階梯式景觀河流夏季溶解性有機(jī)質(zhì)構(gòu)成與分布

陳旭東， 高良敏*， 龐振東， 陳曉晴， 王慧， 張金昕， 童榮榮

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001； 2.淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 淮南 232001)

城市景觀河流是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)，其水質(zhì)狀況變化對(duì)其生態(tài)功能與景觀價(jià)值有重要影響。溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)是由成千上萬(wàn)種芳香族和脂肪族化合物組成復(fù)雜異質(zhì)體(包括羧基、苯酚、醌基、醛、酯、酮、羥基和氨基等)，是水體中最活躍的組分之一[1-2]。DOM具有高反應(yīng)性和強(qiáng)遷移性[3- 4]，廣泛存在于土壤和水生環(huán)境中，為水環(huán)境中的微生物提供了必需的營(yíng)養(yǎng)和能量，是生物地球化學(xué)循環(huán)中重要的一環(huán)[5- 6]。DOM的含量與構(gòu)成在時(shí)空分布上有很大差異[7]，對(duì)水體生態(tài)環(huán)境狀況具有很好的指示作用[8-9]。目前已有多種技術(shù)來表征DOM的環(huán)境行為，而光譜法由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如簡(jiǎn)便、速度快、成本低和靈敏度高等，是研究DOM最有效的工具之一[10-12]?；诠庾V學(xué)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和管理是一種很有前景的策略[13-15]。

同步熒光光譜(synchronous fluorescence spectrum，SFS)常用來分析和表征樣品間DOM含量與構(gòu)成變化情況[16]。冗余分析(redundancy analysis，RDA)可以用于分析DOM構(gòu)成對(duì)水環(huán)境變化的響應(yīng)[14]。DOM的異質(zhì)性使其光譜重疊度高，組分間難以識(shí)別和分離，二維相關(guān)光譜(two-dimensional correlation spectroscopy，2D-COS)通過外部施加擾動(dòng)(如時(shí)間、濃度、溫度、磁場(chǎng)、pH和空間等)所產(chǎn)生的一系列光譜，經(jīng)過Herbert-NODA變換擴(kuò)展到二維空間，提高了光譜分辨率并識(shí)別出不同組分發(fā)生變化的先后順序[17-18]。同步熒光光譜結(jié)合二維相關(guān)分析(SFS-2D-COS)對(duì)研究水體中DOM的構(gòu)成與變化有著極其廣泛的應(yīng)用[19]。同步熒光光譜結(jié)合主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種快速有效的光譜分析方法，可以針對(duì)DOM光譜變化特點(diǎn)進(jìn)行分類與解析并消除光譜噪聲[20]。

基于此，以夏季階梯式景觀河流不同高程水體作為研究對(duì)象，采用SFS熒光強(qiáng)度區(qū)域積分校正因子法解析水體DOM的含量與構(gòu)成變化。通過SFS-RDA、SFS-2D-COS和SFS-PCA等方法探究DOM含量與構(gòu)成變化和水環(huán)境參數(shù)間的相互關(guān)系，對(duì)城市景觀河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水污染防治和生態(tài)修復(fù)具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

1.1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，研究區(qū)內(nèi)階梯式景觀河流位于安徽省淮南市田家庵區(qū)(117°00′30″E～117°01′30″E，32°33′05″N～32°33′35″N)。河流水體主要由周邊雨水匯集而成，地勢(shì)西高東低，呈現(xiàn)階梯狀，東西落差近22 m。百川河不同海拔區(qū)間設(shè)置多級(jí)堤壩維持水面高度，類似于多個(gè)湖泊串聯(lián)相通，降水時(shí)表現(xiàn)出河流的特征，水體依靠重力自流由研究區(qū)東部流出。河流周圍植被覆蓋茂盛，綠化面積較高，流域內(nèi)存在大量建筑與道路，無裸露土地。作為景觀河流，部分區(qū)域水面覆蓋著挺水和浮水植物。流經(jīng)道路時(shí)，河流通過暗渠相連。

S1～S8為采樣點(diǎn)

1.1.2 樣品采集

樣品采集時(shí)間為2021年7月，采樣前一星期有短暫降水過程。使用有機(jī)玻璃采水器，每個(gè)點(diǎn)位采集3份水樣，基礎(chǔ)水質(zhì)指標(biāo)采用便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，水樣于4 ℃下避光保存，3 d內(nèi)完成所有指標(biāo)測(cè)定。采樣時(shí)估計(jì)采樣區(qū)域水面覆蓋率Cover，單位：%。

1.2 樣品測(cè)定

1.2.1 水質(zhì)參數(shù)測(cè)定

1.2.2 SFS測(cè)定

SFS測(cè)定過程中樣品全程避光，待樣品恢復(fù)至室溫后開始測(cè)定。采用RF-5301PC(Shimadzu，日本)測(cè)定水樣SFS，儀器參數(shù)為：150 W無臭氧氙氣光源；激發(fā)與發(fā)射狹縫寬度均為5 nm；在激發(fā)波長(zhǎng)Ex：220～490 nm范圍掃描，波長(zhǎng)間隔1 nm掃描速度為250 nm/min，恒定波長(zhǎng)偏移為60 nm(選擇60 nm 的值作為偏移量，以提供比其他偏移量更高的熒光強(qiáng)度和更好的分辨率)；每個(gè)樣品掃描三次取平均光譜以消除測(cè)量誤差，同時(shí)測(cè)定超純水的SFS作為空白校正。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(trophic level index，TLI)來衡量研究區(qū)水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，TLI以TN、TP、CODMn、SD和葉綠素a(Chla)作為5種因子，通過皮爾遜相關(guān)性加權(quán)計(jì)算TLI指數(shù)[9]。根據(jù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)TLI<30時(shí)，水體處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；當(dāng)30≤TLI≤50，水體處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；當(dāng)TLI>50時(shí)，水體處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[22-23]。

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與繪圖

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析使用R(4.0.5)軟件進(jìn)行(不同統(tǒng)計(jì)學(xué)水平上的顯著性差異以P<0.05、P<0.01、P<0.001表示)。單因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)及LSD事后檢驗(yàn)使用R(4.0.5)中“agricolae”(1.3-5)包完成；使用“vegan”(2.5-7)包進(jìn)行去趨勢(shì)分析(detrended correspondence analysis，DCA)和RDA分析；以河流水面海拔高程變化為擾動(dòng)變量，利用“corr2D”(1.0.2)包進(jìn)行SFS-2D-COS分析[24]；“factoextra”(1.0.7)包和“FactoMineR”(2.4)包進(jìn)行SFS-PCA分析。使用“ggplot2”(3.3.5)包、Origin2021b(學(xué)習(xí)版)、Adobe Illustrator2021和ArcMap10.2繪圖。數(shù)據(jù)以均值(mean)±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體基本參數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)

如表1所示，各采樣點(diǎn)位水面海拔高度依次降低，海拔高度變化范圍為56.11～41.21 m。夏季采樣水體溫度維持在較高水平[(29.19±0.36)℃]。水體中EC[(325.26±13.59)μS/cm]和TDS[(210.2±8.99)mg/L]均表現(xiàn)出隨海拔降低過程逐步升高的趨勢(shì)。除S6外，其他點(diǎn)位TUR均處于較低水平，S6水深僅有0.3 m，水體易受底層沉積物影響，S6擁有最高的TUR(13.6 NTU)和最低的SD(0.22 m)。S5和S8處Cover最高(>80%)，水面覆蓋著大量的植物使水體受到的陽(yáng)光輻射減少，水體藻類的活動(dòng)受到影響，光合作用產(chǎn)生的DO減少，同時(shí)，水面覆蓋也影響了水體大氣復(fù)氧過程。

表1 采樣點(diǎn)基本參數(shù)

如圖2所示，河流水體各水質(zhì)指標(biāo)在S1～S8(每個(gè)點(diǎn)位采集3份水樣，即樣品數(shù)n=3)的分布均存在顯著性差異(P<0.05，ANOVA，n=3)，S1處的TN[(0.62±0.02)mg/L]和TP[(0.35±0.03)mg/L]顯著高于其他點(diǎn)位(P<0.001，LSD)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，除S1外，其他點(diǎn)位水質(zhì)符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，TP為S1首要污染指標(biāo)，符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。如圖2(b)所示，S1為河流源頭，周邊存在大量的草地、林地及未開發(fā)荒地(研究區(qū)北部為未開發(fā)荒地)，降水形成的面源輸入過程將周圍土壤中的磷帶入水體，其TP與TDP含量顯著高于其他點(diǎn)位(P<0.001，LSD)。S2～S8周邊以道路和建筑區(qū)域?yàn)橹?，面源輸入水平較弱，TP與TDP在流程內(nèi)受到降水稀釋、面源輸入、和生物活動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境因素的影響下呈現(xiàn)出波動(dòng)性分布。如圖2(d)所示，TLI分布表明S1(52.45±0.46)和S6(50.41±2.26)處水體于輕度富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)，而其他點(diǎn)位處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。S5與S8水體中Chla濃度分別為(3.72±0.22) μg/L和(4.78±0.30)μg/L，低于其他點(diǎn)位，S5和S8處的藻類活動(dòng)受到抑制。

以*、**、***(P<0.05、P<0.01、P<0.001，ANOVA)表示顯著性差異水平；柱高表示均值(mean)，誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)

2.2 SFS分析

如圖3所示，根據(jù)水樣DOM構(gòu)成，將SFS劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為類酪氨酸區(qū)(TYRLF，220～250 nm)、類色氨酸區(qū)(TRPLF，250～300 nm)、微生物源類腐殖質(zhì)區(qū)(MHLF，300～340 nm)和陸源類腐殖質(zhì)區(qū)(HLF，340～490 nm)。其中，TYRLF接近DOM三維熒光光譜“B峰”區(qū)域，TRPLF則接近“T峰”區(qū)域，兩者與水體生物活動(dòng)所產(chǎn)生的DOM類蛋白物質(zhì)密切相關(guān)，同時(shí)也有報(bào)道稱其與人類生活尾水排放有密切關(guān)系[20]。MHLF接近于DOM海洋類腐殖質(zhì)“M峰”區(qū)域，與水體中的微生物代謝活動(dòng)關(guān)系緊密[25-26]。HLF穿過了“C峰”與“D”峰區(qū)域，歸類為類富里酸和類胡敏酸區(qū)域，與陸地輸入水體的DOM陸源類腐殖質(zhì)有關(guān)，可以衡量水體DOM陸源輸入強(qiáng)度[27-28]。

圖3 采樣點(diǎn)同步熒光光譜

SFS不同區(qū)域熒光強(qiáng)度積分面積，可以解釋相應(yīng)區(qū)域所代表的DOM組分含量及相對(duì)豐度信息。為了消除積分區(qū)域范圍大小差異對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，提高SFS熒光強(qiáng)度區(qū)域積分半定量分析的準(zhǔn)確性，參考Chen等[29]提出的三維熒光區(qū)域積分(fluorescence regional integration，F(xiàn)RI)區(qū)域校正倍增因子MFi。引入SFS積分校正因子SFi，每個(gè)區(qū)域的SFi等于積分區(qū)域總波長(zhǎng)范圍除以每個(gè)區(qū)域的波長(zhǎng)范圍。如表2所示，熒光區(qū)域積分面積Si乘以相應(yīng)的SFi，得到校正后的熒光強(qiáng)度區(qū)域積分面積Sin。

表2 SFS積分校正因子

各點(diǎn)位水體SFS校正熒光強(qiáng)度區(qū)域積分結(jié)果如圖4(a)所示，S1(24 970.92 a.u.)、S2(23 723.02 a.u.)、S5(23 823.66 a.u.)和S8(25 339.82 a.u.)總熒光

圖4 SFS各組分熒光強(qiáng)度與豐度占比

強(qiáng)度積分高于S3(21 435.96 a.u.)、S4(22 041.05 a.u.)、S6(21 430.62 a.u.)和S7(21 226.04 a.u.)。S1周圍存在大面積綠化用地及未開發(fā)荒地，降水時(shí)的陸地面源輸入強(qiáng)度高于其它區(qū)域，水體中熒光DOM含量較高。S5和S8點(diǎn)位水面覆蓋度高于80%，DOM光化學(xué)氧化受到抑制，光化學(xué)氧化是DOM降解的主要途徑之一[9]。各區(qū)域水體DOM熒光組分豐度如圖4(b)所示，研究區(qū)水體DOM主要由TYRLF(8%～15%)、TRPLF(29%～39%)和MHLF(34%～44%)構(gòu)成，其占比總和達(dá)到80%以上，而代表陸地源輸入的HLF占比較低(11%～18%)。HLF類物質(zhì)主要來源于降水過程中陸地土壤面源輸入水體，而研究區(qū)內(nèi)主要土地利用類型為建筑、道路和綠化用地等。水體中來源于陸地輸入的HLF類DOM物質(zhì)含量遠(yuǎn)低于水體生物活動(dòng)所產(chǎn)生的DOM。TYRLF組分呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，TYRLF所代表的低相對(duì)分子質(zhì)量、弱疏水性和不飽和度的DOM組分，更易被水體中微生物利用，在河流整個(gè)流程中逐漸降低。李崇蔚等[30]利用SFS研究了內(nèi)蒙古烏梁素海水體中DOM組分，MHLF為其研究區(qū)內(nèi)DOM的主要組分。MHLF主要由水體中微生物活動(dòng)產(chǎn)生，研究區(qū)內(nèi)水體系統(tǒng)中生長(zhǎng)著大量水生植物，水底存在著大量的植物殘?bào)w，微生物分解活動(dòng)劇烈，MHLF為DOM主要組分。TRPLF多由水體藻類活動(dòng)產(chǎn)生，S8處河道狹窄，且植被茂密，水中生長(zhǎng)了大片挺水植物，藻類活動(dòng)受到抑制，TRPLF含量29%低于其他點(diǎn)位。S5處雖然水體覆蓋度達(dá)到85%，但此處水面寬闊，且其上游點(diǎn)位與下游點(diǎn)位水面覆蓋都處于低水平，研究區(qū)水體處于不斷更替中，外部環(huán)境影響對(duì)其有顯著影響。

2.3 SFS-RDA分析

圖5 RDA分析

2.4 SFS-2D-COS分析

階梯式景觀河流水體SFS-2D-COS分析結(jié)果如圖6所示，在圖6(a)中存在4個(gè)自動(dòng)峰位，分別位于230/230、280/280、320/320、360/360 nm處，分別對(duì)應(yīng)著TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4個(gè)區(qū)域的SFS峰位。根據(jù)自動(dòng)峰的峰強(qiáng)可以判斷出4個(gè)DOM組分在河流水體中的變化情況，其變化強(qiáng)弱為：HLF(27.20)>MHLF(22.78)>TYRLF(8.87)>TRPLF(5.94)。DOM中的HLF和MHLF組分在河流流程中的變化幅度大于TYRLF和TRPLF組分，DOM中的類腐殖質(zhì)組分相對(duì)于類蛋白質(zhì)組分具有更大的變化幅度，更易受到周邊環(huán)境的影響。圖6(a)中交叉峰符號(hào)可以體現(xiàn)出峰位間的變化方向，4個(gè)峰位的交叉峰分別位于230/280(+)、230/320(-)、230/360(-)、280/320(-)、280/360(-)和320/360 nm(+)。根據(jù)SFS-2D-COS同步圖交叉峰的符號(hào)，TYRLF和TRPLF組分變化方向與MHLF和HLF組分變化方向相反。

圖6 SFS-2D-COS分析

SFS-2D-COS同步圖[圖6(a)]與異步圖[圖6(b)]對(duì)應(yīng)峰位符號(hào)結(jié)合NODA規(guī)則[當(dāng)同步圖6中(X1、X2)和異步圖中(X1，X2)符號(hào)正負(fù)相同時(shí)，X1波長(zhǎng)處的光譜強(qiáng)度變化先于X2波長(zhǎng)處發(fā)生，否則相反；同步圖中(X1，X2)≠0而異步圖中(X1，X2)=0時(shí)，X1和X2的光譜強(qiáng)度變化完全同步，當(dāng)同步圖(X1，X2)=0，二者變化順序無法斷定]可以判斷水體流動(dòng)過程中DOM熒光組分變化先后順序[31-32]。同步圖與異步圖對(duì)應(yīng)峰位的SFS-2D-COS符號(hào)如表3所示，根據(jù)NODA規(guī)則，河流水體中DOM各組分的變化先后順序?yàn)椋?30 nm(TYRLF)>280 nm(TRPLF)>360 nm(HLF)>320 nm(MHLF)。在河流水體中類蛋白組分先于類腐殖質(zhì)發(fā)生變化，類蛋白組分更易參與水體中的生物活動(dòng)，從而發(fā)生變化，而微生物活動(dòng)所產(chǎn)生的類腐殖質(zhì)(MHLF)則擁有最高的穩(wěn)定性。Ishii等[33]研究表明，接近“M峰”位置的微生物源類腐殖質(zhì)(MHLF)比靠近“C峰”位置的陸源類腐殖質(zhì)(HLF)更耐光化學(xué)氧化分解。

表3 NODA規(guī)則

2.5 SFS-PCA

對(duì)水樣SFS進(jìn)行PCA分析，KMO值為0.81，Bartlett檢驗(yàn)P<0.001，水體DOM的SFS數(shù)據(jù)適合進(jìn)行PCA分析[20, 34]。PCA的兩個(gè)主成分共解釋了SFS數(shù)據(jù)集99.8%方差變化，其中，PC1解釋了96.9%方差變化，PC2解釋了2.9%方差變化。根據(jù)圖7(a)中的PC1和PC2波長(zhǎng)得分分布情況，PC1正載荷方向代表了DOM的TRPLF和MHLF組分，負(fù)載荷方向代表了TYRLF和HLF組分。PC2正載荷方向?yàn)镈OM類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)，負(fù)載荷方向?yàn)镈OM類腐殖質(zhì)組分(MHLF和HLF)。

圖7(b)中展示了不同點(diǎn)位的分布情況，所有采樣點(diǎn)位均位于PC1的正載荷方向，表明水體中的DOM以TRPLF和MHLF組分為主要成分。S3和S4位于PC2的正載荷方向，表明其DOM組分以類蛋白為主，而S8位于PC2的負(fù)載荷方向，其DOM以類腐殖質(zhì)組分為主。SFS-PCA所得到的組分分布與SFS區(qū)域積分結(jié)果類似，可以作為水體DOM組分構(gòu)成快速分類的依據(jù)。

圖7 SFS-PCA分析

3 結(jié)論

(1)根據(jù)DOM的熒光特性將SFS劃分為TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4個(gè)區(qū)域。采用SFS熒光強(qiáng)度積分校正因子對(duì)區(qū)域積分面積進(jìn)行校正，提高了SFS半定量分析準(zhǔn)確性。

(2)夏季階梯式景觀河流水體中DOM以類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)和微生物源類腐殖質(zhì)(MHLF)為主(>80%)，陸源類腐殖質(zhì)(HLF)占比較低(<20%)。SFS-2D-COS揭示了隨著水體的運(yùn)移，DOM中的類蛋白組分(TYRLF和TRPLF)與類腐殖質(zhì)組分(MHLF和HLF)變化趨勢(shì)相反，且變化先后順序?yàn)椋篢YRLF>TRPLF>HLF >MHLF。

(3)RDA分析表明水體中DOM的構(gòu)成受到了水面覆蓋與陸地面源輸入的雙重影響。

(4)同步熒光光譜主成分分析(SFS-PCA)可以根據(jù)熒光峰值的分布對(duì)水樣進(jìn)行分類，識(shí)別出不同水體DOM構(gòu)成差異。