦苇区浮游植物丰度较高，且采蒲台和芦苇区蓝藻门的丰度占比均95%以上，南刘庄浮游植物丰度最低。秋末浮游植物总丰度为2.04×105～4.25×107个/L，平均为1.02×107个/L，采样点之间浮游植物丰度差别较大，圈头浮游植物丰度明显高于其余采样点，且蓝藻门占比较大，南刘庄浮游植物丰度最低。白洋淀秋初浮游植物总丰度约为秋末的4.48倍，由于秋末大部分浮游植物已衰亡，因此浮游植物丰度呈下降趋势，同时，种群结构发生变化，蓝藻门占比减小，硅藻门占比增大。

图3 白洋淀浮游植物空间分布Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton in Baiyangdian Lake

从整体上看，采蒲台、芦苇区和圈头的浮游植物丰度较高，荷花区、水草区、烧车淀、光淀张庄等采样点的浮游植物丰度较低，南刘庄最低。采蒲台和芦苇区曾为水产养殖区，水体流动性相对较差，营养物质长期累积，为浮游植物生长提供了充足的营养来源；圈头周边养殖业和种植业发展较好，为浮游植物生长提供了持续的营养来源。南刘庄为入淀河流汇口，承纳上游河流生活污水和工业废水，尽管营养盐充足，但氨氮含量高，一定程度抑制了浮游植物的生长。

2.4 DOM来源及途径分析

为进一步明确白洋淀水体DOM的来源，对FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355进行分析，结果见图4。

图4 白洋淀水体DOM的FI、BIX、HIX、Fn280与Fn355分布Fig.4 The distribution of FI,BIX,HIX,Fn280 and Fn355 of DOM in Baiyangdian Lake

白洋淀秋初FI平均为1.90，秋末平均为1.87，表明淀区沉水植物和浮游植物在生长繁殖以及消亡腐烂过程中，造成类色氨酸增多，生物自生源影响高于陆源输入影响[41]。秋初BIX平均为0.96，秋末平均为0.89，表明白洋淀有较强的自生源特征，DOM受水体浮游植物、沉积物、微生物作用影响明显。秋初HIX平均为1.95，秋末平均为1.88，表明水体DOM腐殖化程度较弱，不易被微生物降解。由此可见，以上3个参数均表明白洋淀DOM以内源为主。

秋初Fn280为60.36～757.40，秋末为63.42～304.4；秋初Fn355为40.45～112.90，秋末为48.93～88.62。从整体上看Fn280高于Fn355，但变化趋势大致相似，表明白洋淀水体DOM的自生源特征强，腐殖质含量低，类蛋白含量高，与FI、BIX和HIX结果基本一致。

2.5 浮游植物对DOM荧光组分的影响

解析出的各个荧光组分根据其最大荧光强度计算两次采样中每个采样点的各个荧光组分荧光强度，结果见图5。不同采样时段，各荧光组分的荧光强度和贡献率均不同。从整体上看，秋季类色氨酸贡献率最大，为46.77%，类酪氨酸贡献率为28.38%，类富里酸贡献率为24.84%。从不同采样点的荧光组分分布来看，秋初类色氨酸贡献率为40.99%～54.65%，类富里酸为9.25%～43.66%，类酪氨酸为14.62%～39.52%；秋末类色氨酸贡献率为37.78%～46.77%，类富里酸为18.89%～49.08%，类酪氨酸为11.86%～34.34%。

图5 荧光组分的荧光强度分布Fig.5 Fluorescence intensity distribution of fluorescent components

荧光强度的区域分布能够指示DOM浓度的空间分布，秋初从荧光强度的空间变化趋势来看，采蒲台、芦苇区和圈头类色氨酸贡献率为49.00%～54.65%(其中，采蒲台和芦苇区荧光强度较大)，说明DOM贡献主要来自于浮游植物生长代谢，这与前文中浮游植物丰度分析一致。秋末不同采样点各个荧光组分荧光强度差异明显，圈头浮游植物丰度较高，荧光强度较大且类色氨酸贡献率较大，秋末藻类开始消亡，浮游植物在消亡后会产生类色氨酸[42]。南刘庄入河淀口类色氨酸贡献率较小，类富里酸贡献率较大，表明入淀河口外源影响较大。

白洋淀秋初浮游植物丰度高，且白洋淀优势种基本源于蓝藻门，与其他水生植物相比，蓝藻门更易分解有机质[43]，对水体中DOM有重要贡献。根据DOM荧光组分贡献率分析，白洋淀类色氨酸贡献率较大，浮游植物为类色氨酸影响因素，与冬季冰封期白洋淀水体DOM特征研究结果相符[44]。随着气温下降，秋末浮游植物丰度较秋初下降约80%，类色氨酸荧光强度下降约40%，浮游植物丰度与类色氨酸强度关系密切，白洋淀秋季浮游植物可能是DOM中类色氨酸的重要影响因素。

3 结 论

(1) 白洋淀水体DOM以自生内源为主。秋初类色氨酸贡献率为40.99%～54.65%，采蒲台和芦苇区荧光强度较大；秋末类色氨酸贡献率为37.78%～46.77%，圈头荧光强度较大。

(2) 2019年秋季，白洋淀共鉴定出7门93种浮游植物，以蓝藻门、绿藻门和硅藻门为主。圈头、采蒲台、芦苇区浮游植物丰度较高，南刘庄浮游植物丰度最低。

(3) 从秋初到秋末，浮游植物丰度降低，DOM中类色氨酸下降趋势明显，浮游植物可能是DOM中类色氨酸的主要影响因素。