九龍江口cdom的熒光組分分析及其河口動(dòng)力學(xué)行為

九龍江口cdom的熒光組分分析及其河口動(dòng)力學(xué)行為

激發(fā)發(fā)射矩陣光譜（epms）是近年來(lái)廣泛用于研究土壤溶解有機(jī)物（cdm）的熒光性質(zhì)的分析技術(shù)[1.6]。在三維光譜圖中，熒光峰的位置可以定性地描述高等光束材料的類型和性質(zhì)，并且這些光源的強(qiáng)度可以定量地指示相對(duì)濃度。識(shí)別葉片配合物的方法是找到峰法，并確定它們是類腐殖質(zhì)、類蛋白質(zhì)和其他熒光成分。由于cd王家的eems通常由幾個(gè)相互重疊的光源組成，因此光譜識(shí)別方法不可靠。有些峰無(wú)法識(shí)別，有些峰可以錯(cuò)誤地識(shí)別。同時(shí)，該方法僅考慮epm譜圖中的幾個(gè)峰值點(diǎn)，大量數(shù)據(jù)被浪費(fèi)。此外，對(duì)于大量樣品來(lái)說(shuō)，該方法需要很長(zhǎng)時(shí)間。近年來(lái),Stedmon等率先提出利用平行因子分析(PARAFAC)的統(tǒng)計(jì)手段來(lái)對(duì)CDOM的EEMs進(jìn)行解譜,鑒別其中的單一熒光組分及其濃度.此后,PARAFAC開始應(yīng)用于確定土壤提取的有機(jī)物、陸地水環(huán)境CDOM、污染水體DOM及大洋海水CDOM等的EEMs的解譜,并用于CDOM的生物降解和光降解等過(guò)程研究.EEMs-PARAFAC已成為研究水環(huán)境中溶解有機(jī)物動(dòng)力學(xué)特征的重要工具.此外,CDOM的吸收光譜也是另一種能提供水體中有機(jī)物相對(duì)含量及相對(duì)分子量大小等定性定量信息的光譜分析手段,常與熒光光譜分析方法同時(shí)使用.河口是陸源有機(jī)物輸入海洋的重要界面,這里陸源DOM與海源DOM相互混合,界面過(guò)程復(fù)雜.雖然河口區(qū)CDOM的常規(guī)熒光及三維熒光光譜已經(jīng)有大量研究,但大多是采用傳統(tǒng)的尋峰法,利用PARAFAC處理河口區(qū)三維熒光光譜的還很少,國(guó)內(nèi)則還未見(jiàn)報(bào)道.此外,CDOM的一些吸收和熒光指標(biāo)已經(jīng)應(yīng)用于指示淡水及污水水體的水質(zhì)變化[19~21],但在海水方面應(yīng)用很少,而利用PARAFAC識(shí)別的熒光組分進(jìn)行海水有機(jī)污染程度的示蹤研究國(guó)內(nèi)外都未見(jiàn)報(bào)道.本研究首次對(duì)九龍江口CDOM的三維熒光光譜進(jìn)行PARAFAC分析,鑒別和分析其熒光組分的類型和性質(zhì)及其河口混合行為,同時(shí)結(jié)合吸收光譜分析手段,探討CDOM光學(xué)性質(zhì)與化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD5)等傳統(tǒng)有機(jī)污染指標(biāo)的關(guān)系,以期為今后開展河口近海有機(jī)污染監(jiān)測(cè)提供一種新的技術(shù)手段.1材料和方法1.1水樣的采集和處理樣品采集分兩階段進(jìn)行:2009年5月21日在九龍江河口區(qū)設(shè)置13個(gè)站位(圖1),每個(gè)站取表、底層水樣;2009年3月16日、4月13日以及5月10日在雞嶼南側(cè)4號(hào)浮標(biāo)處設(shè)置定點(diǎn)站(圖1),每次從09:00~14:00,每隔1h或0.5h取表層水樣.水樣均用Niskin采水器采集,CDOM水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,立即用孔徑為0.2um的聚碳酸酯濾膜過(guò)濾,收集濾液于60mL棕色玻璃瓶中,當(dāng)天進(jìn)行三維熒光光譜和吸收光譜的測(cè)定.同步采集COD樣品,而BOD5樣品只在4月13日和5月21日采集.1.2樣品測(cè)定1.2.1熒光掃描和校正采用CaryEclipse熒光分光光度計(jì)(美國(guó),Varian)進(jìn)行三維熒光光譜測(cè)定,配以1cm石英比色皿.以Mill-Q水為空白,進(jìn)行熒光掃描.掃描速度:1920nm/min,激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度分別為10nm和5nm,掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正.激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)范圍從220~450nm,增量5nm;發(fā)射波長(zhǎng)(Em)范圍從230~600nm,增量2nm.1.2.2cdom的相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定采用UV-2300紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定,以Mill-Q水為空白,用10cm石英比色皿在240~800nm范圍內(nèi)進(jìn)行光吸收測(cè)定,測(cè)量精度為±0.001.CDOM的光吸收系數(shù)a(λ)采用非線性回歸方法進(jìn)行計(jì)算,以280nm處的吸收系數(shù)a(280)表示CDOM的相對(duì)濃度,以275~295nm與350~400nm之間的光譜斜率比值SR表示CDOM的相對(duì)分子質(zhì)量大小.1.2.3cod和bod5的測(cè)量COD、BOD5等參數(shù)根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范GB17378.4-2007進(jìn)行測(cè)定.1.3熒光組分特征利用MATLAB軟件,采用最新的PARAFAC手段對(duì)CDOM的三維熒光光譜進(jìn)行模擬,以識(shí)別九龍江口CDOM的熒光組分特征.利用將數(shù)據(jù)庫(kù)隨機(jī)等分為2個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)的方法(split-halfanalysis)來(lái)驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性,其原理是如果選擇的熒光組分?jǐn)?shù)是合理的,則利用2個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)得到的模擬結(jié)果是一致的.熒光強(qiáng)度以Raman單位(RU)表示,即激發(fā)波長(zhǎng)為350nm時(shí)水的Raman峰的積分強(qiáng)度.2結(jié)果與分析2.1類組成成分c、400/482nm利用PARAFAC對(duì)2009年3~5月九龍江口46個(gè)CDOM樣的三維熒光光譜(EEMs)進(jìn)行模擬,共識(shí)別出4個(gè)熒光組分(圖2),包括3個(gè)類腐殖質(zhì)(humic-like)及1個(gè)類蛋白質(zhì)(protein-like)組分,所有組分都具有單一的發(fā)射峰,但都有2或3個(gè)激發(fā)峰.這些組分的光譜特征與文獻(xiàn)中利用PARAFAC鑒別的熒光組分相似,各組分的最大激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)、性質(zhì)描述及與文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1.組分C1(240,310/382nm)、C2(230,250,340/422nm)、C4(260,390/482nm)屬于類腐殖質(zhì)熒光組分.C1(240,310/382nm)主要反映了短波類腐殖質(zhì)的熒光性質(zhì),其中240/382nm峰位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而310/382nm峰對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的M峰,被認(rèn)為代表了海洋來(lái)源的腐殖質(zhì)組分;C2(230,250,340/422nm)的發(fā)射峰波長(zhǎng)較C1長(zhǎng),其中230,250/422nm雙峰也位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而340/422nm峰對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的C峰,被認(rèn)為代表了陸地來(lái)源的腐殖質(zhì)組分,但其發(fā)射波長(zhǎng)相對(duì)于通常報(bào)道的C峰有些藍(lán)移.C4(260,390/482nm)反映了長(zhǎng)波類腐殖質(zhì)的熒光特性,其中260/482nm峰也位于傳統(tǒng)的A峰區(qū)域,而390/482nm峰與傳統(tǒng)C峰相比其激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)都更長(zhǎng)一些且其激發(fā)波長(zhǎng)范圍較廣,這反映其結(jié)構(gòu)中高分子量和高芳香度基團(tuán)的存在.Coble等過(guò)去未定義此組分,過(guò)去在九龍江口利用傳統(tǒng)的尋峰法開展的CDOM研究中,也未發(fā)現(xiàn)該組分的存在,但它與Stedmon等在丹麥河口識(shí)別出的組分2(<250,385/504nm)很相似,也與Cory等報(bào)道的陸地還原性醌類(SQ1)近似,此外,日本Ise灣也報(bào)道了同類組分(275,390/479nm).組分C3(225,275/342nm)為典型的類蛋白質(zhì)熒光組分,其激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)與色氨酸單體的熒光峰(220~230,270~280/340~350nm)一致,說(shuō)明C2主要為類色氨酸基團(tuán),其中225/342nm和275/342nm分別對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的R峰和T峰.該組分在文獻(xiàn)中已有廣泛報(bào)道.本研究中未觀測(cè)到類蛋白質(zhì)的另一個(gè)組分類酪氨酸(225,275/300nm)基團(tuán)的存在.2.2鹽度對(duì)構(gòu)化過(guò)程中熒光組分的影響在九龍江河口區(qū),4個(gè)熒光組分隨鹽度增加總體上呈現(xiàn)不斷稀釋的過(guò)程,但它們的河口行為不盡相同.類腐殖質(zhì)組分C1和C2在鹽度<6時(shí)其濃度基本不變,鹽度>6后都呈保守混合行為[圖3(a)和3(b)],而另一個(gè)類腐殖質(zhì)組分C4則在整個(gè)鹽度范圍內(nèi)都呈保守行為[圖3(d)].類蛋白質(zhì)組分C3則明顯表現(xiàn)出不同于3個(gè)類腐殖質(zhì)熒光組分的行為[圖3(c)],鹽度25以內(nèi)其濃度變化不大,并在鹽度6和24處出現(xiàn)峰值,之后到鹽度30則迅速下降,如以河海2個(gè)端員的C3組分濃度作一條理論稀釋線,則可看出C3在九龍江口有明顯的添加.其他河口也觀測(cè)到該組分相似的非保守行為,類蛋白質(zhì)組分在Ise灣的低鹽度區(qū)較高并隨鹽度梯度而升高,到中鹽度區(qū)(鹽度<20)達(dá)到最高,之后隨鹽度迅速下降.此外,作為西溪最下游站位的A1站,其表、底層水樣的4個(gè)熒光組分的濃度都比其他零鹽度站位要高,特別是C1、C2、C3更為明顯,表明輸入河口區(qū)的西溪的類腐殖質(zhì)和類蛋白質(zhì)熒光強(qiáng)度都比另一條支流北溪要高.2.3質(zhì)組分之間的相關(guān)性圖4(a)給出了吸收系數(shù)a(280)在河口區(qū)隨鹽度的變化.從圖4(a)可見(jiàn),a(280)的河口行為與類腐殖質(zhì)組分C1、C2很相似,都是在鹽度<6之前濃度不變,之后則呈保守行為.相關(guān)性分析表明,a(280)與3個(gè)類腐殖質(zhì)組分C1、C2、C4之間均存在很顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r都大于0.96;而與類蛋白質(zhì)組分之間則不存在類似的線性相關(guān)關(guān)系.CDOM的吸收性質(zhì)是由發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生,而熒光性質(zhì)是由熒光團(tuán)產(chǎn)生,上述關(guān)系表明CDOM的類腐殖質(zhì)熒光團(tuán)與其發(fā)色團(tuán)之間在結(jié)構(gòu)上有很密切的內(nèi)在聯(lián)系,而類蛋白質(zhì)熒光團(tuán)則不是CDOM發(fā)色團(tuán)的主要成分.光譜斜率系數(shù)比值SR是反映CDOM相對(duì)分子質(zhì)量大小的一個(gè)指標(biāo),該值越大.從圖4(b)可見(jiàn),隨鹽度增加,SR總體上呈增加趨勢(shì),尤其在鹽度20以后更為明顯.這表明,河口區(qū)存在2種不同相對(duì)分子質(zhì)量的CDOM,陸源輸入的河水CDOM平均分子質(zhì)量較低,而海洋自生來(lái)源的CDOM平均分子質(zhì)量較大,與過(guò)去在九龍江口以及世界其他河口區(qū)的研究結(jié)果一致.3討論3.1短腐殖質(zhì)峰和海洋腐殖質(zhì)m峰3.1.1cdom的熒光組分從圖2及表1不難看出,傳統(tǒng)尋峰法指認(rèn)的A峰區(qū)域(240~290/380~480nm)實(shí)際上并非一個(gè)單獨(dú)的熒光峰,而是若干熒光組分的組合,Murphy等報(bào)道在A峰區(qū)域存在5個(gè)熒光組分,而本研究在九龍江口CDOM的A峰區(qū)域發(fā)現(xiàn)有3個(gè)熒光組分.事實(shí)上,如果檢視文獻(xiàn)中報(bào)道的CDOM的三維熒光光譜圖,便很容易發(fā)現(xiàn)很多樣品的A峰區(qū)域的等值線比較復(fù)雜,要找出一個(gè)峰值并不容易,不同研究者的A峰位置指認(rèn)存在很大的隨意性,相互之間的可比性很差.另一方面,A峰區(qū)域與傳統(tǒng)尋峰法指認(rèn)的C峰、M峰是有密切聯(lián)系的(圖2和表1),只是由于傳統(tǒng)方法無(wú)法識(shí)別出A峰區(qū)域的各個(gè)熒光組分,而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種內(nèi)在聯(lián)系.從PARAFAC得出的這些結(jié)果來(lái)看,傳統(tǒng)上利用A峰與其他峰之間的比值(如A∶C峰等)來(lái)進(jìn)行討論可能存在一些問(wèn)題,討論各個(gè)熒光組分之間的比值更為合適.3.1.2cdom熒光組分的特定來(lái)源屬性Coble等最初將C峰指認(rèn)為陸地來(lái)源的熒光峰,而M峰為海洋來(lái)源的熒光峰,其依據(jù)是典型的陸地淡水CDOM的三維熒光譜圖中C峰特別顯著,而到海水中該峰藍(lán)移到M峰的位置.但從本研究中不難看出,在九龍江口低鹽度區(qū),包含M峰的熒光組分C1的強(qiáng)度反而高于包含C峰的熒光組分C2的強(qiáng)度,C1與C2的比值達(dá)1.7~2.2,這表明M峰實(shí)際上不能被認(rèn)為是海洋來(lái)源的專有特征峰,它在陸地淡水CDOM中也存在,并且還可能是從陸地輸入到海洋中的CDOM熒光物質(zhì)的主要組分.另一方面,Murphy等也在太平洋的遠(yuǎn)洋海水CDOM樣品中發(fā)現(xiàn)了包含C峰的熒光組分的存在.因此關(guān)于M、C峰具有特定來(lái)源屬性的認(rèn)識(shí)有必要修正,它們更多是反映了結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同的2種熒光團(tuán).顯而易見(jiàn),相對(duì)傳統(tǒng)的尋峰法,PARAFAC可以更好地揭示CDOM這一結(jié)構(gòu)和組成都比較復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)的熒光組分特征.3.2類蛋白質(zhì)熒光組分根據(jù)4個(gè)熒光組分的河口行為、各自在總熒光組分中所占的百分比以及它們與吸收系數(shù)a(280)之間的關(guān)系,可將其分為以下3種類型.類型1包括類腐殖質(zhì)組分C1和C2,這2個(gè)熒光組分在鹽度<6時(shí)強(qiáng)度未隨鹽度增加而減少,表現(xiàn)出一定的添加行為,之后在河口混合過(guò)程中呈保守行為,但在總熒光組分中所占比例在高鹽度區(qū)呈下降趨勢(shì)[圖5(a)和5(b)],與a(280)相關(guān)性很好.低鹽度區(qū)的添加表明存在除陸源輸入以外的其他來(lái)源.該區(qū)域水深較淺,是九龍江口的最大混濁帶,潮汐作用引起強(qiáng)烈的底質(zhì)再懸浮作用,而沉積物間隙水中高濃度的類腐殖質(zhì)熒光組分也一起釋放出來(lái).Yamashita等研究發(fā)現(xiàn),與C2同樣的組分在日本Ise灣中高鹽度區(qū)表現(xiàn)出與九龍江口一致的保守行為,但與C1相同的組分卻存在添加行為,并認(rèn)為原因是河口區(qū)微生物來(lái)源DOM的轉(zhuǎn)化或生物活動(dòng)直接輸入的貢獻(xiàn),這顯示了不同河口之間控制熒光組分行為的因素的復(fù)雜性.類型2包括類腐殖質(zhì)熒光組分C4,它在整個(gè)河口混合過(guò)程中都呈保守行為,且在總熒光組分中所占比例保持不變[圖5(d)],與a(280)相關(guān)性也較好.C4在低鹽區(qū)未出現(xiàn)類似C1、C2的添加行為,表明它主要來(lái)源于陸源河流的輸入,這與Stedmon等認(rèn)為該組分是來(lái)源于土壤的腐殖質(zhì)的觀點(diǎn)是一致的.類型3指類蛋白質(zhì)熒光組分C3,它在河口混合過(guò)程中呈不保守行為,與a(280)無(wú)直接相關(guān)關(guān)系,并且在總熒光組分中所占比例在鹽度>15后呈上升趨勢(shì),從<40%上升到50%以上[圖5(c)],反映出河口區(qū)隨鹽度增加,CDOM熒光組分從以類腐殖質(zhì)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐灶惖鞍踪|(zhì)組分為主,這與過(guò)去用熒光積分法在九龍江口及Kowalczuk等在南大西洋灣、波羅的海的觀測(cè)結(jié)果一致.類蛋白質(zhì)組分在九龍江口的不保守行為可能與以下因素有關(guān):一是最大渾濁帶的再懸浮作用,類蛋白質(zhì)組分也是沉積物間隙水的重要熒光組分[26~28],二是陸地輸入的浮游植物衰敗降解的貢獻(xiàn),顯微鏡下的觀測(cè)表明,A3~A4站之間的淡水區(qū)浮游植物主要為河流攜帶輸入的陸生種類,這些種類隨著河口區(qū)鹽度的升高因不適應(yīng)鹽度的變化而衰敗死亡,可降解釋放出類蛋白質(zhì)組分;三是中鹽度區(qū)浮游植物生長(zhǎng)的貢獻(xiàn),該區(qū)域的浮游植物已經(jīng)都是硅藻等咸水種,這導(dǎo)致鹽度24左右出現(xiàn)類蛋白質(zhì)組分的一個(gè)小峰值,日本Ise灣情況也是如此,浮游植物的生長(zhǎng)導(dǎo)致中鹽度出現(xiàn)類蛋白質(zhì)熒光的峰值.3.3熒光組分與北溪水系的關(guān)聯(lián)九龍江主要有北溪和西溪兩條支流輸入到河口區(qū),此外在河口南岸還有一條較小的南溪注入.北溪流域面積9803km2,年平均徑流量82.30億m3,約占整個(gè)流域的70%;西溪流域面積3964km2,年均徑流量36.8億m3,約占整個(gè)流域的30%.從圖1可見(jiàn),A1為西溪下游站位,而A3站位為西溪與北溪匯流處.A1站位表、底層的吸收系數(shù)a(280)、熒光組分C1、C2、C3都明顯高于北溪河水占優(yōu)勢(shì)的A3、A4等0鹽度站位,C4也略高一些,它們的濃度都在整個(gè)河口區(qū)的理論稀釋線之上,表明從西溪輸入到河口區(qū)的CDOM熒光組分特征不同于北溪.此外,受南溪水注入影響,南溪與河口區(qū)交匯的A6站位熒光組分也略高,這些都表明.利用EEM-PARAFAC可以對(duì)輸入河口區(qū)的不同支流DOM的性質(zhì)進(jìn)行有效地示蹤和區(qū)分.輸入河口區(qū)的西溪河水中類腐殖質(zhì)與類蛋白質(zhì)熒光組分的濃度雖然都高于北溪,但其控制因素卻有所不同.與北溪相比,西溪所處的緯度更低一些,氣候等對(duì)流域土壤沖刷作用的影響會(huì)更強(qiáng),此外,西溪流域以平原為主,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更為發(fā)達(dá),農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土地的利用,特別是近年來(lái)對(duì)山地丘陵坡地的開發(fā)引起的水土流失,導(dǎo)致土壤中的腐殖質(zhì)類物質(zhì)更容易被沖刷出來(lái).這些因素都會(huì)導(dǎo)致西溪河水中類腐殖質(zhì)熒光組分的含量高于北溪.另一方面,西溪下游流經(jīng)人口多、工業(yè)發(fā)達(dá)的漳州市區(qū),市區(qū)工業(yè)及生活污水的輸入導(dǎo)致西溪下游河水中有機(jī)污染物含量升高,自然也引起可指示河流有機(jī)污染程度的類蛋白質(zhì)組分C3含量的升高.3.4cdom的光性參數(shù)CDOM的熒光與吸收參數(shù)與COD、BOD5之間的相關(guān)性研究已有不少報(bào)道[19,20,21,29,30,31],但還未見(jiàn)到利用EEMs-PARAFAC進(jìn)行海水熒光組分識(shí)別,再探討其與傳統(tǒng)有機(jī)污染指標(biāo)的關(guān)系的研究.考慮到海水樣品的采集與快速分析較陸地樣品更為困難,這種關(guān)系的探討更有實(shí)際意義.本研究分析了2009年3~5月在九龍江口及雞嶼南生態(tài)浮標(biāo)定點(diǎn)站位采集的46個(gè)COD樣、27個(gè)BOD5樣與CDOM的各熒光組分及吸收系數(shù)a(280)之間的相關(guān)關(guān)系(表2),發(fā)現(xiàn)類腐殖質(zhì)熒光組分C1、C2、C4與COD之間都具有較好的相關(guān)關(guān)系,而類蛋白質(zhì)組分C3與COD的相關(guān)性較差,此外,吸收系數(shù)a(280)與COD的相關(guān)性也較好,因此類腐殖質(zhì)熒光組分及a(280)都可作為表征河口區(qū)COD濃度高低的指標(biāo).各熒光組分及a(280)與BOD5之間的相關(guān)性總體上不及COD,其中C2及a(280)與BOD5之間的相關(guān)性最顯著,C1和C4次之,C3最低.因?yàn)锽OD主要反映水體中可降解有機(jī)物的含量,而河口區(qū)DOM中陸源輸入的生物難降解的腐殖質(zhì)是其主要成分,所以CDOM的光性參數(shù)與COD的相關(guān)性好于BOD是不難理解的.一般認(rèn)為水體中的類蛋白質(zhì)組分與浮游植物或微生物的活動(dòng)有關(guān),因此通常它們與BOD5的相關(guān)性會(huì)比較好,如污水中的情況就是如此.但九龍江口類色氨酸組分C3與BOD5的相關(guān)性卻較差,這可能與水體中的顆粒有機(jī)物有關(guān).BOD5反映的是水體中包括顆粒有機(jī)物在內(nèi)的總有機(jī)物中能夠被好氧微生物氧化分解掉的有機(jī)物的含量,而類蛋白質(zhì)組分只反映溶解態(tài)有機(jī)物中與生物活動(dòng)有關(guān)的那部分有機(jī)物的含量,顆粒有機(jī)物中可降解部分的含量變化將影響類蛋白質(zhì)組分與