烏魯木齊市2018年夏季降雨中溶解性有機質的光譜特征及來源解析

祝 婕，張 健，孟永霞，藺尾燕，楊 靜，何 靜，鄧文葉

(1.新疆環境保護科學研究院，烏魯木齊 830011； 2.新疆環境污染監控與風險預警重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.新疆清潔生產工程技術研究中心，烏魯木齊 830011；4 新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046；5.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

目前，大部分關于大氣DOM 工作主要集中于氣溶膠類腐殖物質 ( Humic-Like Substances，HULIS ) 及水溶性有機碳 ( Water-Soluble Organic Carbon，WSOC) ，但氣溶膠并不能完全代表大氣中的有機組分。降雨/雪是濕沉降的重要形式，因此對其中有機物的研究具有重要意義。國內目前已有研究主要集中于內陸沿海區域、降雨DOM來源受季風性氣候影響明顯，而有關干旱半干旱地區降雨中DOM 的研究甚少報道。

本文以典型干旱半干旱地區烏魯木齊市為代例，運用紫外-可見光譜、三維熒光光譜方法對夏季降雨樣品中的DOM進行光譜性能表征，探討烏魯木齊夏季雨水中 DOM等物質含量、化學組成之間的關系，并對其來源進行解析。

1 研究方法

1.1 雨水樣品收集

2018年6月-2018年8月，在新疆環境保護科學研究院(東經87°34′、北緯43°52′)辦公樓樓頂平臺，連續采集雨水樣品。在采樣過程中，同時觀測采樣點位大氣的溫度、壓力、相對濕度、風向、風速等氣象參數。

采用經過專用集雨器收集雨水，每次降雨事件收集3～6個樣品合并成為1個樣，間歇小于3 h降雨視為同一降雨事件。每次收集后，雨水經0.45 λm濾膜過濾去除顆粒物，樣品裝入棕色樣品瓶，4 ℃冷藏遮光保存以備用。由于降雨中DOM的特殊性，整個收集及分析過程嚴格按照超凈工作程序操作，防止樣品污染。

1.2 分析方法

(1)紫外可見光譜。采用紫外分光光度計。樣品放置于1 cm石英比色皿中，波長掃描范圍200～800 nm，以超純水作空白，對水樣進行掃描，得到DOM樣品的吸收光譜。

(2)三維熒光光譜。用同步三維熒光掃描-吸收光譜儀Aqualog分析其三維熒光光譜，測試參數為：激發光源為 150 W氙弧燈，PMT 電壓-700 V，信噪比>-110，帶通λEx=5 nm，λEx=5 nm，響應時間為自動，掃描速度為1 200 nm/min，掃描波長范圍-λEx=200～500 nm及-λEm=200～500 nm，掃描光譜儀自動校正，每個樣品分別掃描3次，同時記錄λEx=350 nm和λEx=450 nm 處的熒光強度; 同步熒光光譜掃描范圍為250～600 nm，取互定波長差(Δλ=30 nm) ，掃描速度為 240 nm/s。

2 結果分析

2.1 雨水基本性質

本研究采集了2018年夏季6月、7月、8月三個月雨水樣品，共觀測降雨4場，獲取有效樣品25個，每場降雨時的基本氣象條件見表1。

2.2 紫外可見光譜分析

烏魯木齊夏季3場典型降雨樣品中DOM的紫外可見吸收曲線如圖1所示。由圖可知，DOM樣品的紫外可見吸收曲線線型沒明顯區別，均表現出吸光度隨波長呈指數衰減的趨勢。這同梁儉[2]、吳秀萍[3]等對天然雨水樣品研究相同。

圖1 降雨樣品中DOM的紫外可見吸收曲線Fig.1 UV-Visible spectra of DOM samples in rainwater samples

根據紫外可見光譜數據擬合計算得到光譜斜率系數S，相對于不同吸收波段的比值如A250/A365(指250 nm與365 nm 吸光度的比值) ，多點的數據擬合減少了單一數據點計算的偶然誤差。光譜斜率S的計算公式(1)：

αλ=αλ0es(λ0-λ)+K

(1)

式中：為αλ0波長300 nm時的參考值；K是擬合的背景參數，以αλ對λ(240～400 nm) 作圖，得到斜率S。其中αλ=2.303Aαλ/L，Aαλ是相應波長對應的吸光度，L是路徑的長度。Zhao C.等人研究指出S值反應DOM指數吸收的衰減程度與相對分子質量信息，其中S值DOM相對分子質量成反比[4]。

目前紫外可見吸收光譜的研究主要用來表征DOM的理化性質。本研究選取300 nm處吸光度(A300)和400 nm處吸光度(A400)的比值A300/A400來表征有機質腐殖化程度[5]。選取250 nm處吸光度(A250)和360 nm處吸光度(A360)的比值A250/A360來表征有機物的來源[6]，當A250/A360小于3.5時，有機質中胡敏酸的含量大于富里酸；當A250/A360大于3.5時，有機物中富里酸的含量大于胡敏酸[7]。選取240 nm處吸光度(A240)和420 nm處的吸光度(A420)的比值A240/A420表征有機物分子縮合度，其中有機物分子縮合度與A240/A420比值成反比[8]。DOM樣品中相關指數見表2。

表2 降雨中DOM的紫外可見光譜相關指數Tab.2 UV-Visible spectra l correlation index of DOM in rainwater

烏魯木齊夏季3場典型降水中，各DOM樣品的S值范圍在6.37～33.62 。由于目前未見有關烏魯木齊市降雨中DOM表征研究，故本研究中的紫外光譜分析選擇類似同研究進行對比。

Miller C等[9]測得美國北卡羅萊納大學未經萃取的天然雨水S值為18.9±2.8 ； Santos等[10]測得葡萄牙阿威羅鎮天然雨水中S值范圍 11.6～22.7 ；Kieber R J[11]測得卡羅萊納州雨水S值為8.3～30.6 ；梁儉等[2]測得重慶北碚雨水中S值范圍7～20；Zhao C.等[4]測得北京市徑流雨水中S值范圍7.99～19.68。由上可知本研究中烏魯木齊夏季降雨中DOM的S值同文獻中其他地區DOM的S值無明顯差異。由于S值與DOM分子量成反比，由此可見烏魯木齊6月雨水中的DOM分子量相對較小。

雨水樣品中DOM的A300/A400值取值范圍在1.89～2.60之間，其中，7月A300/A400值最大，表明7月雨水樣品中的腐殖化程度較高。趙晨[12]對北京研究區徑流雨水進行研究，結果表明各功能區徑流雨水樣A300/A400平均值為3.92，表明本研究雨水樣品中的腐殖化程度總體較低。

雨水樣品中DOM的A250/A360取值范圍在2.63～4.73之間，表明6月、7月雨水樣品中DOM胡敏酸的含量比富里酸含量大，8月雨水樣品中DOM的富里酸含量比胡敏酸的含量大。A240/A420取值范圍在5.84～9.04之間，低于楊楠[13]等對城市河流沉積物孔隙水沉DOM的A240/A420值7.22～11.35，表明雨水樣品中DOM的有機物分子縮合程度較高。

2.3 三維熒光光譜分析

雨水中的 DOM 含有大量的生色基團(各種官能團的芳香環結構以及未飽和脂肪鏈)，可以用熒光光譜來表征其結構與組成，三維熒光光譜中DOM各熒光峰位置及命名見表3。

表3 三維熒光光譜中DOM各熒光峰位置及命名Tab.3 Descriptions and excitation / emission maxima of three-dimensional fluorescence DOM

圖2 降雨中DOM三維熒光光譜圖Fig.2 Three-dimensional fluorescence contour spectra of rainwater sample

對2018年烏魯木齊夏季采集的雨水樣品DOM的三維熒光光譜分析表明，DOM雨水樣品表現出相似的三維熒光光譜譜圖，見圖2。

雨水樣本中，熒光指數雖有一定的差異，但整體上相似，均有4個熒光峰，表明盡管雨水中DOM的組成比較復雜，但對固定區域來說DOM來源又相對一致。6月、8月雨水樣品熒光光譜圖中可以看出，腐殖酸熒光峰A和C是雨水熒光的主要貢獻者，尤其是峰A，對于大部分水生環境中的溶解類腐殖質而言，峰A在性質上被認為低芳香性，常見于農業和工業廢水中，峰C是具有較多芳香性的陸源腐殖質所產生的熒光信號。7月雨水樣品類色氨酸(類蛋白)熒光峰T是雨水熒光的主要貢獻者，類蛋白組分作為降雨中DOM重要組成部分主要來源包括陸地植物、細菌、酵母菌、孢子及花粉等[14]，反映出生物源的輸入是本次降雨DOM的主要來源。

本研究參考水體中DOM熒光特征參數，分別運用腐殖化指數(HIX)、熒光指數(FI)、生化指數(BIX)、r(A/C)，評價降雨中DOM腐殖程度、DOM來源、DOM自生來源的相對貢獻和DOM結構發育成熟度[4]。其中，腐殖化指數(HIX)是激發波長在254 nm時，發射波長在435～480 nm與300～345 nm波段內的熒光強度積分值(或平均值)的比值[15]；熒光指數(FI)是激發波長370 nm時，發射波長在450 nm與520 nm處的熒光強度比值；生化指數(BIX)是激發波長310 nm時，發射波長在380 nm與430 nm處的熒光強度比值[16]；r(A/C)與DOM結構和發育成熟度有關，是紫外光區類腐殖酸熒光峰(A)與可見光區類腐殖酸熒光峰(C)的比值。

表4 三維熒光光譜中DOM熒光特征參數Tab.4 Three-dimensional fluorescence characteristic parameter of DOM

Huguet A等[17]指出，當HIX小于4時，DOM主要由生物活動產生，腐殖化程度較弱，以自生源貢獻為主，水體自身生產力貢獻相對較低；當HIX高到10～16時，DOM具有顯著的腐殖質特征，以為外來輸入為主，水體自身生產力貢獻相對較低，腐殖類物質外源輸入主要包括經微生物分解的一部分動植物殘體，但主要可能來源于與人類活動相關的污染物，如汽車尾氣、煤炭的燃燒、垃圾滲濾液等[18,19]。由表4數據可知，7月雨水DOM的HIX值最高為13.79，表明 DOM 具有較顯著腐殖化特征，高于6月、8月的HIX值(2.31，和4.23)。這同紫外可見光譜分析雨水樣品中DOM的A300/A400比值變化趨勢相似。這種差異可能是由于DOM來源和老化過程的不同所造成的。

雨水樣品FI值在1.51～1.87范圍之內。McKnight等[20]曾指出陸地來源和微生物來源兩個端源的FI值分別為1.4與1.9，說明雨水樣品中的DOM既有陸源輸入，也受到微生物活動的影響。

Huguet A的研究表明，BIX是反應 DOM 中自生貢獻比例的指標[4]，小于1.0表明DOM中含有較少的自生組分，大于1.0表明DOM具有較強的自生源特征，其主要由動物或細菌活動產生[21]。雨水樣品的BIX值在0.74～1.19之間，說明雨水中有機物陸源輸入和自生組分比例相當。

Huguet A研究表明[4]，r(A/C)的值可以反映DOM中類腐殖組分的發育程度，r(A/C)值越小，腐殖化組分中穩定組分含量就越小。雨水樣品r(A/C)值在1.43～2.31，表明雨水樣品中均以紫外光區類腐殖質占優，腐殖化組分中穩定組分含量較小。

3 結 論

(1) 紫外可見光譜分析烏魯木齊夏季3場典型降水中DOM樣品。S值范圍在6.37～33.62 ，6月降水中的DOM分子量相對較小。A300/A400值取值范圍在1.89～2.60之間，其中7月雨水樣品中的腐殖化程度較高。A250/A360取值范圍在2.63～4.73之間，其中6月、7月雨水樣品中DOM的胡敏酸的含量比富里酸含量大。A240/A420取值范圍在5.84～9.04之間，表明雨水樣品中DOM的有機物分子縮合程度較高。

(2)三維熒光光譜圖中可以看出，雨水中DOM的組成比較復雜，但對固定區域來說DOM來源又相對一致。6月、8月雨水樣品腐殖酸熒光峰A和C是雨水熒光的主要貢獻者，7月雨水樣品類色氨酸(類蛋白)熒光峰T是雨水熒光的主要貢獻者。

(3)7月雨水DOM的HIX值13.79，表明DOM具有較顯著腐殖化特征，同紫外可見光譜分析雨水樣品中DOM的A300/A400比值變化趨勢相似，這種差異可能是由于DOM來源和老化過程的不同所造成的。降水樣品FI值在1.51～1.87范圍之內，說明雨水樣品中的DOM既有陸源輸入，也受到微生物活動的影響。雨水樣品的BIX值在0.74～1.19之間，說明雨水中有機物陸源輸入和自生組分比例相當。雨水樣品r(A/C)值在1.43～2.31，說明雨水樣品中均以紫外光區類腐殖質占優，腐殖化組分中穩定組分含量較小。

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