乌伦古湖冰封期溶解性有机质分布特征及来源解析

芦晓峰，朱山林,，张岚，綦振华，陈晶晶，王坤*，白金凤*

1.沈阳农业大学水利学院

2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,中国环境科学研究院

3.新疆维吾尔自治区生态环境监测总站

溶解性有机质（DOM）是湖泊生态系统中最为常见的有机物之一，对湖泊及其生态系统的能量与物质转换起着极其重要的作用。天然水体中DOM含有大量的碳、磷等元素，参与生态系统中物质的循环、能量的迁移以及物理化学等相关过程[1]。同时DOM 能够为水生生物提供能量及养分，与水体中有机污染物及重金属相结合来改善水生态环境。由于DOM 具多种环境效应，并对水生态系统中物质循环起着重要的作用，因而被学者广泛关注[2-3]。

目前，国内外对于DOM 的研究，普遍利用荧光技术-三维荧光-平行因子技术（PARAFAC）以及紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis）等手段，紫外可对DOM 进行分子结构分析，同时平行因子技术能够对DOM 进行定性及定量分析。目前对于DOM 组分及结构的认知多在经济发达、人口密集区域的水体，而对人口稀少、远离海洋区域的内流湖泊却较少关注，然而这类湖泊往往对于气候变化和人类活动带来的影响更加敏感[4]。冰封期是北方湖泊季节性特征之一，期间湖泊冰盖的作用对水体氮、磷等有着一定的影响。有研究表明，冰封期大气供给湖泊的氧气减少，水体中溶解氧（DO）浓度不断降低，导致沉积物中污染物释放到上覆水体中，对水生生物产生不利影响[5]；湖冰形成的过程中，溶解态物质会从冰基中排出，并转移到下层水体中，导致冰冻湖下方水域有机物远高于上层冰基，可能造成对水质的影响大于其他季节[6]。已有的对冰封期和内流湖泊DOM 特性的研究，主要是从单方面因素考虑对DOM 的影响，鲜有针对内流湖在冰封期特性进行的研究。

乌伦古湖作为北疆地区面积最大的尾闾湖，同时作为阿尔泰山与古尔班通古特沙漠间的生态屏障，在改善土地盐碱化、沙漠化、调节气候等方面具有重要的生态意义[7]。近年来由于流域资源不合理的开发利用，乌伦古湖面临着湖区面积减少、水质恶化、水盐关系失衡等问题，其中以有机污染最为突出[8]。邹兰等[9]基于2017 年的采样数据进行分析，结果表明，乌伦古湖水体有机污染主要由渔业养殖、农业面源污染等导致的有机污染物向湖中迁移富集所造成。然而，关于乌伦古湖水体有机物赋存特征的研究鲜有报道，尤其是冰封期乌伦古湖DOM 特征研究几乎空白。因此，笔者采用PARAFAC 与紫外-可见光吸收光谱相结合，研究乌伦古湖冰封期水体DOM 光谱特性，同时解析其DOM来源，以期为乌伦古湖水环境保护提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

乌伦古湖位于阿勒泰地区的福海县境内(86°59'36"E～87°33'55"E，46°50'35"N～47°25'01"N)，由布伦托海和吉力湖2 个内陆湖泊组成。布伦托海又称大湖区，为典型的内陆河流尾闾湖，水力交换不畅[7]，其水面面积为858.9 km2，蓄水量为68.7 亿m3；吉力湖水面面积为168.7 km2，蓄水量为16.7 亿m3[8]。布伦托海与吉力湖之间由相距7 km 的库依尔尕河相连接，布伦托海主要由额尔齐斯河与乌伦古河补给，吉力湖由乌伦古河补给。区域属大陆性干旱气候，年平均气温为4.7 ℃，极端高温为35.8 ℃。

1.2 样品采集

根据乌伦古湖形态大小，为区分水体变化特征，按等距离（2 km）进行采样点位布设，在乌伦古湖共布设36 个采样点位，其中吉力湖5 个（点位1～5），其余点位布设于布伦托海（图1）。于2022 年2 月冰封期进行上覆水采集，首先用冰钻进行打孔，刨开钻孔浮冰及冰沙，每个采样点采集表层水下（0.5 m）水样，置于预处理过的棕色采样瓶中，放入低温恒温箱中24 h 内送实验室保存。现场测定DO 浓度、pH、水温（T）等指标。

图1 乌伦古湖采样点位分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Ulungur Lake

1.3 分析方法

1.3.1 水质参数测定

取适量水样测定总氮（TN）、总磷（TP）浓度，水样过0.45 µm 醋酸纤维膜后，滤液中的有机物即为DOM，用于荧光光谱分析及紫外光谱分析，剩余滤液用于测定溶解性总磷（DTP）、溶解性总氮（DTN）、硝酸盐氮(N-N)、溶解性有机碳（DOC）浓度等。

1.3.2 紫外-可见吸收光谱测定

采用UV1800 紫外分光光度计测定紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)，以超纯水作为空白同步进行扫描（波长为190～800 nm；步长为1 nm，高速）。吸收系数〔a(λ)〕采用式（1）、式（2）进行计算[10]，a(440)表示440 nm 波长处的吸收系数，用来表征腐殖酸的浓度，其与腐殖酸浓度成正比[11]。E2/E3、E3/E4分别为波长250 与365 nm、300 与400 nm 处的吸光度比[12]，其中E2/E3表征DOM 分子量的大小，其与分子量大小呈负相关[13]；E3/E4表征DOM 腐殖化程度，其与腐殖化程度呈负相关[10]。SR为275～295 nm 光谱斜率（S275～295）与350～400 nm 光谱斜率（S350～400）的比。SR与DOM 的来源及光化学特性等有关，DOM以内源为主时，SR>1；以外源为主时，SR<1[3]。同时，SR还与DOM 分子量成反比[14]。

式中：λ为波长，nm；a′(λ)为未矫正吸光度时在λ波长处的吸收系数；A（λ）为在波长λ处的紫外吸光度；L为比色皿光程，取0.01 m。

1.3.3 三维荧光光谱测定

荧光测定采用日立F-7000 FL 分光光度计，以150 W 氙灯为激发光源，光电倍增管（PMT）电压设为400 V，激发波长（Ex）扫描范围为200～400 nm，发射波长（Em）扫描范围为250～550 nm，波长增量设为2 nm，狭缝宽度设置为10 nm，扫描速度为12 000 nm/min[15]。为了降低较高浓度带来的荧光猝灭的影响，减少试验误差，对所有样品进行稀释，使其在紫外光下254 nm 处吸光度小于0.3。各项指标表征如下：1）荧光指数（FI）是Ex=370 nm 时，Em 在450 与500 nm 处的荧光强度比值，可作为物质的来源以及DOM 的降解程度的指标。FI 可判断水体溶解性有机质中腐殖质的来源[16-17]，当FI<1.4 时，水体DOM 主要来源为外源土壤和水体等陆源输入；当FI>1.9 时，DOM 来源主要为水体微生物引起的内源释放。2）腐殖化指数（HIX）是Ex=255 nm 时，Em 为435～480 nm 荧光峰值与Em 为300～345 nm 荧光峰值积分之比，该指数一般用来反映DOM 的腐殖化程度。当HIX>6 时，水体DOM 腐殖化程度较高，DOM 主要以陆源输入为主；当HIX<4 时，水体DOM 腐殖化程度较低，具有重要的新近自生源特征，DOM 生物可利用性较高[18]。3）Fn(355)表示Ex=355 nm 时，Em 为440～470 nm 的荧光强度最大值，用来表示腐殖质的相对浓度[19]；Fn(280)表示Ex=280 nm 时，Em 为340～360 nm 的荧光强度最大值，可用来表示蛋白质的相对浓度。4）自生源指数（BIX）是Ex=310 nm 时，Em 在380 和430 nm 处荧光强度的比值，表示内源物质对DOM 的相对贡献，是衡量水体溶解性有机质的自生来源的重要指标。BIX 越大表示溶解性有机质以生物源为主，越小越表示陆源输入相对较多[20]。当BIX>1.0 时，水体溶解性有机质主要由微生物活动产生；BIX<0.8 时，水体DOM 主要来源为陆源输入；BIX 为0.8～1.0 时，水体DOM 来源受陆源与内源共同影响[21]。

1.3.4 荧光强度的计算

由平行因子模型得出的荧光强度为每种组分的相对荧光强度(Si)，各组分荧光强度(Ii)、总荧光强度(Ft)以及各荧光组分占比(PI)计算公式[22]如下：

式中：Si为第i种成分的相对荧光强度；Exi(λmax)为第i种成分激发负载的最大值；Emi(λmax)为第i种成分发射负载的最大值。

1.3.5 数据处理

采用MATLAB R2021 软件中DOMFluor 处理数据，利用PARAFAC 工具箱对乌伦古湖水体38 个荧光光谱数据矩阵进行处理。所有试验数据采用Excel 2021、Origin 2021 软件进行绘图与数据分析。空间分布图及采样点分布采用ArcMap10.8 软件进行绘制。

2 结果与讨论

2.1 乌伦古湖水体理化性质

由表1 可知，乌伦古湖DOC 浓度为4.7～12.8 mg/L，均值为(10.6±1.7)mg/L，空间分布呈现湖心低、岸边高的特点，高值区主要集中在乌伦古湖岸边、水湾以及水力交换较弱区域。COD 为4.0～40.0 mg/L，均值为（26.5±6.8）mg/L，与DOC 浓度空间分布一致，且二者具有显著相关性（P<0.01）。COD 在乌伦古湖各点位存在不同程度的超标，COD 平均值超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值1.31 倍。高锰酸盐指数(CODMn)为3.2～4.3 mg/L，均值为（3.8±0.3）mg/L。TN、TP、N-N 和DO 浓度分别为0.31～1.26、0.010～0.040、0.03～0.33和3.5～14.5 mg/L，均值分别为（0.65±0.21）、（0.020±0.007）、（0.05±0.07）和（10.4±2.9）mg/L。乌伦古湖水体TN、TP 总体处于GB 3838—2002 的Ⅲ类水质。

表1 乌伦古湖水体基本理化指标Table 1 Distribution of physical and chemical indicators of water bodies in Ulungur Lake

2.2 紫外-可见吸收光谱特征参数分析

UV-Vis 可用来表征DOM 结构特征。乌伦古湖UV-Vis 参数如图2 所示，吉力湖水体的E2/E3低于布伦托海，表明吉力湖水体DOM 分子量大于布伦托海。此外，布伦托海分子量相对较大的区域出现在北部进水口32、33 点位。布伦托海中有46.43%点位的E3/E4（均值为10.51±3.34）大于吉力湖（均值为9.63±0.41），同时两湖E3/E4均大于3.5，表明布伦托海与吉力湖中腐殖质均以富里酸为主，且吉力湖富里酸占比较高、腐殖化程度低。布伦托海与吉力湖SR均大于1.0，且前者显著大于后者，表明冰封期布伦托海与吉力湖DOM 均主要来自于微生物活动的内源作用，并且布伦托海内源作用要强于吉力湖。当DOM 在水库或河流中停留时间较长时，DOM 分子在光漂白作用下由大分子变成小分子[23]，由于吉力湖为吞吐型湖泊，而布伦托海为封闭式湖泊，DOM 在水体中停留时间较长，导致布伦托海DOM 分子量小于吉力湖。冰封期布伦托海与吉力湖SR与三峡水库（1.20±0.33）较为相似，但低于太湖（1.80±0.33）以及云贵高原38 个湖泊（3.13±10.13）[24-26]。

图2 乌伦古湖上覆水UV-Vis 参数Fig.2 UV-Vis spectral parameters of overlying water in Ulungur Lake

乌伦古湖上覆水a(440)与E2/E3、SR、E3/E4相关关系如图3 所示。乌伦古湖a(440)与E2/E3、E3/E4呈显著负相关（P<0.01），表明DOM 中腐殖酸浓度越高，DOM 分子量越大，可能原因为死亡的植物及动物被微生物分解后，使得大分子量腐殖酸不断积累，在缺乏光照情况下，大分子量腐殖酸未能降解，从而使大分子量的腐殖酸逐渐积累所致[27-28]。a(440)与SR无相关性，表明无法从单一腐殖酸角度来判定DOM 的来源，该结果与实际情况符合，与李海斌等[29]的研究结果一致。

图3 乌伦古湖上覆水a(440)与E2/E3、SR、E3/E4 相关关系Fig.3 Correlation between overlying water a(440) and E2/E3,SR,E3/E4 in Ulungur Lake

2.3 荧光组分及DOM 空间分布特征

2.3.1 荧光组分特征

对乌伦古湖上覆水体进行PARAFAC 分析，识别出乌伦古湖冰封期上覆水DOM 有3 种类型的荧光峰，解析出3 个具有单一最大发射波长的DOM 荧光组分，分别为陆源腐殖质（C1）[30-31]、类色氨酸物质（C2）[23,32-33]和类富里酸物质（C3）[34-35]，其荧光组分及荷载如图4 所示。

图4 乌伦古湖水体DOM 荧光组分及荷载Fig.4 DOM fluorescence components and loads in Ulungur Lake

由图4（a）可知，组分C1 具有1 个明显的短波激发峰（Ex 为236 nm 时，Em 为408 nm）。该峰对应传统A 峰，为陆源类腐殖质，一般与水体中高分子量的基团有关，且不易被微生物降解利用，用于指示外源输入。组分C1 还有1 个长波激发峰（Ex 为306 nm 时，Em 为408 nm），对应传统M 峰，为海洋源腐殖质。已有研究表明，受人类影响的水域亦会出现M 峰[36-37]，该峰可能与微生物对藻类分解和人类活动产生的氧化类腐殖质有关[38]。如陈永娟等[39]研究北运河DOM 特征时也出现A、M 峰，并认为A、M 峰主要由陆源DOM 所产生。由图4（b）可知，组分C2 存在着2 个较明显的波峰，短波峰（Ex 为220 nm时，Em 为336 nm）、长波峰（Ex 为278 nm 时，Em 为336 nm ）的波峰位置与传统T2、T1 峰相近，属于色氨酸荧光峰，该峰物质一般由水生植物及浮游动物腐烂分解、微生物降解所产生，以游离态形式存在或结合在大分子量蛋白质中，可间接反映水体环境情况[40]。由图4（c）可知，组分C3 的短波激发峰（Ex 为268 nm 时，Em 为476 nm）对应传统A 峰，为紫外区类富里酸，传统的A 峰主要来源于陆源的输入[35]。

2.3.2 空间分布特征

乌伦古湖各采样点位荧光强度占比（PI)如图5所示。由图5 可知，乌伦古湖各采样点位C1～C3 组分荧光强度占比平均值分别为39.03%、38.20%和22.77%。其中，布伦托海类腐殖质组分C1、C3 的荧光强度占比分别为38.39%、22.23%，类蛋白组分C2 荧光强度占比为39.38%，表明冰封期布伦托海DOM 以类蛋白为主要成分；吉力湖C1、C3 组分荧光强度占比分别为41.91%、25.21%，C2 组分荧光强度占比为32.88%，表明吉力湖DOM 以类腐殖质为主要成分。天然水体中腐殖质含量较高，受污染水体中类蛋白含量较高[41]，点位32、33 的C2 组分荧光强度占比较低，分别为20.52%、13.65%，表明额尔齐斯河入湖河口区域人为影响较小，C1、C3 的主要来源可能是植物分解。点位29 处于水湾和水力交换不畅区域，四周芦苇等水生植物分解产生的腐殖质，可能是该点位C1、C3 荧光强度和占比高于其他点位的原因。除点位29、32、33 外，全湖其他点位各组分荧光强度占比基本保持一致。

图5 乌伦古湖各采样点位荧光强度占比Fig.5 Fluorescence intensity ratio of each sampling site in Ulungur Lake

由图6 可知，乌伦古湖Ft呈现空间分布差异性特征。乌伦古湖东北部湖区Ft较大，其中点位32 的Ft达到最大值（0.52 R.U.），其次为点位29、33，分别为0.44、0.33 R.U.。点位32、33 位于额尔齐斯河向乌伦古湖调水的入口区域，由额尔齐斯河带来的植物碎屑以及颗粒悬浮物累积在点位32 附近，冬季周围水生植物腐烂以及上游带来的动植物残骸在微生物分解作用下使水体中腐殖质浓度增加，同时分解过程中DO 浓度不断降低，利于湖底的污染物释放到上层水体[6]，导致Ft增高。

图6 乌伦古湖总荧光强度空间分布Fig.6 Spatial distribution of total fluorescence intensity in Ulungur Lake

2.4 乌伦古湖DOM 来源解析

2.4.1 DOM 与环境因子相关性分析

探讨环境因子与DOM 组分之间的关系，对识别乌伦古湖水体DOM 的来源至关重要。乌伦古湖水体DOM 组分、荧光特征参数与水质参数相关性如表2 所示。由表2 可知，类腐殖质组分C1 的荧光强度与组分C3 的荧光强度呈显著正相关（R=0.958，P<0.01），说明类腐殖质来源较相似；类蛋白组分C2 的荧光强度与类腐殖质组分C1、C3 的荧光强度呈显著正相关(R=0.388，P<0.05；R=0.331，P<0.05)，表明类蛋白组分与类腐殖质组分在来源上一致。类腐殖质组分C1、C3 的荧光强度与T、N-N 和DO 浓度呈显著正相关，与有机指标COD、DOC 呈显著负相关。

表2 乌伦古湖荧光组分与水质指标相关性Table 2 Correlation between fluorescence components and water quality indexes in Ulungur Lake

根据PARAFAC 得出的荧光强度对每个采样点位进行聚类分析，结果如图7 所示。采样点位可分为3 类，第一类为点位1、2、3、4、5、6、7、19、29，第三类为点位32、33，其余点位为第二类。各采样点位之间的距离均相对较小，说明乌伦古湖荧光组分的类别差别并不大。第一类点位均处于人类活动污染较为严重的区域（垃圾及养殖业区域）；第三类点位位于额尔齐斯河输水处，其污染主要来自河道上游；第二类点位均位于布伦托海湖心区域范围，受陆源直接影响较小，主要受浮游动植物分解及沉积物释放影响，与第一类、第三类点位有着不同的污染来源。

图7 乌伦古湖不同采样点聚类分析Fig.7 Cluster analysis of different sampling points in Ulungur Lake

2.4.2 乌伦古湖DOM 来源解析

乌伦古湖水体荧光特征参数如图8 所示。FI（1.56～1.9）和HIX（0.94～4.26）显示，水体DOM 表现为陆源与自生源共同影响，且整体上水体腐殖化程度较低。BIX 是衡量DOM 自生来源的重要指标，BIX 结果表明新近自生源占比较高，主要为生物细菌活动产生，且点位6、19、32、33 的BIX 均表现为乌伦古湖水体DOM 由水体微生物活动产生。与其他湖泊对比，乌伦古湖FI 低于南漪湖[29]、蠡湖[42]，较接近于达里湖[43]与呼伦湖[44]；BIX 接近于青海湖[45]。吉力湖水体Fn(280)（14.0±0.5）、Fn(355)（7.67±0.28）均值均较高，且C2 和C1、C3 相对浓度高于布伦托海。

图8 乌伦古湖各采样点位荧光特征参数分布Fig.8 Distribution of fluorescence characteristic parameters at each sampling point in Ulungur Lake

综上所述，乌伦古湖DOM 受内源与外源共同影响，且主要以内源为主，同时具有腐殖化程度低和自生源较强的特征。乌伦古湖地处内陆干旱地区，工业和农业不发达，人口密度较小，人类活动对湖泊的干扰相对较小。冬季以芦苇为代表的水生植物经微生物分解产生DOM 污染物[46]，同时冰封期水下沉积物在厌氧条件下也会引起内源污染物释放[47]。根据乌伦古湖水体DOM 组分及结构、综合荧光指数和紫外特征参数，推测乌伦古湖水体DOM 更多来源于内源有机质，包含芦苇的分解、额尔齐斯河与乌伦古河带来的植物碎屑以及湖底沉积物的释放。

3 结论

（1）乌伦古湖湖区中，吉力湖在冰封期表层水体DOM 主要以陆源类腐殖质（占比41.91%）为主，布伦托海以类色氨酸（39.38%）为主。其中入湖口区域荧光强度最高，这与该区域陆源有机物的输入、浮游动植物生长有着较大的关系。

（2）紫外特征参数〔E2/E3、E3/E4、a(400)、SR〕及荧光特征参数〔FI、BIX、HIX、Fn(280)、Fn(355)〕表明乌伦古湖冰封期DOM 受陆源与内源共同影响，且主要以内源为主，具有腐殖化程度低、新近自生源高的特征，DOM 来源于芦苇等水生植物被微生物的降解或沉积物的释放。

（3）乌伦古湖水体腐殖质（C1、C3）与类蛋白组分（C2）显著相关，表明腐殖质与类蛋白组分存在相同的来源。