2018, Vol. 39
2. 成都大学环境系, 成都 610106;
3. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041
2. Department of Environmental Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China;
3. Institute of Mountain Hazard and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是指用0.45μm滤膜过滤后的水体或土壤溶液中可溶态的有机质[1], 尽管DOM仅占地球表面碳库极小部分, 因其无处不在且活性高、成分复杂, 联系着陆地生态系统和水生生态系统(河流、库泊、湿地、海洋等)之间的碳转移, 从而在全球碳生物地化循环中扮演着极其重要角色[2, 3].很多研究显示在过去几十年北半球的河流和湖泊水体中DOM浓度明显升高[4~6].如长期研究显示由于高海拔湿地等土壤有机碳稳定性降低, 英国高地河流中DOM浓度10余年间增加了65%(平均每年增加5.4%)[7]; 北方泥炭地(储存了约全球20%土壤碳)亦是如此, 进入水体输入海洋的DOM通量显著增加[8].尽管水体中DOM升高的原因还有很大争论[9], 但如果这种变化趋势在自然水体中是确定的, 不但对于全球碳循环具有重要影响, 而且对生活饮用水源水质、痕量元素和有机微量污染物含量及其对水生生态系统食物链的生态毒理等生态系统结构与功能产生重要影响[9].有色溶解性有机物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)是溶解性有机质(DOM)的最重要组分, 且CDOM易于利用紫外-可见光光谱或三维荧光光谱法(EEM)进行特征分析, 可较为全面地揭示水体DOM动态过程、DOM组分及其来源, 相关研究日益引起重视.青藏高原作为我国人为干扰和污染较少、土壤碳储量极高的低温生态系统, 也是我国主要江河发源地和集水区, 该区域自然水体中CDOM特征及其变化趋势分析对在全球变化背景下区域环境效应特征研究具有重要理论价值, 可为西南诸河上游水陆界面碳交换通量、河流水质变化特征以及水资源管理等研究提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况本研究选取川西北高原4条具有代表性的河流, 分别是高原夷平面上白河(黄河在四川重要支流), 及分布于高山峡谷区的杂谷脑河、抚边河、岷江上游(均属于长江水系).其中, 白河发源于红原县分水岭, 流域地形平缓, 植被多为高寒草甸、草原以及灌丛草地, 进入若尔盖后因地形更加平缓, 坡降低至0.6‰, 河流蜿蜒曲折形成河漫滩和沼泽湿地, 干流均为土质河床.杂谷脑河为岷江上游最大支流, 在汶川汇入岷江; 岷江发源于松潘黄龙附近, 本次研究采样溯至岷江正源; 抚边河是大渡河二级支流, 发源于梦笔山, 向南至小金汇入小金川后至丹巴注入大渡河.抚边河、杂谷脑河与岷江上游这3条河流的共同点是均分布在川西高海拔高山峡谷区, 坡降极大致水流湍急, 为石质或碎石河床, 底泥物质少或无.
1.2 样品采集与处理本研究于2016年10月沿杂谷脑河、抚边河、白河、岷江上游从源头开始沿程采样.杂谷脑河设置7个点(编号Z1~Z7);抚边河设置5个点(编号F1~F5);白河设置7个点(编号B1~B7);岷江源至镇江关段设置9个点(编号M1~M9).样点分布如图 1所示.水样收集于特氟龙采样瓶中.采样瓶使用前先用肥皂水清洗一遍, 再用超纯水清洗6遍, 置于烘箱60℃烘干待用[10].采样前用待测水样润洗采样瓶3次, 每个点采3个重复样.将采样瓶放置于4℃保温箱内避光保存.在采样完毕后, 立即将水样运回实验室分析(结果见表 1).分析前先将水样平衡至室温(25℃), 用0.45 μm针孔滤膜(PVDF, Millipore, USA)过滤.
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图 1 川西高原河流CDOM水样采样点分布示意 Fig. 1 Sampling sites of CDOM in the plateau rivers in western Sichuan, Southwest China |
所有水样CDOM三维荧光光谱及紫外-可见光谱采用Horiba公司Aqualog荧光光谱仪进行测定.测定条件为：150 W氙灯为激发光源, PMT电压设为700 V, 配以1 cm石英比色皿; 扫描光谱进行仪器自动校正; 扫描波长范围为激发波长(excitation wavelength, Ex)为240~550 nm, 发射波长(emission wavelength, Em)为214~619 nm; 间隔和狭缝宽度分别为3.0 nm和2.5 nm.采用Millipore超纯水作空白, 系统自动处理去除拉曼及瑞利散射.荧光强度大小以单位R.U.(Roman Unit)标注. CDOM光吸收系数a(λ)采用非线性回归方法进行计算, 以355 nm处的吸收系数[a(355)](m-1)表示CDOM的相对浓度[11].
所有水样中溶解性有机碳(DOC)、溶解性氮(TDN)浓度采用总有机碳总氮分析仪(Milti N/C 2100S, 德国Jena), 采用Millipore超纯水作空白.
1.4 数据处理分析CDOM三维荧光数据采用Matlab 2014a调用DomFluor工具箱进行平行因子分析法分析, 将所有样品的荧光矩阵组合, 构成一个新的三维矩阵组进行平行因子处理.整个分析过程包括数据处理(扣除空白、去除瑞利和拉曼散射), 去除异常值并利用核一致性结果及激发、发射光谱的误差平方和曲线, 初步确定组分数范围, 确定组分数并进行裂半分析与有效性检验.利用三维荧光数据识别荧光组分, 分别计算荧光指数FI、自生源指标BIX、腐殖化指数HIXb、新鲜度指数β:α以及a(355)，结果见表 1.采样点分布图用ArcMap 10.3绘制.
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表 1 川西高原4条河流沿程采样点水样主要性质 Table 1 Parameters of water samples along plateau rivers in western Sichuan |
2 结果与讨论 2.1 水体CDOM的荧光特征组分
基于PARAFAC模型分析所有水样的三维荧光数据, 结果显示这4条高原河流中的CDOM荧光特征呈现3个荧光组分.这3个荧光团组分及特征见表 2, 激发和发射波长载荷见图 2.
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表 2 高原河流水体中CDOM荧光团组分特征 Table 2 Fluorescent characteristics of CDOM in plateau rivers in western Sichuan |
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图 2 高原河流水体中CDOM的3个组分EEMs及载荷 Fig. 2 EEMs and loadings of three components of CDOM in four plateau rivers |
组分C1(Ex: 260/Em: 480)具有一个激发峰和发射峰, 位于传统的A峰(230~260 nm/380~460 nm)区域[16], 被认为是以分子量较大的芳香氨基酸腐殖物质的UVC类腐殖质, 以陆源为主, 也有自生源.该类物质在湿地和森林环境中含量最高.
组分C2[Ex: 310/Em:420(570)]具有一个激发峰和两个发射峰, 被认为主要是分子量较高的荧光特征与富里酸类似的UVA类腐殖质, 位于传统的M峰(290~310 nm/370~420 nm)区域[19].一般来自陆生植物或土壤有机物.
组分C3(Ex:280/Em:370)具有一个激发峰和发射峰, 主要体现的是类色氨酸类蛋白物质.该类物质是荧光特征类似于游离色氨酸, 被认为是陆生植物或土壤有机质自生源产生过程产生的蛋白质或较少降解的缩氨酸[13, 17, 20].
2.2 高原河流水体CDOM荧光强度沿程变化杂谷脑河、抚边河、岷江、白河的荧光强度沿程变化如图 3所示.从CDOM各组分贡献率分析, 对于高山峡谷区河流, 杂谷脑河沿程类蛋白类物质贡献率均高于类腐殖质物质, 抚边河(点F3除外)与岷江沿程3个成分贡献率相差不大.对于白河, 沿程C1和C2组分的变化导致总CDOM变化, 因此陆源输入特征显著, 而C3组分在沿程变化幅度很小.
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图 3 4条高原河流CDOM及各组分荧光强度沿程变化 Fig. 3 Fluorescent intensities of components along four plateau rivers in western Sichuan |
通常, 自然河流中类蛋白质荧光组分(C3)含量较低, 而在受到人为源(如生活源和农业非点源)输入河流中类蛋白荧光组分比例较高.杂谷脑河C3较高, 可能与流域农地分布较多而且居民点众多导致农业面源和生活源输入, 引起及水体中微生物通过代谢活动释放出大量类蛋白物质有关.抚边河的F3点处类蛋白组分C3贡献率较高, 是由于该点是一个村落人口较为集中且耕地分布较多, 同样是因为人为源输入增加引起的.有意思的是, 岷江上游沿途同样非常多的居民点, 但C3贡献率及其变化不大, 这可能与岷江沿途接纳较多的雪山融水及岷江干流流速快和径流量大的强烈稀释作用, 以及与松潘以下江段海拔降低水体自净作用增强有关.
总荧光强度体现了CDOM中每个荧光团综合贡献, 能较全面反映CDOM荧光团浓度[21].从总荧光强度值分析, 杂谷脑河、抚边河、岷江、白河的变化范围分别为1 090.88~1 349.97、1 070.87~1 372.95、1 136.82~1 745.19和2 064.00~4 048.36 R.U.; 均值分别为(1 181.37±66.90)、(1 231.11±119.71)、(1 498.67±203.31)和(3 260.15±697.00) R.U..与高山峡谷区杂谷脑河、抚边河、岷江相比, 高原夷平面的白河总荧光强度明显较高, 即白河CDOM含量较高.究其原因, 可能是因为白河流经富含泥炭和腐殖质的泥炭沼泽和高寒草甸, 冻融侵蚀及壤中流等携带大量有色溶解性有机质汇入河流水体, 导致河流中接受了较多的陆源CDOM; 同时白河沿程地势较为平缓, 降水后地表汇流缓慢有利于土壤溶解性有机碳充分浸出, 河流平缓也导致沿岸和底泥中CDOM充分进入水体, 而且沿河海拔较高(均在3 000 m以上)气温低, 微生物活性低, 水中CDOM生物转化过程受到限制有利于CDOM在水体中积累.在高山峡谷区, 土壤中有机质相比草甸和湿地含量低, 无泥炭层, 山体坡降大流速快、降水汇流快而且汇流区面积较小, 加上积雪融水等稀释作用强烈, 即使有人为输入(岷江上游部分位点)CDOM也迅速扩散, 对河流总CDOM影响不大.因此高山峡谷区这3条河流整体总荧光强度也相对较低.
2.3 水体荧光特征参数分析本文选取了荧光指数FI、自生源指标BIX、腐殖化指数HIXb和新鲜度指数β:α对川西高山峡谷区的杂谷脑河、抚边河、岷江及高原夷平面的白河水体中CDOM的来源进行分析.各特征参数的均值见表 3.
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表 3 高原河流CDOM荧光参数特征 Table 3 Characteristics of fluorescent indices of CDOM in plateau rivers in western Sichuan |
荧光指数(fluorescence Index, FI)是指样品在370 nm波长下, Em在470 nm与520 nm波长处荧光强度的比值.荧光指数反映了芳香与非芳香氨基酸对CDOM荧光强度的相对贡献率, 作为衡量CDOM来源及降解程度的指标[22~24].同时, FI与CDOM的骨架特征有显著的相关性, 尤其是芳香性指数[21], 以及分子结构的共轭程度[25]. FI值＞1.9表示CDOM源于细菌和藻类的胞外释放以及渗出液, 具有显著的内源产生特征; FI值< 1.4则体现了源于陆生植物和土壤有机质等外源输入为主的特征.由此看来, 高山峡谷区3条河流CDOM兼有内外源特征, 其中杂谷脑河内源特征较强, 而岷江上游和抚边河外源性特征较强; 白河CDOM则具有极强的外源性特征.
自生源指标(index of recent autochthonous contribution, BIX)为Ex=310 nm、Em在380 nm与430 nm处荧光强度比值[26].有研究认为BIX在0.8~1.0之间体现新生自生源CDOM较多, 0.6~0.8之间表示自生源贡献较少[27], 这个参数反映了新产生的CDOM在整体CDOM中所占的比例, 自生源指数越高表明CDOM降解程度增加、内源碳产物越容易生成[28].高山峡谷区3条河流BIX值均大于1.0, 其自生源组分特征明显, 而高原夷平面的白河有较强新近自生源组分.
腐殖化指数(humification index, HIX)是评价CDOM腐殖化程度的重要指标, 能一定程度上反映CDOM输入源特征[29].采用归一化HIX(HIXb)以消除内滤效应干扰, HIXb是254 nm激发波长下Em在435~480 nm荧光强度积分值除以300~345 nm与435~480 nm间荧光强度积分值之和, HIXb高表明CDOM腐殖化程度高[30].总体来看, 白河CDOM腐殖化程度均高于其他3条河流, 显示白河具有更显著的外源腐殖质输入特征.
新鲜度指数(β:α)为310 nm激发波长下, 380 nm发射波长处荧光强度与420~435 nm区间最大荧光强度的比值(Ex=310 nm, Em 380/Emmax 420~435 nm), 反映新产生CDOM在总CDOM中的比例.其中, β代表新近产生CDOM, α代表降解程度较高的CDOM[28], 可为定量评估水体生物活性提供依据. 4条河流水体中CDOM按新鲜度指数排序, 最高和最低分别是杂谷脑河、白河, 抚边河、岷江介于两者之间, 这表明高山峡谷区的河流新鲜度均高于高原夷平面的河流.
综上所述, 高山峡谷区河流CDOM来源既有外源输入也有内源产生, 都具有较强新近自生源组分; 高原夷平面河流的外源特征更明显, 自生源特征相对较弱; FI、BIX和β:α值按照杂谷脑河、抚边河、岷江、白河的顺序递减, 而HIXb趋势则相反.这些指标均表明, 高山峡谷区的河流内源和自生源特征更加明显, 而高原夷平面河流则腐殖化和外源输入特征显著(图 4).总体上, 与Ohno等[30](FI值与DOM芳香性成负相关关系, FI越高芳香性越弱, 腐殖化程度越低)、Huguet[31](以陆源输入为主的水体CDOM腐殖化程度较高)、以及Williams[32](在人为活动影响的土地类型中FI普遍较高, 自生源BIX程度高, 与β:α成正比, 而湿地中类腐殖质较多)的研究结果是一致的.
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图 4 川西高原河流CDOM的FI-HIX、BIX-HIX相互关系 Fig. 4 Relationship between FI and HIX, BIX and HIX in plateau rivers in western Sichuan |
荧光组分、荧光参数(FI、BIX、β:α、HIXb)、水体碳氮特征(DOC、DIC、TDN)及a(355)进行相关性分析结果表明(表 4), 4条河流中类腐殖质组分之间(C1、C2)相关达到显著水平, 显示了高原河流水体中CDOM的陆源共性特征.白河中类腐殖质组分(C1、C2)与类蛋白组分(C3)间极显著相关性, 这可能表明它们关系密切. 4条河流中β:α与BIX存在着极显著相关; 白河中β:α与FI、BIX正相关, 与HIXb负相关; FI与BIX正相关; HIXb与FI、BIX负相关. 4条河流的DOC浓度与CDOM相对浓度[a(355)]相关性均未达显著性水平, 这表明这4条高原河流或这些河流的某些区段水体中可能还存在大量具有非生色团的溶解性有机物, 通过CDOM可能无法较为全面反映水体DOM的特征, 特别是在水陆碳交换通量以及水体中CDOM动态特征研究方面需要将二者结合起来.对于高原河流, 微生物为主的内源过程活性远低于低海拔水体, 因此溶解性氮(TDN)主要涉及到类蛋白组分C3等相关性并不显著, 这也显示高原河流水体中TDN组分可能并不是CDOM微生物转化和矿化过程的制约因素.
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表 4 川西高原典型河流的荧光组分、荧光参数与TDN、DOC、DIC、a(355)相关性分析结果1) Table 4 Correlations among three fluorescent components、three fluorescent indices, and TDN, DOC, DIC, a(355) |
3 结论
(1) 4条高原河流水体中CDOM组分均呈2类3个组分, 即C1(260/480, UVC类腐殖质)、C2[310/420(570), UVA类腐殖质]和C3(280/370, 类色氨酸类).其中, C1、C2属于类腐殖质类, C3属于类蛋白质类物质.
(2) 白河类腐殖质(C1、C2)含量较类蛋白类组分(C3)高, 且总荧光强度高于高山峡谷区河流(杂谷脑河、抚边河和岷江); 高山峡谷区河流的类蛋白类物质组分(C3)贡献率均高于类腐殖质物质(C1或C2); 白河沿程总CDOM变化主要是C1和C2组分变化所致.
(3) 白河CDOM由陆源输入为主, 类腐殖质含量较高, 腐殖化特征系数高, CDOM降解程度较低, 且强度高于高山峡谷区河流, 而高山峡谷区河流CDOM则体现出外源兼内源特征, 腐殖化程度较低, CDOM降解程度高, 自生源特征相对更强, 新生自生源贡献更大.
(4) 4条河流中类腐殖质C1和C2呈显著相关, 白河中类腐殖质(C1、C2)与类蛋白组分(C3)相关性显著; β:α与BIX极显著相关, 白河中参数β:α与FI、BIX正相关、与HIXb负相关; 高原河流中DOC浓度与CDOM相对浓度[a(355)]相关未达到显著水平, 表明CDOM荧光特征不足以全面反映高原水体DOM特征.
致谢: 感谢沈丹杰、胡伟协助完成采样工作, 感谢鲜青松、刘慧云为水样分析提供技术支持.| [1] | Thurman E M. Organic Geochemistry of Natural Waters[M]. Dordrecht: Martinus Nijhoff/Dr W. Junk Publishers, 1985: 165-166. |
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