有色溶解有机物(chromophoric dissolved organic matter,CDOM)最早被Kalle称为“Gelbstoff”,意即黄色物质(yellow substance),被认为是水环境中最大的溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)贮库[1],也是天然水体溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)储库中主要的吸光物质. CDOM在紫外可见光波段具有光吸收性质,尤其对紫外光吸收强烈,一方面,能阻止有害紫外线对水生生物的伤害,保护水体生态系统; 另一方面,CDOM吸收紫外光发生光化学反应,产生大量的小分子量的有机物,为浮游植物所利用,但对可见光的吸收又能抑制光合作用,影响初级生产力[2]. CDOM的来源主要有两个: 在靠近河口及受沿岸流影响的近岸海域,主要由陆地径流输入和生物降解产物组成; 在远离沿岸流影响的近海和开阔大洋,主要由现场生物活动产生,以浮游植物和微生物等生物降解为主. CDOM的组成主要为类腐殖质和类蛋白质2类[3].
三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC)技术是近年来研究有色溶解有机物(CDOM)的常用分析技术,能够根据CDOM各成分的性质、 来源、 迁移转化途径等的不同,将CDOM各成分“分离”,较好地解析CDOM,是已知的最为有效的CDOM分析技术之一,在湖泊、 河流、 海湾、 大洋等水体的CDOM研究中得到广泛应用[4, 5, 6, 7, 8].
舟山渔场位于长江口东南外海和杭州湾外缘,并且地处长江、 钱塘江、 甬江入海口,沿岸流、 台湾暖流等交汇于此. 由于密集的人口和发达的工农业,来自于如上海、 宁波、 舟山等城市的工业、 农业、 生活污水等已成为主要的污染来源[9]. 目前国内外针对河口、 海洋、 湖泊和部分海湾的研究已开展较多[10, 11, 12, 13, 14],而类似舟山渔场这种较为复杂的河口外缘海域的研究还鲜有报道. 因此,本研究将利用EEMs-PARAFAC技术对采自舟山渔场的表(距水面2~4 m)、 中(10~20 m)、 底(距水底2~3 m)层CDOM样品进行分析,同时分析了舟山渔场CDOM的水平、 垂直分布特征,对CDOM的来源及其空间分布的影响因素进行探讨,以期进一步丰富海洋CDOM的研究,为全面了解该区域DOM地化特征提供研究基础. 1 材料与方法 1.1 样品的采集与预处理
2011年4月26日~5月7日在舟山渔场进行一个航次的现场采样,采样范围为29°~31°N,122°~124° E,站位如图 1所示. 各层水样均用Niskin采水器采集,在船上采集站点水样后,立即用0.7 μm的GF/F膜(预先于马弗炉中450℃灼烧4 h)过滤水样并收集于100 mL 洁净棕色玻璃瓶(预先于马弗炉中450℃灼烧4 h)中冷冻保存. 水样进行荧光测定前解冻至室温并用孔径为0.22 μm的一次性聚醚砜针头滤器过滤.
站位图、 荧光成分等的平面分布以及垂直分布图均使用Surfer 11.0 软件绘制. 1.2 光谱测定
分析仪器用Jobin Yvon Fluorolog-3荧光光谱仪,以Milli-Q水为空白,进行荧光扫描. 配1 cm石英比色皿; 光源为450 W氙弧灯,PMT电压为700 V; 激发波长(Ex)240~480 nm,发射波长(Em)250~580 nm,步长为5 nm,狭缝宽度为5 nm,扫描信号积分时间为0.05 s. 荧光强度采用0.01 mg ·L-1硫酸奎宁稀硫酸溶液进行定标[15]. 1.3 数据转换及去除瑞利和拉曼散射
用Origin 7.5软件将得到的SPC光谱文件转换成TXT形式,并运用Matlab 7.6软件处理CDOM三维荧光光谱(EEMs)数据. EEMs中散射峰的去除采用Delaunay三角形插值法[16],该技术首先将散射区数据置零,然后以散射区域邻近数据为基准进行三维插值,可有效恢复散射区域的荧光信号.
![]() | 图 1 采样站位示意 Fig. 1 Map showing the locations of the sampling sites |
平行因子算法(PARAFAC)是基于交替最小二乘原理的迭代型三维数阵分解算法,可以将三维数据阵X分解为3个载荷矩阵: A、 B和C,而且每个矩阵都具有实际的物理意义[17]. 对于EEMs,有如下模型:
通过平行因子分析模型可得到每种成分的相对荧光强度(scores),各成分的荧光强度In按照以下公式计算[18]:
腐殖化指数(HIX)被用来指示CDOM的腐殖化程度、 来源等,在激发波长254 nm(此处255 nm)处,用发射波长435~480 nm的区域积分值除以发射波长300~345 nm的区域积分值[19, 20, 21, 22],得到腐殖化指数(HIX)值,HIX值越大表示CDOM腐殖化程度越高,稳定性越好,在环境中存在的时间相对较长,一般来说,陆源CDOM具有较高的HIX,而水体自产或排污而来的CDOM则具有较低的HIX. 生物指数(BIX)用来指示原地生物活动、 CDOM来源等,在激发波长310 nm处,用发射波长380 nm处的荧光强度值除以发射波长430 nm处的荧光强度值[19, 20, 21],得到生物指数(BIX)值,BIX较高表示CDOM以生物源为主,包括浮游植物和细菌的有机体降解产物; 低值表示主要来自陆源输入.
2 结果与讨论 2.1 春季舟山渔场CDOM的荧光组分特征
将舟山渔场采集CDOM样品的三维荧光光谱矩阵输入PARAFAC模型对其进行解析,通过残差分析、 折半分析等确定春季舟山渔场CDOM的荧光性成分为5个(如图 2),经与文献[4, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]对比可知: 其中3个组分为类腐殖质组分: C1(Ex/Em/nm,330/420)、 C2[(290)365/440]和C3[(260)370/490],2个类蛋白质组分: C4(285/340)和C5(270/310)(表 1). C1、 C2在河流、 河口、 近岸海区、 藻类中都曾观测到,被认为是陆源类腐殖质,也可以通过水体自生以及人类活动影响,C1在低激发波长下出现一小的肩峰,出现的原因尚不明确,有待进一步研究,对于C2也有人认为是还原型辅酶(NADH)的氧化形式——泛醌[23],C3反映了长波类腐殖质的荧光性质,其中260/490 nm峰位于传统的A峰区域,而370/490 nm峰与传统C峰相比其激发和发射波长都更长且其激发波长范围较广,这与其结构中高分子量和高芳香度基团有关,普遍认为是陆源类腐殖质,主要成分为胡敏酸(HA); C4、 C5属于典型的类蛋白质组分,分别为类色氨酸和类酪氨酸基团,主要来源于海洋生物活动,但在人类活动影响严重的区域,陆源输入经常成为类蛋白质组分的主要来源[25, 26, 27, 30, 31, 32]. C5在270/570 nm处出现了峰,该峰尚未见文献报道,但峰很小,且组分5主要被作为类蛋白质组分,该峰明显不属于类蛋白质,所以不予考虑,出现的原因有待进一步研究.
![]() | 图 2 PARAFAC鉴别出舟山渔场CDOM的5个荧光组分 Fig. 2 Five fluorescent components of CDOM in Zhoushan Fishery identified by PARAFAC model |
![]() | 表 1 舟山渔场CDOM荧光成分特征 Table 1 Fluorescent component characteristics of CDOM in Zhoushan Fishery |
5种荧光成分在表层的分布模式基本类似(图 3),且与CDOM总荧光强度(TFI)的分布模式相吻合,即由近岸海域向远岸海域逐渐减小且由北向南也有减小的趋势,高值区出现在杭州湾口外北部海域(调查区域西北部)和舟山本岛南部虾峙门航道口外海域,且杭州湾口外北部海域(调查区域西北部)CDOM荧光值明显高于舟山本岛南部虾峙门航道口外海域,表层盐度与CDOM呈相反分布模式,叶绿素a值在舟山东部海域出现两个高值区,其中北部的高值区与CDOM高值区特别是C5高值区有明显重叠,而与盐度的分布没有明显对应性,这表明春季舟山渔场杭州湾口外北部海域CDOM主要受长江径流输入影响,生物活动也会产生一定贡献,而在舟山本岛南部虾峙门航道口外海域则主要受舟山工农业生产等人类活动排放影响. 表层CDOM的HIX值在0.4~1.2之间,较小的HIX值反映CDOM腐殖化程度较低,在环境中存在时间较短,就分布而言,HIX的高值区出现在杭州湾口外北部海域,主要受长江径流输入的影响,BIX的分布与HIX呈现相反趋势,且在舟山本岛南部虾峙门航道口外海域也出现一个高值区,反映了舟山近海受人类活动以及远岸海域受生物活动的影响程度.
![]() | 图 3 PARAFAC鉴别出的舟山渔场5个荧光组分的表层分布 Fig. 3 Horizontal distribution of five PARAFAC components in the surface layer of Zhoushan Fishery |
在中层,CDOM(TFI、 C1、 C2、 C3、 C4、 C5)的分布模式与表层类似,但虾峙门航道口外海域的CDOM荧光值要明显高于杭州湾口外北部海域,且其分布模式与叶绿素a的相关性明显增强,中层低盐度区范围明显收缩,这表明,相对于表层,中层水体CDOM受长江输入的影响减弱,而舟山排污和生物活动的影响相对增强. HIX与BIX值也反映出相同的CDOM性质和来源特征.
在底层,5种荧光组分的分布模式均为由近岸到远岸梯度减少,在舟山近海出现高值区,与盐度的分布趋势相反,底层叶绿素a的值很小,且底层CDOM的HIX值较低,BIX高于表中层,因此,该区域底层CDOM主要受舟山工业、 农业、 生活污水等排放的影响. 在绝大多数站位底层的CDOM荧光值低于表中层,但在rb8a、 rb8站位及附近水域,底层荧光强度值高于表中层,说明该区域沉积物间隙水CDOM的释放产生了重要的影响.
各组分的百分贡献率是对在不同位置采集的CDOM样品荧光性质进行简单、 定量描述的一种指标,可以用来研究CDOM的组成、 性质变化[18]. 对于表、 中层的2个高值区A和B(图 1),在A区域,C1、 C2、 C3、 C4、 C5占CDOM总荧光强度的比例分别为: 23.36%~24.46%、 14.40%~18.00%、 11.82%~12.54%、 19.10%~21.58%、 26.92%~28.51%; 在B区域,C1、 C2、 C3、 C4、 C5的相对含量分别为: 19.63%~23.19%、 14.53%~17.75%、 9.32%~12.33%、 20.15%~21.72%、 27.33%~33.18%. A区域具有较高的类腐殖质含量,长江输入特征明显,B区域具有较高的类蛋白质含量,反映了舟山人类活动排放的显著影响. 2.2.2 春季舟山渔场CDOM的垂直分布特征
从图 4可以看出,在30.5°N断面,CDOM的5种荧光组分与总荧光强度的分布模式是相似的,在近岸海域表层和远岸海域次表层出现高值区,近岸海域高值区与盐度低值区相对应,远岸海域的高值区与叶绿素a高值区相对应. 30.5°N断面位于杭州湾口外北部海域,是长江口与杭州湾交汇处,近岸海域主要受长江径流输入的影响,远岸海域CDOM受生物活动影响明显.
![]() | 图 4 荧光组分在30.5°N断面的垂直分布 Fig. 4 Vertical distribution of the fluorescent components along 30.5°N |
CDOM在30°N断面的分布特征与30.5°N断面基本类似,该区域CDOM近岸高值区主要受舟山本岛居民工农业及生活污水排放的影响. 与30.5°N断面不同的是30°N断面在近岸底层出现高值区,从断面分布可以看出底层沉积物对水体CDOM的显著贡献,这可能是由于在潮汐、 底层上升流等物理外力作用下,沉积物发生再悬浮,使间隙水中高浓度的CDOM释放出来,造成底层水体中CDOM的浓度较高[33]. 2.3 春季舟山渔场各荧光组分与盐度的关系
春季舟山渔场CDOM荧光值与盐度之间呈负相关(图 5),即随盐度的增加CDOM荧光值呈减小的趋势,与海水保守型混合模式类似,说明海水物理稀释作用对研究区域CDOM的分布起着重要作用[34, 35, 36, 37]. 其中,表、 底层CDOM与盐度的相关性强于中层,C1、 C3、 C4与盐度的相关性强于C2、 C5,反映了该区域CDOM主要受陆源排放控制,生物活动等其他环境因子也起着重要的作用.
![]() | 图 5 各荧光组分与盐度的关系 Fig. 5 Relationships between salinity and each fluorescence component by PARAFAC model |
对各荧光成分进行相关性分析(表 2),类腐殖质组分C1、 C3与类蛋白质组分C4之间有很好相关性,C1、 C3是传统陆源类腐殖质组分,主要受陆源输入影响[2, 24],C4为类色氨酸组分,主要来源于海洋生物活动,但在人类活动影响强烈的地区陆源输入成为主要来源,这与文献报道相一致[38],因此,C1、 C3、 C4在研究海域具有相似的来源. 而C1、 C2和C5之间的相关性稍差,说明3种成分在来源上具有一定差异性. Fellman等[26]研究发现森林、 湿地土壤CDOM中含有较高的C2成分,Stedmon等[31]在农业集水区CDOM中也解析出该成分. C5为类酪氨酸组分,其与叶绿素a具有较强的对应关系,说明相对于其余3个组分,C2和C5受生物活动影响更为明显.
![]() | 表 2 各荧光成分之间的相关性分析 Table 2 Correlation analysis among five fluorescent components |
通过三维荧光光谱-平行因子分析法分析出2011春季舟山渔场共有5个荧光组分: 3个类腐殖质组分(C1、 C2、 C3)和2个类蛋白质组分(C4、 C5). 从水平分布上来看,CDOM在各层均呈现由近岸海域向远岸海域逐渐减小的趋势,高值区主要分布在杭州湾口外北部海域以及虾峙门航道口外海域; 从垂直分布上来看,CDOM在近岸表层受陆源输入影响最大,出现了高值区,随深度及离岸距离的增加,CDOM呈减小趋势,同时在远岸次表层、 30°N断面近岸底层水体CDOM也出现了明显的高值区. 分析表明该区域CDOM主要受长江输入和舟山岛居民工农业生产等活动的影响,现场生物活动及底层沉积物再悬浮在部分区域会对CDOM产生显著贡献.
[1] | Green S A, Blough N V. Optical absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter in natural waters[J]. Limnology and Oceanography, 1994, 39 (8): 1903-1916. |
[2] | Kowalczuk P, Durako M J, Young H, et al. Characterization of dissolved organic matter fluorescence in the South Atlantic Bight with use of PARAFAC model: Interannual variability[J]. Marine Chemistry, 2009, 113 (3-4): 182-196. |
[3] | Blough N V, Del Vecchio R. Chromophoric DOM in the coastal environment[A]. In: Hansell D, Carlson C(Eds.). Biogeochemistry of marine dissolved organic matter [M]. San Diego, CA: Academic Press, 2002. 509-546. |
[4] | Stedmon C A, Markager S, Bro R. Tracing dissolved organic matter in aquatic environments using a new approach to fluorescence spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 2003, 82 (3-4): 239-254. |
[5] | Guéguen C, Granskog M A, McCullough G, et al. Characterisation of colored dissolved organic matter in Hudson Bay and Hudson Strait using parallel factor analysis[J]. Journal of Marine Systems, 2011, 88 (3): 423-433. |
[6] | Stedmon C A, Bro R. Characterizing dissolved organic matter fluorescence with parallel factor analysis: a tutorial[J]. Limnology and Oceanography: Methods, 2008, 6: 572-579. |
[7] | Andrew A A, Vecchio R D, Subramaniam A, et al. Chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in the Equatorial Atlantic Ocean: Optical properties and their relation to CDOM structure and source [J]. Marine Chemistry, 2013, 148: 33-43. |
[8] | Zhang Y L, Van Dijk M A, Liu M L, et al. The contribution of phytoplankton degradation to chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in eutrophic shallow lakes: Field and experimental evidence [J]. Water Research, 2009, 43 (18): 4685-4697. |
[9] | Wang Y, Zhang D, Shen Z Y, et al. Characterization and spacial distribution variability of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in the Yangtze Estuary[J]. Chemosphere, 2014, 95: 353-362. |
[10] | Yan L H, Su R G, Zhang C S, et al. Assessing the dynamics of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in the Yellow Sea and the East China Sea in autumn by EEMs-PARAFAC[J]. Science China Chemistry, 2012, 55 (12): 2595-2609. |
[11] | Dainard P G, Guéguen C. Distribution of PARAFAC modeled CDOM components in the North Pacific Ocean, Bering, Chukchi and Beaufort Seas[J]. Marine Chemistry, 2013, 157 (20): 216-223. |
[12] | 郭卫东, 黄建平, 洪华生, 等. 河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性[J]. 环境科学, 2010, 31 (6): 1419-1427. |
[13] | 朱伟健, 沈芳, 洪官林. 长江口及邻近海域有色溶解有机物(CDOM) 的光学特性[J]. 环境科学, 2010, 31 (10): 2292-2298. |
[14] | 张运林, 秦伯强. 梅梁湾、大太湖夏季和冬季CDOM特征及可能来源分析[J]. 水科学进展, 2007, 18 (3): 415-423. |
[15] | Wada S, Aoki M N, Tsuchiya Y, et al. Quantitative and qualitative analyses of dissolved organic matter released from Ecklonia cava Kjellman, in Oura Bay, Shimoda, Izu Peninsula, Japan [J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2007, 349 (2): 344-358. |
[16] | Barber C B, Dobkin D P, Huhdanpaa H. The quickhull algorithm for convex hulls[J]. ACM Transactions on Mathematical Software(TOMS), 1996, 22 (4): 469-483. |
[17] | Olivieri A C. Computing sensitivity and selectivity in parallel factor analysis and related multiway techniques: the need for further developments in net analyte signal theory[J]. Analytical Chemistry, 2005, 77 (15): 4936-4946. |
[18] | Kowalczuk P, Stoń-Egiert J, Cooper W J, et al. Characterization of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in the Baltic Sea by excitation emission matrix fluorescence spectroscopy [J]. Marine Chemistry, 2005, 96 (3-4): 273-292. |
[19] | Salve P R, Lohkare H, Gobre T, et al. Characterization of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in rainwater using fluorescence spectrophotometry[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2012, 88 (2): 215-218. |
[20] | Para J, Coble P G, Charrière B, et al. Fluorescence and absorption properties of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in coastal surface waters of the Northwestern Mediterranean Sea(Bay of Marseilles, France)[J]. Biogeosciences Discussions, 2010, 7 (4): 5675-5718. |
[21] | 肖隆庚, 陈文松, 陈国丰, 等. 中国南海CDOM三维荧光光谱特征研究[J]. 环境科学学报, 2014, 34 (1): 160-167. |
[22] | Ohno T. Fluorescence inner-filtering correction for determining the humification index of dissolved organic matter[J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36 (4): 742-746. |
[23] | Brym A, Paerl H W, Montgomery M T, et al. Optical and chemical characterization of base-extracted particulate organic matter in coastal marine environments[J]. Marine Chemistry, 2014, 162: 96-113. |
[24] | Yamashita Y, Panton A, Mahaffey C, et al. Assessing the spatial and temporal variability of dissolved organic matter in Liverpool Bay using excitation-emission matrix fluorescence and parallel factor analysis[J]. Ocean Dynamics, 2011, 61 (5): 569-579. |
[25] | Stedmon C A, Markager S. Resolving the variability of dissolved organic matter fluorescence in a temperate estuary and its catchment using PARAFAC analysis[J]. Limnology and Oceanography, 2005, 50 (2): 686-697. |
[26] | Fellman J B, DAmore D V, Hood E, et al. Fluorescence characteristics and biodegradability of dissolved organic matter in forest and wetland soils from coastal temperate watersheds in southeast Alaska[J]. Biogeochemistry, 2008, 88 (2): 169-184. |
[27] | Wu J, Zhang H, He P J, et al. Insight into the heavy metal binding potential of dissolved organic matter in MSW leachate using EEM quenching combined with PARAFAC analysis[J]. Water Research, 2011, 45 (4): 1711-1719. |
[28] | Murphy K R, Stedmon C A, Waite T D, et al. Distinguishing between terrestrial and autochthonous organic matter sources in marine environments using fluorescence spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 2008, 108 (1-2): 40-58. |
[29] | Baghoth S A, Sharma S K, Amy G L. Tracking natural organic matter(NOM) in a drinking water treatment plant using fluorescence excitation-emission matrices and PARAFAC[J]. Water Research, 2011, 45 (2): 797-809. |
[30] | Santín C, Yamashita Y, Otero X L, et al. Characterizing humic substances from estuarine soils and sediments by excitation-emission matrix spectroscopy and parallel factor analysis[J]. Biogeochemistry, 2009, 96 (1-3): 131-147. |
[31] | Stedmon C A, Markager S. Tracing the production and degradation of autochthonous fractions of dissolved organic matter using fluorescence analysis[J]. Limnology and Oceanography, 2005, 50 (5): 1415-1426. |
[32] | Coble P G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 1996, 51 (4): 325-346. |
[33] | Klinkhammer G P, Chin C S, Wilson C, et al. Distributions of dissolved manganese and fluorescent dissolved organic matter in the Columbia River estuary and plume as determined by in situ measurement[J]. Marine Chemistry, 1997, 56 (1-2): 1-14. |
[34] | 王林, 赵冬至, 杨建洪, 等. 大洋河河口海域有色溶解性有机物的光学特性及遥感反演模型[J]. 海洋学报, 2011, 33 (1): 45-51. |
[35] | Kowalczuk P, A Stedmon C, Markager S. Modeling absorption by CDOM in the Baltic Sea from season, salinity and chlorophyll[J]. Marine Chemistry, 2006, 101 (1-2): 1-11. |
[36] | Astoreca R, Rousseau V, Lancelot C. Coloured dissolved organic matter(CDOM) in Southern North Sea waters: Optical characterization and possible origin[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2009, 85 (4): 633-640. |
[37] | Bai Y, Su R G, Yan L H, et al. Characterization of chromophoric dissolved organic matter(CDOM) in the East China Sea in autumn using excitation-emission matrix(EEM) fluorescence and parallel factor analysis(PARAFAC)[J]. Science China Chemistry, 2013, 56 (12): 1790-1799. |
[38] | Mostofa K M G, Wu F C, Liu C Q, et al. Characterization of Nanming River(southwestern China) sewerage-impacted pollution using an excitation-emission matrix and PARAFAC[J]. Limnology, 2010, 11 (3): 217-231. |