近海養(yǎng)殖水體溶解性有機質(zhì)的熒光特征及環(huán)境指示意義*

吳 峰 宋秀賢① 池連寶 王文濤 俞志明

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室 山東青島 266237; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心山東青島 266071)

溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)主要包含氨基酸、富里酸、腐殖酸等, 屬于結(jié)構(gòu)和組分復(fù)雜的有機混合物, 其中某些組分可以產(chǎn)生熒光特性。DOM 中含有豐富的氮、磷等生源要素, 可通過分解或直接被生物吸收利用, 在水體物質(zhì)循環(huán)過程中扮演重要角色, 在赤潮等海洋生態(tài)災(zāi)害暴發(fā)過程中具有重要的作用(吳豐昌等, 2008), 一直是國際生物地球化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點和難點之一(Yaoet al, 2011)。

三維熒光光譜技術(shù)(three-dimensional excitationemission matrix fluorescence spectra, EEMs)作為一種可準確識別水體中DOM 熒光峰的個數(shù)及熒光強度等信息的手段, 以其樣品用量少、靈敏度高、不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢, 近年來被廣泛應(yīng)用于各種天然水體中DOM 的光降解(趙紫凡等, 2019)、來源識別(黃昌春等, 2010; Yaoet al, 2011; 胡素征等, 2015)與空間動態(tài)變化(Yanet al, 2012; Zhanget al, 2013; Liet al,2015)等研究中, 該技術(shù)可以較好地揭示DOM 的性質(zhì)、來源與關(guān)鍵循環(huán)過程。

自1970 年起, 隨著世界人口對水產(chǎn)品需求量的劇增, 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以每年8.7%的遞增高速增長, 成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的重要組成部分(Williamset al, 2010)。我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國, 水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70% (李成軍, 2019), 其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量約占全國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的 62% (農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局,2016)。近海池塘養(yǎng)殖作為一種人為干預(yù)的水生生態(tài)系統(tǒng), 在養(yǎng)殖過程中受高密度、集約化養(yǎng)殖方式的影響, 養(yǎng)殖生物殘留的餌料、排泄物、生物殘骸等導(dǎo)致養(yǎng)殖水體DOM 含量持續(xù)增加, 繼而DOM 分解產(chǎn)生過量的氨氮、亞硝酸鹽與硫化氫等有害物質(zhì)(Schmittet al, 1998; 李中虎等, 2021), 引發(fā)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象, 嚴重影響水質(zhì)環(huán)境與養(yǎng)殖生物安全(賈瑞勝等,2021)。迄今, 關(guān)于近海池塘養(yǎng)殖水體中DOM 的組成及來源的研究報道較少, 相關(guān)資料是制定科學(xué)養(yǎng)殖策略, 從而提升養(yǎng)殖效率、優(yōu)化養(yǎng)殖水體環(huán)境的重要支撐?；谏鲜鲂枨? 本研究利用三維熒光光譜技術(shù)(EEMs)結(jié)合平行因子分析法(parallel factor analysis,PARAFAC), 對山東省東營市近海凡納濱對蝦池塘養(yǎng)殖水體DOM 的三維熒光光譜特性進行分析, 探究了DOM 的主要組分及來源屬性, 為了解養(yǎng)殖水體DOM 的組成特征和環(huán)境指示意義提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本文選擇山東省東營市近海的凡納濱對蝦養(yǎng)殖池塘(118°55′E, 37°27′N)為研究區(qū)域, 該區(qū)域位于渤海萊州灣附近沿海地區(qū), 區(qū)域內(nèi)遍布灘涂水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘。選擇2 個具有代表性的陸基人工池塘進行實驗,其中一個池塘設(shè)為養(yǎng)殖池, 養(yǎng)殖生物為凡納濱對蝦,放苗量為5.0×104尾。在養(yǎng)殖過程中科學(xué)投喂餌料, 前期投喂餌料和功能性餌料, 后期增投大鹵蟲等活體餌料, 根據(jù)天氣(如降雨、降溫等)、對蝦攝食(根據(jù)料臺上的殘余殘餌量判斷攝食量)、蛻殼(觀察養(yǎng)殖過程中對蝦的蛻殼情況)等相關(guān)情況對投餌量進行調(diào)節(jié),合理控制餌料的投入量。養(yǎng)殖過程中為了保持水體環(huán)境的穩(wěn)定、避免對蝦造成應(yīng)激, 根據(jù)水位、水色變化等養(yǎng)殖水質(zhì)條件對養(yǎng)殖池進行適當補水外, 沒有與外界水體發(fā)生明顯交換, 并根據(jù)情況適量加入益生菌、增氧劑等制品。另一個池塘設(shè)為對照池, 池內(nèi)無養(yǎng)殖生物。每個養(yǎng)殖池面積大約為700 m2, 水深平均為1.5 m, 池底鋪聚乙烯塑料薄膜防滲, 配備1 臺葉輪式增氧機, 養(yǎng)殖用水均源于萊州灣近岸海水。

1.2 實驗設(shè)計

本實驗于2020 年9 月14 日至10 月17 日(該時期為對蝦養(yǎng)殖末期)在東營市近海凡納濱對蝦養(yǎng)殖池和對照池多次采集表層水樣, 采樣時間間隔、采樣位置和采樣深度等盡量保持一致, 采樣過程中嚴格按照操作規(guī)范進行, 水樣采集后立即裝入干凈的聚乙烯塑料桶內(nèi), 對其進行避光處理, 并迅速運回實驗室。本實驗設(shè)計為野外現(xiàn)場實驗, 受現(xiàn)場養(yǎng)殖環(huán)境條件等限制未設(shè)置平行處理。在實驗室, 水樣用經(jīng)450 °C灼燒過的GF/F 膜過濾, 收集過濾一定體積水樣的濾膜保存在液氮中, 用于葉綠素測定; 過濾后的水樣收集至聚乙烯瓶中在-20 °C 保存, 用于硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO-2)和磷酸鹽( PO34-)營養(yǎng)鹽測定; 同時,收集濾液于總有機碳(total organic carbon, TOC)樣品瓶中在-20 °C 保存, 用于溶解有機碳(dissolved organic carbon, DOC)含量的測定; 收集未過濾水樣于TOC 樣品瓶中在-20 °C 保存, 用于TOC 含量的測定; 另外,收集過濾水樣于 TOC 瓶中在-20 °C 保存, 用于DOM 三維熒光光譜測定分析。

1.3 參數(shù)的測定及分析

1.3.1 水質(zhì)參數(shù)的分析測定 DOM 三維熒光光譜測定通過F-98 熒光分光光度計(上海棱光技術(shù)有限公司)(1 cm 石英熒光樣品池)分析測定。使用氙弧燈為激發(fā)光源(150 W); 增益(PMT 電壓)設(shè)為650 V; 信噪比大于 110; 響應(yīng)時間自動匹配; 掃描波長范圍:Ex=250～450 nm, Em=250～600 nm; 激發(fā)采樣間隔為5 nm; 激發(fā)和發(fā)射帶寬均為 10 nm; 掃描速度設(shè)為1 000 nm/min; 測定過程進行內(nèi)過濾效應(yīng)校正; 掃描光譜進行儀器自動校正; 以1 nm 間隔得到熒光光譜。利用Milli-Q 超純水的拉曼光譜強度監(jiān)控?zé)晒鈨x的穩(wěn)定性, 同時利用0.01 mg/L 硫酸奎寧進行熒光定標(Heet al, 2013)。使用差減法扣除樣品EEMs 中拉曼散射和瑞利散射的影響(Zhanget al, 2009, 2011)。以Ex=350 nm 時超純水的拉曼峰積分面積對樣品的熒光強度進行校正, 熒光強度表示為拉曼單位(Raman Μnits, R.Μ.)(Lawaetzet al, 2009)。

營養(yǎng)鹽(氮、磷營養(yǎng)鹽為主)測定分析利用SKALAR營養(yǎng)鹽自動分析儀(Skalar Ltd., Netherland)進行測定(NO3-、NO2-和PO34-分別通過銅鎘柱還原法、重氮-偶氮法和抗壞血酸還原磷鉬藍法進行測定分析), 在樣品測定過程中, 使用國家海洋局第二海洋研究所標準物質(zhì)中心生產(chǎn)的標準品對數(shù)據(jù)進行校正。

葉綠素(chla)測定在避光、低溫的環(huán)境條件下,通過體積分數(shù)為80%的丙酮提取葉綠素24 h, 由于萃取液受藍光激發(fā)后產(chǎn)生紅色熒光, 通過Trilogy 熒光計(Turner Design Ltd., USA)測定上清液酸化前、后的熒光值, 依照Parsons 等(1984)的公式計算樣品中chla的濃度:

式中, chla為葉綠素a的濃度, 單位為μg/L; Fd 為測量時所用量程換算因子(隨儀器而異);R為純?nèi)~綠素a的酸化因子;Rb、Ra分別為樣品酸化前、后的熒光值;V1、V2分別為丙酮提取液體積、海水樣品體積。

TOC 和DOC 樣品利用總有機碳分析儀(Multi N/C 2100S, Analytik jena, Germany)進行測定。

1.3.2 熒光指數(shù)(FI、BIX、HIX) 熒光指數(shù)(FI)、自生源指標(BIX)、腐殖化指數(shù)(HIX)等常被用來定量分析不同水體DOM 來源及不同來源對DOM 的貢獻。熒光指數(shù)(FI)是指Ex=370 nm 時, Em 在450 nm 和500 nm 處的熒光強度比值(Jafféet al, 2004; Coryet al,2005), 常用來表征DOM 的來源信息(陸源高等植物碎屑或微生物等), 能反映芳香或非芳香組分的相對貢獻。FI＞1.9 時主要源于水體自身微生物活動, 自生源特征明顯; FI＜1.4 時, 以外源輸入為主, 水體自身生產(chǎn)力貢獻相對較低。自生源指標(BIX)是指Ex=310 nm 時,Em 在380 nm 和430 nm 處的熒光強度比值, BIX 反映DOM 自生源的相對貢獻, 其范圍在0.6～0.8 之間指示自生源貢獻較少, 在0.8～1.0 之間指示具有較強自生源特征, 而大于1.0 時說明有機質(zhì)降解程度較高, 為生物細菌活動產(chǎn)生, 自生源組分特征明顯(Huguetet al, 2009)。腐殖化指數(shù)(HIX)是指Ex=254 nm 時, Em在435～480 nm 的熒光峰面積比300～345nm 的熒光峰面積, HIX＜4 表示以自生源為主, 在4～6 之間表示較弱腐殖質(zhì)特征和較強自生源特征, 當大于6 時, 表示強腐殖質(zhì)特征, 陸源貢獻較大(Ohno, 2002)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

在MatlabR2014b 軟件中使用DOMFluor 工具箱運行PARAFAC 法模型對樣品的三維熒光光譜數(shù)據(jù)進行分析(Yamashitaet al, 2008; Singhet al, 2010; 姚昕等, 2014), 初步確定熒光組分數(shù)并且通過利用殘差分析和對半分析來檢驗結(jié)果的可靠性; 養(yǎng)殖池水體中DOM 的熒光特征與水質(zhì)參數(shù)間相關(guān)性分析采用SPSS22.0 軟件中Pearson 進行分析, 顯著水平設(shè)置為0.05, 極顯著水平設(shè)置為0.01; 采用Origin 2018 繪圖軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)的繪圖。

2 結(jié)果

2.1 養(yǎng)殖水體DOM 三維熒光光譜特征

通過PARAFAC 對對照池和養(yǎng)殖池水體的DOM三維熒光樣品(樣品數(shù)分別為23 和13 個)進行分析,剔除差異較大的個別數(shù)據(jù), 最終所得組分均通過殘差分析和對半分析檢驗。結(jié)果顯示, 對照池DOM 共得到3 種熒光組分(C1～C3), 各組分均具有一個激發(fā)峰和發(fā)射峰。組分C1、C2、C3 的最大熒光峰分別位于360 nm/436 nm (Ex/Em)、305 nm/402 nm (Ex/Em)和400 nm/487 nm( Ex/Em)處(表1)。養(yǎng)殖池水體DOM共得到4 種熒光組分(C1～C4), 組分C1、C2、C3 均具有一個激發(fā)峰和發(fā)射峰, 組分C4 具有一個激發(fā)峰、一個強發(fā)射峰和一個弱發(fā)射峰(300 nm/475 nm), 本文主要以強發(fā)射峰處熒光物質(zhì)對C4 組分進行分析。組分C1、C2、C3、C4 的最大熒光峰分別位于340 nm/416 nm (Ex/Em)、365 nm/457 nm (Ex/Em)、415 nm/497 nm (Ex/Em)和300 nm/365 nm (Ex/Em)處(表1)?；谇叭说难芯拷Y(jié)果(Coryet al, 2005; Stedmonet al,2005; Murphyet al, 2006), 對照池和養(yǎng)殖池中DOM組分C1、C2 與C3 分別為類腐殖酸、類富里酸與類腐殖酸, 均屬于類腐殖質(zhì); 養(yǎng)殖池中DOM 組分C4 主要為可見區(qū)類色氨酸, 屬于類蛋白質(zhì)。

表1 DOM 的主要熒光峰及相應(yīng)位置Tab.1 Main flμorescence peaks and corresponding positions of dissolved organic matter (DOM)

進一步分析了對照池和養(yǎng)殖池水體DOM 的熒光組分隨時間的變化特征。結(jié)果顯示, 對照池DOM 總熒光強度在0.15～0.25 之間, 平均值為0.21±0.02, 隨時間變化整體較為穩(wěn)定(圖1)。DOM 的三組分C1、C2、C3 熒光強度分別為 0.11±0.06、0.07±0.03 和0.06±0.04, 在總熒光強度中的占比分別為 41.68%～48.16%、26.49%～32.83%和22.07%～28.30% (圖2a)。對照池DOM 各組分熒光強度均維持在較低水平, 隨時間變化呈現(xiàn)緩慢下降的特征。

養(yǎng)殖池DOM 總熒光強度在0.61～0.96 之間, 平均值為0.84±0.11, 隨時間變化呈逐漸上升趨勢, 各采樣時間點均大于對照池(圖1)。DOM 的四個組分C1、C2、C3、C4 熒光強度分別為0.27±0.08、0.26±0.07、0.14±0.03 和0.13±0.03, 在總熒光強度中的占比分別為28.97%～35.55%、31.59%～35.08%、15.31%～21.71%和13.82%～18.52% (圖2b)。養(yǎng)殖池水體DOM 組分C1、C2 含量明顯高于組分C3、C4。組分C1、C2、C4 熒光強度隨養(yǎng)殖時間變化呈現(xiàn)波動上升的特征,組分C3 基本保持穩(wěn)定, 組分C4 熒光強度在后期(10月6 日至17 日間)大于組分C3。

圖1 對照池和養(yǎng)殖池DOM 各組分總熒光強度隨時間變化情況Fig.1 Variation in total fluorescence intensity of DOM components with time in control pond and aquaculture pond

圖2 對照池(a)和養(yǎng)殖池(b)DOM 各組分熒光強度隨時間變化情況Fig.2 Variations of DOM fluorescence components with time in control pond (a) and aquaculture pond (b)

2.2 養(yǎng)殖水體主要水質(zhì)參數(shù)的變化特征

本研究對養(yǎng)殖池和對照池水體主要水質(zhì)參數(shù)進行了分析測定, 包括 TOC、DOC、營養(yǎng)鹽(主要為NO3-、NO-2、 PO34-)和chla。

2.2.1 TOC 和DOC 對照池水體TOC 和DOC濃度變化范圍分別為11.27～15.04 和9.23～11.87 mg/L,平均值分別為13.58 和10.36 mg/L, 二者隨時間變化呈現(xiàn)波動變化趨勢, 且均維持在較低水平(圖3a, 3b)。養(yǎng)殖池水體 TOC 和 DOC 濃度變化范圍分別為27.60～46.82 和 13.67～20.32 mg/L, 平均值分別為34.01 和17.75 mg/L, 二者隨時間變化呈總體呈波動上升趨勢, 各采樣時間點均大于對照池(圖3a, 3b)。

圖3 對照池和養(yǎng)殖池TOC(a)和DOC(b)濃度隨時間變化情況Fig.3 Variations of TOC (a) and DOC (b) concentrations with time in control pond and aquaculture pond

2.2.2 營養(yǎng)鹽和葉綠素 對照池NO3-、NO-2和PO34-濃度變化范圍分別是0.09～0.92、0.10～0.35 和0.34～0.70 μmol/L, 平均值分別為 0.30、0.17 和0.50 μmol/L, 各營養(yǎng)鹽濃度隨時間變化整體較為穩(wěn)定且保持在較低水平(圖4)。

養(yǎng)殖池NO3-和NO-2濃度變化范圍分別是1.05～6.95 和0.13～8.29 μmol/L, 平均值分別為3.30 和3.77 μmol/L, 隨時間變化呈現(xiàn)波動上升趨勢, 二者于各采樣時間點均明顯高于對照池。養(yǎng)殖池 PO34-濃度變化范圍是0.74～5.62 μmol/L, 平均值為2.65 μmol/L,隨時間變化總體呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的特征, 各采樣時間點均明顯高于對照池(圖4)。

圖4 對照池和養(yǎng)殖池營養(yǎng)鹽濃度隨時間變化情況Fig.4 Variation of nutrient concentration with time in control pond and aquaculture pond

對照池水體 chla濃度變化范圍是 10.83～49.39 μg/L, 平均值為29.21 μg/L, 在調(diào)查期間維持在較低水平。養(yǎng)殖池水體 chla濃度變化范圍是62.86～576.73 μg/L, 平均值為275.13 μg/L, 隨時間變化整體呈現(xiàn)逐漸上升的變化特征, 各采樣點均顯著高于對照池(圖5)。

3 討論

3.1 DOM 熒光組分特征分析

DOM熒光峰位置是表征有機質(zhì)組分的重要指標,熒光峰值出現(xiàn)的位置不同表征有機質(zhì)的組分構(gòu)成不同(Wuet al, 2001)。通過平行因子分析可以確定有機質(zhì)的熒光峰位置, 從而將有機質(zhì)組分主要分為類蛋白質(zhì)和類腐殖質(zhì)兩大類(劉笑菡等, 2012)。通過分析測定以及與以往的研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn), 本文的養(yǎng)殖池水體DOM 熒光組分為類腐殖酸(C1、C2 與C3)和類蛋白質(zhì)(C4); 對照池水體DOM 熒光組分為類腐殖酸(C1、C2 與C3)。類腐殖酸主要是外源輸入的腐殖酸和富里酸, 與類富里酸和腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的羥基及羧基有關(guān)(Wuet al, 2003), 也有研究指出類腐殖酸(C1、C2 與C3)可能來源于原位細菌降解過程中細菌呼吸作用的副產(chǎn)物或人類活動產(chǎn)生的類腐殖質(zhì)物質(zhì)(Nieto-Cidet al, 2006), 具有易光降解、生物可利用性差的特點(Stedmonet al, 2005; 傅平青等, 2005)。此外,有研究報道浮游藻類原位降解產(chǎn)生的DOM 中包含大約25%的類腐殖酸(Krameret al, 2004)。相較于對照池, 類蛋白質(zhì)(C4)是養(yǎng)殖池水體DOM 特有組分, 與藻類生長和腐爛的本地生產(chǎn)以及近岸水體來源和養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的輸入有關(guān), 蛋白質(zhì)組分可以從浮游藻類的生長和降解中產(chǎn)生(Yanget al, 2013; Wanget al,2020)。對蝦養(yǎng)殖過程中, 餌料的投入可以提高浮游藻類的營養(yǎng)濃度、大小和生物量(Wanget al, 2020), 導(dǎo)致chla濃度較高(圖5), 進而原位增加了類蛋白質(zhì)(C4)的含量。同樣, Yamashita 等(2008)發(fā)現(xiàn)伊勢灣含有較高chla濃度, 類蛋白質(zhì)成分得到了原位增加。

圖5 對照池和養(yǎng)殖池葉綠素(chl a)濃度隨時間變化情況Fig.5 Variation of chl a concentration with time in control pond and aquaculture pond

養(yǎng)殖池水體DOM 總熒光強度顯著高于對照池,約為后者的 3～5 倍, 隨養(yǎng)殖時間變化呈上升趨勢,且各采樣時間點均明顯高于對照池(圖1), 表明養(yǎng)殖池水體DOM 中熒光類有機物質(zhì)含量較高, 主要是由殘余餌料積累、生物活動頻繁等導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中有機質(zhì)分解所致。同時, 養(yǎng)殖池水體TOC 和DOC濃度均明顯高于對照池, 且隨養(yǎng)殖時間變化呈波動上升趨勢(圖 3), 表明養(yǎng)殖池水體有機質(zhì)含量較高,主要包括生物餌料、對蝦等生物排泄、動植物殘體等, 將對周邊環(huán)境的富營養(yǎng)化帶來潛在威脅。對照池有機質(zhì)含量較低, 其主要原因可能包括單一、有限的外源海水補給, 以及微生物不斷消耗分解有機質(zhì)。對照池和養(yǎng)殖池水體DOM 以類腐殖酸為主, 其中對照池組分C1 占總熒光強度的41.68%～48.16%,養(yǎng)殖池組分C1 和C2 共占總熒光強度60%以上, 因為類腐殖酸主要來自水體微生物對蝦類殘骸、浮游藻類等有機質(zhì)的分解, 且分解時間越長, 腐殖化程度越高, 導(dǎo)致類腐殖酸等難降解物質(zhì)累積增多(朱愛菊等, 2019)。養(yǎng)殖池各組分隨時間變化均逐漸升高(C3 除外)且都高于對照池各組分(圖2), 同時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖池DOM 組分C4 含量雖然最低, 但都高于對照池DOM 各個組分, 因為采樣時期對照池水體DOM 主要來自萊州灣海水有限補給, 并無其他來源; 而養(yǎng)殖池正值對蝦生長旺盛時期, 水體中產(chǎn)生更多的有機質(zhì)(圖3)。此外該時期養(yǎng)殖水體微生物活性處于較高水平(數(shù)據(jù)未發(fā)表), 促進了水體中大量有機質(zhì)和殘餌的分解, 易降解成分優(yōu)先被分解利用, 而難降解成分逐漸積累增多, 水體中類腐殖酸濃度顯著增加, 該研究結(jié)果與郭衛(wèi)東等(2010)的認識基本一致。另外, 研究發(fā)現(xiàn), 在養(yǎng)殖后期(10 月6 日至17 日間)養(yǎng)殖池水體DOM 組分C3 呈緩慢降低趨勢, 而組分C4 則不斷升高且大于組分C3 (圖2b), 推測該結(jié)果可能是由于養(yǎng)殖池水體DOM 組分C3 向C4 轉(zhuǎn)化所致, 該結(jié)論還需進一步實驗驗證。

3.2 DOM 的來源分析

養(yǎng)殖過程中水體DOM 來源途徑主要可分為內(nèi)源和外源輸入。內(nèi)源輸入與生物活動關(guān)系密切, 這部分有機質(zhì)主要來源于養(yǎng)殖水體中藻類、養(yǎng)殖生物、微生物等生物活動(Zhanget al, 2011), 而外源有機質(zhì)主要來源于陸地土壤輸入、陸源動植物殘體輸入以及人為輸入等(呂偉偉等, 2018), 這兩種來源對養(yǎng)殖水體DOM 的貢獻不同。

本研究結(jié)果顯示, 對照池FI、BIX 和HIX 變化范圍分別是1.53～1.68、1.71～2.18 和1.48～2.81; 養(yǎng)殖池FI、BIX 和HIX 變化范圍分別是1.66～1.73、1.69～4.29和2.07～2.22, 養(yǎng)殖池各指數(shù)值整體上均高于對照池(圖6)。養(yǎng)殖池和對照池水體DOM 的FI 值均處于1.4和1.9 之間, 在中間值1.65 附近, 這表明水體有機質(zhì)來源于內(nèi)源及外源兩部分; BIX 指數(shù)均大于1.0, 說明各采樣點有機質(zhì)降解程度較高, 主要為生物細菌活動產(chǎn)生, 自生源特征明顯; HIX 指數(shù)均小于4, 說明水體有機質(zhì)整體處于弱腐殖質(zhì)特征, 且以自生源為主(圖6)。結(jié)合三種熒光指數(shù)及養(yǎng)殖現(xiàn)場實際情況, 對照池水體DOM 主要來源于有限補給的外源海水和自身水體的有機質(zhì), 而養(yǎng)殖池水體DOM 則主要來自內(nèi)源浮游藻類、過剩餌料、動植物殘體等有機質(zhì)。

圖6 對照池和養(yǎng)殖池DOM 熒光組分的FI-HIX、BIX-HIX 分布Fig.6 FI-HIX and BIX-HIX distribution of DOM fluorescent components in control pond and aquaculture pond

綜上所述, 3 種熒光指數(shù)(FI、BIX、HIX)對表征不同養(yǎng)殖水體有機質(zhì)來源具有良好的指示作用, 養(yǎng)殖池浮游微藻、餌料及動植物殘體等有機質(zhì)的降解作用導(dǎo)致的內(nèi)源輸入較對照池有限水源補給的外源輸入作用對養(yǎng)殖水體DOM 具有更大的貢獻。

關(guān)于水體中DOM 熒光組分之間的相關(guān)關(guān)系也有較多的文獻報道, 江俊武等(2017)對太湖水體DOM熒光組分之間的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn), 各熒光組分之間存在極顯著的相關(guān)性, 說明它們在來源上具有相似性。朱愛菊等(2019)在研究亞熱帶河口陸基養(yǎng)蝦塘水體DOM 三維熒光特征變化時發(fā)現(xiàn)不同DOM 熒光組分之間存在極顯著相關(guān)性, 表明其來源具有相似性。本文中養(yǎng)殖池水體DOM 除組分C3 與C4 之間無明顯相關(guān)性外, 其他各組分之間均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)(表2), 表明養(yǎng)殖池中類腐殖酸之間或類腐殖酸與類蛋白質(zhì)之間可能具有相同的來源, 養(yǎng)殖池水體的高密度生物量(浮游藻類、養(yǎng)殖對蝦等)是養(yǎng)殖水體DOM 來源的主要貢獻者。

表2 養(yǎng)殖池水體DOM 熒光組分的相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis between DOM fluorescence components in aquaculture pond

3.3 DOM 熒光組分與主要水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系

DOM 可通過光降解或微生物降解過程釋放出氮、磷等生源要素(McCallisteret al, 2006; Mayeret al,2009; 呂偉偉等, 2018)。宋曉娜等(2010)的研究表明,類腐殖酸和類蛋白質(zhì)與TN、TP 及NO3-等呈顯著正相關(guān)關(guān)系。江俊武等(2017)研究也發(fā)現(xiàn), DOM 與氮、磷營養(yǎng)鹽具有良好的相關(guān)性, 與氮、磷等元素遷移轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。眾多的研究表明DOM 熒光強度對營養(yǎng)鹽具有較好的指示意義, 可以作為表征營養(yǎng)鹽濃度高低的指標(呂偉偉等, 2018)。本研究中, 養(yǎng)殖池NO3-和NO-2含量均明顯高于對照池, 且隨養(yǎng)殖時間呈現(xiàn)濃度總體升高, 因為養(yǎng)殖過程水體產(chǎn)生了大量有機質(zhì),包括過剩餌料、生物排泄物等, 在采樣時期內(nèi)水體微生物活性較高, 分解有機質(zhì)產(chǎn)生大量營養(yǎng)鹽并隨時間逐漸積累增多。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 養(yǎng)殖池水體DOM 熒光組分C1 和C4 與NO3-和NO-2含量具有顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05), 組分C4 與含量具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01), 對照池DOM 各熒光組分均與NO-2、NO3-、含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(表3), 表明DOM 組分的產(chǎn)生與利用伴隨著營養(yǎng)鹽的生成與消耗, DOM 組分與氮、磷元素的遷移轉(zhuǎn)化行為密切相關(guān)。

還有研究者發(fā)現(xiàn)熒光組分與DOC 含量之間具有一定相關(guān)性, 并試圖通過熒光組分來反演DOC 的含量(Spenceret al, 2012; 姜廣甲等, 2015; 邵田田等,2018)。分析本研究中的有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 養(yǎng)殖池水體中DOM 熒光組分與DOC 的相關(guān)性不顯著(表3), 推測可能是因為在生物降解、光化學(xué)降解等作用下, DOM中的蛋白類物質(zhì)、腐殖酸、富里酸以及一些非熒光物質(zhì)在DOC 中所占比例不同(Moranet al, 1997), 導(dǎo)致DOM 熒光組分與DOC 的相關(guān)性存在一定差異, 這與江俊武等(2017)的研究結(jié)果基本一致。另外, 前人研究表明DOM 熒光組分與chla含量之間也會呈現(xiàn)出良好的相關(guān)關(guān)系, 表明浮游藻類是DOM 組分來源的重要貢獻者(姚昕等, 2014; 王書航等, 2016; 江俊武等, 2017; 呂偉偉等, 2018)。本研究中養(yǎng)殖池水體chla含量不斷升高, 原因主要有兩方面, 一方面因為水體產(chǎn)生大量有機質(zhì), 其中部分有機質(zhì)可被浮游藻類直接吸收利用, 進而產(chǎn)生更多的生物量; 另一方面因為大量有機質(zhì)在被微生物分解利用后, 產(chǎn)生更多的營養(yǎng)鹽, 進而被浮游藻類吸收利用, 支持了更多的生物量, 導(dǎo)致水體葉綠素含量不斷升高。研究發(fā)現(xiàn), 養(yǎng)殖池水體DOM 熒光組分C1 和C4 與chla含量均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)(表3), 說明浮游藻類是養(yǎng)殖池水體DOM 類蛋白質(zhì)(C4)和類腐殖酸(C1)的重要來源。同時, 熒光組分C2 和C3 與chla含量之間的相關(guān)性不顯著(表3), 也表明了類蛋白質(zhì)和類腐殖酸與chla含量的關(guān)系存在一定差異。綜上所述, DOM 組分與氮、磷營養(yǎng)鹽等具有良好的相關(guān)關(guān)系, 表明DOM 的產(chǎn)生與利用與營養(yǎng)鹽的消耗和生成過程相耦合, 揭示了DOM 與氮、磷等營養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化行為密切相關(guān)。養(yǎng)殖池水體DOM 組分與chla相關(guān)性分析表明浮游藻類是養(yǎng)殖水體DOM 類蛋白質(zhì)(C4)和類腐殖酸(C1)的重要來源。

表3 不同水體DOM 熒光組分與各水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)分析Tab.3 Correlation analysis between DOM fluorescence components and water quality parameters in different ponds

4 結(jié)論

(1) 本研究的養(yǎng)殖池水體DOM 組分主要包括1種類蛋白質(zhì)物質(zhì)(C4)和3 種類腐殖酸物質(zhì)(C1、C2 與C3)。相較對照池而言, 養(yǎng)殖池DOM 組分C4 作為其特有熒光組分, 且熒光強度高于對照池各組, 表明養(yǎng)殖水體有機質(zhì)高度積累, 對周邊環(huán)境的富營養(yǎng)化帶來潛在威脅。類腐殖酸為對照池和養(yǎng)殖池水體DOM的主要成分, 推測可能受采樣時期水體中微生物較強的有機質(zhì)分解作用。

(2) 3 種熒光指數(shù)對表征水體有機質(zhì)來源及其貢獻具有良好的指示作用。對照池和養(yǎng)殖池水體DOM來源于外源和內(nèi)源, 主要以內(nèi)源輸入為主。養(yǎng)殖池水體DOM 內(nèi)源特性相對較強, 高密度生物量(浮游藻類、對蝦等)是養(yǎng)殖池水體DOM 來源的主要貢獻者。

(3) 養(yǎng)殖水體DOM 與營養(yǎng)鹽(氮、磷營養(yǎng)鹽為主)之間具有不同程度的顯著相關(guān)性, 表明DOM 組分的產(chǎn)生與利用與營養(yǎng)鹽的消耗與生成過程相耦合,DOM 與氮、磷元素的遷移轉(zhuǎn)化行為密切相關(guān)。浮游藻類是本研究養(yǎng)殖池水體DOM 類蛋白質(zhì)(C4)和類腐殖酸(C1)的重要來源。