紫外輻射在不同水體衰減影響因素分析

薛 艷， 王錦旗， 宋玉芝， 鄭建偉

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)重點實驗室，江蘇南京 210044；4.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044)

近幾十年來，人類活動引起的全球平流層臭氧總量減少己被許多觀測事實所證實，隨著臭氧層變薄，到達(dá)地面的紫外輻射(ultra violet radiation，簡稱UVR)也逐漸增加。日益強(qiáng)烈的UVR給全球生態(tài)系統(tǒng)、氣候和環(huán)境變化[1]、生物效應(yīng)及人類健康[2-3]帶來了不容忽視的影響。因此，各國在UVR方面都積極開展了相關(guān)研究，我國也不例外[4-5]。深入研究我國廣大地區(qū)地面紫外線的分布狀況，對采取一定的有效措施預(yù)防紫外線對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，提高環(huán)境生態(tài)質(zhì)量顯得十分必要[4]。

紫外線一直影響著生命進(jìn)化。最新研究發(fā)現(xiàn)，在某些特定環(huán)境中(如高山湖泊)水生生物已經(jīng)適應(yīng)長期高強(qiáng)度的紫外線B(ultra violet-B radiation，簡稱UV-B)輻射[6]，如紫外線對水體底棲硅藻及無脊椎動物物種組成已經(jīng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，在一些靜水和流水環(huán)境中物種組成已經(jīng)發(fā)生明顯變化，這些變化能夠證實是由于UVR的變化引起的群落結(jié)構(gòu)變化[7]。隨著南極臭氧減少、北極臭氧在春季和夏初減少，地表獲得的UV-B得以增加，UV-B增加通過北極區(qū)可覆蓋北極、北歐、中歐甚至阿爾卑斯地區(qū)的水體、海洋中，紫外線可深入水下很深深度[8]。除了兩極地區(qū)UVR增強(qiáng)外，在中緯度地區(qū)UV-B水平也在增加，加上水體人為酸化(酸化會進(jìn)一步減小 UV-B 衰減系數(shù))和臭氧層變薄可能會使更多UV-B滲透進(jìn)入水體，使UV-B對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響加劇[7]。而我國東部淺水型湖泊中紫外線進(jìn)入水體后衰減規(guī)律又如何呢？不同水體對紫外線衰減是否有影響？研究紫外線在我國東部地區(qū)水體中的分布狀況，研究其衰減的影響因素，為進(jìn)一步探索紫外線衰減規(guī)律，減少對水生生物的傷害有重要意義。

1 材料與方法

1.1 紫外線分布監(jiān)測點概況

分別選擇泥沙型、富營養(yǎng)化、清潔水體作為UVR在水體中分布的監(jiān)測對象，作者所在課題組選擇泥沙含量及富營養(yǎng)化均較高的玄武湖北湖區(qū)(32.08°N，118.78°E)為泥沙型水體，該湖區(qū)面積為玄武湖3個湖區(qū)中最大，湖區(qū)風(fēng)浪較大，水體紊動程度最高，水體濁度為18.3～31.3 NTU，平均濁度為25.1 NTU。富營養(yǎng)化水體選取玄武湖西南湖區(qū)，該湖區(qū)面積為3個湖區(qū)中最小，水體富營養(yǎng)化程度較高，濁度介于10.4～19.5 NTU之間，平均濁度為 14.3 NTU，藻類Chla質(zhì)量濃度為388.65 mg/m3。清潔水體選擇南京仙林大學(xué)城仙林賓館前一池塘(32.11°N，118.91°E)，該池塘無外源污染，為自然降水匯流池塘，水體無任何外源污染，水體來源為天然降水，水體清澈見底，濁度最低，僅為 5.1～7.1 NTU。

1.2 監(jiān)測方案

分別測定上述3種水體紫外線A(ultra violet-A radiation，簡稱UV-A)、UV-B強(qiáng)度，測定時從水面約1～2 mm 處開始，每隔10 cm測定1次UV-A、UV-B強(qiáng)度，直至UV-B強(qiáng)度衰減到0，因SpectroSense2紫外光譜測量儀是利用電源電壓轉(zhuǎn)換成UV-A、UV-B強(qiáng)度，穿透深度指的是SpectroSense2讀數(shù)表測定到小數(shù)點后連續(xù)2位數(shù)字均為0時，即認(rèn)為UV-A或UV-B衰減為0，若該深度再向下測量，儀表上會出現(xiàn)負(fù)值。該測量儀使用單位為mW/m2，1 mW/m2=0.1 μW/cm2。另外，由于UV-A強(qiáng)度較高，一般直至測定到水底時，強(qiáng)度仍不會低于0，故測定UV-B為0時終止監(jiān)測。每次測定重復(fù)3次，取平均值。

對上述3種不同水體監(jiān)測時間隨機(jī)，有上午、中午、下午，有晴天、陰天、暴雨，其中玄武湖北湖區(qū)、西南湖區(qū)各隨機(jī)監(jiān)測9次，清潔水體監(jiān)測8次，合計26個樣本，監(jiān)測時間段從4月底持續(xù)至7月，每隔1～2周監(jiān)測1次。

1.3 紫外線劑量及紫外線衰減影響因子測定方法

1.3.1 UV-A及UV-B劑量測定 采用英國Skye公司的SpectroSense2 4通道手持表測定，連接SKU 420UV-A傳感器(315～380 nm)及SKU 430UV-B傳感器(280～315 nm)，自水面向下每隔10 cm測定1次水體中的UV-A及UV-B強(qiáng)度。

1.3.2 濁度、透明度(secchi disc，簡稱SD)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)測定 采用透明度盤(塞氏盤)于現(xiàn)場測定水體透明度；濁度用HACH濁度儀測定；TDS質(zhì)量濃度用上海三信儀表廠生產(chǎn)的5031TDS計測定；同時在水下5 cm處取水樣，帶回實驗室分析其余指標(biāo)。

1.3.3 溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，簡稱DOC)測定 將水樣經(jīng)0.20 μm聚酯纖維濾膜過濾，用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 3000)測定水體的DOC質(zhì)量濃度。

1.3.4 有色可溶性有機(jī)物(chrornophoric dissolved organic matter，簡稱CDOM)測定 由于CDOM物質(zhì)質(zhì)量濃度無法直接測定，故國際一般測定其在280、355、440 nm 處的吸收峰，CDOM的光譜吸收系數(shù)測定采用GF/F濾膜過濾的水樣在MAPADAUV-1100分光光度計下先測定其吸光度，然后根據(jù)公式(1)計算各波長的吸收系數(shù)：

ag(λ′)=2.303Dλ/r。

(1)

式中：ag(λ′)為波長λ未校正的吸收系數(shù)；Dλ為在波長λ處的吸光度；r為光程路徑；λ為波長。

由于過濾清液還有可能殘留細(xì)小顆粒，會引起散射，為此作如下散射效應(yīng)訂正：

ag(λ)=ag(λ′)-ag(700′)·λ/700。

(2)

式中：ag(λ)為波長λ的吸收系數(shù)；吸收系數(shù)越大表示CDOM濃度越高[9]。

1.3.5 藻類葉綠素a質(zhì)量濃度測定 浮游植物葉綠素a質(zhì)量濃度測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[10]，將100 mL水樣經(jīng) 0.45 μm 乙酸纖維濾膜過濾，濾膜保存，利用丙酮提取測定。

1.4 紫外線衰減系數(shù)確定

UVR、UV-A、UV-B在3種水體中的衰減均呈指數(shù)衰減模式，紫外輻射衰減系數(shù)用公式(3)計算獲得。

Ed=E0·e-Kd。

(3)

式中：Ed為水下d深度的UVR、UV-A、UV-B強(qiáng)度；E0為入射紫外線強(qiáng)度；K為衰減系數(shù)；d為水深。其中UVR衰減系數(shù)以KUVR表示，UV-A衰減系數(shù)以KUV-A表示，UV-B衰減系數(shù)以KUV-B表示，衰減系數(shù)為水下每隔10 cm測得的衰減系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外線衰減系數(shù)與濁度關(guān)系

由圖1可見，UVR、UV-A、UV-B在水體中的衰減均隨濁度的增大，其衰減系數(shù)增大，三者衰減系數(shù)均與濁度呈極顯著相關(guān)(|r|>0.479為極顯著相關(guān)，0.374<|r|≤0.479為顯著相關(guān)，|r|≤0.374為不相關(guān)，下同)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.86、0.91、0.93(n=26)。當(dāng)濁度高于20.0 NTU時，KUVR大于0.127，KUV-A、KUV-B均大于0.105；當(dāng)濁度低于10.0 NTU時，KUVR小于0.083，KUV-A、KUV-B均小于 0.071；當(dāng)濁度最高高達(dá)31.3 NTU時，KUV-A也達(dá)到最高，為0.126，KUV-B達(dá)0.157，在所有監(jiān)測樣本中位列第3，KUVR達(dá) 0.125，在所有監(jiān)測樣本中位列第2；當(dāng)濁度最低為4.94 NTU時，KUVR、KUV-A、KUV-B分別為0.041、0.041、0.052，均達(dá)各組中的最低值。

2.2 紫外線衰減系數(shù)與SD關(guān)系

由圖2可見，水體中UVR、UV-A、UV-B均隨SD的增大其衰減系數(shù)逐漸減少，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.86、-0.89、-0.90(n=26)。當(dāng)SD低于40 cm時，KUVR、KUV-A均大于0.100，KUV-B大于0.120；當(dāng)SD大于 90 cm 時，KUVR、KUV-A、KUV-B均小于0.071；其中當(dāng)SD最大為105 cm時，KUVR、KUV-A、KUV-B均達(dá)最低值，分別為0.041、0.041、0.052；當(dāng)KUVR、KUV-A、KUV-B達(dá)最高值時，SD均處于 35～38 cm之間。總體而言，隨著SD增加，UV-A衰減系數(shù)減少，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 紫外線衰減系數(shù)與TDS的關(guān)系

由圖3可見，水體中UVR、UV-A、UV-B的衰減系數(shù)隨TDS質(zhì)量濃度的增高而逐漸減小，兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)-0.74、-0.77、-0.78(n=26)。當(dāng)TDS質(zhì)量濃度為219 mg/L時，KUVR、KUV-A約為0.040～0.048，KUV-B為0.052～0.059之間，三者均為各組中的最低值；當(dāng)TDS質(zhì)量濃度為180～181 mg/L時，KUVR、KUV-A均達(dá)最高值，分別為 0.153、0.126，KUV-B也較高。TDS質(zhì)量濃度與水體清潔程度有關(guān)，水體越清潔，水體中TDS質(zhì)量濃度越高，清潔水體TDS質(zhì)量濃度較高，KUVR、KUV-A、KUV-B較低，渾濁水體與富營養(yǎng)化水體TDS質(zhì)量濃度較低，KUVR、KUV-A、KUV-B則較高。

2.4 紫外線衰減系數(shù)與不同波長CDOM吸光系數(shù)的關(guān)系

由圖4可見，KUVR、KUV-B與CDOM在280 nm處吸收系數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.479、0.417(n=26)，KUV-A與CDOM在280 nm處吸收系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.490(n=26)。

由圖5可見，CDOM在355 nm處的吸收系數(shù)與KUVR、KUV-B均無顯著相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)分別為0.37、0.38，n=26)，而與KUV-A呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.40，n=26)。

由圖6可見，CDOM在440 nm處的吸收系數(shù)與KUVR、KUV-A、KUV-B無顯著關(guān)系。但總體而言，CDOM含量對UV-A在水體中的衰減有一定的影響，特別是在280 nm處吸收系數(shù)表現(xiàn)突出，KUVR、KUV-A、KUV-B隨CDOM吸收光系數(shù)增加而增加。

2.5 紫外線衰減系數(shù)與DOC質(zhì)量濃度關(guān)系

由圖7可見，KUVR、KUV-A與水體DOC質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別0.52、0.53)，KUV-B與水體DOC質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.48，n=26)，總體上隨水體中DOC質(zhì)量濃度的增高，KUVR、KUV-A、KUV-B也隨之增高。其中，當(dāng)DOC質(zhì)量濃度大于200 mg/L時，KUVR、KUV-A>0.120，KUV-B>0.149；當(dāng)DOC質(zhì)量濃度小于20 mg/L時，KUVR、KUV-A<0.055，KUV-B<0.067；但當(dāng)KUVR、KUV-A、KUV-B達(dá)最高值時，DOC質(zhì)量濃度為80～135 mg/L之間；但DOC質(zhì)量濃度的極值與KUVR、KUV-A、KUV-B極值不能完全吻合。

2.6 紫外線衰減系數(shù)與水體Chla質(zhì)量濃度關(guān)系

由圖8可見，水體Chla質(zhì)量濃度與KUVR、KUV-A、KUV-B均呈極顯著正相關(guān)，KUVR、KUV-A、KUV-B隨葉綠素a質(zhì)量濃度增加而增加，其相關(guān)系數(shù)分別為0.56、0.62、0.59(n=26)。但當(dāng)葉綠素a質(zhì)量濃度低于100 mg/m3時，KUVR、KUV-A均低于0.062，KUV-B低于0.083；而當(dāng)葉綠素a質(zhì)量濃度高于 510 mg/m3時，KUVR、KUV-A分別大于0.010及0.099，KUV-B大于0.120。

3 結(jié)論與討論

國外對紫外線在水體中衰減的研究主要集中在UV-B的衰減研究上，研究區(qū)域主要集中在海洋和高山湖泊[6]。已有研究認(rèn)為，UV-B在水中的傳輸主要受水中組成物質(zhì)的影響，包括黃色物質(zhì)、懸浮物質(zhì)以及浮游藻類等[11]。不同的物質(zhì)組成對UV-B的衰減影響不同，在清潔的海水中UV-B可滲入水下30 m，而UV-B的生物效應(yīng)可達(dá)60～70 m[12]。在高山深水湖泊中，UV-B的穿透深度也常達(dá)20 m以上，對阿爾卑斯和比利牛斯山脈上26個湖泊UV-B的真光層深度進(jìn)行測定，其平均深度為8 m，最深達(dá)27 m[7]。在受人類活動影響較大和富營養(yǎng)化的淺水湖泊中，由于水中溶解性有機(jī)物質(zhì)對 UV-B的強(qiáng)烈吸收，其真光層深度往往要小得多，說明不同類型的湖泊對UV-B輻射衰減的影響差異顯著[13]。太陽輻射在水下的傳輸和分布主要受制于4種物質(zhì)的吸收和散射，即純水、非生物懸浮顆粒物、溶解性有機(jī)物及浮游植物，其中水分子對紅外光譜有強(qiáng)烈的吸收性，溶解性有機(jī)物對紫外光有強(qiáng)烈的吸收作用，水體各組分及其含量的不同會造成水體吸收和散射的變化[14]。在這幾種物質(zhì)中，除了懸浮物在其自然濃度條件下對光不發(fā)生明顯吸收外，其余3種物質(zhì)分別選擇吸收一定波長范圍的光[15]。

濁度是由水中所存在的顆粒物質(zhì)如黏土、淤泥、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物形成的，它是水對光的散射和吸收能力的量度，與水中顆粒的數(shù)量、大小、折光率及入射光的波長有關(guān)。形成水的濁度的顆粒大小變動于1 nm～1 mm之間[16]。水的渾濁程度以渾濁度作指標(biāo)，渾濁度是一種光學(xué)效應(yīng)，它表現(xiàn)為光線透過水層時受到阻礙的程度，這種光學(xué)效應(yīng)與顆粒的大小及形狀有關(guān)[17]。濁度物質(zhì)的存在降低了水的透光率，降低了紫外線透過率[18]。水的渾濁度越高，反射光和散射光越強(qiáng)，而透射光越弱；反之，水的濁度越低，反射光和散射光越弱，而透射光越強(qiáng)[17]。因此，水體濁度越大，阻礙太陽光透過水體，故水體濁度越大，SD越低，UVR、UV-A、UV-B 衰減系數(shù)越大。

據(jù)研究表明，水體中的黃色物質(zhì)、葉綠素a、其他光合色素、有機(jī)或非有機(jī)顆粒物均能影響紫外線的水體滲透，UV-B輻射能分解高分子量物質(zhì)，使之成為細(xì)菌能利用的物質(zhì)[19]。DOC、顆粒性有機(jī)碳微粒狀有機(jī)物及腐殖質(zhì)影響紫外線滲入水下[8]，DOC能吸收短波輻射，特別是在海濱區(qū)及淡水生態(tài)系統(tǒng)中，如阿比斯庫瑞典(68°N，19°E)、加那利群島(27°N，17°W)、北海、波羅的海、卡特加特海峽、地中海東部和西部、北大西洋等海域。由于腐殖質(zhì)難以被細(xì)菌分解，一旦分解，其產(chǎn)物(甲醛、乙醛、乙醛酸、丙酮酸)易被浮游細(xì)菌利用。但腐殖質(zhì)能強(qiáng)烈吸收紫外線，進(jìn)而加劇DOC分解，其產(chǎn)物被細(xì)菌利用，紫外線可更深入水下。然而水表強(qiáng)烈的紫外線不僅能抑制浮游細(xì)菌的生長活性，又能抑制DOC分解，進(jìn)而使紫外線難以深入水下[20]。由此可見，DOC和腐殖質(zhì)是控制湖泊UV-B衰減的重要因素。自然酸化的湖泊具有高濃度的腐殖質(zhì)，可在表層水體幾厘米范圍內(nèi)使UV-B迅速衰減[21]。從上述分析也可以看出，DOC質(zhì)量濃度與CDOM吸光系數(shù)與UVR、UV-A、UV-B衰減系數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，也證實了DOC、CDOM能吸收紫外線，阻礙紫外線更多地滲透進(jìn)入水下，很多研究也表明了DOC對紫外線的衰減作用較為明顯[22-23]。因此，水體中DOC、CDOM物質(zhì)含量越高，水體 UV-B 滲透深度越低。這些結(jié)果與本研究的3種水體CDOM和DOC質(zhì)量濃度越高，UVR、UV-A、UV-B衰減越快是一致的。Figueroa等的研究也證實了水體中葉綠素a質(zhì)量濃度也影響水體紫外線的滲透，即水體中藻類葉綠素a質(zhì)量濃度越高，UVR、UV-A、UV-B衰減系數(shù)越大，水體UV-B滲透深度越低[24]。

江蘇省南京地區(qū)水體中紫外線衰減是水體中多種環(huán)境因子的共同作用，而濁度在多種環(huán)境因子中起主導(dǎo)作用，水體濁度、CDOM物質(zhì)含量、DOC質(zhì)量濃度、TDS質(zhì)量濃度、藻類葉綠素a質(zhì)量濃度等均對水體中的UVR、UV-A、UV-B衰減有重要影響，水體中CDOM物質(zhì)含量、DOC質(zhì)量濃度、TDS質(zhì)量濃度、Chla質(zhì)量濃度等對紫外線在水體衰減的影響程度不及濁度。