2011年夏季膠州灣表層溶解有機物熒光特征的時空變化

魯景亮, 孫 松, 張光濤, 趙增霞

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學 北京 100049; 3. 山東膠州灣海洋生態系統 國家野外科學觀測研究站, 山東 青島 266071)

2011年夏季膠州灣表層溶解有機物熒光特征的時空變化

魯景亮1,2, 孫 松1,3, 張光濤3, 趙增霞3

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學 北京 100049; 3. 山東膠州灣海洋生態系統 國家野外科學觀測研究站, 山東 青島 266071)

利用三維熒光光譜技術(EEMs)結合平行因子分析(PARAFAC)的方法, 對2011年8月至9月膠州灣表層海水溶解有機物熒光特征的時間與空間變化進行了研究。PARAFAC模型共鑒別出四個熒光組分: 類蛋白質熒光組分(C1), 陸源類腐殖質熒光組分(C2, C4)和海源類腐殖質熒光組分(C3)。類蛋白組分在調查期間的熒光強度最強(0.14±0.06), 其余三個組分熒光強度相近(0.07±0.02, 0.09±0.02, 0.05± 0.02)。這四種組分在8月下旬多雨期和9月上旬受徑流影響的時期熒光強度較高, 在9月下旬雨季影響消退后熒光強度顯著降低。研究表明各組分熒光強度總體上與葉綠素a濃度顯著正相關, 與鹽度負相關, 說明膠州灣夏季FDOM濃度主要受降雨引發的生物活動影響。

溶解有機物(DOM); 熒光特征; 三維熒光光譜技術(EEMs); 膠州灣

溶解有機物(dissolved organic matter, DOM)在海洋中大量存在并且組成復雜。DOM的總量可以通過溶解有機碳含量來表示, 但具體組成僅有少量能夠被量化, 因此其動態變化難以直觀表示。熒光溶解有機物(fluorescent dissolved organic matter, FDOM)是DOM中能夠吸收光能并且發射熒光的物質[1-2]。不同的熒光組分可以通過三維熒光光譜技術(excitationemission matrix spectroscopy, EEMs)結合平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC)區分。由于不同的熒光組分對應不同來源的類腐殖質和類蛋白物質, 對這些熒光組分的解析則可以用來跟蹤不同DOM組成和存量的動態變化[3]。

浮游植物是海洋DOM最重要的來源, 在生長、被微生物利用和被動物攝食等過程中都能向水體中釋放 DOM。盡管陸源輸入只占海洋 DOM總量的0.7%～2.4% , 但是在沿岸區域河流的輸入作用顯著[4]。同時, 陸源營養鹽輸入也會激發浮游植物生長, 而類蛋白熒光特征與浮游植物量有一定的關系。在地中海等海域關于 FDOM周年變化的研究中, 降雨、水團混合、營養鹽限制等都會影響FDOM組成和含量的季節變化[5-6]。降雨引起的生態系統響應時間較短, 波動幅度較大, 但是目前還沒有通過 FDOM 的季節內變化研究降雨影響的案例。

膠州灣是半封閉的海灣, 周邊入海河流有十幾條, 徑流量較大的有大沽河和洋河, 灣內生物生產力和生物群落多樣性高, 造成膠州灣DOM組成比較復雜。本文利用膠州灣夏季高頻率現場調查航次, 通過三維熒光光譜結合平行因子分析法對膠州灣海水溶解有機物的熒光特征進行了分析和鑒別, 旨在描述其在雨季的時空變化規律, 討論不同來源的FDOM與環境因子之間的關系。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

海水樣品于2011年8月19日—9月30日(每周周二、周五)期間采集自膠州灣, 采樣站位見圖1。各站點采用 Niskon采水器獲取表層水樣, 水樣在船上實驗室使用灼燒過的GF/F濾膜(450℃, 4 h)低壓抽濾,收集濾液于鹽酸預洗并灼燒過的棕色125 mL玻璃小瓶(450℃, 4 h), 保存于冰桶帶回實驗室, –20℃冷凍保存, 用于熒光光譜的測定。

逐日降雨量、葉綠素a和鹽度由膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站同步測定。

逐日降雨量: 使用膠州灣生態站 MILOS-52自動氣象站資料。

葉綠素測定方法: 取海水樣品 500 mL, 使用直徑25 mm的Whatman GF/F濾膜低壓過濾, 冷凍保存濾膜。采用萃取熒光法, 使用Turner Design Model-10熒光光度計測定, 計算葉綠素a濃度。

鹽度測定: 現場調查時, 使用便攜式CTD(型號: AAQ1183-1F)同步測定, 選取表層1 m內水柱平均值作為鹽度數值。

圖1 膠州灣取樣站位圖Fig.1 Map of the sampling stations in the Jiaozhou Bay

1.2 樣品測定與分析

使用HITACHI F-4500型熒光分光光度計測定樣品三維熒光光譜。采用 3-D Scan模式, 激發波長(Ex)220～450 nm, 發射波長(Em)250～600 nm, 激發與發射狹縫均為5 nm, 掃描速度12 000 nm/min。

水的拉曼散射和瑞利散射對三維熒光光譜影響較大, 本研究采用將瑞利散射區域數據置 0, 以Mill-Q 超純水做空白消除拉曼散射的做法。使用Mili-Q超純水在Ex=350 nm處的拉曼峰面積做標準,對得到的熒光數據進行標準化, 得到的熒光強度單位以拉曼單位(RU, nm–1)表示[7]。

使用matlab2010b和DOMfluor 結合平行因子分析法分析三維熒光光譜, 計算各個熒光組分的數據[8]。統計分析采用SPSS 20 軟件進行。

2 結果與討論

2.1 環境特征

在調查的兩個月內, 8月份降雨較多(圖 2a),從逐日降雨量上可以看到 3次明顯的降雨過程。進入 9月后降雨明顯減少, 只有1次明顯的降雨過程,并且雨量較小。最高降雨量分別出現于 8月 28日(35.2 mm/d)和8月20日(35 mm/d)。從鹽度上看, 只有S2和S5站變化較大, 變化范圍為23.74～29.74、26.15～30.20, S1, S3和S4站位在調查期間海水鹽度變化不大, 波動范圍 28.96～30.59。兩站位鹽度分別在8月30日與9月2日出現低值, 與同期降雨量的高值期略有不同, 說明兩站位的鹽度可能受到降雨后地表徑流的影響較大(圖2b)。

圖2 膠州灣逐日降雨量及5個調查站位葉綠素a濃度和鹽度變化Fig.2 The changes of daily precipitation, concentrations of chlorophyll a and salinity at 5 stations

與此對應, 葉綠素a濃度在8月下旬(8月19日—8月 29日)和9月上旬(8月30日—9月9日)分別出現兩個高峰(圖2c), 9月中、下旬(9月20日—9月30日)總體較低(P<0.05)。8月21日—8月30日之間, 雖然濃度峰值期略有不同, 但所有站位均有明顯的浮游植物水華過程; 9月上旬只有S2和S5站葉綠素a濃度有顯著升高。在兩個水華過程之間的8月30日, 出現一個統一的低峰, 平均值為(0.92±0.24)mg/m3。葉綠素a在雨季期間平均濃度為(2.42±2.02)mg/m3, 在S2站, S3站和S5站分別出現了6.62 mg/m3, 6.66 mg/m3和7.64 mg/m3的高值, 在夏季末則降低到(0.63±0.46)mg/m3。

2.2 FDOM熒光峰位置與強度

利用 PARAFAC模型對膠州灣海水樣品的三維熒光譜圖進行解析, 共鑒別出4種熒光組分, 分別為C1(285, 235/330)、C2(270, 360/465)、C3(315, 245/410)、C4(315/525)。根據早期相關文獻中最大激發/發射波長與熒光組分性質的關系, 分析了上述 4個組分的來源(表1)。

C1組分包含高、低激發波長的類色氨酸與類酪氨酸熒光峰, 具有典型的類蛋白質熒光特征。早期在關于黑海和阿拉伯海溶解有機物的研究中已經有該組分的報道[1-3]。該組分一般被認為與生物活動密切相關, 浮游植物培養的實驗中都發現類蛋白質熒光的增加[13-14]。C1組分在調查期間熒光強度最強, 變化也最明顯, 熒光強度平均值0.14± 0.06(圖3)。

表1 應用平行因子分析法鑒別出的四種組分的光譜學特征Tab.1 Spectral characteristic of 4 components identified by the PARAFAC

C2組分和C4組分包含一些UV類腐殖質峰與Vis類腐殖質峰。墨西哥灣的研究中發現類似的熒光組分可能是由密西西比河徑流輸入[9], 而在一些靠近海岸的水環境中也發現類似組分[12], 證明該組分可能受到陸源徑流的影響。在本研究中熒光強度較低, 熒光強度相對穩定, 分別為0.07±0.02和0.05± 0.02(圖3)。

C3組分的熒光強度為0.09±0.02(圖3), 熒光強度相對穩定, 與一些開放海域和封閉海灣發現的熒光組分(290～320/380～420)相似[2,11], 來源可能是現場生物活動。室內實驗則證實該組分熒光強度與細菌生物量相關, 該類腐殖質熒光物質的產生與細菌活動有密切關系[15]。

2.3 各組分熒光強度的時間變化

將采樣時間劃分為3個階段, 8月下旬、9月上旬和 9月下旬, 可以看出各組分的熒光強度具有明顯的季節內變化(圖4)。全部4個組分在夏末(9月下旬)強度均顯著低于8月下旬和9月上旬(P<0.01), 這種趨勢與葉綠素a濃度的變化趨勢一致。在8月下旬降雨過程最為密集, 葉綠素濃度在所有站位均顯著增加(圖2c)。盡管 9月上旬沒有明顯的降雨過程,但是從鹽度上看仍有淡水輸入, 并且在局部引起了葉綠素a濃度升高。

C1組分隨時間變化比較明顯(圖3), 在5個站位均出現上升然后下降的趨勢, C1組分在S3站的高峰值出現于8月26日, 其他站位在8月30日—9月9日期間內出現高峰值。C2、C3和C4組分隨時間波動幅度較小, 僅在S2站, 8月30日時, 這三種組分出現較為明顯的高值, 分別為0.148, 0.182, 0.118。

從所有觀測數據來看, 4種組分熒光強度與葉綠素a濃度和鹽度分別表現出顯著的正、負相關關系(表2), 說明降雨和徑流輸入是引發FDOM濃度變化的重要原因。葉綠素a高濃度期間, 類蛋白組分也出現了相應的高值, 這與De Souza Sierra報道[15]的赤潮水體中溶解有機物有較強的類蛋白熒光相一致。但是, 類蛋白熒光強度的最高值和葉綠素a濃度的峰值之間并沒有嚴格的對應關系。原因在于, 生物對類蛋白類DOM的釋放不僅與生物量有關, 而且受到不同發育階段的影響。歷史調查及文獻中, 無論是現場測定或者室內培養, 均發現熒光強度并不隨浮游植物生物量的增加而顯著增加, 在浮游植物的穩定期和衰亡期則發現熒光強度的顯著增加[16-18]。閆麗紅在長江口區域的研究表明熒光強度與鹽度呈負相關[19]。在本研究中, 鹽度變化較大的S2站, 8月30日鹽度出現低值時, 各組分熒光強度出現高峰值,但是其他站位則沒有明顯的同步變化。

圖3 熒光強度隨時間變化Fig. 3 The changes of each component of fluorescence during the investigation periods

圖4 四種組分在不同時間段內熒光強度值Fig. 4 The average fluorescence intensity of four components in different period

圖5 各組分熒光強度平均值站位分布圖Fig. 5 The average fluorescence intensity of each component of at different stations

2.4 各組分熒光強度的空間變化

表2 各熒光組分與葉綠素a和鹽度的相關性(N=55)Tab.2 The relationship between the fluorescence intensity and chlorophyll a and salinity (N=55)

從整個調查期間的平均值來看, C1組分在S1站最高, 而其他組分都是在S2站最高。方差分析的結果表明, 只有類蛋白組分在S1站明顯高于其他站位(P<0.05), 三種類腐殖質組分熒光強度在各個站位無明顯差異。S2站距離大沽河口最近, 鹽度的變化范圍也最大, 說明無論陸源還是海源的類腐殖質相關的DOM都受徑流輸入控制。膠州灣北部的S1站靠近貝類養殖區域, 而貝類的濾食作用會增加生源物質的周轉速率。類蛋白組分的熒光強度與赤潮、浮游動物攝食和分解等生物過程有關[17-18]。分時間段來看, 8月下旬各組分熒光強度在S1站高于其他站位; 9月上旬, 各組分熒光強度最大值出現在S2站; 9月下旬, 各組分熒光強度均降低, 熒光強度最大的站位也轉移到S3和S4站。在調查期間, 各組分的熒光強度隨時間變化都在降低, 但是最高值呈現出由灣北部逐漸向灣中心與灣口轉移的趨勢。

3 結論

(1) 三維熒光光譜技術結合PARAFAC模型法很好地分析了膠州灣海水溶解有機物的熒光特征, 鑒別出了類蛋白熒光組分C1(285, 235/330), 陸源類腐殖質組分C2(270, 360/465)、C4(315/525)和海源類腐殖質組分C3(315, 245/410)。根據其熒光強度, 與生物生產相關的類蛋白組分是膠州灣夏季FDOM的主要成分。

(2) 膠州灣夏季水體中的 FDOM主要受降雨和徑流影響。在受降雨和徑流影響的時間段內, 各組分的熒光強度均顯著高于上述影響消退后的時期。

(3) 在雨季, 類蛋白熒光組分在鄰近養殖區的S1站最高, 而類腐殖質熒光組分雖然在調查的 5站位之間無顯著差異, 但是從熒光強度上看在受徑流影響最顯著的S2站最高。雨季結束后, 各組分的濃度高值轉移到鄰近灣口的深水區。

(4) 從總體上講, 海水中 FDOM 的熒光強度與葉綠素a濃度正相關, 而與鹽度負相關, 但是峰值出現的時期略有差異。

致謝: 山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站提供了葉綠素a和鹽度數據支持,“創新號”科學考察船全體船員對本調查給予了大力支持, 謹致謝忱。

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(本文編輯: 康亦兼)

Temporal and spatial variation of fluorescence characteristics of dissolved organic matters during summer of 2011 in Jiaozhou Bay

LU Jing-liang1,2, SUN Song1,3, ZHANG Guang-tao3, ZHAO Zeng-xia3
(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Jiaozhou Bay Marine Ecosystem Research Station, Qingdao 266071, China)

Mar., 25, 2013

Dissolved organic matter; fluorescent characteristics; excitation-emission matrix spectroscopy; Jiaozhou Bay

Herein, the temporal and spatial variation of fluorescent characteristics of Dissolved Organic Matter in surface seawater in the Jiaozhou Bay, during August and September of 2011 was studied by using Excitation-Emission Matrix Spectrum (EEMs) combined with Parallel Factor Analysis (PARAFAC). Four fluorescent components including protein-like component (C1), terrestrial humic-like component (C2, C4) and marine humic-like component (C3) were identified by PARAFAC. The intensity of protein-like component was the highest (0.14±0.06), and the intensities of the other three components were close (0.07±0.02, 0.09±0.02 and 0.05±0.02) during the investigation. In late August and early September, the intensities of four components were high, as influenced by rainfall and surface runoff, and then significantly decreased in late September after rainfall. This study shows generally positive correlation between intensity of fluorescent components and chlorophyllawhile negative correlation between intensity of fluorescent components and salinity. It shows that the concentration of FDOM in the Jiaozhou Bay was mainly influenced by biological activities caused by rainfall.

P734.3, O657.3

A

1000-3096(2014)04-0001-06

10.11759/hykx20130325001

2013-03-25;

2013-06-25

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2011CB403601);

海洋公益性行業科研專項經費項目(201205018)

魯景亮(1989-), 男, 碩士研究生, 研究方向: 環境工程;孫松, 通信作者, 博士, 研究員, E-mail: sunsong@qdio.ac.cn