溶解有机质(dissolved organic matter，DOM)对水环境生态系统和全球碳估算有着非常重要的作用^[1,2]. 有色溶解有机物(chromophoric dissolved organic matter，CDOM)，又称黄色物质，是DOM中吸收紫外光和可见光的部分. CDOM在水生生态系统中有着重要的作用，能够强烈吸收紫外辐射，从而限制了UV-B辐射在水体中的传播并发生光化学降解； 将大分子有机物分解成小分子的有机物和无机盐，供微生物和浮游植物的生长，同时释放CO₂、 CH₄等温室气体，加剧全球变暖^{[3, 4, 5]}.

尽管CDOM在水环境中非常重要，但是现在大多数的研究主要是针对北极地区和亚热带地区的河流和湖泊以及大洋的Ⅰ类水体和河口的混合水体^{[6, 7, 8, 9]}，而对干旱/半干旱地区河流、 内陆湖泊的研究较少^[10,11]. 有研究表明河流DOM(CDOM)的特征受季节变化和周围景观土地利用类型的影响较大^{[12, 13, 14]}，比如流经湿地、 森林的河流携带更高的CDOM浓度^[15]； 也有研究表明在较短时间内(比如1d)CDOM也会因光化学反应和生物作用而发生变化^[16]. 对于CDOM的研究主要是通过其吸收光谱和荧光光谱来实现，它们通常被用来研究不同水体(如河口、 河流、 海洋、 海湾、 湖泊和地下孔隙水)CDOM的特征^{[7, 17, 18]}，区分不同的荧光峰并追踪其来源^{[19, 20, 21]}. S值是表征CDOM吸收光谱特征的重要参数，基于较窄波段计算，可以用来分析CDOM分子量及其来源^{[22, 23, 24]}； 而基于激发-发射矩阵(EEMs)的荧光光谱技术以其操作便捷、 方法简单和结果准确的特点被广泛地应用于表征不同水体的CDOM组成及来源^[25].

辽河是中国东北地区南部的最大河流，流经吉林省、 内蒙古自治区、 河北省和辽宁省四省，土地利用类型复杂多样. 另外，流域的过度开发(如土地利用变化、 工业发展生产等)使辽河成为全国七大江河中污染最严重的河流之一，进而使水体中CDOM的光学特性发生变化. 本研究利用吸收光谱和三维荧光光谱分析方法，对辽河下游水体CDOM的特征和组成进行不同季节的分析，对CDOM的转化和来源以及辽河水体的污染治理具有重要意义. 1 材料与方法 1.1 野外样品的采集

于2012年10月(秋季，2012-10)、 2013年1月(冬季，2013-01)和2013年4月(春季，2013-04)对辽河下游河流进行重复采样，分别采集到8组(缺少太子河上、 太子河下两点)、 10组、 10组共计28组数据，具体位置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点位置分布示意 Fig. 1 Map of Location of sampling stations

2012年9月共采集到42组数据，其中8组是进行的重复采样，用于季节变化研究，其余34组用作辅助说明数据. 每个样点采集2500 mL水样并立刻放在车载冰箱里冷藏，送至实验室测量其光学参数，整个测试过程需要2~3 d.

将水样依次经过0.7 μm的玻璃纤维微孔滤膜、 0.22 μm的聚碳酸酯膜过滤后进行CDOM吸收及荧光的测试. 其中，CDOM吸收光谱是采用UV-2600紫外分光光度计测得吸光度，波长扫描范围是200~800 nm. 然后根据式(1)计算得到波长的吸收系数.

为消除过滤液中残留细小颗粒物的散射，本研究用750 nm处吸收系数进行校正^[26]，如式(2)，得到校正后的吸收系数(m^-1).

常用特定波长(如254、 355和440 nm)的吸收系数来表征CDOM的浓度^{[9, 27, 28]}. 为了便于与荧光值进行分析，本研究采用CDOM在355 nm的吸收系数[aCDOM(355)]来表示CDOM浓度.

荧光光谱测定在Hitachi F-7000 型荧光光谱分析仪上进行，以Milli-Q作空白. EEMs激发波长的扫描范围是200~450 nm，发射波长的扫描范围是250~600 nm. 荧光强度是以355 nm激发、 450 nm发射的荧光信号来表示，采用同步测定的硫酸奎宁进行参照，用QSU单位表示.

叶绿素a(Chl-a)浓度的获取是通过90%的丙酮溶液来萃取，并用UV-2600紫外分光光度计分别测得630、 647、 664和750 nm处的吸光度，计算出叶绿素a的浓度^[29,30]. 总悬浮颗粒物浓度(TSM)的测定采用称重法获得； 总氮(TN)通过碱性过硫酸钾紫外分光光度法测得； 总磷(TP)采用钼蓝分光光度法测得，具体步骤详见文献^[30].

S值是CDOM吸收系曲线的斜率，可以反映CDOM组成分子的大小，追踪CDOM的来源^{[24, 31]}. 对于S值的获得主要基于吸收波谱波段以及拟合方法的选择^{[32, 33]}. 本研究选择275~295 nm，根据式(3)采用非线性拟合方法进行S值的求算.

叶绿素a浓度(Chl-a)、 总悬浮物浓度(TSM)、 总氮(TN)、 总磷(TP)是描述水体水质特征的基本参数，本研究将辽河下游水体水质参数的统计值进行了分析研究(如表 1).

表 1(Table 1)

表 1 辽河下游水体基本水质参数 Table 1 General water quality parameters in the downstream of Liaohe River 时间 样品 统计值 Chl-a /μg·L-1 TSM /mg·L-1 TN /mg·L-1 TP / mg·L-1 最小值 3.00 13.50 3.13 0.09 2012-10 水样 最大值 86.52 124.67 10.74 0.56 平均值 44.20 59.61 6.28 0.26 最小值 0.30 3.00 3.93 0.12 2013-01 水样 最大值 5.55 27.00 17.95 0.72 平均值 1.98 10.83 10.34 0.37 最小值 0.00 4.00 0.33 0.01 2013-01 冰样 最大值 0.86 222.66 1.64 0.14 平均值 0.41 36.47 0.81 0.03 最小值 8.65 18.67 5.14 0.04 2013-04 水样 最大值 118.94 302.66 9.39 0.29 平均值 41.77 93.55 7.50 0.16

表 1 辽河下游水体基本水质参数 Table 1 General water quality parameters in the downstream of Liaohe River

从表 1中可以看到各期水体的基本水质参数的变化范围较大，说明辽河下游河流特征的空间差异性较大. 另外，各参数浓度随季节变化的波动性较为明显，特别是叶绿素a的浓度. 2012年秋季Chl-a浓度均值为44.20 μg ·L^-1，而2013年冬季水样的Chl-a浓度均值仅有1.98μg ·L^-1，冰样则为0.41 μg ·L^-1； 2013年冬季水样的TN、 TP浓度大于2012年秋季和2013年春季； 冬季冰样的各基本水质参数浓度均小于水样的浓度(TSM除外).

图 2

Fig. 2

图 2 CDOM吸收系数的季节变化特征 Fig. 2 Seasonal variation characteristics of CDOM absorption coefficient

对比分析3个季节水样中CDOM的吸收光谱(280~500 nm)，虽然在同一位置点、 不同时段的CDOM的吸收光谱特征差距较大，但都基本遵循一个规律：冬季的值最高，秋季次之，春季的值最小. 在秋季(10月)，浮游植物处于衰退期，其腐烂降解的产物对水体中CDOM吸收光谱产生重要影响^[34]； 而冬季CDOM吸收较高，一方面是浮游植物降解的影响，另一方面是因为河流结冰，浓缩了水中CDOM的浓度. 分析各时期的aCDOM(355)(如图 3)，秋季样品浓度范围为2.64~5.65 m^-1，均值为3.80 m^-1； 冬季CDOM浓度范围为1.14~8.06 m^-1，均值为3.58 m^-1； 春季范围是0.92~3.58 m^-1，均值2.18 m^-1. 对比3期数据得出春季河水CDOM浓度始终处于最小值，而冬季浓度基本大于秋季(大凌河和双台子河除外).

图 3

Fig. 3

图 3 不同采样点CDOM浓度的季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of CDOM concentration at different sampling stations

另外，本研究将冬季同一采样点冰样的CDOM浓度跟水样的浓度对比分析，发现其远小于水样中 的CDOM浓度. 为了确定该冬季水中CDOM的主要来源，本研究对冬季水体和春季水体中Chl-a含量与CDOM浓度的空间分布进行分析(图 4). 冬季水体中CDOM在355 nm的吸收系数与Chl-a相关性较高，为0.82； 而春季水体中两者的相关系数仅有0.48，CDOM浓度与TSM浓度的相关系数为0.28. 这说明冬季水体CDOM主要来自浮游植物的分解产物，陆源的相对较小； 对于春季水体，CDOM的来源比较复杂，浮游植物的分解产物、 陆源物质都是其CDOM的主要来源^{[34, 35, 36]}，而浮游植物的分解产物占据主导作用，与冬季水体CDOM的来源相似. 另外本研究对冬季冰样和水样的CDOM浓度进行分析发现两者的相关性较低，为0.20. CDOM随冰溶解的注入也会影响水中CDOM的浓度. 因而认为河冰的融化是影响4月CDOM浓度的主要因素. 河流结冰，相当于对水体中各组分浓度的浓缩过程，而河冰的融化相当于一个稀释的过程. 1月冰样中CDOM的浓度远小于其他月份(图 3)，冰的融化稀释了原本水中的CDOM浓度，因而4月CDOM浓度低于1月浓度.

图 4

Fig. 4

图 4 CDOM浓度与Chl-a浓度及TSM浓度的分布空间关系 Fig. 4 Spatial relationship of aCDOM(355) andchlorophyll-aand TSM concentration in Liaohe River

本研究基于式(3)拟合水样CDOM吸收曲线的斜率值(S值)，如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 辽河下游河流CDOM吸收斜率(S275-295)变化 Table 2 Variation of S275-295 of CDOM absorption in the downstream of Liao River 采样点 2012-10 2013-01 2013-04 大辽河 0.0181 0.0163 0.0143 大凌河 0.0181 0.0158 0.0171 浑河 0.0186 0.0167 0.0169 浑河上 0.0184 0.0173 0.0137 浑河下 0.0193 0.0163 0.0156 双台子河 0.0184 0.0175 0.0162 太子河 0.0169 0.0183 0.0147 太子河上 —1) 0.0161 0.0106 太子河下 — 0.0145 0.0169 西沙河 0.0182 0.0188 0.0175 最小值 0.0169 0.0145 0.0106 最大值 0.0193 0.0188 0.0175 平均值 0.0183 0.0168 0.0154 1)表示文献中没有相关数据

表 2 辽河下游河流CDOM吸收斜率(S275-295)变化 Table 2 Variation of S275-295 of CDOM absorption in the downstream of Liao River

秋季S值得变化范围为0.0169~0.193 nm^-1，均值为0.0183 nm^-1； 冬季S值得变化范围为0.0145~0.188 nm^-1，均值为0.0168 nm^-1； 春季S值得变化范围为0.0106~0.175 nm^-1，均值为0.0154 nm^-1. 一般说来，S值越大表示CDOM的组成越趋向于小分子的富里酸或芳烃化合物^{[24, 31]}. 因而表明秋季CDOM中富里酸的比例更高，而冬季和春季水体的CDOM分子量相对较大，腐殖酸的比例相对较高.

表 3(Table 3)

表 3 辽河下游CDOM的荧光强度和主要荧光峰的分布 1) Table 3 Fluorescence intensity and distribution of major fluorophores of CDOM in the downstream of Liaohe River 时间 编号 Fn(355) (QSU) A峰 B峰 C峰 T峰 a<sub>CDOM(355)/m-1 位置 1 2.53 — 11.74 — 25.40 3.10 大辽河 2 2.48 — 8.54 6.81 14.23 4.73 大凌河 3 3.59 — 9.79 10.53 26.14 4.15 浑河 2012-10(秋季) 4 2.75 — 8.97 — 25.78 2.64 浑河上 5 2.88 — 9.54 — 28.83 2.99 浑河下 6 3.58 — — 8.32 15.74 4.50 双台子河 7 2.63 — 17.34 — 39.56 2.64 太子河 8 6.06 — 50.69 — 116.56 5.65 西沙河 1 5.72 — 16.78 — 30.11 3.44 大辽河 2 3.78 — 14.78 — 14.77 4.61 大凌河 3 7.71 20.07 — 14.61 21.12 4.13 浑河 4 4.99 — 10.33 — 19.34 3.09 浑河上 2013-01(冬季) 5 5.79 — 12.28 — 20.59 3.32 浑河下 6 4.19 9.85 6.38 5.97 — 2.64 双台子河 7 4.91 — 35.58 — 58.53 3.21 太子河 8 3.00 — 9.18 — 20.32 2.17 太子河上 9 1.69 — 4.50 — 8.81 1.14 太子河下 10 58.67 — 277.50 — — 8.06 西沙河 1 3.82 — 12.91 — 19.69 2.88 大辽河 2 6.95 10.80 14.95 9.81 6.44 1.96 大凌河 3 4.18 — — — 14.90 3.58 浑河 4 17.26 27.28 21.86 20.36 20.85 2.07 浑河上 2013-04(春季) 5 2.52 — 8.10 — 11.59 1.96 浑河下 6 2.37 6.61 9.74 — 6.59 1.96 双台子河 7 5.32 9.50 15.83 7.58 32.00 1.96 太子河 8 1.24 — 2.84 — 5.89 0.92 太子河上 9 3.36 5.20 5.89 4.83 6.31 1.15 太子河下 10 14.08 26.98 15.70 22.55 36.00 3.35 西沙河 1)“—”表示数据未表现该荧光峰

表 3 辽河下游CDOM的荧光强度和主要荧光峰的分布 1) Table 3 Fluorescence intensity and distribution of major fluorophores of CDOM in the downstream of Liaohe River

荧光强度与荧光峰随采样点空间位置的变化而呈现较大差别. 对比分析3期数据(位置相同的8个采样点，太子河上与太子河下除外)，不难发现秋季和冬季水样荧光强度最高值均出现在西沙河，最低值均出现在大凌河. 春季样品的最高值出现在浑河上，最小值为双台子河，与秋冬季的极值位置点不同. 从而说明，CDOM的荧光光谱特性随季节的变化而变化.

另外，可以看出在3期荧光数据中呈现较多的是类蛋白质荧光峰(荧光峰B和荧光峰T)，而显示出类腐殖质荧光峰(荧光峰A和荧光峰C)的样本相对较少. 秋季数据未表现出明显的荧光峰A，冬季数据也仅仅有两组数据包含类腐殖酸荧光峰，而春季数据则表现出明显的荧光峰A和荧光峰C. 这表明不同位置点的CDOM的来源存在明显的差异，导致CDOM的荧光基团不同，从而表现出不同位置的荧光峰^[37].

一般认为B、 T峰通常反映的是生物降解来源的色氨酸和酪氨酸所形成的荧光峰值，而C、 A峰则反映的是外源输入的腐殖酸和富里酸形成的荧光峰值^[38,39]. 另外，也有部分研究认为浮游植物生长过程中也会产生C、 A峰等类腐殖质荧光^[40]. 对比分析秋季、 冬季和春季这3个时期的荧光数据可以发现，随着季节的变化，类腐殖酸荧光峰越来越突显出来，这说明外源输入是辽河春季水体CDOM中类腐殖酸成分的主要来源. 同时，4月各种浮游植物开始复苏生长，从而也是春季水体中C、 A峰较为明显的不可忽视的另外一个原因.

还有学者研究认为，河流CDOM一般仅仅表现出类腐殖酸峰^[37,42]，但是如果受人类活动污染影响较大则会在3D-EEMs上表现出很强的类蛋白质峰^{[38, 42]}. 辽河流经沈阳、 辽阳以及铁岭等城市，受到较强的人为干扰，下游汇集了上游所有的污染物，因此三维荧光表现出很强的类蛋白质峰. 对于冬季和春季CDOM的类蛋白质峰来说，生物降解的作用较小，主要原因是采样点周边地区的工农业生产及生活污水的污染比较严重^[42]； 秋季(10月)，河流中的藻类逐渐消亡，CDOM较强的类蛋白质荧光峰也主要是受到人类活动的影响. 另外，辽河口周围分布有辽河油田(图 5)，河流容易受到原油的污染. 原油进入水体不容易被分解，通过微生物的作用可将其分解为小分子的有机物，如蛋白质、 氨基酸等^[43]. 从而使下游各采样点整体表现出较强的类蛋白质荧光峰，特别是西沙河的样品.

图 5

Fig. 5

图 5 辽河下游采油点的分布 Fig. 5 Distribution of the main oil pump stations in downstream and estuary of Liaohe River

如图 6所示，将所有样品所表现出来的荧光峰值进行相关分析(类腐殖酸峰A、 C，类蛋白质峰B、 T). 由图 6(a)~6(c)可以看出，不管是B、 T峰之间还是A、 C峰之间的相关性都极好，决定系数达到0.9以上. 这说明各时间段CDOM类蛋白质荧光或者类腐殖酸荧光的来源是基本一致的^[44]. 而与10月、 1月不同，4月B、 T峰之间的相关性较差(R2=0.21)，表明春季水体中CDOM的类蛋白质成分的来源是有差异的，一部分来源于春季融雪带来的不同溶解有机物有关^[42]，而另一部分则来源于城市污染物的排放.

图 6

Fig. 6

图 6 峰A和峰C以及峰B和峰T之间的相关关系 Fig. 6 Relationships between peak C,A and peak B,T extracted from EEMs

图 7

Fig. 7

图 7 aCDOM(355)和荧光强度的相关关系 Fig. 7 Relationships between CDOM fluorescence intensity and aCDOM(355)

在春季，冰融水的大量供给对河流的CDOM浓度产生不同程度的稀释，造成水体中CDOM浓度与荧光强度的相关性较差. 各期数据整体效果不太理想，与前人研究结果不同^[8,24]. 秋季所有数据的荧光强度与CDOM浓度的相关性较各期辽河下游CDOM荧光与浓度的相关性好，一方面因为在整个辽河流域，河流上、 中、 下游水质特征差别较大，具有一定的梯度； 另一方面辽河下游受到人为干扰所产生的污染比较严重，使水体呈现出一定的相似性，故而相关性比较不理想，特别是春季.

将CDOM的各荧光峰值与aCDOM(355)分别进行相关分析(表 4)，可以看出不同季节荧光峰与CDOM浓度相关性的强弱有很大差异. 在秋季，样品的类蛋白质荧光峰B是CDOM荧光的主要控制发光基团(图 7，表 4). 同样，冬季样品中峰B也是CDOM荧光的主要贡献者. 而春季，荧光强度与CDOM浓度相关性较差，峰A、 C与CDOM浓度的相关性却较好，类腐殖酸荧光峰表现比较突出.

表 4(Table 4)

表 4 aCDOM(355)与CDOM荧光峰的皮尔逊相关系数 1) Table 4 Pearsons correlation coefficients between major CDOM fluorophores and aCDOM(355) 吸收系数 2012-10 2013-01 2013-04 峰B 峰T 峰B 峰T 峰A 峰C 峰B 峰T aCDOM(355)/m-1 0.66* 0.51 0.89** 0.19 0.74* 0.82* 0.61 0.57 1)*为P<0.05，**为P<0.01

表 4 aCDOM(355)与CDOM荧光峰的皮尔逊相关系数 1) Table 4 Pearsons correlation coefficients between major CDOM fluorophores and aCDOM(355)

(1)本研究通过分析辽河下游水体中CDOM在不同季节的吸收和荧光等光学特性发现春季水样的aCDOM(355)始终处于最小值，秋季次之，冬季的aCDOM(355)最高； 秋季CDOM的组成以小分子量物质为主而春季CDOM的组成则更倾向于大分子的腐殖酸.

(2)秋季和冬季的2个类腐殖质荧光峰之间以及2个类蛋白质荧光峰之间均存在一定的正相关性，其来源或性质相同； 而春季CDOM中两个类蛋白质荧光峰的相关性较差，组成成分比较复杂.

(3)由于受到人类活动的影响较大，下游汇集了各支流的污染物和城市生活生产废水，使3期数据的辽河下游河流CDOM表现出较高的类蛋白质荧光峰. 因此，下一步工作需要进一步确认城市与工业排污对CDOM组分与来源的贡献.