淮河中游枯水期水體溶解性有機質光譜特征*

陳旭東 高良敏# 顧 昕 陳曉晴 龐振東

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.江蘇煤炭地質勘探三隊，江蘇 常州 213003；3.淮南市環(huán)境保護監(jiān)測站，安徽 淮南 232001)

溶解性有機質(DOM)廣泛存在于環(huán)境中，是水生生態(tài)系統(tǒng)中微生物的營養(yǎng)和能量來源，在地球環(huán)境化學循環(huán)與全球碳循環(huán)中起著至關重要的作用[1]。DOM結構異常復雜，含有各種類型的官能團(羧基、羥基、氨基、酚羥基、醛基、酯基、羰基等)，具有很強的反應性和遷移性，可與重金屬、有機污染物和顆粒物等相互作用，對環(huán)境有很大的影響[2-3]。同時，DOM中的特定成分是自來水消毒副產(chǎn)物(DBP)的前體物質，對公共飲水安全造成很大的威脅[4]。因此，了解流域水體中DOM的性質與分布情況至關重要。目前，許多技術被應用于表征DOM，如色譜、質譜、核磁共振譜和分子光譜，而分子光譜是應用最普遍的DOM研究方法之一[5]，基于光譜學的DOM水質監(jiān)測、評價和管理是一種很有前景的策略[6-7]。紫外—可見吸收光譜(UV-Vis)可反映DOM的芳香性、分子量分布等大量信息[8]。三維熒光光譜(EEMs)以其高速和高靈敏度特性已被廣泛用于探測DOM的化學成分和生物地球化學循環(huán)[9]。平行因子法(PARAFAC)又被稱為“數(shù)學色譜”，基于數(shù)學三線性模型將復雜的DOM熒光光譜分解為有化學意義的組分，已成為處理EEMs數(shù)據(jù)較常用的算法[10]。

淮河流域為我國七大流域之一，地處我國南北分界線，人口眾多，水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動密集，氣候四季分明，降水集中于夏季(5—8月)，而秋冬季(11月至翌年3月)則為干旱少雨的枯水期。選取淮河中游枯水期水體作為研究對象，運用UV-Vis和EEMs結合PARAFAC調(diào)查不同區(qū)域DOM含量與結構變化分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域是安徽省境內(nèi)淮河中游地區(qū)，主要包括阜陽市潁上縣(YS)、六安市霍邱縣(HQ)、淮南市潘集區(qū)(PJ)和蚌埠市懷遠縣(HY)4個區(qū)域(見圖1)。采樣點包含淮河主干流、淮河一級支流和淮河沿岸湖泊等不同種類的水體類型。YS采樣區(qū)主要包括南照鎮(zhèn)周邊淮河干流與周邊支流；HQ采樣區(qū)主要包括城東湖和淠河入淮河河段；PJ采樣區(qū)主要包括區(qū)內(nèi)淮河干流、泥河、黑河和采煤塌陷區(qū)水體；HY采樣區(qū)主要包括區(qū)內(nèi)淮河干流、茨淮新河、渦河和芡河。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集時間為2021年1月中旬至3月初(屬于枯水期)，每次采樣前一星期內(nèi)無降水活動，水質穩(wěn)定。使用有機玻璃采水器于水面下0.5 m處采集1 L水樣裝入棕色玻璃瓶內(nèi)避光4 ℃保存，當日運回實驗室。共采集69份水樣，其中YS、HQ、PJ、HY分別采集13、15、18、23份水樣。

1.3 基本水質指標測定

總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；總磷(TP)采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測定。取500 mL水樣使用0.45 μm玻璃纖維濾膜(400 ℃馬弗爐預燃)過濾后測定總溶解性磷(TDP)和總溶解性氮(TDN)。使用TOC-VCPH總有機碳分析儀(Shimadzu，日本)測定總溶解性有機碳(DOC)含量。

1.4 光譜測定

UV-Vis和EEMs測定前使樣品恢復至室溫并注意避光。

UV-Vis采用N5000PLUS紫外—可見吸收分光光度計(YOKE)測定。EEMs使用F4600熒光光譜分析儀(HITACHI，日本)測定，激發(fā)波長(λEx)為200～500 nm，發(fā)射波長(λEm)為200～550 nm，波長間隔均為5 nm，掃描速度設置為1 200 nm/min，使用1 cm光程四通石英比色皿。同時，測定超純水EEMs作為空白參考，并使用純水拉曼峰面積對EEMs數(shù)據(jù)進行歸一化處理以消除儀器誤差，歸一化后的EEMs熒光強度單位為R.U.[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 PARAFAC建模

EEMs數(shù)據(jù)的預處理過程對建立的PARAFAC模型具有顯著影響，采用文獻[12]中R(4.0.5)的staRdom(1.1.21)包進行EEMs數(shù)據(jù)預處理，建立PARAFAC模型并完成對模型的評估與檢驗。EEMs的預處理過程主要包括儀器光譜校正、空白校正、拉曼歸一化、內(nèi)濾效應校正、瑞利散射切除和插值平滑。由于λEx<250 nm的波段內(nèi)干擾較強，故剔除，PARAFAC模型建立在250 nm≤λEx≤500 nm內(nèi)。在反復的PARAFAC建模過程中，經(jīng)過殘差分析、拆半檢驗、TCC檢驗、SSC檢驗[13]和核心一致性檢驗，最終遴選出最優(yōu)的PARAFAC模型，包含3個有意義的化學組分(C1～C3)。同時，利用staRdom包中的功能函數(shù)計算了UV-Vis參數(shù)(光譜斜率比(SR)、波長254 nm處的吸收系數(shù)(α(254))與DOC濃度的比值(SUVA254)和吸收系數(shù)比(E2/E3))和EEMs參數(shù)(熒光指數(shù)(FI)、腐殖化指數(shù)(HIX)、新鮮度指數(shù)(FRI)和自生源指數(shù)(BIX))。

1.5.2 統(tǒng)計學方法

統(tǒng)計學分析基于R(4.0.5)進行，使用agricolae(1.3-5)包進行單因素方差分析(ANOVA)及LSD檢驗。數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差表示。

2 結果與討論

2.1 常規(guī)水質指標

4個區(qū)域水體中TP分布存在顯著性差異(P<0.01，ANOVA)，而TDP分布無顯著性差異(P>0.05，ANOVA)。YS的TP((0.08±0.05) mg/L)顯著低于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)(見表1)。HQ、PJ和HY水體中磷主要以顆粒態(tài)存在，因此TP要遠高于TDP。4個區(qū)域水體氮素分布情況除氨氮無顯著性差異(P>0.05，AVONA)外，TN、TDN和硝酸鹽氮均存在顯著性差異(P<0.001，ANOVA)。

TN、TDN和硝酸鹽氮分布情況類似，HY均顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)，且4個區(qū)域氨氮分布無顯著性差異(P>0.05，LSD)。硝酸鹽氮為HY氮素的首要貢獻指標，且4個區(qū)域氮素分布以TDN為主。

2.2 PARAFAC分析

PARAFAC組分激發(fā)/發(fā)射載荷如圖2所示。該模型R2=0.993，核心一致性為97.01，TCC檢驗結果為0.996，能很好表示水體中DOM組分變化規(guī)律。C1在λEx/λEm=250 nm/405 nm處有單一的熒光峰，位于“A峰”區(qū)域；C2在λEx/λEm=270 nm/450 nm有熒光一級峰，在λEx/λEm=365 nm/450 nm處有熒光次級峰，分別位于“A峰”與“C峰”區(qū)域；C3在λEx/λEm=280 nm/335 nm處有單一熒光峰，位于“T峰”區(qū)域[14]。將PARAFAC組分的激發(fā)、發(fā)射載荷上傳至OpenFluor(https://openfluor.lablicate.com)數(shù)據(jù)庫進行擬合比對(TCC檢驗結果≥0.95)以獲取相應組分的化學解釋。C1歸類為類富里酸組分[15-17]，C2為陸源類胡敏酸組分[18-19]，C1與C2統(tǒng)稱為類腐殖質組分，受陸地面源輸入、水體微生物活動和光化學反應綜合影響。C1和C2在多項針對DOM的環(huán)境調(diào)查研究中得到確認，包括內(nèi)陸湖泊、森林溪流、農(nóng)業(yè)徑流及濕地覆水等[20-21]。C3歸類為類色氨酸組分，主要由藻類及微生物活動產(chǎn)生，同時有研究表明，人類污水排放及污水處理廠尾水中也含有大量的類色氨酸組分[22-24]。

表1 各區(qū)域水體水質指標1)Table 1 Distribution of water quality indexes in study areas mg/L

PARAFAC組分相對豐度與熒光強度見圖3。C1為枯水期水體中DOM的最主要組分(相對豐度均值高于40%)。各區(qū)域間C1相對豐度有顯著性差異(P<0.05，ANOVA)，HY(46%±4%)顯著高于PJ(41%±8%)(P<0.05，LSD)，而YS(43%±5%)和HQ(45%±3%)與其他區(qū)域無顯著性差異(P>0.05，LSD)。各區(qū)域間C2相對豐度差異性顯著(P<0.001，ANOVA)，PJ(34%±16%)遠高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。C3相對豐度與C2分布趨勢相反，PJ(25%±9%)遠低于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。土壤徑流輸入可增加水體DOC濃度和腐殖質類物質的比例[25]，枯水期流域周邊土壤面源輸入減弱，陸源類胡敏酸(C2)在研究區(qū)內(nèi)占比較低。水體中的腐殖質以微生物類富里酸(C1)為主。而PJ內(nèi)存在大量光伏發(fā)電板遮擋了水面(水面光伏發(fā)電項目)，從而導致DOM光化學氧化過程減弱，分子量較高的DOM不斷積累，因此PJ的C2相對豐度顯著高于其他區(qū)域。光漂白是去除天然水體中DOM的主要過程[26]，在一項關于DOM長期歸趨的研究中發(fā)現(xiàn)，淡水中96%的DOM被太陽輻射破壞，DOM在黑暗中分解的時間是在陽光下分解的70倍[27]。DOM的光化學氧化過程降低了吸收系數(shù)，增加了水體中透光帶的深度。隨著吸光度的降低，SR增加，熒光強度降低，熒光最大值位置發(fā)生藍移。

各區(qū)域間C1和C2熒光強度分布差異顯著(P<0.001，ANOVA)，C3分布差異顯著(P<0.05，ANOVA)。C1熒光強度PJ((0.66±0.12) R.U.)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。與C1類似，C2熒光強度PJ((0.66±0.53) R.U.)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。C3熒光強度YS、PJ與其他區(qū)域無顯著性差異(P>0.05，LSD)，HY((0.40±0.15) R.U.)顯著高于HQ((0.31±0.06) R.U.)(P<0.05，LSD)。根據(jù)水質參數(shù)的分布特征，HY的氮素水平高于其他區(qū)域，C1與C3熒光強度高于YS、HQ，氮素水平對水體的生物活動有影響，繼而改變了DOM的熒光強度。

2.3 EEMs參數(shù)分析

各研究區(qū)域水體EEMs參數(shù)分布見圖4。

FI為λEx=370 nm時λEm在450、500 nm處熒光強度的比值，用以表征水體DOM中類腐殖質組分的來源，F(xiàn)I>1.9時，表明微生物代謝為類腐殖質主要來源，F(xiàn)I<1.4時表明以陸源腐殖質貢獻為主[28]。4個區(qū)域FI分布具有顯著性差異(P<0.01，ANOVA)，PJ(1.85±0.20)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)，但所有區(qū)域均值均處于1.4～1.9，表明枯水期淮河中游水體DOM腐殖質介于微生物源與陸源之間。

BIX為λEx=310 nm時λEm在380、430 nm處熒光強度的比值，反映了DOM自生源的貢獻率，BIX>1表示DOM中自生源占主要貢獻，BIX<0.7時表示自生源較少[29]。4個區(qū)域BIX分布具有顯著性差異(P<0.001，ANOVA)，HY(1.06±0.07)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。HY的BIX均值高于1，DOM以自生源貢獻為主，其他區(qū)域均值均接近于1，DOM的自生源水平也較高。

HIX為λEx=254 nm時λEm在435～480 nm間區(qū)域積分值除以λEm在300～345 nm間、在435～480 nm間的區(qū)域積分值之和，用以表征腐殖化程度[30]。4個區(qū)域HIX分布有顯著性差異(P<0.001，ANOVA)，PJ(0.78±0.08)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。4個區(qū)域水體中HIX都維持在較低水平，表明水體中DOM腐殖化程度低，水體DOM以自生源物質為主，與BIX結果類似。PJ水體腐殖化程度高于其他水體，同C2熒光強度與相對豐顯著高于其他區(qū)域結果相符。

FRI為λEx=310 nm時λEm=380 nm的熒光強度與λEm位于420～435 nm間的最大熒光強度之比，反應了新生成的DOM所占比例[31]。4個區(qū)域FRI分布具有顯著性差異(P<0.001，ANOVA)。與BIX結果類似，HY(0.99±0.06)顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。

2.4 UV-Vis參數(shù)分析

研究區(qū)域UV-Vis參數(shù)分布如圖5所示。SUVA254表征DOM中芳香族物質的含量[32]，與水體中DOM的疏水性、分子量和腐殖化程度呈正比。4個區(qū)域SUVA254分布具有顯著性差異(P<0.01，ANOVA)，PJ((3.82±1.08) L/(mg·m))顯著高于其他區(qū)域(P<0.05，LSD)。SR用于定性反映DOM物質變化特征情況，其值與DOM分子質量負相關，較低的SR表明水體高分子量及維管束植物相關的DOM輸入較多[33]。特定波長的吸收系數(shù)之比可表征DOM的結構特征，E2/E3與DOM的相對分子質量呈反比，其值越大，DOM分子量越小[34]。4個區(qū)域SR和E2/E3分布具有顯著性差異(P<0.001，ANOVA)。SR在YS(1.23±0.12)和HQ(1.29±0.12)均顯著高于PJ(0.97±0.07)和HY(1.09±0.14)(P<0.05，LSD)。與SR分布情況相反，E2/E3在PJ(6.54±1.11)和HY(6.15±1.43)顯著高于YS(4.94±0.66)和HQ(4.26±0.54)(P<0.05，LSD)。UV-Vis參數(shù)分布表明，PJ水體中DOM的疏水性、分子量和腐殖化程度顯著高于其他地區(qū)，表明PJ水體DOM以分子量大、腐殖化高和疏水性強的組分為主。由于DOM的熒光存在超分子組裝效應，UV-Vis參數(shù)結果與EEMs參數(shù)分析結果存在差異性[35]。

3 結 論

HQ、PJ和HY水體中磷主要以顆粒態(tài)存在，4個區(qū)域氮素分布都以TDN為主。對水體樣本EEMs使用PARAFAC共解析出3個有意義的化學組分(類富里酸、陸源類胡敏酸和類色氨酸)。PJ水體由于大面積水面光伏發(fā)電的影響，水體DOM光化學氧化過程受到影響。EEMs與UV-Vis參數(shù)分析表明，PJ水體DOM以分子量大、腐殖化高和疏水性強的組分為主。