环境科学  2022, Vol. 43 Issue (2): 847-858
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溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是一类具有复杂化学组成、结构和环境行为的有机混合物.DOM主要由类腐殖酸(胡敏酸和富里酸)、亲水性有机酸、多糖、类蛋白和类氨基酸等物质组成, 广泛存在于地下水、土壤和湖泊等环境介质中[1, 2].水生环境中的DOM有多种自然和人为来源, 如雨水、植物淋滤、土壤淋洗、废水和藻类产生等[3].不同来源的DOM在化学成分和生物利用度上可能存在显著差异.作为湖泊沉积物有机质中最活跃的组分之一, 一方面DOM能与水体中金属离子及有机污染物结合, 影响污染物形态的分布、迁移转化能力及生物有效性, 对水生生态系统结构和功能产生显著影响; 另一方面, DOM是水生环境中最大的有机碳库, 在生态系统碳平衡中具有重要作用[4~6].
目前, 光谱、磁共振和质谱等多种表征技术被用于DOM物化性质研究, 极大提高了对DOM特征的识别能力.其中, 荧光光谱技术实现了DOM参数的全面可视化, 包括荧光强度、荧光团的数量和类型、荧光最大值的位置和峰值强度的比率[7], 而被广泛应用于DOM组分和来源等研究中.此外, 与一些分析方法的结合使得光谱分析得以定量化和可视化, 如平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC)可准确识别出荧光峰的个数、位置和荧光强度等信息, 以快速量化和表征不同环境介质中的DOM[8, 9].目前, 国内外学者运用UV-vis和3D-EEMs, 并结合PARAFAC模型, 在湖泊[5, 10]、海洋[11, 12]和河流[13, 14]等水体沉积物的DOM分布特征及其来源等研究中取得了丰富的成果.
作为我国最大的淡水湖泊, 鄱阳湖承担着“绿肺”的功能[15].然而, 近年来, 人口激增和无序的工农业生产导致污染加剧, 严重影响到湖区辐射范围内居民生活、生产以及生态用水安全[16].因此, 在鄱阳湖开展对水体污染物环境行为具有重要影响的DOM的来源、物质组成和影响因素等的研究, 对保护鄱阳湖水质具有极其重要的意义.目前, 鄱阳湖水环境中DOM的相关研究、尤其是水体中DOM光谱特征已经取得了一定进展.例如, 刘丽贞等[17]的研究通过PARAFAC解析鄱阳湖水样有色溶解性有机物(CDOM)荧光组分, 发现鄱阳湖水体CDOM由两类荧光组分组成, 并指出各荧光组分都与水体中总氮和溶解性总氮呈现显著正相关关系.申钊颖等[18]采用3D-EEMs结合荧光区域积分研究了鄱阳湖不同区域水环境中DOM光谱特性, 并探讨了消落带的土壤、水体和植物中DOM的联系与区别.李雅妮等[19]以鄱阳湖水体DOM为研究对象, 结合EEMs-PARAFAC对不同相对分子质量荧光组分和重金属含量进行分析, 为湖区重金属污染防治提供了理论支持.然而, 有关鄱阳湖沉积物DOM光谱特征及意义的相关研究却较少.基于此, 本研究利用UV-vis和3D-EEMs技术, 并结合PARAFAC模型, 探讨了鄱阳湖湖区多个样点沉积物DOM的组成、分布特征和来源, 以期为识别和评价鄱阳湖水体污染源提供理论依据, 从而更好地展开该区水环境保护工作.
1 材料与方法 1.1 样品采集与预处理鄱阳湖位于江西省北部, 流域面积约162 225 km2, 是我国最大的淡水湖.本研究根据鄱阳湖不同区域的水动力条件和沉积环境特点, 并重点关注入湖最大支流——赣江河口区沉积物中DOM的光谱特性, 于2017年6月在研究区共设置了87个底泥采样点(图 1), 并将采样区域参照张祖芳[20]的方法分为了碟形湖区(分界线左侧)和通江水域(分界限右侧).碟形湖区为季节性呈现的子湖泊, 枯水期时成为孤立水域; 通江水域为低水位时与长江连通的湖区.本研究采用彼得森采泥器采集底泥样品, 装入自封袋后置于低温环境中尽快运回实验室.用冷冻干燥机将沉积物样品冷冻干燥后研磨并过100目筛备用.
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①都昌, ②朱袍山, ③南矶湿地水域, ④康山 图 1 鄱阳湖沉积物采样点示意 Fig. 1 Sampling sites of sediments from Poyang Lake |
DOM提取采用超声提取法与振荡法相结合的方法提取, 超声提取方法参照Liu等[21]的研究中所描述的方法.具体提取过程如下: 称取0.2 g土样于15 mL离心管中, 按水土比50∶1加入超纯水(Millipore, 电阻率为18.25 MΩ·cm), 720 W超声30 min, 重复两次, 于室温下在振荡器上以200 r·min-1振荡24 h, 再使用3 600 r·min-1转速离心机离心20 min, 取上清液过0.45 μm滤膜(PVDF, Millipore, USA), 得到DOM溶液, 用于DOC含量测定及光谱指标测定.DOC浓度采用liquiTOC Ⅱ(Elementar, Germany)测定.
1.2.2 紫外-可见光谱测定及特征参数分析紫外-可见光谱通过UV- 3300(美普达, 上海)分光光度计测定, 用10 mm光程石英比色皿在200~800 nm范围内扫描测定, 步长为1 nm, 以Millipore水作空白对照.
UV254值为波长254 nm处的吸光度, 用于表征DOM浓度及芳香性[22].吸收系数α由公式(1)获得.
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式中, A(λ)为波长λ处吸光度, r为光程路径(m).本文以355 nm处吸收系数α(355)表示CDOM的相对浓度[13], 且与CDOM浓度呈正相关关系.
光谱斜率S可用于表征DOM相对分子质量大小和芳香性.本文中275~295 nm和350~400 nm波长下吸光度指数函数曲线光谱斜率即S275~295和S350~400, 通过SigmaPlot软件的单指数衰减函数拟合得到, 两者比值即为光谱斜率比SR, 常用于指示DOM相对分子质量, 且与相对分子质量呈反比.
比吸收系数(specific UV absorbance, SUVA)为波长λ处吸收系数与DOC浓度的比值[23], 可用于表征DOM的腐殖化程度(本文λ为254 nm和260 nm).E2/E4为波长在254 nm和436 nm处吸光度的比值, 用于指示DOM来源.E3/E4为波长在300 nm和400 nm处吸光度的比值, 该值＞3.5表明DOM主要为富里酸, ＜3.5为胡敏酸[24].
1.2.3 三维荧光光谱测定与参数分析用F7100型(日立)三维荧光光谱仪对沉积物中DOM进行三维荧光光谱分析.设定条件为: 激发光源采用450 W氙弧灯, PTM电压为700 V, 信噪比＞110, 带通为Ex=5 nm, Em=5 nm; 响应时间选择自动; 扫描速率为30 000 nm·min-1; 激发波长范围为230~450 nm, 发射波长范围为250~500 nm, 波长间隔均为5 nm.测定前用Milli-Q超纯水作实验空白.
荧光参数(FI、BIX和HIX)常用于判断DOM的来源及性质.荧光指数(fluorescence index, FI)指激发波长为370 nm时, 发射波长在450 nm与500 nm处的荧光强度比值.该指数常用于研究和表征DOM中腐殖质的来源.当FI＞1.9时, 表明微生物代谢即细胞和藻类胞外释放和渗滤液为主要来源, 自生源特征突出; 当FI＜1.4时, 表明以陆源即陆地植物和土壤有机质贡献为主[25].
自生源指数(biological index, BIX)指激发波长为310 nm时, 发射波长在380 nm与430 nm处的荧光强度比值.该指数常用于表征DOM自生源相对贡献, 且自生源贡献率和BIX值呈正相关关系[26].当BIX大于1时, 表明DOM自生源特性较强; BIX介于0.6~0.7时, 表示自生源较少[14].
腐殖化指数(humification index, HIX) 指激发波长为254 nm时, 发射波长在435~480 nm和300~350 nm间区域积分面积的比值, 常用于表征DOM腐殖化程度.当HIX＞6时, 表明DOM具有强腐殖质特征且陆源贡献较大; HIX介于4~6时, 表明DOM属于强腐殖质特征和微弱的新近自生源; HIX＜4时, 表明DOM腐殖质特征较弱且以自生源为主[27].
类蛋白物质相对浓度Fn(280)为Ex=280 nm时, Em在340~360 nm间最大荧光强度, 代表类蛋白物质相对浓度水平; 类腐殖质物质相对浓度Fn(355)为Ex=355 nm时, Em在440~470 nm间最大荧光强度, 代表类腐殖物质的相对浓度水平[28].
1.2.4 平行因子分析法平行因子分析法通过将复杂的荧光信号分解成不同的独立荧光部分, 从而进一步提高示踪和表征天然水域DOM变化的能力.它是基于三线性理论的一种数学模型, 将所有点位的整个三维荧光数据组分解成3个线性项和1个残留数组[29].建模之前, 利用Zepp等[30]的研究描述的方法去除样品的拉曼散射和瑞利散射, 以超纯水Ex为350 nm和Em为370~430 nm范围内拉曼谱进行校正, 并以拉曼校正对样品荧光强度进行标准化(r.u.)[31].然后在MATLAB中使用DOMFlour工具箱对鄱阳湖沉积物DOM的3D-EEMs数据进行分析[32].通过平方误和核心一致性验证PARAFAC模型以筛选合适的模型组分, 并进行拆分验证.在OpenFluor数据库(http://www.openfluor.org)中对Ex和Em进行定量比较以鉴定PARAFAC中的荧光团[33].
1.2.5 绘图及数据处理用Excel 2019和Origin 2020软件对样品所测紫外和荧光数据进行分析处理以及作图, 包括平均值、标准偏差和最大值等描述性数据; 使用IBM SPSS Statistics 25.0软件进行相关分析、主成分分析(principal components analysis, PCA)和非参数检验; 根据采样点坐标以及荧光组分含量, 利用Arcgis 10.2软件中的反距离加权插值分析, 得到鄱阳湖湖区表层沉积物采样点分布图以及光谱参数的空间插值图.
2 结果与讨论 2.1 鄱阳湖沉积物DOM的紫外-可见光谱特征参数分析鄱阳湖不同区域沉积物DOM在355处的吸收系数α(355)值在通江水域为(180.05±268.14) m-1, 碟形湖区为(128.11±137.20) m-1[图 2 (a)], 可以看出通江区域沉积物DOM的α(355)值显著高于碟形湖区, 这表明通江区域沉积物CDOM相对浓度显著高于碟形湖区. 254 nm波长处的吸光度可表征DOM中芳香化合物等不饱和碳键含量, 且UV254值与芳香性及腐殖化程度呈正相关关系[22].碟形湖区UV254值范围在0.03~6.20 m-1之间, 均值为1.25 m-1, 而通江水域UV254值范围在0.01~10.96 m-1之间, 均值为1.56 m-1[图 2 (b)], 说明通江水域芳香化合物含量及腐殖化程度高于碟形湖区.该结果与东太湖水体DOM较低的UV254值结果相似, 分析可能是由于碟形湖区水位低, 丰水期湿地植被淹没和腐烂分解后, 易被水体中微生物分解利用的亲水性物质释放到水体中所致[34].作为表征DOM来源与迁移的综合指标, 通常SR＞1时, 表明DOM以生物源输入为主; SR＜1时, 表明DOM以陆源输入特征为主, 且由于芳香性和腐殖化程度高即微生物作用微弱, 光漂白为影响SR值的主要因素[35, 36].本研究中碟形湖区和通江水域SR值都小于1, 分别为0.83±0.24和0.75±0.15[图 2 (c)], 表明该时期鄱阳湖沉积物中DOM主要是陆源输入.碟形湖区SR值略大于通江水域, 表明碟形湖区沉积物DOM相对分子质量略小于通江水域, 原因可能在于碟形湖区水位较低, 太阳辐射即光漂白影响更为明显.
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不同小写字母表示存在显著差异 图 2 鄱阳湖沉积物DOM的α(355)、UV254和SR Fig. 2 The α(355), UV254, and SR values of DOM in sediments from Poyang Lake |
SUVA254常用于表征样品中芳香结构的含量以及腐殖化程度, 该值越大, 表明腐殖化程度越高[37].与表 1中其他相关研究相比[38], 碟形湖区和通江水域SUVA254值都较大, 分别为(22.62±16.25) L·(mg·m)-1和(18.66±14.64) L·(mg·m)-1[图 3 (a)], 表明鄱阳湖沉积物DOM腐殖化程度较高.SUVA260常用于表征DOM疏水性组分含量, 且与其成正相关关系[39].碟形湖区和通江水域SUVA260值分别为(21.80±15.72) L·(mg·m)-1和(17.99±14.19) L·(mg·m)-1[图 3 (b)], 该值比大沽河河口区沉积物DOM的SUVA260值高, 表明鄱阳湖沉积物DOM疏水性组分含量较高. 吸收指数E2/E4可用于表征有机质来源, 该值较高为内源, 反之为外源[40].但也有学者指出, 受光漂白影响, E2/E4值在表征河口有机物来源中存在较大的局限性[41].因此, 在研究中, 可结合FI等荧光参数探讨研究区DOM来源.碟形湖区和通江水域E2/E4值都较低, 分别为6.10±2.15和5.75±3.07[图 3 (c)], 表明鄱阳湖沉积物DOM主要来源于外源.碟形湖区和通江水域E3/E4值都低于3.5, 分别为2.62±0.46和2.89±1.56[(图 3 (d)], 表明鄱阳湖沉积物DOM主要为胡敏酸.
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表 1 不同水体沉积物DOM光谱参数的对比1) Table 1 Comparison of spectral parameters for DOM in sediments from different water bodies |
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不同小写字母表示存在显著差异 图 3 鄱阳湖沉积物DOM的SUVA254、SUVA260、E2/E4和E3/E4 Fig. 3 SUVA254, SUVA260, E2/E4, and E3/E4 values of DOM in sediments from Poyang Lake |
为进一步分析鄱阳湖沉积物中DOM的光谱特征, 本研究选取主要荧光光谱指数(FI、BIX和HIX)进行分析, 结果如图 4所示.鄱阳湖沉积物中DOM的FI范围为1.23~1.69, 碟形湖区均值为1.39±0.10, 通江水域均值为1.39±0.08, 可以看出, 通江水域与碟形湖区相差不大.FI值的变化趋势说明鄱阳湖沉积物DOM是陆源输入和藻类、浮游生物等内源产生的混合输入, 且由图 4(a)可以看出以陆源产生居多, 结果与Yan等[33]对鄱阳湖入湖水中DOM的研究结果类似.鄱阳湖沉积物BIX范围为0.58~1.08, 碟形湖区均值为0.82±0.13, 通江水域均值为0.76±0.10.BIX值的变化趋势说明鄱阳湖沉积物DOM组分中自生源贡献较少.鄱阳湖沉积物HIX范围为0.88~5.33, 碟形湖区均值为2.03±0.69, 通江水域均值为2.77±1.05[图 4 (b)], 这说明鄱阳湖沉积物DOM的腐殖质特征较弱, 生物活性较强, 此结果与刘丽贞等[17]对鄱阳湖CDOM的研究结果类似.综上, 鄱阳湖不同湖区沉积物DOM荧光参数表征意义整体一致, 可能与鄱阳湖为浅水湖泊且水体流动性强有关; 湖区沉积物DOM的腐殖化程度较低, DOM来源为陆源和自生源共同作用的结果, 且以陆源输入为主.
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图 4 鄱阳湖沉积物DOM荧光参数分布 Fig. 4 Distribution of fluorescence indices of DOM in sediments from Poyang Lake |
与我国不同水体沉积物DOM荧光参数对比发现(表 1), 鄱阳湖沉积物DOM中FI指数和BIX指数与其他水体范围基本一致.而HIX指数要低于其他几个水体, 如鄱阳湖沉积物DOM中HIX指数范围(0.88~5.33)远低于罗峪沟流域(5.67~14.88), 这可能与该研究样品为不同土地利用下采样点的沉积物, 包括林地、草地、休耕地、沟壑和林地等, 而本研究样品均为水体沉积物有关.
Fn(280)和Fn(355)常用于表征样本DOM类蛋白物质和类腐殖质组分相对浓度.本研究中碟形湖区Fn(280)和Fn(355)分别为0.61~0.55 r.u.和0.02~0.68 r.u., 均值分别为0.19 r.u.和0.18 r.u.; 通江水域Fn(280)和Fn(355) 分别为0.06~0.59 r.u.和0.04~0.76 r.u., 均值分别为0.19 r.u.和0.22 r.u..空间分布上(图 5), Fn(280)和Fn(355)值大致从碟形湖区向通江水域即自西向东方向上呈增大趋势, 且高值出现在同一个区域, 即南矶湿地水域附近区域(图 1), 这可能与此处较高的生物量有关.
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图 5 鄱阳湖沉积物DOM的Fn(280)和Fn(355)空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution of Fn(280) and Fn(355) of DOM in sediments from Poyang Lake |
对87个沉积物DOM三维荧光光谱矩阵数据进行平行因子解析发现, 鄱阳湖沉积物DOM共解析出4种荧光组分(C1、C2、C3和C4, 图 6).通过收敛系数(tucker convergence coefficient, TCC), 将4种荧光组分与在线OpenFluor数据库中的模型进行对比以判定物质组成(表 2). 4种荧光组分的最大激发、发射波长分别为C1(Ex/Em=230 nm/440 nm)、C2(Ex/Em=250(305) nm/430 nm)、C3(Ex/Em=230 nm/430 nm)和C4(Ex/Em=240 nm/490 nm).其中, C1组分荧光峰的位置和紫外区类腐殖质荧光峰A位置相近, 荧光峰A是紫外区类腐殖质产生的荧光, 广泛存在于河流、海洋等水体环境中, 其位置和强度都包含与腐殖物质化学组成有关的信息[45].C2组分具有两个荧光峰, 其发射波长相同, 均为430 nm, 激发波长分别为250 nm和305 nm, 主峰250/430 nm位于陆源类腐殖质荧光峰A(237~260 nm/380~460 nm)区域, 肩峰305/430 nm位于海源类腐殖质荧光峰M(290~310 nm/380~420 nm)区域[46].一般来说, 发射波长较长(红移)且发射极大值较宽的峰包含许多共轭荧光分子, 荧光峰A便是此类荧光团之一.峰A主要来源于维管植物, 性质芳香, 高度共轭; 荧光峰M最初被认为完全来自海洋浮游生物, 但相关研究发现也存在于陆地和淡水环境中[47, 48]; 故组分C2可被认为是传统A峰和M峰的结合体, 且为陆源输入.C3组分与类色氨酸荧光峰T(275/340 nm)荧光特性相似, 是降解程度较低的多肽类化合物[49].C4组分的最大波峰位置和可见区类腐殖质荧光峰C(320~360 nm/420~460 nm)位置相近, 荧光峰C被认为是从陆源输出的腐殖质, 该类型的荧光团出现在大多数海洋中层水样品中, 且峰值位置和宽度变化较小[7].
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图 6 平行因子分析法得到的4个荧光组分 Fig. 6 Three-dimensional fluorescence diagram of four components obtained by parallel factor analysis |
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表 2 Open Flour数据库中PARAFAC组分的最大TCC值 Table 2 Max value of TCC for the PARAFAC components between the present study and the Open Flour database |
为进一步探讨鄱阳湖两区域中沉积物DOM不同荧光组分的归趋性, 分别对4种荧光组分及其他光谱参数进行皮尔逊相关分析, 结果如图 7所示.可以看出, 碟形湖区中4种荧光组分之间都具有极显著相关关系(r＞0.78, P＜0.01), 而通江水域中C1、C3和C4分别呈极显著正相关关系(r＞0.82, P＜0.01), 但C2和C4无相关关系(r=0.22, P＞0.05); 并且碟形湖区中Fn(280)和Fn(355)与4个荧光组分间均呈极显著正相关关系(r＞0.78, P＜0.01), 而通江水域中除Fn(355)与C4呈显著正相关关系(r=0.38, P＜0.05), 余者均呈极显著正相关关系(r＞0.43, P＜0.01), 说明鄱阳湖沉积物DOM的类蛋白质和类腐殖质组分具有相同的来源, 以陆源输入为主.
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(a)碟形湖区, (b)通江水域; 1.FI, 2.BIX, 3.HIX, 4.Fn(280), 5.Fn(355), 6.C1, 7.C2, 8.C3, 9.C4, 10.DOC, 11.UV254, 12. SR, 13.SUVA254, 14.SUVA260, 15.E2/E4, 16.E3/E4, 17. α(355); **表示显著性水平, P＜0.01; *表示显著性水平, P＜0.05(双尾) 图 7 鄱阳湖沉积物DOM荧光组分特征和其他指标的相关性 Fig. 7 Correlation between fluorescence components of DOM and other parameters |
碟形湖区和通江水域中沉积物DOM的荧光成分如图 8所示.通江水域中, 组分C1、C2和C4最大荧光强度Fmax均值分别为(1.95±1.70)、(0.44±0.26)和(0.78±0.78) r.u., 而碟形湖区分别为(1.69±1.46)、(0.35±0.23)和(0.71±0.67) r.u..可以看出, C1、C2和C4组分荧光强度均表现为通江水域高于碟形湖区; 而组分C3荧光强度在通江水域为(1.07±0.76) r.u, 碟形湖区为(1.24±1.05) r.u, 即C3组分表现为碟形湖区高于通江水域(图 8).
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不同小写字母表示存在显著差异 图 8 鄱阳湖4个荧光组分荧光强度 Fig. 8 Fluorescence intensity of DOM four components in Poyang Lake |
根据各荧光组分荧光强度百分比可知(图 9), C2和C4组分荧光强度占比在两区域之间没有太大的差异.而碟形湖区和通江水域组分C1荧光强度占比分别为42%和46%, 可以发现, 组分C1在两区域沉积物DOM中都占据了较大比重, 表明鄱阳湖沉积物DOM成分以腐殖质物质为主.而组分C3在碟形湖区和通江水域荧光强度占比分别为31%和25%, 表明碟形湖区沉积物DOM中类蛋白物质(色氨酸)比重高于通江水域.
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图 9 鄱阳湖4个荧光组分荧光强度占比 Fig. 9 Percentage of fluorescence abundance of DOM four components in Poyang Lake |
鄱阳湖沉积物DOM荧光组分的空间分布如图 10所示, 4个荧光组分荧光强度的空间分布规律并不完全相同.总体而言, 4个荧光组分的荧光强度表现为自西向东递增的趋势, 且高荧光强度值出现在大致相同的区域, 即都昌和南矶湿地水域附近(图 1), 该分布趋势和刘丽贞等[18]对鄱阳湖CDOM的研究结果相似.本实验样品采集于6月, 正值鄱阳湖丰水期, 而鄱阳湖典型植物芦苇在4月开始大量生长, 因此, 高荧光强度值主要出现在都昌、南矶、朱袍山和康山附近, 可能与丰水期水位上涨导致湿地植物淹没死亡, 降解释放大量DOM有关.许金鑫等[43]在研究崇明东滩湿地土壤DOM光谱特征时指出, 崇明东滩北部由于互花米草和芦苇大量生长, 使得该区植物生物量和土壤有机质含量较高, 有利于微生物生长繁衍, 导致该区色氨酸荧光明显偏高.有研究也表明[52], 苔草群落丰水期大部分死亡或进入休眠期.而苔草和芦苇等水生植被为都昌和康山两区域优势种, 衰亡后经过微生物降解导致水体中类蛋白色氨酸增加, 因此色氨酸C3高荧光强度值出现在该区域.此外, 都昌附近值较高也可能与人类活动有关[18].
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图 10 鄱阳湖4个荧光组分及空间分布特征 Fig. 10 Spatial distribution of DOM four components in Poyang Lake |
为进一步研究鄱阳湖沉积物样品的DOM特征, 对87个沉积物样本的三维荧光组分及光谱参数, 包括C1、C2、C3、C4、UV254、DOC、SR、SUVA254、SUVA260、E2/E4、E3/E4、FI、BIX、HIX、Fn(280)和Fn(355), 共16个参数, 进行PCA分析, 以达到降维的目的.经检验得出, KMO值为0.76, Bartlett值为P＜0.01, 表明各因素之间具有相关性, 可进行主成分分析.通过PCA共提取出5个主成分, 累积贡献率达86.15%, 现针对前4个主成分绘制载荷图及样品得分图, 并分析各组分所代表的意义及样品性质的分布规律.
第1主成分方差贡献率达43.39%, 从图 11可以看出, 在主成分1中, DOM荧光组分(C1、C3、C4)、Fn(280)和UV254有较高的正载荷(>0.82); 且C1、C3、C4、Fn(280)和UV254两两之间存在显著正相关关系(r＞0.51, P＜0.01), 故主成分1主要代表沉积物DOM荧光组分、蛋白质浓度及芳香性.第2主成分方差贡献率为18.04%, 其中HIX、DOC和C2在该成分的载荷较高(>0.65), 且HIX与DOC、C2具有显著的相关性(r＞0.38, P＜0.01), 表明PC2代表DOM的有机质浓度及腐殖化程度.第3主成分方差贡献率为10.09%, 其中HIX、SUVA254和SUVA260在该成分的载荷较高(>0.45), 表明PC3代表DOM的腐殖化情况.第4主成分方差贡献率为7.05%, E3/E4和SR在该成分分别具有最高的正、负载荷(0.81、-0.41), 表明PC4代表DOM腐殖质组分及粒径分布情况.
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图 11 鄱阳湖沉积物DOM主成分分析载荷矩阵及样本得分值 Fig. 11 Loading plots and sample scores of the principal components in PCA |
两个区域的PCA输出结果表明, 碟形湖区和通江水域在PC1上不存在显著差异, 可能与鄱阳湖换水周期较短有关.黄爱平等[53]的研究通过设计不同工况, 构建鄱阳湖水龄模型, 得出鄱阳湖水龄季节性特征明显, 四季平均水龄为10~23 d.即由于鄱阳湖换水能力较强, 可能使得湖区不同区域沉积物DOM荧光组分差异较小.而碟形湖区在PC2、PC3和PC4上得分略高于通江水域, 表明碟形湖区沉积物DOM腐殖化程度略高于通江水域, 这与上文对UV254和SR等荧光参数的研究结果一致.
3 结论(1) 鄱阳湖通江区域沉积物DOM的CDOM相对浓度显著高于碟形湖区.沉积物DOM光谱特征参数(SR、E2/E4、FI、BIX和HIX)表明, 鄱阳湖沉积物DOM以陆源输入为主, 具有强腐殖化特征.SUVA254和SUVA260值分析结果表明, 鄱阳湖沉积物DOM的腐殖化程度及疏水性组分含量较高, 且通江水域高于碟形湖区.
(2) 通过PARAFAC共解析出4种有效的荧光成分, 分别为紫外腐殖质物质(C1)、类腐殖质(C2)、色氨酸(C3)和陆地腐殖质(C4), 且各荧光组分之间具有同源性.
(3) C1组分占比在碟形湖区和通江水域分别为42%和46%, 且碟形湖区沉积物DOM中色氨酸比重高于通江水域; 鄱阳湖沉积物DOM荧光组分空间变化趋势大致相同, 即自西向东增大, 且高值都出现于都昌和南矶湿地水域附近.
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表 1
(Table 1)
