2021, Vol. 42
, CHEN Zhao-ying , ZHANG Tian-na , ZHANG Zi-wei , SUN Yue , YAO Bo , CUI Jian-sheng , LI Zai-xing , LUO Xiao
溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是一类包括亲水性有机酸、类蛋白、类氨基酸以及类腐殖酸的混合体有机物的总称[1].众所周知, DOM不仅作为碳循环的重要载体, 是地球碳素地球化学循环的重要组成部分[2]; 而且还能与许多金属和有机污染物相结合, 发生复杂的化学反应[3]; 同时也可作为有机碳源, 参与异养微生物的代谢过程, 进而影响微生物群落结构的生态演变[4].因此, 可通过对DOM的解析, 进一步认识环境中相关元素的地球化学循环过程.
近些年来, 研究者发现可以通过对DOM中可产生荧光的物质进行解析, 进而分析DOM的组成及特征.由于简便、高灵敏度的特点, 紫外-可见光谱以及三维荧光光谱技术成为解析DOM的重要研究手段[2, 5, 6], 广泛应用于河流[7]、湖泊[8]、水库[9]以及海洋[10]等环境中.众所周知, 沉积物间隙水是沉积物与其上覆水体之间进行物质交换的重要媒介和场所, 沉积物间隙水的理化环境对沉积物-上覆水的元素循环有重要影响[11~13].因此, 对沉积物间隙水中DOM的研究, 将不仅有助于探索有机物的迁移转化规律; 而且还对研究该环境中元素的地球化学循环提供必要支撑.
自雄安新区设立以来, 白洋淀作为新区重要的生态屏障, 其生态环境的好坏直接影响新区的建设.沉积物间隙水作为白洋淀沉积物和水体进行物质交换的重要场所, 对白洋淀生态环境的演变具有重要作用.依据历史承载功能, 白洋淀被划分为不同功能区(自然区、旅游区、生活区、养殖区以及入淀区), 淀区环境的差异会造成元素地球化学循环演变的不同.目前, 涉及白洋淀DOM的研究主要为本课题组关于冬季冰封期的DOM光谱特征以及与微生物演变的解析[14]; 对于白洋淀非冰封期沉积物间隙水DOM的研究鲜有报道, 尤其是针对不同典型淀区沉积物间隙水DOM的分布特征及光谱特征还缺乏研究.因此, 本文利用紫外-可见光谱技术以及三维荧光光谱技术结合平行因子分析法, 重点研究白洋淀在非冰封期各典型淀区中沉积物间隙水DOM的组成、光谱特征以及环境因子的相关性, 以期为研究白洋淀DOM循环过程以及水体生态保护提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 采样地点及样品提取白洋淀位于河北省保定市(北纬38°44′~38°59′; 东经115°45′~116°26′), 总面积366 km2, 是华北平原最大的淡水湖泊.白洋淀属于大清河流域, 年平均气温7.3~12.7℃、年平均降水量~564 mm, 冰封期为12月至来年2月, 非冰封期为3~11月[15].本实验于2019年4月(春季)、7月(夏季)以及10月(秋季), 选取了白洋淀各典型淀区25个采样点采集表层沉积物样品的间隙水, 结合紫外-可见光谱以及三维荧光光谱技术来分析间隙水DOM的光谱特征.采样点分布的具体位置见图 1.沉积物间隙水参照前期研究的方法[16], 具体如下：用彼得森采泥器采集表层沉积物, 样品采集完成后迅速用封口袋密封, 储于敷有冰袋的箱子保存; 沉积物样品带回实验室后, 使用冷冻离心机对沉积物样品进行离心(10 min, 转速6 000 r·min-1), 离心后的水样即为沉积物间隙水.间隙水用0.45 μm玻璃纤维滤膜(预先于450℃灼烧5 h)过滤后进行光谱测定, 装入玻璃瓶内保存在4℃冰箱里. 48 h内完成相关水质指标(溶解性总磷、溶解性总氮、硝氮和氨氮)以及光谱的测定.
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图 1 白洋淀沉积物间隙水采样点分布示意 Fig. 1 Sampling sites of sediment interstitial water in Baiyangdian Lake |
紫外-可见光谱采用DR6000分光光度计(美国HACH公司)进行测定, 以Mill-Q水为空白, 用1 cm石英比色皿在200~700 nm范围内进行吸光度测定.本文采用如下公式计算吸收系数：
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(3) |
式中, λ为波长, 单位为nm; a′(λ)和a(λ)分别为未经散射校正的波长为λ处的吸收系数和经过散射校正过后的波长为λ处的吸收系数, 单位为m-1; D(λ)为吸光度; r为光程路径, 单位为m; S为指数函数曲线光谱斜率, μm-1.本研究中选取a254来表示DOM的相对浓度[17].与此同时, 通过如下紫外光谱参数反映DOM的相关特征.具体如下：计算SR(为S275- 295/S350- 400)反映DOM的来源, 其值越大自生源特征越强[18]; E2/E3值与DOM分子量的大小成反比[19]; E3/E4值与腐殖质的腐殖化程度和芳香性成反比[19].
1.3 三维荧光光谱测定及特征指数三维荧光光谱采用F97荧光分光光度计进行测定.设备的主要参数如下：激发波长范围为250~600 nm, 步长间隔为1 nm; 发射波长范围为200~450 nm, 步长间隔为5 nm; 扫描速度为2 400 nm·min-1.三维荧光光谱的荧光强度进行拉曼单位(R.U)的标准化处理, 具体操作详见文献[20].采用PARAFAC对三维荧光光谱进行解析, 并通过残差最小确定荧光组分数, 利用折半分析来分析结果的可靠性[9, 21].三维荧光光谱的相关指数如下：荧光指数(FI)可表征DOM中腐殖质来源[22]; 腐殖化指数(HIX)被用来表示DOM的腐殖化程度, HIX值与DOM腐殖化程度成正比[23]; 生物源指数(BIX)被用来估计内源物质对DOM的相对贡献[24]; 新鲜度指数(β∶α)反映DOM中新生DOM的所占比例, 可评估水体生物活性[17].Fn280和Fn355分别反映DOM中类蛋白和类腐殖质的相对丰度[14].
1.4 数据分析采用Matlab R2014a软件进行三维荧光光谱的平行因子分析.采用R软件进行主成分分析(PCA)、皮尔逊相关性分析以及单因素方差分析.
2 结果与分析 2.1 紫外-可见吸收光谱特征白洋淀不同季节和不同区域的沉积物间隙水DOM在254处吸收系数如图 2和图 3所示, 结果表明夏季沉积物间隙水DOM的相对浓度要显著高于春季和秋季, 达到(63.60±17.77) m-1[图 2(a)]; 春季、夏季以及秋季的a254都是呈现自然区最高、旅游区最低的分布特点[图 3(a)], 自然区达到(60.23±4.83) m-1(春季)、(90.60±33.63) m-1(夏季)和(62.55±25.80) m-1(秋季); 旅游区为(37.85±7.76) m-1(春季)、(54.57±1.24) m-1(夏季)和(33.71±8.85) m-1(秋季).表明白洋淀DOM在季节上呈现夏季高和春秋季低, 在空间上为自然区高和旅游区低的分布特点.
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图 2 白洋淀不同季节沉积物间隙水DOM的a254、E2/E3、E3/E4和SR Fig. 2 Seasonal changes in a254, E2/E3, E3/E4, and SR of DOM in sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
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图 3 白洋淀不同区域沉积物间隙水DOM的a254、E2/E3、E3/E4和SR Fig. 3 Spatial changes in a254, E2/E3, E3/E4, and SR of DOM in sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
E2/E3值越高表明DOM分子量越小.本研究中夏季间隙水的E2/E3值为(3.45±0.35), 小于春季(4.04±0.87)和秋季(3.79±0.52), 表明夏季DOM分子量要高于春季和秋季.与此同时, 在空间分布上, 春季E2/E3值分布如下: 自然区>入淀区>养殖区>旅游区>生活区; 夏季E2/E3值分布如下: 养殖区>入淀区>自然区>生活区>旅游区; 秋季E2/E3值分布如下: 养殖区>生活区>自然区>入淀区>旅游区.本实验春季间隙水的E3/E4值[图 2(c)]为(3.15±0.84), 高于夏季(2.72±0.32)和秋季(2.91±0.30), 表明春季的间隙水DOM腐殖化程度和芳香性较弱.与此同时, 在空间分布上, 入淀区和自然区间隙水的E3/E4值要高于其他功能区.本研究中秋季间隙水的SR值[图 2(d)]为0.72±0.07, 高于春季(0.69±0.06)和夏季(0.66±0.03), 整体SR < 1表明间隙水DOM主要为外源输入特征.与此同时, 在空间分布上(图 3), 除了秋季养殖区与入淀区外, 其他季节各个功能区不存在空间差异(P>0.05).
2.2 沉积物间隙水DOM的荧光组分特征分析 2.2.1 沉积物间隙水DOM的荧光组分分析在热分层形成过程中, 沉积物间隙水共有5个荧光组分(表 1和图 4), 其中包括3种类蛋白组分(C1、C2、C3)以及2种类腐殖质组分(C4、C5).结合前人研究的成果(表 1), 综合分析得到：C1的荧光峰位置是280/325 nm (Ex/Em)为类蛋白物质; C2的荧光峰位置是240/350 nm (Ex/Em), 为类蛋白物质(类酪氨酸/类色氨酸的T峰); 荧光C3的荧光峰位置是275/300 nm (Ex/Em), 为类蛋白物质(类酪氨酸/类色氨酸的B峰); C4的荧光峰位置是250/420 nm (Ex/Em), 为微生物类腐殖质; C5的荧光峰位置是265/540 nm (Ex/Em)为类腐殖酸(生物降解的陆源腐殖类物质).
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表 1 沉积物间隙水DOM的5种荧光组分特征 Table 1 Characteristics of the five different components in sediment interstitial water |
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图 4 采样点沉积物间隙水中DOM的三维荧光光谱 Fig. 4 Three-dimensional fluorescence spectra of sediment interstitial water at sampling sites |
白洋淀不同季节沉积物间隙水DOM组分荧光强度(除C4和C5外)和相对丰度不存在显著的季节差异(P>0.05).荧光组分C1的荧光强度为(0.63±0.69)R.U(夏季)~(0.75±0.86)R.U(春季), 相对丰度为(21.72±15.10)%(夏季)~(25.60±18.01)%(秋季); 荧光组分C2的荧光强度为(0.56±0.53)(秋季)R.U~(0.64±0.70)R.U(春季), 相对丰度为(19.98±10.66)%(春季)~(22.29±11.90)%(夏季); 荧光组分C3的荧光强度为(0.39±0.31)(夏季)R.U~(0.49±0.34)R.U(春季), 相对丰度为(18.06±11.17)%(夏季)~(20.72±10.13)%(春季); 荧光组分C4的荧光强度为(0.36±0.14)R.U(秋季)~(0.48±0.16)R.U(夏季), 相对丰度为(17.82±7.63)%(秋季)~(23.31±10.71)%(夏季); 荧光组分C5的荧光强度为(0.31±0.23)R.U(夏季)~(0.41±0.27)R.U(春季), 相对丰度为(14.63±8.76)%(夏季)~(17.35±8.31)%(春季); 类蛋白组分(C1+C2+C3)的荧光强度为(1.65±1.32)R.U(夏季)~(1.89±1.54)R.U(春季), 相对丰度为(62.07±16.50)%(夏季)~(66.07±15.55)%(秋季); 类腐殖质组分(C4+C5)的荧光强度为(0.72±0.42)R.U(秋季)~(0.82±0.34)R.U(春季), 相对丰度为(33.93±15.55)%(秋季)~(37.93±16.50)%(夏季); 总荧光强度不存在显著的季节差异(P>0.05).
如图 5可见, 白洋淀不同区域沉积物间隙水DOM组分荧光强度和相对丰度存在显著的季节差异(P < 0.05).荧光组分C1和C2的荧光强度和相对丰度分布如下：养殖区>生活区>入淀区>旅游区>自然区.养殖区和生活区的荧光强度C1和C2显著高于入淀区、旅游区和自然区(P < 0.05).养殖区和生活区的荧光组分C1的荧光强度为(1.35±0.73)R.U和(0.62±0.37)R.U, 相对丰度为(38.97±8.49)%和(27.80±9.74)%; 养殖区和生活区的荧光组分C2的荧光强度为(1.05±0.71)R.U和(0.47±0.25)R.U, 相对丰度为(29.42±7.10)%和(21.69±6.11)%.荧光组分C3的荧光强度分布为: 自然区>入淀区>生活区>旅游区>养殖区, 相对丰度为: 自然区>旅游区>入淀区>生活区>养殖区.入淀区和自然区中荧光组分C4的荧光强度不存在显著差异(P>0.05), 明显高于养殖区、生活区和旅游区; 养殖区荧光组分C4的相对丰度最低, 显著低于自然区和旅游区.养殖区荧光组分C5的荧光强度和相对丰度最低, 达到(0.25±0.14)R.U和(8.59±4.24)%; 自然区的荧光强度和相对丰度最高, 达到(0.54±0.31)R.U和(23.83±5.11)%.类蛋白组分C1+C2+C3的荧光强度分布为: 养殖区>入淀区>生活区>自然区>旅游区, 相对丰度为: 养殖区>生活区>入淀区>旅游区>自然区; 其中养殖区的荧光强度和相对丰度最高达到(2.70±1.41)R.U和(78.65±9.32)%.类腐殖质组分C4+C5的荧光强度分布为: 自然区>入淀区>旅游区>生活区>养殖区, 相对丰度为: 自然区>旅游区>入淀区>生活区>养殖区; 其中自然区的荧光强度和相对丰度最高, 达到(1.15±0.43)R.U和(54.69±3.36)%; 养殖区的荧光强度和相对丰度最低, 达到(0.61±0.22)R.U和(21.35±9.32)%.总荧光强度的分布如下：养殖区>入淀区>自然区>生活区>旅游区, 其荧光强度为(3.31±1.48)、(2.62±1.54)、(2.15±0.88)、(2.11±0.86)和(1.34±0.40)R.U.
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图 5 白洋淀不同区域间隙水DOM组分荧光强度和相对丰度 Fig. 5 Spatial changes in fluorescence intensity and percentages in sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
本研究显示各季节间和不同功能区间FI值不存在显著差异[P>0.05, 图 6(a)], 春季、夏季和秋季的FI值为2.03±0.19、1.99±0.14和1.97±0.20; 养殖区、入淀区、生活区、自然区和旅游区的FI值为1.98±0.17、1.95±0.18、2.03±0.17、1.98±0.10和2.10±0.24; FI值说明白洋淀间隙水DOM中腐殖质主要来源于自生源.春季、夏季和秋季的BIX值为1.27±0.32、1.14±0.24和1.23±0.29; 养殖区的BIX值最高, 达到1.42±0.29; 自然区的BIX值最低, 为0.96±0.09; 不同功能区存在一定差异[图 6(b)].本研究中沉积物间隙水的HIX指数都小于4[图 6(c)], DOM腐殖化程度较弱, 说明间隙水中生物细菌活动较强.白洋淀间隙水HIX值在不同季节间差异不显著, 不同区域间存在一定差异; 空间上的分布为: 自然区>旅游区>入淀区>生活区>养殖区.新鲜度指数(β: α)分布特征与BIX指数类似, 季节间差异不显著、空间上存在一定差异.β∶α指数具体分布为: 养殖区(1.23±0.25)>生活区(1.06±0.13)>入淀区(1.04±0.27)>旅游区(0.98±0.09)>自然区(0.84±0.07)[图 6(d)].Fn280指数在空间分布上存在显著差异(P < 0.05), 养殖区、入淀区以及生活区明显高于自然区和旅游区[图 6(e)]; Fn355指数在空间分布上存在显著差异(P < 0.05), 自然区的Fn355指数最高, 达到(15.98±5.62)A.U; 生活区的Fn355指数最低, 为(8.85±2.22)A.U[图 6(f)].
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图 6 白洋淀不同区域间隙水中FI、HIX、BIX、β∶α、Fn280和Fn355的变化情况 Fig. 6 Spatial changes in FI, HIX, BIX, β∶α, Fn280, and Fn355 in sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
DOM中各组分荧光强度皮尔逊相关性分析结果如图 7所示.在春季[图 7(a)], 类蛋白组分C1与类蛋白组分C2具有显著的相关性, 相关系数达到0.97(P < 0.001); 类蛋白物质(C3)与类腐殖质(C5)具有显著的相关性, 相关系数达到1.00(P < 0.001); 组分C1和C2与类蛋白物质C1+C2+C3存在显著相关; 组分C3、C4和C5与类腐殖质物质C4+C5存在显著相关. C1和C2与β∶α指数和Fn280指数显著正相关(P < 0.001), 与HIX指数显著负相关(P < 0.001).在夏季[图 7(b)], 类蛋白组分C1与类蛋白组分C2具有显著的相关性, 相关系数达到0.97(P < 0.001); 类蛋白物质(C3)与类腐殖质C4和C5具有显著的相关性; 组分C1和C2与类蛋白物质(C1+C2+C3)、BIX指数、β: α指数和Fn280指数显著正相关(P < 0.001), 与HIX指数显著负相关(P < 0.001).组分C3、C4和C5与类腐殖质物质(C4+C5)和HIX指数存在显著相关.在秋季[图 7(c)], 类蛋白组分C1与类蛋白组分C2具有显著的相关性, 相关系数达到0.94(P < 0.001); 类蛋白物质(C3)与类腐殖质C5具有显著的相关性; 组分C1和C2与类蛋白物质(C1+C2+C3)、BIX指数、β∶α指数和Fn280指数显著正相关(P < 0.001), 与HIX指数显著负相关(P < 0.001).组分C3、C4和C5与类腐殖质物质(C4+C5)、HIX指数和Fn355指数存在显著正相关, 与BIX指数存在显著负相关.从整体上看[图 7(d)], 组分C1与组分C2具有显著的相关性, 相关系数达到0.95(P < 0.001); C3与C4和C5具有显著的相关性; C4与C5具有显著的相关性; 组分C1和C2与类蛋白物质(C1+C2+C3)、BIX指数、β∶α指数和Fn280指数显著正相关(P < 0.001), 与C3、(C4+C5)、HIX指数显著负相关(P < 0.001).组分C3、C4和C5与类腐殖质物质(C4+C5)和HIX指数存在显著正相关, 与β∶α指数和BIX指数存在显著负相关.
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*表示在P < 0.05水平显著相关, **表示在P < 0.01水平显著相关, ***表示在P < 0.001水平显著相关 图 7 白洋淀间隙水DOM组分及光谱特征指数的相关性分析 Fig. 7 Correlation analysis among the fluorescent components and fluorescent indices of DOM in the sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
白洋淀沉积物间隙水DOM的荧光组分和光谱特征与环境因子的相关性如图 8所示, 类蛋白物质和类腐殖质物质较好地分散为两类, 详细结果如下.在春季[图 8(a)], 类腐殖质物质(C4+C5)与氨氮呈现显著正相关; 类腐殖质组分C4与环境因子溶解性总氮和氨氮呈现显著正相关(P < 0.001); Fn355指数与溶解性总氮、氨氮、溶解性总磷和硝氮呈现显著正相关.在夏季[图 8(b)], 类腐殖质组分C4、类腐殖质物质(C4+C5)以及Fn355指数与溶解性总氮、氨氮、溶解性总磷和硝氮呈现显著正相关; 组分C3和C5与硝氮呈现显著正相关(P < 0.01).在秋季[图 8(c)], 类蛋白组分C3、类腐殖质组分C4、C5、类腐殖质物质(C4+C5)、HIX指数以及Fn355指数与溶解性总氮、氨氮、溶解性总磷和硝氮呈现显著正相关.在整体上[图 8(d)], 类蛋白组分C3、类腐殖质组分C4、C5、类腐殖质物质(C4+C5)、HIX指数以及Fn355指数与溶解性总氮、氨氮、溶解性总磷和硝氮呈现显著正相关; BIX指数和氨氮呈现显著负相关(P < 0.05).
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图 8 白洋淀间隙水DOM组分和光谱特征指数与环境因子的相关性分析 Fig. 8 Correlation analysis between the fluorescent components, fluorescent indices, and environment factors of DOM in the sediment interstitial water of Baiyangdian Lake |
为了研究白洋淀在季节演变过程中沉积物间隙水的DOM荧光组分的时空分布特征, 本研究基于5个功能区25个采样点的间隙水荧光组分和光谱特征进行了主成分分析(PCA).如图 9所示, 春季PC1和PC2分别解释了总体的59.99%和19.94%[图 9(a)]; 夏季PC1和PC2分别解释了总体的64.73%和17.86%[图 9(b)]; 秋季PC1和PC2分别解释了总体的65.96%和18.99%[图 9(c)]; 全部数据的PC1和PC2分别解释了总体的61.73%和17.06%[图 9(d)]; 结果显示主要由于PC1的作用使样本点分散, 组分C3、C4和C5分布相对集中, 组分C1和C2分布相对集中, 与前文相关性分析的结果相一致; 组分C3、C4、C5、HIX指数以及Fn355指数与组分C1、C2、BIX指数、β: α指数和Fn280指数分别分布在PC1的正半轴与负半轴.
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图 9 白洋淀沉积物间隙水DOM特征的主成分分析 Fig. 9 Principal component analysis of sediment interstitial water in Baiyangdian Lake |
通过对沉积物间隙水荧光组分与主成分的回归分析可得(表 2), 在春季PC1与荧光组分C1呈现显著的正相关, 与荧光组分C3和C4呈现显著负相关; PC2与荧光组分C1和C5呈现显著的正相关, 与荧光组分C4呈现显著负相关.在夏季PC1与荧光组分C4和C5呈现显著的正相关, 与荧光组分C1呈现显著负相关; PC2与荧光组分C2、C3和C4呈现显著负相关.在秋季PC1与荧光组分C4和C5呈现显著的正相关, 与荧光组分C1呈现显著负相关; PC2与荧光组分C2、C3和C4呈现显著负相关.在全部数据PC1与荧光组分C4和C5呈现显著的正相关, 与荧光组分C1呈现显著负相关; PC2与荧光组分C1、C2、C4和C5呈现显著负相关.
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表 2 荧光组分与主成分的回归分析1) Table 2 Regression analysis of DOM fluorescent components and principal components |
与此同时, 本研究还对荧光组分与环境因子进行了回归分析(表 3).结果显示：在春季TDN与组分C4显著正相关, NO3--N与组分C4和C1显著正相关, NH4+-N与组分C4显著正相关; 在夏季TDN与组分C2和C3显著正相关、与C5显著负相关, NO3--N与组分C4显著正相关, NH4+-N与组分C4显著正相关; 在秋季TDN与组分C4显著正相关, NO3--N与组分C4和C1显著正相关、与组分C2和C3显著负相关, NH4+-N与组分C4显著正相关, TDP与组分C5显著正相关; 在全部数据分析中TDN与组分C4显著正相关, NO3--N与组分C4和C1显著正相关、与组分C2显著负相关, NH4+-N与组分C4显著正相关, TDP与组分C4显著正相关.综上表明, 可通过荧光组分的解析来预测沉积物间隙水的相关水质情况.
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表 3 荧光组分与水质参数的回归分析1) Table 3 Regression analysis of DOM fluorescent components and water quality parameters |
3 讨论 3.1 沉积物间隙水DOM的差异分析
在季节上, 夏季沉积物间隙水DOM的相对浓度显著高于春秋季, 与岗南水库沉积物间隙水DOM的分布特征相一致[9].在空间上, DOM的相对浓度呈现自然区高、旅游区低的特点(P>0.05).本研究中夏季相对浓度较高, 可能与该时期水体环境扰动(白洋淀水深较浅易受风浪影响)以及间隙水中微生物活性强度有关; 自然区相对较高, 可能与自然区中两条入淀河流的输入有关.三维荧光光谱的平行因子分析结果显示, 共得到3个类蛋白组分和两个类腐殖质组分.各个荧光组分和总荧光强度季节差异不显著(P>0.05), 空间差异显著(P < 0.05).类蛋白组分(C1+C2+C3)的荧光强度分布为: 养殖区>入淀区>生活区>自然区>旅游区, 相对丰度为: 养殖区>生活区>入淀区>旅游区>自然区; 类腐殖质组分C4+C5的荧光强度分布为: 自然区>入淀区>旅游区>生活区>养殖区, 相对丰度为: 自然区>旅游区>入淀区>生活区>养殖区.养殖区的类蛋白物质占主体, 自然区的类腐殖质物质占主体.本研究的相关结论与各自功能区历史上承载的功能相匹配, 养殖区由于历史上过量饵料的沉降会带来类蛋白物质的增多, 自然区水生植被的死亡腐烂分解会增多腐殖质的含量.与此同时, 前人相关研究也支持了本研究的结论.比如, 朱爱菊等[37]研究养虾塘水体CDOM发现主要成分为两种类蛋白组分, 占比分别为21.13%~49.02%和30.18%~40.05%; 谢理等[38]研究滇池挺水植物茭草和芦苇降解过程时发现类腐殖酸的荧光强度增强.张文浩等[39]研究太白山自然保护区水体CDOM发现自然水体CDOM组分以类腐殖质物质为主, 占比达到82%~96%.
3.2 沉积物间隙水DOM的来源及特征解析本研究中DOM的紫外-可见吸收光谱的E2/E3显示夏季的间隙水DOM分子量要高于春秋季, 同时旅游区的相较于其他功能区DOM分子量要高一些.另外, 本研究中E3/E4值都小于3.5, 表明腐殖质以胡敏酸为主[40].本研究中沉积物间隙水DOM的FI值均>1.8, 表明DOM主要以自生源为主[22], 与张文浩等[39]研究太白山自然保护区水体CDOM发现自然水体CDOM的结果相一致(FI值介于2.0~2.1).HIX指数均 < 4, 表明DOM主要以自生源为主[23], 与白洋淀水体更新缓慢和内源累积较多有关. BIX指数绝大多数都>1.0, 表明DOM主要以生物活动产生且具有很强的自生源特征[24].另有研究表明, BIX指数可以反映DOM中类蛋白物质含量, BIX指数越大、类蛋白组分的贡献越大[40], 这一规律与本研究结果相一致.本研究中BIX指数与DOM中类蛋白组分(C1+C2+C3)呈现显著正相关, 其相关系数达到0.79~0.88(P < 0.001).β∶α指数分布显示养殖区新生的DOM占比要高于生活区、入淀区、旅游区和自然区[17], 表明养殖区环境适宜、利于间隙水中生物的生长活动.养殖区具有最高的Fn280指数和最低的Fn355指数, 自然区呈现相反的分布特征, 与这两个功能区的荧光组成相一致.本研究发现Fn280指数与DOM中类蛋白组分(C1+C2+C3)呈现显著正相关, 其相关系数达到0.95~0.98(P < 0.001); Fn355指数与DOM中类蛋白组分(C4+C5)呈现显著正相关, 其相关系数达到0.36~0.52(P < 0.05).
3.3 沉积物间隙水DOM的环境指示分析沉积物间隙水DOM在水体生态系统中扮演着促进营养物质, 尤其是氮磷元素循环的驱动者的角色[41].由于氮和磷是引发水体富营养化的主要因素, 因此开展DOM与氮、磷相关水质的相关性分析和回归分析是非必要.一方面, 不仅可以探讨白洋淀沉积物间隙水环境中DOM与水质的关系; 另一方面, 还可以借助其相关性来指示环境中氮磷的变化, 方便监测和生态环境的保护.本研究中高FI指数和BIX指数以及低HIX指数显示, 白洋淀沉积物间隙水的DOM呈现出弱腐殖化、强自生源、高生物活性的特征, 但是不同功能区分布存在一定差异.本研究中荧光组分和环境因子相关性分析以及回归分析表明了不同季节间环境因子与荧光组分的关系, 借助回归方程可以为将来评估和预测沉积物间隙水的水质提供参考.其中, 夏季的硝氮(R2=0.67, P < 0.001)和溶解性总氮(R2=0.50, P < 0.001), 秋季的氨氮(R2=0.52, P < 0.001)和溶解性总磷(R2=0.66, P < 0.001)的相关系数都大于0.5, 具有较强的环境指示意义, 并且荧光组分C4发挥的贡献最大.
4 结论(1) 白洋淀夏季沉积物间隙水DOM的相对浓度显著高于春秋季.沉积物间隙水较高的各项荧光特征参数(FI、BIX、HIX及β∶α)显示出, 沉积物间隙水DOM以生物活动的内源为主, 具有低腐殖化, 强自生源特征.
(2) 沉积物间隙水DOM存在5种荧光组分, 分别为3种类蛋白组分, 2种类腐殖质组分; 养殖区的类蛋白物质占主体, 自然区的类腐殖质物质占主体; 各荧光组分的强度和构成比例季节差异不显著(P>0.05), 空间差异显著(P < 0.05).环境因子与荧光组分的回归分析可以为白洋淀间隙水的水质特征预测提供一定的支持.
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