2022, Vol. 43
2. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
3. 中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是由不同官能团和分子结构组成的复杂有机混合物[1], 通常包括腐殖质, 碳水化合物, 蛋白类物质, 并且在全球碳循环中扮演了重要的角色[2].天然水体中DOM的来源可能由水生生物释放出的植物性物质和胞外物质被微生物分解产生, 亦或是由河流和地下水输送来自周围陆地环境的降解有机物质[3].
沉积物中汇集了包括DOM在内的多种污染物, 是天然水体中污染物的主要来源[4].DOM通过沉积物颗粒的吸附和释放过程以及微生物的分解, 从沉积物颗粒进入上覆水中[5].因此DOM是将污染物从沉积物转移到上覆水的关键一环[6, 7].同时有研究表沉积物中DOM含量和组成的变化影响着湖泊生态系统中氮和磷的循环[8].而氮和磷是决定湖泊富营养化程度的主要因素[9].
湖泊的富营养化一直是湖泊污染治理的重中之重, 松花湖作为高纬度地区的典型湖泊自2008年以来富营养化已成为其最严重的问题[10].虽然与中部地区巢湖和太湖这些高度富营养化的湖泊相比, 松花湖由富营养化引起的嗅味问题风险较小[11], 因此无法像典型的富营养化湖泊一样受到较多的关注.但有研究表明, 松花湖部分区域有向轻度或中度富营养状态转化的趋势[12].此前关于松花湖富营养化的研究已有许多, 但大多围绕各种外源输入的原因进行讨论, 并未对松花湖湖内部营养物质循环的问题导致富营养化的趋势展开研究.外源输入尚可通过限制营养物质的排放来解决, 但内部营养物质循环所导致的富营养化才是湖泊污染控制中亟待解决的问题.
自20世纪90年代初以来, 激发-发射矩阵光谱(EEM)已经能够在激发和发射波长范围内进行荧光测量, 并将荧光强度以三维轮廓的方式呈现, 通过使物质在相同波长下吸收但在不同光谱区域发射, 有效地提高了光学上的分辨率[13].因此本文选择了在中国东北地区的松花湖作为研究对象, 通过EEM-PARAFAC技术对沉积物DOM的荧光特性和组成进行分析, 揭示了DOM污染来源和分布规律, 首次对松花湖沉积物中DOM与水体富营养化之间的关系进行了探索, 对控制高纬度湖泊的污染有着重大的意义.
1 材料与方法 1.1 研究区域及水样采集选取东北地区松花湖作为研究对象, 松花湖位于中国吉林省中部, 地处东北腹地长白山脉向松嫩平原过渡地带的松花江畔, 流经桦甸市、蛟河市和吉林市, 是中国第3大人工湖泊, 也是东北地区最大的人工湖泊.于2017年7月在松花湖进行采样, 采样点分布如图 1所示.选取20个采样点, 使用VG-mini彼得逊采泥器(最大取样深度30 m)对表层沉积物(0~10 cm)进行采集.将采泥器采集的样品直接装入塑封袋(20 cm×15 cm).将沉积物样品和水样保存在-4℃冷藏箱中, 运回实验室进行冷冻并等待后续处理. 同时对每个点位水样(50 cm)进行采集, 装入1L塑料瓶中, 样品采集后取出500 mL立即用GF/F膜(Whatman, 0.45 μm)进行低压抽滤, 过滤后将滤膜放置于-20℃冷冻保存.
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图 1 湖泊及采样点示意 Fig. 1 Schematic distribution of lakes and sampling sites |
将采集的沉积物样品进行冷冻干燥(-80℃, 6 d), 然后研磨过100目筛.称取40 g过筛样品以水∶土=10∶1(质量比)的比例混合(混合后体积400 mL), 放入恒温振荡箱(20℃, 220 r·min-1, 16 h), 振荡后进行离心(4℃, 12 000 r·min-1, 20 min).最后进行过滤, 所用滤膜(GF/F, Whatman, 0.45 μm)预先经450℃灼烧4 h处理, 所得滤液用于后续荧光测量.提取方法参考文献[14].
1.3 激发-发射矩阵光谱(EEM)测量和指数计算使用荧光分光光度计(F7000, Hitachi)和1 cm光程的石英比色皿在室温下对20个样品进行测量.荧光光谱的扫描发射波长(Em)为250~550 nm, 间隔5 nm; 激发波长(Ex)为250~450 nm, 间隔5 nm. Ex和Em的狭缝宽度均设置为5 nm, 光谱的扫描速度设置为2 400 nm·min-1, PMT voltage设为700 V.并基于先前的研究, 对内滤效应进行了修正[15].
选取HIX(humification index)和BIX(biological index)两个荧光指数来研究沉积物中DOM特征, HIX表示腐殖化程度, 是Ex在255 nm时扫描出的两个光谱区域面积的比值(H/L+H), 这两块区域面积中H为Em范围在435 nm~480 nm荧光强度之和, L为Em范围在300 nm~345 nm荧光强度之和[16]. BIX反映了生物活性特征, 是Ex在310 nm处时, Em在380 nm和430 nm的荧光强度比值(I380/I430)[17].
1.4 平行因子分析(PARAFAC)PARAFAC分析使用Matlab(2020)和DOMflour(Ver. 1.7)工具箱完成, 该过程涉及的公式以及相关参数解释参考文献[18].对PARAFAC模型中3~5个组分进行了模拟, 所有模型均采用非负约束和拉曼归一化处理.为了确保结果的准确, 需对样品中的拉曼(Raman)和瑞利(Rayleigh)散射进行处理, 首先每个样品的EEM要减去对应Milli-Q水的空白EEM, 这一步可以去除大部分的散射; 接着对无荧光的区域要赋0值[19]; 最后在DOMFluor工具箱中剪除剩余的拉曼和瑞利散射峰.散射的去除有助于PARAFAC模型的建立, 也避免了最后的结果中产生假峰.而最大荧光强度(FMax)则代表了PARAFAC组分的相对浓度或强度[20].平行因子分析的结果通常由OpenFluor(https://openfluor.lablicate.com/)确定, OpenFluor是有机荧光光谱的在线数据库, 通过对数据库中测量或模拟(PARAFAC)光谱的访问, 可以与任何一组未知光谱进行匹配[21].
1.5 水体富营养化评价方法 1.5.1 营养状态指数(TLI)中国国家环境监测中心根据中国湖泊和水库的自然特征推荐使用TLI来评估湖泊富营养化状态. TLI是基于Chla和其他物质之间的相关性的一个加权总和, 其计算方法如下:
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式中, TLIj为第j个水质指标的TLI值, m为参与评估水质指标的数量, Wj为第j个水质指标在TLI中的权重, rij为Chla与其他参数j之间的关系[总氮(TN)：0.82、总磷(TP)：0.84和叶绿素a(Chla)：1][22], 尽管使用了不同的评价参数, 但TN、TP和Chla被认为是最重要的3个参数[23]. Chla、TP和TN的TLI值计算如下[24]：
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式中, TN和TP的单位为mg·L-1, Chla的单位为mg·m-3.
湖泊营养状态分为5个等级, 贫营养(TLI < 30), 中营养(30≤TLI≤50), 轻度富营养(50 < TLI≤60), 中度富营养(60 < TLI≤70)和重度富营养(TLI>70).
1.5.2 参数测定总氮(TN)采用碱性过硫酸钾氧化法测定, 总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定, Chla采用丙酮-分光光度法测定(14 d内, 避光保存).具体检测方法见文献[24].
2 结果与讨论 2.1 PARAFAC结果对采集的沉积物样品光谱进行建模并加以分析.从荧光光谱中分离出4个不同的组分, 各组分在光谱中的位置如图 2所示, 残差分析和拆半检验结果如图 3所示, 在残差分析中4组分到5组分的拟合度提升不明显, 而3组分到4组分的拟合度提升较大, 同时拆半检验显示4组分模型的Ex和Em荧光载荷有良好的对应关系, 因此选用4组分模型较为合理.4个组分在光谱中的位置(Ex/Em)分别是: C1, 330/415 nm; C2, 255/440 nm; C3, 365/470 nm; C4, 280/355 nm.将结果上传至OpenFluor与其他研究对比, 设定Tucker Congruence Coefficients>0.95(TCC)为匹配条件, TCC通常被用来比较不同PARAFAC模型之间成分的相似程度[25].C1~C3与Database中样本进行对比确定为类腐殖质; C4则确定为类蛋白, 可能为色氨酸类物质, 具体情况在表 1中展示.
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图 2 PARAFAC组分(C1~C4)在光谱中的位置 Fig. 2 PARAFAC components(C1~C4)in the spectrum |
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图 3 残差分析和拆半检验结果 Fig. 3 Residual analysis and split-half validation results |
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表 1 松花湖荧光光谱特征 Table 1 Fluorescence characteristics of Songhua Lake EEMs |
东北地区的湖泊和水库沉积物中DOM组成主要为类腐殖质和类蛋白, 其中以类腐殖质为主, 符合沉积物DOM的一般特性.对C1~C3组分的荧光强度FMax进行线性拟合(图 4), C1与C2(R2=0.90, P < 0.05)、C1与C3(R2=0.96, P < 0.05)和C1与C4(R2=0.70, P < 0.05)之间均呈现线性关系, C1与C2、C3的线性关系显著, C1与C4关系稍弱.可能由于C1、C2和C3是类腐殖质而具有相似性.C4作为类蛋白组分, 更多来源于环境中污染物的输入, 根据Wang等[30]的研究发现不同来源的类蛋白与类腐殖质之间存在很强关联性.因此C1与C4虽然是不同的物质, 依然具有一定的相关性.
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图 4 PARAFAC组分(C1与C2~C4)之间FMax线性关系 Fig. 4 Linear relationships between FMax of PARAFAC components(C1 vs. C2-C4) |
根据每个组分的FMax, 绘制如图 5所示空间分布.C1~C3为类腐殖质, 分布规律几乎一致.C4为类蛋白, 与类腐殖质荧光强度有较强线性关系, 因此整体分布规律也相似.荧光强度的分布呈现区域性特点, 即将湖体以S7附近为界, 西北部沉积物FMax较低, 东南部沉积物FMax较高.东南部沉积物FMax在S1~S3、S6和S7处较高, 而西北部沉积物FMax在S11和S14处较高.根据吴计生等[31]的研究, 将松花湖主要划分为3个区域, S1~S7为松花湖三湖保护区实验区, S7西北方向区域则为丰满水库主库区, 同时也是松花湖风景区, 蛟河至S6则为蛟河回水区.本研究将松花湖三湖保护区实验区视作松花湖上游(S1~S7), 而丰满水库主库区视为下游(S8~S20).图 1显示松花湖有三条主要的入湖河流: 辉发河、松花江和蛟河, 松花湖S1~S3湖段与辉发河和松花江紧邻, 这两条汇入松花湖的河流带来了大量的陆源有机物, 而河流和地表径流带来的陆源有机物是湖泊沉积物中DOM的重要来源.同时根据Liu等[32]的研究, 水体中悬浮颗粒物(SPM)还可以吸附DOM然后一起沉降至沉积物中.与之类似的还有蛟河回水区, 蛟河经过蛟河市, 是蛟河市主要的排水河流, 生活污水等大部分污染物排入其中[33], 因此沉积物中各组分的FMax也会偏高.此外, 蛟河回水区两岸的土地主要为耕作用地[34], 高强度的土地利用会导致水土流失的加重, 大量陆源有机物会通过地表径流等方式进入水体.因此上游区域内所有组分的FMax会相对较高, 而下游整体的FMax要低于上游.下游S11和S14附近有FMax较高的情况出现, 推测下游部分区域作为松花湖风景区, 会存在旅游开发和人类活动造成点源污染的情况.
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图 5 最大荧光强度空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of FMax |
松花湖的荧光指数如图 6所示.HIX反映了DOM的腐殖化程度, 与类腐殖质的含量密切相关.可以发现S4和S5的HIX较低, S11和S14的HIX较高, 与类腐殖质的FMax.分布规律基本一致.总体而言, 松花湖20个采样点的腐殖化程度较高, 除S18点位外其余点位HIX均在0.7以上.较高的HIX也反映了DOM的陆源输入贡献很大.
BIX则反映了水中自生生物的活动特征, BIX在0.6~0.7之间代表DOM中自生成分很少, BIX在0.7~0.8则代表DOM含有一部分自生成分, BIX在0.8~1之间表明DOM的自生成分很多, 当BIX大于1时, 说明DOM为生物和水生细菌来源[17].松花湖的沉积物BIX整体较低, 相当一部分点位的BIX在0.6以下, 部分点位在0.6~0.7之间, 说明松花湖大部分点位沉积物DOM的自生成分含量很低.S10、S13和S18的BIX在0.7~0.8范围内, 表明这几个点位的DOM自生成分稍多.而这几个点位的FMax较低, 可能由于外源物质干扰的减少, 生物和水生细菌产生的DOM组分占比上升. Kellerman等[35]的研究发现, 陆源物质的输入会使得湖泊内累积的脂肪族成分降解, 而当陆源物质的输入受限制时这些脂肪族成分的化学丰度又会提高, 表明自生成分会受到外源输入物质的影响.
综合HIX和BIX, 可以明确松花湖沉积物中的DOM主要来源为陆源.松花江、辉发河和蛟河以及蛟河回水区周边耕地为松花湖沉积物提供了大量的陆源类腐殖质.罗燕清等[36]的研究表明, 受外源输入影响较大的区域沉积物DOM会表现出较高的腐殖化程度, 而外源输入影响较小的区域则沉积物DOM自生源特性较强, 这与本研究的结论类似.
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图 6 松花湖荧光指数 Fig. 6 Songhua Lake fluorescence indices |
对松花湖营养状态评价的参数如表 2, 空间分布如图 7所示.全湖范围内TN浓度差距不大, 并处于较高水平, 在上游入湖段和下游部分区域TN浓度较高, 表明松花湖的氮污染较为严重.而不同点位之间TP和Chla的差距不明显, 大部分水域TP和Chla浓度相对较低, 仅在下游部分区域浓度偏高.表明松花湖TN污染是广泛的, 而TP和Chla污染仅在个别点位较严重.
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表 2 松花湖TLI评价参数 Table 2 TLI evaluation parameters of Songhua Lake |
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图 7 松花湖总氮、总磷、叶绿素a和营养状态指数空间分布 Fig. 7 Spatial distribution of TN, TP, Chla, and TLI in Songhua Lake |
根据这些参数, 对松花湖TLI进行评价(图 7).可以发现上游大部分区域处于轻度富营养化水平, 部分区域处于中营养水平.下游大部分区域处于中营养向轻度富营养化过渡的状态, 而中营养水平的区域较少.整体来看上游富营养化水平比下游高, 造成这种现象的原因可能是上游靠近松花江和辉发河的区域周边存在大量农业用地, 外源输入的营养物质对水体富营养化可能有较强影响[23].同时也造成了上游区域内沉积物DOM荧光强度与TLI空间分布规律相差较大, 而下游区域内沉积物DOM荧光强度与TLI空间分布状况大致相同, 因此对下游区域沉积物DOM和水体富营养化之间的关系展开讨论.
有研究表明水体中TN、NH4+-N和NO3--N等各种形式的氮都可能与沉积物中DOM结合[37].水体中磷与DOM的含量也高度相关, 但在部分生活污水排放较多的区域, 磷与DOM的相关性并不显著[38].而Zhang等[39]对云南38个湖泊的研究表明, Chla与DOM中两种类腐殖质组分显著相关.因此松花湖的4个组分也应与TN、TP和Chla存在一定联系(图 8).4个组分与TN的相关性(r)为0.23~0.33, 其中C1和C4与TN相关性更强, 表明沉积物中一种类腐殖质和类蛋白组分与氮的联系较为紧密.TP与4个组分之间相关性不强(r为0.084~0.18), 可能由于进入松花湖的河流包含了较多的生活污水, 削弱了水体中磷的存在.Chla与C1~C4都有较强的相关性(r为0.27~0.41), 有研究发现在夏季DOM与Chla呈显著正相关, 表明浮游植物的累积和分解是DOM的重要来源[40].并且C1和C4与Chla相关性更强, 即浮游植物对C1和C4来源的贡献更大.
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图 8 松花湖荧光强度与水体营养化的相关关系 Fig. 8 Relationship between fluorescence intensity and eutrophication in Songhua Lake |
松花湖下游沉积物中4个组分的荧光强度与作为评价水体TLI的主要参数TN、TP和Chla之间存在相关性, 因此与下游水体富营养化状况也有联系. C3(r=0.3)与TLI之间相关性较弱, C1(r=0.4)和C2(r=0.47)与TLI相关性较强, C4(r=0.6, P < 0.05)则与TLI呈显著正相关.Lyu等[41]的研究表明, 在流域中随着营养物质和人为活动影响的增加, DOM会从类腐殖质转变为类蛋白.表明对于松花湖下游水体富营养化状况起到关键作用的是类蛋白组分, 当类蛋白组分C4浓度增加时, TN和Chla的浓度也会增加, 使松花湖水体向轻度富营养化转变.
针对松花湖整体的富营养化情况而言, 上游区域的富营养化主要与周边不合理的农业用地有关, 与沉积物中DOM线性相关性不大, 大量外源氮磷的输入使得上游大部分区域为轻度富营养化并有向中度富营养化转变的趋势.并且水体中的氮磷最终会通过沉降进入沉积物中造成污染.而下游区域为旅游风景区, 在没有大量外源污染物输入的情况下, 只是部分区域污染相对较重.此时沉积物中DOM成为了影响水体中氮磷等污染物浓度的主要因素, 因而可以发现类腐殖质和类蛋白与水体富营养化水平密切相关, 其中类蛋白组分是影响水体富营养化的重要因素.类蛋白组分的出现通常与人为活动有关, 荧光光谱中表现出高类蛋白特征已经被认为是水域受到污染的典型标志[42].虽然下游富营养化状况好于上游, 但很多区域处于中营养向轻度富营养化过渡的状态, 污染程度不容小觑, 并且松花湖下游的污染可能是人为活动造成.
面对水体富营养化, 现阶段多采用限制营养物质输入的方法, 但仅限制外源营养物质的输入可能并不能达到控制水体富营养化的目的.典型的富营养化湖泊滇池近年来实行了严格的排放限制, 但水质依旧没有明显改善, 每年都会有蓝藻水华等现象出现[43].表明单一的限制外源输入方法并不适用于所有湖泊, 解决湖泊内部营养物质的循环也是必不可少的手段.因为DOM不仅会在外源输入较多氮磷等污染物时与之结合, 而且会在外源输入减少时释放氮磷等物质[44], 形成淡水系统中完整的营养循环.这种营养循环会导致湖泊持久的富营养化, 并与外源输入结合形成难以解决富营养化体系.尽管松花湖大部分区域还处于中营养和轻度富营养化状态, 但为了预防富营养化情况加重, 还需对重点区域的内部营养循环部分予以更多关注.
3 结论(1) 从松花湖沉积物荧光光谱中分离出4个组分, C1(330/415 nm)、C2(255/440 nm)和C3(365/470 nm)为类腐殖质, C4(280/355 nm)为类蛋白.
(2) 松花湖4个组分的荧光强度空间分布存在一定相似性, 表现为上游高于下游, 较高的HIX和偏低的BIX值说明松花湖沉积物DOM主要来源为陆源, 自生成分较少.
(3) 松花湖上游区域富营养化水平高于下游区域, 并且下游区域中沉积物DOM与水体富营养化水平高度相关.4个组分与TN和Chla有较强相关性, 与TP相关性不强.C3对下游富营养化水平影响最小, 而C4与下游富营养化水平影响最大.
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