环境科学  2016, Vol. 37 Issue (6): 2082-2092   PDF    
引用本文
王齐磊, 江韬, 赵铮, 梁俭, 木志坚, 魏世强, 陈雪霜 . 三峡库区典型农业小流域水体中溶解性有机质的光谱特征[J]. 环境科学,2016, 37(6): 2082-2092.
WANG Qi-lei, JIANG Tao, ZHAO Zheng, LIANG Jian, MU Zhi-jian, WEI Shi-qiang, CHEN Xue-shuang . Spectral Characteristics of Dissolved Organic Matter (DOM) in Waters of Typical Agricultural Watershed of Three Gorges Reservoir Areas[J]. Environmental Science,2016, 37(6): 2082-2092.
三峡库区典型农业小流域水体中溶解性有机质的光谱特征
王齐磊1 , 江韬1,2 , 赵铮3 , 梁俭1 , 木志坚1 , 魏世强1 , 陈雪霜1     
1.西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716;
 2.Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences, Umeå SE-90183, Sweden;
 3.贵州省环境监测中心站, 贵阳 550081
收稿日期: 2015-11-26; 修订日期: 2016-01-04.
基金项目:国家自然科学基金项目(41403079);重庆市科委基础与前沿研究计划项目(cstc2015jcyjA20021);重庆市博士后科研项目(Xm2014023);中国博士后科学基金项目(2013M542238);中央高校基本科研业务费专项基金重点项目(XDJK2015B035)
作者简介: 王齐磊(1989~),男,硕士研究生,主要研究方向为天然有机质的环境地球化学,E-mail:beijixuekuaile@163.com
通讯联系人, 江韬, Jiangtower666@163.com
摘要: 溶解性有机质(DOM)作为重要的地球化学因子,在流域水体环境中扮演着重要的作用.本研究以三峡库区消落带典型农业小流域--重庆涪陵区王家沟为研究对象,结合该流域内不同土地利用类型,通过紫外-可见光吸收和荧光光谱,对小流域内水体DOM的光谱特征进行了表征和分析.结果表明,该农业小流域水体DOM空间差异较大,其组成和来源均存在明显不同. CDOM在DOM中所占比例[ag*(355)]大小顺序为:稻田水> 沟渠水> 池塘水> 井水> 出口水,其中稻田水和沟渠水的SUVA254较井水和出口水大,芳香性更明显.三维荧光光谱中2类4个荧光峰(A、C和B、T),DOM来源都是内部(微生物、藻类)以及外源(腐殖质)的双重贡献.除自生源微生物活动的影响外,外源生活污水和农业生产用水的影响也是导致DOM组分中类蛋白组分增多的重要原因.对比了不同种植季时相同位置水样DOM光谱特征,类蛋白组分是控制两个种植季水体DOM特征波动的重要因素.土地使用方式变化后水体DOC、CDOM和DOM当中的类蛋白/类腐殖荧光组分[r(T/C)]比例存在明显差异,而FI、BIX和r(A/C)差异不显著.
关键词: 三峡库区      农业小流域      溶解性有机质      三维荧光光谱      紫外-可见光谱      消落带     
Spectral Characteristics of Dissolved Organic Matter (DOM) in Waters of Typical Agricultural Watershed of Three Gorges Reservoir Areas
WANG Qi-lei1 , JIANG Tao1,2 , ZHAO Zheng3 , LIANG Jian1 , MU Zhi-jian1 , WEI Shi-qiang1 , CHEN Xue-shuang1     
1.Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China;
 2.Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences, Umeå SE-90183, Sweden;
 3.Guizhou Environmental Monitoring Center, Guiyang 550081, China
Abstract: As a key geochemical factor in earth system, dissolved organic matter (DOM) plays an important role in controlling environmental quality of watersheds. In this study, a typical agricultural watershed of Three Gorges reservoir areas, Wangjiagou watershed in Fuling district of Chongqing, was selected to characterize DOM in waters through fluorescence and UV-Vis spectroscopy, while the effect of land-use types in this watershed was discussed. The results showed large spatial variances of aquatic DOM in this watershed, with significant differences in compositions and sources. After calculation of ag*(355) for indicating proportion of chromophoric DOM in bulk DOM, the order of DOM was paddy rice field> ditch> pond> well> outlet point. DOM samples from paddy rice field and ditch showed higher SUVA254 suggesting higher aromaticity. DOM from this watershed showed 2 typical types (4 peaks A, C, B and T) of fluorescent components including humic-like and protein-like components. Dual contributions from autochthonous (e.g., microbial or alga production) and allochthonous both heavily affected the DOM characteristics. Besides active microbial activities due to high organic and nutrients inputs from agricultures, discharge of sewage and water used in agricultural production could contribute proteins possibly inducing ascending proportion of protein-like component as shown in fluorescence analysis. DOM samples from the same sampling points but in different crop plantation seasons were collected to compare, for understanding the differences between two planting seasons. It clearly suggested protein-like component was the key variable to control the DOM dynamics. After land-use changing from rice/corn into mustard plantation, all of DOC, CDOM and r(T/C)showed significant differences, but no such observations were observed in FI, BIX and r(A/C).
Key words: Three Gorges Reservoir areas      agricultural small watershed      dissolved organic matter(DOM)      three- dimensional fluorescence spectrum      UV-Vis spectrum      water-level fluctuation zone     

溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是一类化学组成和结构十分复杂的有机混合物. 它主要由腐殖酸、 氨基酸及多糖等所组成，在地表环境(水体、 土壤、 沉积物等)中普遍存在，具有重要的生态和环境意义. 作为全球碳循环重要组成部分，它对全球气候变化有重要影响，也是生态系统中物质与能量循环的重要途径，与生态系统中各个重要环节密切相关[1]，尤其是在不同流域环境中[2-6]. 在水生生态中，DOM对各种物化过程均产生重要影响，是各种养分循环的关键环节，是异养型微生物所需能源的主要提供者[7]，因此一直受到广泛关注，尤其是对DOM结构、 来源组成的辨析成为了关注重点. 目前国内外针对DOM性质研究的技术方法较多，其中紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱以其灵敏度高、 操作简便、 选择性好、 所需样品量少且不破坏样品结构等优点，被广泛运用 [8-10].

过去研究已证明不同土地利用类型是驱动陆地和水体碳循环的重要原因[11-14]，不仅影响土壤有机质周转过程[11, 12]，而且对临近水体中有机质的地球化学特征也起着重要作用，陆源输入是水体DOM最主要来源之一. 以“干湿交替”为显著特征的三峡库区消落带，作为敏感的环境生态系统，自三峡水库蓄水以来，持续受到广泛关注[15]. 其中，以坡耕地为主的农业小流域系统，对库区消落带生态环境质量起着重要作用[15-17]. 由于DOM活跃的环境角色，农业小流域对临近水环境中DOM的影响，无疑会进一步影响该区域内营养元素、 重金属、 有机污染物及温室气体等的环境行为. 尽管目前在库区消落带已开展了部分有关DOM地球化学特征的研究工作[18-22]，但大多集中于库区水体、 土壤和沉积物，对农业小流域环境的关注度不够.

基于此，本研究选取了三峡库区消落带典型农业小流域——重庆涪陵区王家沟小流域，在之前的工作基础上[22]，结合该流域内不同土地利用类型，通过紫外-可见光吸收和荧光光谱，对小流域内水体DOM的光谱特征进行了表征和分析，通过阐明典型农业小流域水体DOM地化特征的异质性，进一步了解不同土地利用类型对水体DOM特征的影响，以期为进一步了解DOM在三峡库区这个独特生态系统中的环境角色提供科学依据和研究基础.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

重庆市涪陵区珍溪镇王家沟小流域位于北纬 29°54′，东经107°30′，地处涪陵城东北，长江北岸，上距涪陵城区30 km，重庆主城区118 km，下距丰都城区46 km. 该地年平均气温22.1℃，属亚热带湿润季风气候，是长江三峡库区北岸典型农业小流域，地形属丘陵地貌特征，海拔为153~307 m，总面积72.3hm2，农田面积65.60 hm2，其中旱地和水田分别占整个流域面积的66.30%、 24.50% (图 1). 流域内分布有自然村落，无工矿企业，农业以人工耕作方式为主，除人为作业扰动外无其他较大外源干扰，土壤为侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩相发育的棕紫泥. 小流域除具有唯一流域出口外(图 1中所示两条沟渠汇集而成)，其余均被山脊所包围，可认为是一“封闭”的集水区流域，水流出口位于南部紧邻长江干流，地势从北到南逐渐降低并延伸至长江. 该流域内土地利用类型复杂，包括林地、 菜地、 田地、 少量未被利用的荒地以及少数民用地[22]. 该流域主要农作物为水稻、 玉米和榨菜，玉米和水稻一般分别在4 月和5 月上旬栽种，8 月收获，统称为玉米/水稻季； 秋冬季所有农地都种植榨菜，称为榨菜季.

图 1 采样点示意 Fig. 1 Distribution of the sampling sites

1.2 样品采集及处理

如图 1，根据集水区内的沟渠及水系分布特征，本研究在集水域的上、 中、 下部，于2014年4月选择了研究区不同类型水体26个采样点，其中稻田水(1~4)、 池塘水(6)、 沟渠水样点(5、 7~19)、 井水(20~24)、 流域出口水(25、 26). 另外，为分析作物轮作土地使用方式变化对流域水体DOM地化特征变化的影响，在2014年10月榨菜季，在研究区域采集了和4月(玉米/水稻季)采样点相同的水体，分别为沟渠水(5、 7、 9、 12、 15~17、 19)，井水(20、 22~24)，流域出口水(25、 26). 水样采集后利用HANNA多参数水质分析仪，现场测定pH、 电导率(EC)、 溶解性固体总量(TDS)基本性质，0.45 μm的Millipore滤膜过滤，放入4℃冷藏箱内送回实验室作进一步分析. 水样基本性质见表 1，所有后续分析工作5 d内完成，包括DOC浓度测定、 紫外-可见及荧光光谱分析.

表 1 水样基本性质 Table 1 Basic properties of water samples

1.3 光谱扫描及分析

水体DOM浓度以溶解性有机碳(DOC)表示，单位mg ·L-1，所有样点的水样用0.45μm的Millipore滤膜过滤后，在GE InnovOxLaboratory TOC分析仪上测定DOC. 紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱(3D-EEM)的测定均在Horiba公司Aqualog荧光光谱仪上进行. 荧光光谱测定以Millipore纯水作空白，光源为150W无臭氧氙弧灯，激发波长(Ex)范围230~450nm，增量5 nm； 发射波长(Em)范围250~620 nm. 扫描信号积分时间为3 s，Aqualog系统自动校正瑞利和拉曼散射. 荧光谱峰在Origin 8.1软件上利用peak pick功能识别，荧光峰解析参考文献[23, 24]. r(A/C)是荧光峰A与荧光峰C荧光强度比值，其值与DOM降解、 腐殖化发育程度有关[8, 25, 26]. r(T/C)是荧光峰T与荧光峰C荧光强度比值，其值可用来评估内源对DOM贡献，比值越大表明类蛋白组分越多，受微生物活动等内源影响越大； 也用于评估DOM受人为干扰的影响[27,28]. Fn(355)是Ex=355nm、 Em=450 nm时荧光强度，以Fn(355)表示荧光溶解性有机质(FDOM)的相对浓度[29-31]. 荧光指数(FI)为Ex=370 nm，Em=470 nm和Em=520 nm处的荧光发射强度比值(f470/520)，表征DOM来源，FI>1.9表示 DOM主要源于微生物活动，以内源输入为主(自生源特征较为明显)； FI<1.4则以陆源输入为主(异生源特征明显)，微生物活动等贡献相对较低[32]. 自生源指数(BIX)为Ex=310nm、 Em=380 nm与Em=430 nm处荧光强度比值(f380/430)，该值反映DOM自生源相对贡献，BIX值越大，自生源特征越明显，类蛋白组分贡献越大，生物可利用性越高[13].

紫外-可见吸收光谱测定范围为230~800nm，扫描间隔1 nm，扫描速度适中. 以355 nm处的吸收系数a(355)表示有色溶解性有机物(CDOM)相对浓度[29, 33]. 吸收系数a的计算公式为：

式中,D(λ)为波长λ处吸光度，l为光程路径(m)[18, 19, 34]. SUVA254为254nm处UV的吸收系数与DOC浓度之比，表征DOM芳香性，值越大，芳香性越高[14, 35]. SUVA260为260nm处UV的吸收系数与DOC浓度之比，表征DOM疏水组分比例，值越大，DOM疏水组分比例越高[22]. 本研究用公式：

进行S值的计算，式中,λ为波长(nm)，S为光谱斜率，λ0是参照波长(290 nm)； 光谱斜率比值：

式中，S(275~295)和S(350~400)分别为波长范围275~295 nm和350~400 nm的S值[18, 19, 36].

另外，除特别说明外，全文采用SPSS 20.0对相关数据进行差异性T检验(T-test)、 相关性分析及主成分分析，在Origin 8.1软件上进行图表绘制.

2 结果与讨论 2.1 DOC、 CDOM和FDOM

如表 2，稻田水DOC浓度为8.70~56.75 mg ·L-1，变异系数为54.72%； 沟渠水DOC浓度为4.85~76.40mg ·L-1，变异系数105.47%； 但井水DOC浓度为1.75~4.14 mg ·L-1，变异系数为40.28%； 池塘水DOC浓度6.04 mg ·L-1. 另外，沟渠水DOC高于井水10倍以上，而与稻田水接近，其变异系数最大，空间分布差异明显. 水体DOM一部分是土壤DOM经地表径流和淋溶等途径进入(外源输入)； 另一部分是水体中浮游植物、 藻类和微生物产生(内源输入). 沟渠水DOM浓度差异较大的原因可能是： 作为汇水沟渠，受周围不同土地类型的影响明显，这种类型的复杂性导致其DOC浓度波动较单一水体环境(例如池塘、 井水)更大.

表 2 DOC、 Fn(355)、 a(355)、 ag*(355)均值描述统计 Table 2 Descriptive statistics of average concentrations of DOC，a(355)，Fn(355) and ag*(355)

有色溶解性有机质a(355)也以沟渠水和出口水最多，而井水含量最少. ag*(355)是355 nm吸收系数与DOC浓度之比，其大小反映出CDOM在DOM中所占比例[18, 19]. ag*(355)值的大小顺序为稻田水>沟渠水>池塘水>井水>出口水，稻田水和沟渠水ag*(355)相对较大，故有色溶解性有机质在DOM所占比例相对较大. 不同水体中的ag*(355)、 DOC、 和Fn(355)差异明显 (P<0.05)，这进一步表明该流域内水体DOM浓度在空间分布上存在较大差异. 整体而言，出口水、 沟渠水和稻田水DOC、 FDOM和CDOM浓度相对较高； 池塘水、 井水DOM浓度相对较小. 这可能是因为井水源于矿质岩层，属于相对独立环境，几乎不受周围土地利用等外部因素影响，外源输入有限； 而池塘水也处于一个相对封闭的生态系统中，受周边土地陆源输入影响没有沟渠和稻田大.

有报道指出对大多数水体DOM而言，DOC和CDOM之间显著相关[34, 37],但本研究中并未发现这种相关性(P>0.05)，这与该区域土壤中DOM的情况一致[22]； 其可能原因是农业小流域水体受周围不同类型土地使用方式影响较大，使得生色团在总DOC中所占比例波动较大. 但FDOM与CDOM存在极显著相关性(P<0.01). 回归方程拟合为： FDOM=883.88×CDOM+2455.50(R2=0.83，P<0.01)，说明83%的FDOM浓度变化可通过CDOM来解释(图 2).

图 2 CDOM与FDOM相关性分析 Fig. 2 Correlation analysis between CDOM and FDOM

2.2 荧光光谱分析 2.2.1 荧光峰解析

荧光光谱特性是表征DOM结构组成以及溯源的重要“指纹”参数. 不同来源DOM三维荧光光谱存在一定差异. 和其他水环境DOM一致，王家沟农业小流域所有水体DOM样品中均观察到2类4个荧光峰(图 3)，分别为： ①类腐殖质峰，包括紫外光区A峰(Ex/Em=250~260nm/380~480 nm)，可见光区C峰(Ex/Em=330~350 nm/420~480 nm)； ②类蛋白峰，包括T峰(Ex/Em=230 nm/320~350 nm)(类色氨酸)，B峰(Ex/Em=230 nm/300~320 nm)(类酪氨酸). 类蛋白组分主要是由微生物和浮游植物的作用所产生，但也会受到外源生活污水和农业生产用水的影响； 类腐殖质组分主要来自于陆源土壤通过径流、 淹水释放及渗流等水文过程所输入的腐殖类物质[20, 21]. 类蛋白物质(Peak B和Peak T)荧光强度的顺序为稻田水>沟渠水>出口水>池塘水>井水，表明稻田水和沟渠水中类蛋白物质含量相对较高，一方面可能跟周边农业生产活动、 农田面源污染的直接影响有关； 另一方面，沟渠水、 稻田水和出口水DOM浓度较高(表 2)，氮、 磷通过农田径流输入水体，微生物有相对充足的可利用碳源，生物代谢活跃，有助于提高DOM中类蛋白物质贡献比例.

图 3 不同类型水体DOM的典型荧光光谱 Fig. 3 Typical fluorescence spectra of DOM in different types of water

为进一步探讨DOM不同荧光组分来源归趋性，对4个峰及DOC、 a(355)作相关性分析(表 3)，结果显示A、 C、 B、 T峰之间均存在显著相关(P<0.05)，表明三峡库区农业小流域水体DOM类蛋白组分和类腐殖质组分存在共源性. 另外，4个峰与a(355)都存在极显著相关性(P<0.01)，这和CDOM-FDOM的显著相关性一致，说明CDOM组分 受4个峰的共同影响； 但各荧光峰与DOC相关性 不显著，这与Chen等[38]对海洋DOM样品的研究结果一致，可能是因为农业小流域水体DOM受周边土地利用如农业耕作(农家肥施用、 土地翻耕、 作物种植等)、 居民生活等影响，通过地表径流和渗滤等输入强度不同，一方面使得荧光组分变化存在差异； 另一方面使得非荧光物质在DOM中所占比例不同，因此导致DOC与各荧光峰相关性不显著. 另外，CDOM可以通过光化学过程被降解，转变成非吸光组分[39]； 微生物也可以吸收非吸光组分，产生吸光组分[40]. 因此，单纯的DOC指标并不足以全面描述DOM的地化特征变化.

表 3 DOM不同荧光峰及DOC、 a(355)之间相关性1) Table 3 Correlations among different fluorescence components of DOM，DOC and a(355)

2.2.2 荧光光谱特征参数

由于A峰主要由低分子量(高荧光效率)类腐殖组分引起，C峰则来自相对稳定高分子量类腐殖组分，降解潜能较大、 降解程度低. 因此r(A/C)值可用来反映DOM中类腐殖组分发育程度[25, 26]. r(T/C)是类蛋白荧光与类腐殖质荧光比值，可用以评价内源贡献比重，也用来评估水体污染情况[28]. 本研究DOM的r(A/C)分布2.01~3.92之间，均值2.26±0.35，变异系数15.48%； 本研究水体DOM的r(T/C)分布在0.53~5.41之间，均值为2.74±1.15，变异系数41.98%. 大部分样品r(T/C)位于典型人为影响阈值2.0以上[图 4(a)]，表明该农业小流域水体受外来人为影响比较大. 值得注意的是，沟渠水r(T/C)基本均大于2.0，变异系数为37%，这可能与沟渠水周边为农田生态系统(玉米地和稻田地)有关： 农业活动导致大量氮、 磷及蛋白质等由土壤系统进入到水体当中，为微生物活动提供充足的营养物质，导致水体DOM类蛋白质组分较高.

图 4 水体DOM的r(T/C)-r(A/C)和FI-BIX分布 Fig. 4 Distributions of r(T/C)-r(A/C) and FI-BIX values of water DOM in this agricultural watershed

FI是判断DOM来源的重要评价指标. 本研究农业小流域土壤DOM的FI在1.53~1.87之间，均值为1.62±0.08，变异系数为4.88%，FI值全部介于1.40和1.90之间[图 4(b)]，表明三峡库区农业小流域水体DOM来源既有内部微生物活动产生又有外部地表径流和淋滤等输入，即内源输入和外源负荷的综合影响. 井水和池塘水FI值更接近1.90，内源特征明显，而沟渠水和稻田水外源特征更加明显.

BIX是反映DOM自生源相对贡献的重要指标，也用来评价其生物可利用性高低. BIX指数越高，说明DOM降解程度增加、 内源碳产物越容易生成[26, 41]. 农业小流域DOM的BIX在0.74~1.19之间，均值为0.82±0.11，变异系数为13.01%. 沟渠水BIX均值为0.78±0.03，稻田水BIX均值0.78±0.03，出口水0.74±0.01，池塘水0.81，井水BIX均值为0.92±0.10，表明所有类型水样均具有明显新近自生源特征，即自生源特征较显著，生物可利用性较高，因此有利于微生物生长. 而微生物活性较高，有利于增加DOM中类蛋白组分——这也正可以解释前文中CDOM浓度和类蛋白组分较高的相关性. 同时，FI和BIX较强相关性(r=0.906)进一步证明[图 4(b)]，具有较高生物可利用性的DOM具有更强的自生源特征(高FI值).

将本研究三峡库区农业小流域水体DOM的荧光参数与其他不同类型水体及三峡库区农业小流域土壤进行比较分析(表 4)，结果表明，本研究农业小流域水体DOM的r(A/C)较其他水体高，腐殖化程度比河流水体高，降解程度低. FI值较Valloxen和Albufera des Grau湖 (外源输入为主)高，而比Big Sulphur Cave(内源贡献为主)低，和农业小流域土壤DOM的FI值较相近，农业小流域土壤DOM样本内(自生源)、 外(异生源)均对其组成有显著影响，水体DOM也表现出外部土壤径流、 淋滤和内部微生物活动的双重贡献： 相对而言，池塘水、 井水以内源贡献为主，而沟渠水和稻田水则主要靠外源输入.

表 4 不同类型水体的对比1) Table 4 Comparison of different types of water

2.3 紫外-可见吸收光谱特征

总体上吸光度随波长增加呈指数形式递减，500 nm之后吸收系数几乎为零. 大部分样品无明显吸收特征峰. 从230~800 nm的吸收系数来看，其变异系数在46.42%~214.76%之间，表征水体DOM光谱存在较大地域差异，这与DOM浓度及荧光光谱分析一致.

SUVA254可以反映出DOM芳香性大小，值越大代表腐殖质芳香性越高. 本研究样品SUVA254的变化范围在0.46~8.69L ·(mg ·m)-1之间，均值为(3.52±2.65)L ·(mg ·m)-1，变异系数为5.16%. 稻田水和沟渠水的SUVA254较井水和出口水大，芳香性特征更明显. SR与DOM结构和分子量有关，能够定性反映DOM地化特征[36]. SR与DOM分子量大小呈负相关，其值越大DOM分子量越小. 本研究SR变化范围0.30~1.36，平均值0.97±0.27，变异系数为27.89%. 比较不同类型水体DOM的SR值，其中稻田水最小(SR=0.90)，出口水最大(SR=1.23). SR值的变化一般来自于CDOM组成的差异，其值也可作为区分CDOM来源和组成的参数，不同类型水体CDOM的SR值大小不一，因而认为农业小流域CDOM组成存在差异. 稻田水DOM的分子量较大，这与ag*(355)的表征结果一致.

运用主成分分析(principal component analysis，PCA)对3个紫外光谱参数和4个荧光光谱参数进行分析[图 5(a)]，探寻影响整个流域不同类型水体DOM特征的关键因素. 主成分分析产生两个主成分因子(principal component，PC)，累计方差贡献率达到85.25%，能够反映原始指标的大部分特征. 如[图 5(a)]，PC1和内源输入有关，例如农肥施用导致的高营养盐水平，以及活跃的微生物活动等，其方差贡献率为55.69%，与FI、 BIX、 r(A/C)、 r(T/C)呈显著正相关； PC2和陆源输入有关，例如秸秆腐解及地表径流等过程，方差贡献率29.56%，与SUVA254、 SUVA260呈显著正相关. 图 5(b)是王家沟农业小流域水体26个采样点的得分，从中可以看出井水样点与其他类型水体采样点分布具有明显差异，稻田水样点、 出口水样点以及少部分沟渠水样点位于下方椭圆内，大部分沟渠水和池塘水样点则分布于上方椭圆内，间接证明王家沟农业小流域不同类型水体DOM组成与来源受周围不同类型土地的影响差异较大，与前文沟渠水与井水较大的差异性相一致.

图 5 水体DOM主成分分析 Fig. 5 Principal component analysis of DOM in water

将本研究水体DOM的紫外参数SR和SUVA254与其他类型水体及农业小流域土壤DOM进行对比分析(表 5)，农业小流域水体DOM的SR值比北太平洋海水低，而与其他类型水体相近，农业小流域水体DOM分子量比海水高，而与其他淡水水系较接近. 农业小流域水体和土壤DOM的SR一致性进一步表明，水体DOM受周围外部土壤径流、 淋滤等过程的影响比较大. 与其他农业流域稻田水DOM相比较本研究水体DOM的SUVA254值变化范围较大，不同类型水体中腐殖质芳香性差异较大.

表 5 不同类型水体的对比 Table 5 Comparison of different types of water

2.4 土地利用变化前后水体DOM比较

在4月中旬和10月中旬分别在相同位置(但周边土地利用类型发生变化)采集水样DOM，用以比较土地利用类型变化前后小流域水体DOM的变化(表 6)，4月种植玉米或水稻； 10月均种植榨菜. 对两个种植季DOC、 FDOM、 CDOM对比发现，FDOM浓度差异性不显著(P>0.05)，而DOC和CDOM浓度差异性显著(P<0.05). 4月沟渠水、 出口水的DOM浓度和CDOM浓度均高于10月. 其原因可能是： ①在两个种植季，水体DOM受周围农业耕作土地的翻耕、 居民生活、 植被生长等影响，外源输入强度不同，使得DOM浓度和有色溶解性有机质存在差异； ②FDOM是CDOM吸光后发出荧光的部分，但并非所有CDOM吸光后都会发出荧光： 玉米/水稻季和榨菜季FDOM差异不显著而CDOM差异较大，可能是由于非荧光物质在CDOM中所占的比例不同的缘故.

表 6 不同作物季节水体DOC、 a(355)、 SR、 SUVA254分布特征 Table 6 Distribution characteristics of DOC，a(355)，SR，SUVA254 of water DOM in different seasons

另外，玉米/水稻均属禾本科，而榨菜为芥菜的变种，属十字花科植物. 前者较后者生物量及其木质素含量更高，加上作物秸秆分解，是造成高DOC和CDOM的重要原因. 尽管4月已渐进雨季，径流增加，理应进一步导致水体DOM芳香性特征增强. 但本研究中，DOM的SR值存在明显差异(P<0.05)，但SUVA254变化并不明显(P>0.05). 和4月种植玉米/水稻相比，10月样本SR值明显下降，分子量增大. 这可能是由于4月光照辐射强度高于10月，光降解加速了DOM降解，导致对光降解十分敏感的指标SR减小，而芳香性结构的破坏，使得两季SUVA254值差异不大.

对比两季荧光参数(表 7)，玉米/水稻季FI为1.53~1.87[均值(1.62±0.08)]，榨菜季FI为 0.58~1.92[均值(1.64±0.19)]两种植季差异性不显著(P>0.05),玉米/水稻季BIX为0.74~1.19[均值(0.82±0.13)]，榨菜季BIX为0.73~1.13(均值0.81±0.15)两种植季差异性也不显著(P>0.05). 两季r(A/C)无明显差异，但r(T/C)存在显著差异(P<0.05) 表明水体DOM受周围农业耕作化肥的使用情况、 植被生长等影响，外源通过地表径流和淋滤等方式进入到农业小流域水体中的强度不同，使得在不同种植季节水体类蛋白质和类腐殖质含量存在差异. 榨菜季，大量氮肥施用引起的微生物活性升高，也是水体DOM中类蛋白组分比例增加的重要原因. 结合两个季节FI和BIX值进一步分析可知，玉米/水稻种植季和榨菜种植季DOM来源“内、 外源”(类腐殖质和类蛋白质)均有，都表现为外源组分和自生源组分的共同作用.

表 7 不同作物季节水体FI、 BIX、 HIX、 r(A/C)、 r(T/C)变化范围 Table 7 Range of FI，BIX，HIX，r(A/C)，r(T/C) of water DOM in different seasons

进一步，结合紫外光谱特征分析可知，类蛋白组分是控制两个种植季水体DOM特征波动的重要因素. 其来源一方面来自于农作活动的直接输入(例如农肥施用)； 同时有机碳、 氮、 磷等增加，微生物活性增加，从而使得水体DOM中内源信号特征明显. 由此可见，作为受人为活动干扰较大的农业小流域，其水体DOM的性质特征与受干扰较小的森林流域等[32]，存在明显不同，前者属于“类蛋白质(内源)-类腐殖质(外源)复合主导型”，而后者属于单一“类腐殖质(外源)主导型”.

3 结论

(1)三峡库区农业小流域水体DOM空间差异较大，其组成和来源均存在明显不同. 和其他类型水体DOM类似，三维荧光光谱中2类4个荧光峰(A、 C和B、 T). 沟渠水B、 T峰荧光强度明显大于井水，而与稻田水荧光强度相近，水体DOM类蛋白组分和类腐殖质组分存在共源性. 本研究中没有发现FDOM、 CDOM分别与DOC的显著线性相关性. 荧光光谱特征表明，除自生源微生物活动的影响外，外源生活污水和农业生产用水的影响也是导致DOM组分中类蛋白组分增多的重要原因.

(2)农业小流域不同类型水体DOM的吸光组分存在显著性差异，同时非生色团在整个DOM中的比例也不同，变化较大，稻田水和沟渠水CDOM在DOM中所占的比例较大，而井水相对较小. 同时，SR值差异显著； 稻田水和沟渠水DOM芳香性、 疏水组分明显高于池塘水和井水(内源贡献明显).

(3)在玉米/水稻季和榨菜季，类蛋白组分是控制两个种植季水体DOM特征波动的重要因素. 土地使用方式变化后水体DOC、 CDOM和DOM当中的类蛋白/类腐殖荧光组分(r(T/C))比例存在明显差异，而FI、 BIX和r(A/C)差异不显著. DOM的腐殖化程度两季差异性不显著，不同种植季农业小流域水体DOM总体上都表现出较弱的腐殖化程度，DOM来源都是内部(微生物、 藻类)以及外源(腐殖质)的双重贡献.

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