淮河中游枯水期水体溶解性有机质光谱特征*

陈旭东 高良敏# 顾 昕 陈晓晴 庞振东

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.江苏煤炭地质勘探三队，江苏 常州 213003；3.淮南市环境保护监测站，安徽 淮南 232001)

溶解性有机质(DOM)广泛存在于环境中，是水生生态系统中微生物的营养和能量来源，在地球环境化学循环与全球碳循环中起着至关重要的作用[1]。DOM结构异常复杂，含有各种类型的官能团(羧基、羟基、氨基、酚羟基、醛基、酯基、羰基等)，具有很强的反应性和迁移性，可与重金属、有机污染物和颗粒物等相互作用，对环境有很大的影响[2-3]。同时，DOM中的特定成分是自来水消毒副产物(DBP)的前体物质，对公共饮水安全造成很大的威胁[4]。因此，了解流域水体中DOM的性质与分布情况至关重要。目前，许多技术被应用于表征DOM，如色谱、质谱、核磁共振谱和分子光谱，而分子光谱是应用最普遍的DOM研究方法之一[5]，基于光谱学的DOM水质监测、评价和管理是一种很有前景的策略[6-7]。紫外—可见吸收光谱(UV-Vis)可反映DOM的芳香性、分子量分布等大量信息[8]。三维荧光光谱(EEMs)以其高速和高灵敏度特性已被广泛用于探测DOM的化学成分和生物地球化学循环[9]。平行因子法(PARAFAC)又被称为“数学色谱”，基于数学三线性模型将复杂的DOM荧光光谱分解为有化学意义的组分，已成为处理EEMs数据较常用的算法[10]。

淮河流域为我国七大流域之一，地处我国南北分界线，人口众多，水资源短缺，农业生产活动密集，气候四季分明，降水集中于夏季(5—8月)，而秋冬季(11月至翌年3月)则为干旱少雨的枯水期。选取淮河中游枯水期水体作为研究对象，运用UV-Vis和EEMs结合PARAFAC调查不同区域DOM含量与结构变化分布特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域是安徽省境内淮河中游地区，主要包括阜阳市颍上县(YS)、六安市霍邱县(HQ)、淮南市潘集区(PJ)和蚌埠市怀远县(HY)4个区域(见图1)。采样点包含淮河主干流、淮河一级支流和淮河沿岸湖泊等不同种类的水体类型。YS采样区主要包括南照镇周边淮河干流与周边支流；HQ采样区主要包括城东湖和淠河入淮河河段；PJ采样区主要包括区内淮河干流、泥河、黑河和采煤塌陷区水体；HY采样区主要包括区内淮河干流、茨淮新河、涡河和芡河。

1.2 样品采集与处理

样品采集时间为2021年1月中旬至3月初(属于枯水期)，每次采样前一星期内无降水活动，水质稳定。使用有机玻璃采水器于水面下0.5 m处采集1 L水样装入棕色玻璃瓶内避光4 ℃保存，当日运回实验室。共采集69份水样，其中YS、HQ、PJ、HY分别采集13、15、18、23份水样。

1.3 基本水质指标测定

总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；总磷(TP)采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；硝酸盐氮采用紫外分光光度法测定。取500 mL水样使用0.45 μm玻璃纤维滤膜(400 ℃马弗炉预燃)过滤后测定总溶解性磷(TDP)和总溶解性氮(TDN)。使用TOC-VCPH总有机碳分析仪(Shimadzu，日本)测定总溶解性有机碳(DOC)含量。

1.4 光谱测定

UV-Vis和EEMs测定前使样品恢复至室温并注意避光。

UV-Vis采用N5000PLUS紫外—可见吸收分光光度计(YOKE)测定。EEMs使用F4600荧光光谱分析仪(HITACHI，日本)测定，激发波长(λEx)为200～500 nm，发射波长(λEm)为200～550 nm，波长间隔均为5 nm，扫描速度设置为1 200 nm/min，使用1 cm光程四通石英比色皿。同时，测定超纯水EEMs作为空白参考，并使用纯水拉曼峰面积对EEMs数据进行归一化处理以消除仪器误差，归一化后的EEMs荧光强度单位为R.U.[11]。

1.5 数据处理

1.5.1 PARAFAC建模

EEMs数据的预处理过程对建立的PARAFAC模型具有显著影响，采用文献[12]中R(4.0.5)的staRdom(1.1.21)包进行EEMs数据预处理，建立PARAFAC模型并完成对模型的评估与检验。EEMs的预处理过程主要包括仪器光谱校正、空白校正、拉曼归一化、内滤效应校正、瑞利散射切除和插值平滑。由于λEx<250 nm的波段内干扰较强，故剔除，PARAFAC模型建立在250 nm≤λEx≤500 nm内。在反复的PARAFAC建模过程中，经过残差分析、拆半检验、TCC检验、SSC检验[13]和核心一致性检验，最终遴选出最优的PARAFAC模型，包含3个有意义的化学组分(C1～C3)。同时，利用staRdom包中的功能函数计算了UV-Vis参数(光谱斜率比(SR)、波长254 nm处的吸收系数(α(254))与DOC浓度的比值(SUVA254)和吸收系数比(E2/E3))和EEMs参数(荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)、新鲜度指数(FRI)和自生源指数(BIX))。

1.5.2 统计学方法

统计学分析基于R(4.0.5)进行，使用agricolae(1.3-5)包进行单因素方差分析(ANOVA)及LSD检验。数据以平均值±标准偏差表示。

2 结果与讨论

2.1 常规水质指标

4个区域水体中TP分布存在显著性差异(P<0.01，ANOVA)，而TDP分布无显著性差异(P>0.05，ANOVA)。YS的TP((0.08±0.05) mg/L)显著低于其他区域(P<0.05，LSD)(见表1)。HQ、PJ和HY水体中磷主要以颗粒态存在，因此TP要远高于TDP。4个区域水体氮素分布情况除氨氮无显著性差异(P>0.05，AVONA)外，TN、TDN和硝酸盐氮均存在显著性差异(P<0.001，ANOVA)。

TN、TDN和硝酸盐氮分布情况类似，HY均显著高于其他区域(P<0.05，LSD)，且4个区域氨氮分布无显著性差异(P>0.05，LSD)。硝酸盐氮为HY氮素的首要贡献指标，且4个区域氮素分布以TDN为主。

2.2 PARAFAC分析

PARAFAC组分激发/发射载荷如图2所示。该模型R2=0.993，核心一致性为97.01，TCC检验结果为0.996，能很好表示水体中DOM组分变化规律。C1在λEx/λEm=250 nm/405 nm处有单一的荧光峰，位于“A峰”区域；C2在λEx/λEm=270 nm/450 nm有荧光一级峰，在λEx/λEm=365 nm/450 nm处有荧光次级峰，分别位于“A峰”与“C峰”区域；C3在λEx/λEm=280 nm/335 nm处有单一荧光峰，位于“T峰”区域[14]。将PARAFAC组分的激发、发射载荷上传至OpenFluor(https://openfluor.lablicate.com)数据库进行拟合比对(TCC检验结果≥0.95)以获取相应组分的化学解释。C1归类为类富里酸组分[15-17]，C2为陆源类胡敏酸组分[18-19]，C1与C2统称为类腐殖质组分，受陆地面源输入、水体微生物活动和光化学反应综合影响。C1和C2在多项针对DOM的环境调查研究中得到确认，包括内陆湖泊、森林溪流、农业径流及湿地覆水等[20-21]。C3归类为类色氨酸组分，主要由藻类及微生物活动产生，同时有研究表明，人类污水排放及污水处理厂尾水中也含有大量的类色氨酸组分[22-24]。

表1 各区域水体水质指标1)Table 1 Distribution of water quality indexes in study areas mg/L

PARAFAC组分相对丰度与荧光强度见图3。C1为枯水期水体中DOM的最主要组分(相对丰度均值高于40%)。各区域间C1相对丰度有显著性差异(P<0.05，ANOVA)，HY(46%±4%)显著高于PJ(41%±8%)(P<0.05，LSD)，而YS(43%±5%)和HQ(45%±3%)与其他区域无显著性差异(P>0.05，LSD)。各区域间C2相对丰度差异性显著(P<0.001，ANOVA)，PJ(34%±16%)远高于其他区域(P<0.05，LSD)。C3相对丰度与C2分布趋势相反，PJ(25%±9%)远低于其他区域(P<0.05，LSD)。土壤径流输入可增加水体DOC浓度和腐殖质类物质的比例[25]，枯水期流域周边土壤面源输入减弱，陆源类胡敏酸(C2)在研究区内占比较低。水体中的腐殖质以微生物类富里酸(C1)为主。而PJ内存在大量光伏发电板遮挡了水面(水面光伏发电项目)，从而导致DOM光化学氧化过程减弱，分子量较高的DOM不断积累，因此PJ的C2相对丰度显著高于其他区域。光漂白是去除天然水体中DOM的主要过程[26]，在一项关于DOM长期归趋的研究中发现，淡水中96%的DOM被太阳辐射破坏，DOM在黑暗中分解的时间是在阳光下分解的70倍[27]。DOM的光化学氧化过程降低了吸收系数，增加了水体中透光带的深度。随着吸光度的降低，SR增加，荧光强度降低，荧光最大值位置发生蓝移。

各区域间C1和C2荧光强度分布差异显著(P<0.001，ANOVA)，C3分布差异显著(P<0.05，ANOVA)。C1荧光强度PJ((0.66±0.12) R.U.)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。与C1类似，C2荧光强度PJ((0.66±0.53) R.U.)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。C3荧光强度YS、PJ与其他区域无显著性差异(P>0.05，LSD)，HY((0.40±0.15) R.U.)显著高于HQ((0.31±0.06) R.U.)(P<0.05，LSD)。根据水质参数的分布特征，HY的氮素水平高于其他区域，C1与C3荧光强度高于YS、HQ，氮素水平对水体的生物活动有影响，继而改变了DOM的荧光强度。

2.3 EEMs参数分析

各研究区域水体EEMs参数分布见图4。

FI为λEx=370 nm时λEm在450、500 nm处荧光强度的比值，用以表征水体DOM中类腐殖质组分的来源，FI>1.9时，表明微生物代谢为类腐殖质主要来源，FI<1.4时表明以陆源腐殖质贡献为主[28]。4个区域FI分布具有显著性差异(P<0.01，ANOVA)，PJ(1.85±0.20)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)，但所有区域均值均处于1.4～1.9，表明枯水期淮河中游水体DOM腐殖质介于微生物源与陆源之间。

BIX为λEx=310 nm时λEm在380、430 nm处荧光强度的比值，反映了DOM自生源的贡献率，BIX>1表示DOM中自生源占主要贡献，BIX<0.7时表示自生源较少[29]。4个区域BIX分布具有显著性差异(P<0.001，ANOVA)，HY(1.06±0.07)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。HY的BIX均值高于1，DOM以自生源贡献为主，其他区域均值均接近于1，DOM的自生源水平也较高。

HIX为λEx=254 nm时λEm在435～480 nm间区域积分值除以λEm在300～345 nm间、在435～480 nm间的区域积分值之和，用以表征腐殖化程度[30]。4个区域HIX分布有显著性差异(P<0.001，ANOVA)，PJ(0.78±0.08)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。4个区域水体中HIX都维持在较低水平，表明水体中DOM腐殖化程度低，水体DOM以自生源物质为主，与BIX结果类似。PJ水体腐殖化程度高于其他水体，同C2荧光强度与相对丰显著高于其他区域结果相符。

FRI为λEx=310 nm时λEm=380 nm的荧光强度与λEm位于420～435 nm间的最大荧光强度之比，反应了新生成的DOM所占比例[31]。4个区域FRI分布具有显著性差异(P<0.001，ANOVA)。与BIX结果类似，HY(0.99±0.06)显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。

2.4 UV-Vis参数分析

研究区域UV-Vis参数分布如图5所示。SUVA254表征DOM中芳香族物质的含量[32]，与水体中DOM的疏水性、分子量和腐殖化程度呈正比。4个区域SUVA254分布具有显著性差异(P<0.01，ANOVA)，PJ((3.82±1.08) L/(mg·m))显著高于其他区域(P<0.05，LSD)。SR用于定性反映DOM物质变化特征情况，其值与DOM分子质量负相关，较低的SR表明水体高分子量及维管束植物相关的DOM输入较多[33]。特定波长的吸收系数之比可表征DOM的结构特征，E2/E3与DOM的相对分子质量呈反比，其值越大，DOM分子量越小[34]。4个区域SR和E2/E3分布具有显著性差异(P<0.001，ANOVA)。SR在YS(1.23±0.12)和HQ(1.29±0.12)均显著高于PJ(0.97±0.07)和HY(1.09±0.14)(P<0.05，LSD)。与SR分布情况相反，E2/E3在PJ(6.54±1.11)和HY(6.15±1.43)显著高于YS(4.94±0.66)和HQ(4.26±0.54)(P<0.05，LSD)。UV-Vis参数分布表明，PJ水体中DOM的疏水性、分子量和腐殖化程度显著高于其他地区，表明PJ水体DOM以分子量大、腐殖化高和疏水性强的组分为主。由于DOM的荧光存在超分子组装效应，UV-Vis参数结果与EEMs参数分析结果存在差异性[35]。

3 结 论

HQ、PJ和HY水体中磷主要以颗粒态存在，4个区域氮素分布都以TDN为主。对水体样本EEMs使用PARAFAC共解析出3个有意义的化学组分(类富里酸、陆源类胡敏酸和类色氨酸)。PJ水体由于大面积水面光伏发电的影响，水体DOM光化学氧化过程受到影响。EEMs与UV-Vis参数分析表明，PJ水体DOM以分子量大、腐殖化高和疏水性强的组分为主。