黑龍江流域典型斷面水體DOM熒光特性分析

張道萍， 張鈴松， 孟凡生*， 王業耀， 楊 琦， 薛 浩， 葉匡旻

1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院， 北京 100083

2.中國環境科學研究院環境污染控制工程技術研究中心， 北京 100012

3.中國環境監測總站， 北京 100012

黑河市位于黑龍江省東北部，小興安嶺北麓，大小興安嶺、黑龍江和五大連池“兩嶺一江一池”交匯處，黑龍江上游與中游的交匯段. 受流域范圍內植被類型和土壤類型影響，大量天然有機質通過降雨、地表徑流和地下滲流等過程進入河流，并向下游長距離輸運，形成背景值，導致水體ρ(CODMn)和ρ(NH4+-N)偏高. 天然有機質進入水體后，并不會引起水體ρ(DO)的明顯消耗，也未有不利的水生態效應發生，因此其明顯區別于人為排放的耗氧污染物所造成的ρ(CODMn)升高現象. 近年來隨著水環境質量考核不斷收緊，區域內水質考核面臨巨大壓力，因此探索和揭示區域內水體DOM的來源及組成對于科學制定水質考核目標具有重要意義.

該研究以黑龍江流域在黑河市境內的典型斷面為研究對象，通過野外調查、靜態浸泡試驗和動態淋溶試驗，利用EEM-PARAFAC和熒光定量指標，分析水體DOM的熒光特性和來源特征，研究黑龍江流域水環境腐殖質的組成、時空分布特征及來源特征，以期為黑龍江流域水質科學監測與客觀評價提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 采樣點描述和水樣采集

黑河市境內河流眾多，河網密布，有大小河流631條，其中，流域面積在 1 000 km2以上的河流有19條，在黑龍江省屬于水資源相對富集地區. 黑龍江跨蒙古國、中國、俄羅斯三國，流經蒙古國、俄羅斯，以及中國的黑龍江省、內蒙古自治區，位于黑河地區北部，是中俄界河. 該研究選取黑龍江流域在黑河市境內的16個典型斷面，于2019年5月(平水期)、2019年8月(豐水期)和2019年12月(冰封期)在各斷面進行表層(0.5 m)水樣采集，采樣點信息見表1.

使用便攜式水質分析儀(YSI Professional Plus, Yellow Springs, OH, USA)檢測現場采樣點的水溫、ρ(DO)、pH和電導率. 每個采樣點采集表層水1 L于無色聚乙烯塑料瓶中，將水樣置于裝有冰塊的保溫箱避光低溫保存，盡快運回實驗室冷藏，測定ρ(CODMn)、ρ(BOD5)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)等，用0.45 μm的玻璃纖維濾膜將水樣過濾后測定ρ(DOC)、紫外吸收光譜和三維熒光光譜.

表1 黑龍江流域典型斷面采樣點信息

1.2 靜態浸泡試驗

在呼瑪上、黑河上、呼瑪河口內和庫爾濱河中游4個斷面的沿岸S型隨機選取5個位置，清理凋落物層后，采集0～20 cm表層土壤樣品，其中呼瑪上、黑河上和庫爾濱河中游為暗棕壤，呼瑪河口內為黑土，并將5份土壤混合形成一個樣品. 現場采集的土壤樣品用塑料整理箱密封，避光保存，盡快運回實驗室冷凍. 將土樣過7目(孔徑為 2 800 μm)的標準篩，除去碎石、植物殘體等雜物.

將4個斷面的土壤分別按四分法對角取樣150 g，置于 5 000 mL的聚乙烯燒杯中，加入超純水 5 000 mL，充分攪拌使土壤溶解后，蓋上錫紙，靜置. 反應24 h后，將水樣用0.45 μm的濾膜過濾，測定ρ(DOC)、紫外吸收光譜和三維熒光光譜.

1.3 動態淋溶試驗

采集黑河上斷面的沿岸暗棕壤. 土壤樣品采集方法見1.2節.

淋溶試驗模擬裝置主要由噴淋裝置、土槽和水槽等組成，內側圓圈為土槽，土槽壁上均勻分布有小孔，外側圓圈為水槽(見圖1). 將土壤按四分法對角取樣填滿土槽，用噴淋裝置模擬降雨，淋溶土壤，淋溶水通過土槽壁上的小孔進入外側水槽，通過出水口取樣. 試驗運行時間為168 h，總淋溶水量為80 L. 該研究分別在6、12、24、48、72、96、120、144、168 h時從出水口取淋溶水，將水樣用0.45 μm的濾膜過濾后，測定ρ(DOC)、紫外吸收光譜和三維熒光光譜.

圖1 淋溶試驗模擬裝置示意

1.4 水質參數的測定

采用GB 11892—1989《酸性高錳酸鉀氧化法》測定ρ(CODMn)；采用HJ 505—2009《稀釋與接種法》測定ρ(BOD5)；采用HJ 535—2009《納氏試劑分光光度法》，用紫外可見分光光度計(N4，上海儀電分析儀器有限公司)測定ρ(NH4+-N)；采用GB 11894—1989《堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》，用紫外可見分光光度計測定ρ(TN)；采用GB 11893—1989《鉬酸銨分光光度法》，用紫外可見分光光度計測定ρ(TP)；采用日本島津公司生產的總有機碳分析儀(TOC-L CPH)測定ρ(DOC)；使用Milli-Q超純水(Millipore，18.3 MΩ·cm，美國)作為空白，采用紫外可見分光光度計(島津UV-1700，日本)測定UV-Vis吸光度，其掃描范圍為200～700 nm，且以0.5 nm為間隔.

1.5 三維熒光光譜測試與PARAFAC分析

圖2 不同水期水質參數濃度的變化情況

三維熒光光譜采用日立(Hitachi)F-7000三維熒光分光光度計測定，配以1 cm石英比色皿，150 W氙燈為激發光源，PMT電壓為700 V，λEx(激發波長)范圍為200～500 nm，λEm(發射波長)范圍為250～600 nm，λEx和λEm增量均設為5 nm，狹縫寬度為10 nm，掃描速率為2 400 nm/min，響應時間設置為自動，樣品測定前保持溫度為25 ℃. 為避免熒光內濾效應，較濃的水樣經過適當的精確稀釋，然后再進行熒光光譜測定. 以Milli-Q超純水為空白降低拉曼散射的影響，所有樣品的三維熒光光譜扣除空白樣品光譜信號后用Matlab R2017b調用DOMFluor工具箱進行PARAFAC分析. 熒光強度以Raman單位(R.U.)表示，以λEx為350 nm時水的拉曼峰積分強度換算[7]. 關于EEM-PARAFAC分析的參數條件見參考文獻[10].

1.6 DOM來源解析

在DOM來源特征的解析中，常用熒光特征參數〔FI(fluorescence index，熒光指數)、BIX(fluorescence index，熒光指數)和HIX(humification index，腐殖化指數)〕分析水樣中DOM的來源. 其中FI表示陸地和微生物源對DOM熒光組分的相對貢獻[11]，BIX表征DOM自生源強弱特征，HIX評價DOM腐殖化程度. FI是指λEx=370 nm時，λEm分別在450 nm和500 nm處的熒光強度比值[12]. 當FI小于1.4時，表明DOM是陸地或土壤源輸入；當FI在1.4～1.9之間時，表明水體DOM是陸源和自生源貢獻相結合；當FI大于1.9時，表明微生物活動強烈. BIX是指λEx=310 nm時，λEm分別為380和430 nm處的熒光強度比值[13]. 當BIX為0.6～0.7時，表明DOM具有較少的自生組分；當BIX為0.7～0.8時，表明DOM具有中度新近自生源特征；當BIX為0.8～1.0時，表明DOM具有較強自源特征；當BIX大于1.0時，表明DOM主要為自生來源且有機質為新近產生. HIX是指λEx=255 nm時，λEm分別為434～480 nm區域積分值與300～346 nm區域積分值的比值[14]. 當HIX小于4時，表明水體DOM的腐殖化程度不強；當HIX大于6時，表明DOM具有強腐殖質特征.

2 結果與討論

2.1 黑龍江流域典型斷面水質參數特征和DOM熒光特性分析

2.1.1黑龍江流域典型斷面水質參數特征

由圖2可知：平水期、豐水期和冰封期黑龍江流域典型斷面水體ρ(CODMn)范圍分別為5.700～21.900、5.500～25.200、1.100～18.100 mg/L，平均值分別為14.131、13.881、5.562 mg/L；ρ(DO)范圍分別為8.330～11.940、7.110～11.010、9.120～13.290 mg/L，平均值分別為9.727、8.495、11.045 mg/L；ρ(BOD5)范圍分別為1.100～2.200、0.600～1.600、0.500～2.500 mg/L，平均值分別為1.513、1.200、1.431 mg/L；ρ(NH4+-N)范圍分別為0.234～0.663、0.250～0.572、0.040～0.450 mg/L，平均值分別為0.412、0.379、0.274 mg/L；ρ(TN)范圍分別為0.473～1.119、0.467～1.313、0.460～2.050 mg/L，平均值分別為0.755、0.738、0.742 mg/L；ρ(TP)范圍分別為0.023～0.103、0.023～0.115、0.020～0.077 mg/L，平均值分別為0.060、0.060、0.041 mg/L；ρ(DOC)范圍分別為4.802～19.430、6.080～23.700、0.377～16.700 mg/L，平均值分別為12.483、14.218、5.196 mg/L；UV254值范圍分別為0.143～0.675、0.181～0.795、0.001～0.671 cm-1，平均值分別為0.377、0.432、0.171 cm-1. 結果表明：ρ(CODMn)、ρ(NH4+-N)、ρ(TP)、ρ(DOC)、UV254值在平水期和豐水期較高，在冰封期最??；ρ(DO)、ρ(BOD5)和ρ(TN)在3個水期接近. 根據GB 3828—2002《地表水環境質量標準》，以ρ(CODMn)判定，黑龍江流域典型斷面在平水期和豐水期屬于劣Ⅴ類水質，在冰封期屬于Ⅲ類水質；以ρ(DO)和ρ(BOD5)判定，黑龍江流域典型斷面在3個水期均屬于Ⅰ類水質；以ρ(NH4+-N)判定，黑龍江流域典型斷面在3個水期均屬于Ⅱ類水質；以ρ(TN)判定，黑龍江流域典型斷面在3個水期均屬于Ⅲ類水質；以ρ(TP)判定，黑龍江流域典型斷面在3個水期均屬于Ⅱ類水質.ρ(CODMn)在平水期和豐水期出現了畸高現象，平水期和豐水期水體DOM的相對含量高于冰封期.

2.1.2黑龍江流域典型斷面水體DOM熒光特征和來源解析

2.1.2.1黑龍江流域典型斷面水體DOM熒光組分特征

基于EEM-PARAFAC，平水期、豐水期和冰封期黑龍江流域典型斷面水體DOM共識別出4種熒光組分(見表2)，包括2種類腐殖質組分〔長波段類腐殖酸(C1)和短波段類腐殖酸(C2)〕、1種類富里酸組分〔類富里酸(C3)〕、1種類蛋白組分〔類色氨酸(C4)〕. 3個水期水體DOM的熒光組成一致，以平水期為例(見圖3). 其中，C1對應傳統意義上的A峰〔λEx(260 nm)/λEm(380～460 nm)〕和C峰〔λEx(350 nm)/λEm(420～480 nm)〕[22]，該組分是由大分子疏水性化合物組成的[23]. C2對應傳統意義上的A峰，該組分主要由相對穩定的大分子有機物產生，具有相對穩定的芳香性和疏水性結構[24]. 一般認為，該組分反映的是陸地水體中輸入的陸源腐殖酸[25]. 黑龍江流域典型斷面水體中極高的類腐殖質熒光組分主要來自林區腐殖質，林下枯枝落葉和土壤的腐殖質隨融冰融雪和降雨徑流進入河流，導致河流中的類腐殖質熒光組分濃度較高. C3與傳統的海洋類腐殖質M峰〔λEx(290～312 nm)/λEm(370～420 nm)〕相比，λEx變短，發生了藍移，該組分可能來源于微生物及水中浮游植物降解氧化或陸地衍生的有機物質[26]. C4對應傳統T峰〔λEx(275 nm)/λEm(340 nm)〕，該組分與DOM中的芳環氨基酸有關[27]，親水性較強，反映的是生物降解來源形成的熒光峰值，主要由微生物和浮游植物的作用產生，還可能來源于生活污水和工業廢水等的排入[28].

表2 平水期、豐水期和冰封期水體DOM的熒光組分特征

2.1.2.2黑龍江流域典型斷面水體DOM熒光組分分布特征

由圖4可知，在平水期，C1、C2、C3和C4的熒光強度占比分別為20.8%、30.6%、32.4%和16.2%；在豐水期，C1、C2、C3和C4的熒光強度占比分別為22.9%、31.5%、28.6%和17.0%；在冰封期，C1、C2、C3和C4的熒光強度占比分別為18.5%、31.7%、29.8%和20.0%. 其中，類腐殖質總貢獻率在50%以上，類腐殖質和類富里酸總貢獻率在80%以上，表明黑龍江流域典型斷面水體DOM屬于類腐殖質主導型. 在3個水期中，類腐殖質和類富里酸的熒光強度占比在平水期和豐水期較高，冰封期最小. 黑龍江流域位于中緯度地區，在秋冬季和春季存在明顯的交替凍融過程，凍融作用會使黑土和暗棕壤松結態腐殖質升高，主要是由微生物分解作用和土壤大團聚體破壞等原因造成[29]. 因此，在平水期受季節性凍融過程的影響，林下枯枝落葉和土壤的腐殖質隨融冰融雪進入水體，使水體DOM的類腐殖質濃度較高. 在豐水期，黑龍江流域沿岸植被茂密，但河流徑流量最大，水土流失最為嚴重，通過降雨徑流攜帶大量腐殖質進入水體，使水體中陸源輸入的DOM較高. 在冰封期，徑流主要靠地下水補給，外源輸入最少，同時受季節溫度的影響，生物活動和降解過程緩慢，故C1、C2和C3的占比最小，C4占比略微增大.

圖3 平水期EEM-PARAFAC分析出的熒光組分及其激發/發射載荷

圖4 平水期、豐水期和冰封期水體DOM的4種組分熒光強度占比

由圖5可知，平水期與豐水期的熒光強度接近，冰封期最小. 采用非參數統計中的符號檢驗、Wilcoxon符號等級檢驗對所選取的平水期和豐水期熒光強度樣本進行分析，結果表明，兩種檢驗方法計算的P值分別為0.077和0.098，均大于0.050，故可認為二者無顯著性的差異. 熒光強度的變化趨勢與ρ(DOC)一致，冰封期外源輸入最少，而且受季節溫度的影響，自生源特征也不明顯，主要受類腐殖質和類富里酸變化的影響. 由于總熒光強度受農業生產和人類活動等的影響，導致土壤腐殖質和營養物質隨地表徑流直接進入河流水體中，但源頭水受林區腐殖質的影響，總熒光強度較大，背景值較高.

圖5 平水期、豐水期和冰封期水體DOM的熒光強度空間分布

表3 平水期、豐水期和冰封期各采樣點水體DOM的熒光定量指標

2.1.2.3黑龍江流域典型斷面水體DOM來源解析

由表3可知，平水期、豐水期和冰封期黑龍江流域典型斷面水體DOM的FI值分別為1.48～1.61、1.51～1.63和1.52～1.79，均介于1.4～1.9之間，說明3個水期水體DOM是陸源和自生源貢獻相結合. 3個水期水體DOM的BIX值分別為0.56～0.75、0.55～0.73和0.61～0.92，均小于1.0. 其中，平水期和豐水期絕大多數采樣點的BIX值介于0.6～0.7之間，表明其DOM具有較少的自生組分；而冰封期絕大多數采樣點的BIX值介于0.7～0.8之間，表明其DOM具有中度新近自生源特征. 3個水期水體DOM的HIX值分別為5.84～13.42、5.70～15.78和2.84～12.05，除個別采樣點外，其余采樣點的HIX值均大于6，表明3個水期水體DOM均具有強腐殖質特征.

2.2 靜態浸泡試驗水體DOM熒光特性

基于EEM-PARAFAC，靜態浸泡試驗水體DOM共識別出5種熒光組分(見表4)，除C1～C4外，還識別出類酪氨酸(C5). 其中，C1～C4與黑龍江流域典型斷面3個水期的4種熒光組分一致. C5對應傳統意義上的B峰〔λEx(275 nm)/λEm(310 nm)〕，該組分是蛋白質中游離或結合的氨基酸，主要來源于生活污水，代表的是分解程度小、較新鮮的類蛋白質[32]. 由于進行靜態浸泡試驗時，土壤能夠得到充分溶解，故土壤中的腐殖質能夠更多地溶解到水體中，從而使得水體DOM的熒光組分增加. 結果表明，靜態浸泡模擬土壤溶解會使土壤中的腐殖質溶解到水體中，土壤DOM的熒光特性與水體DOM相似，黑龍江流域水體DOM與土壤DOM具有相似的來源.

2.3 動態淋溶試驗水體DOM熒光特性

基于EEM-PARAFAC，動態淋溶試驗水體DOM共識別出4種熒光組分(C1～C4)(見表5). 該試驗結果與黑龍江流域典型斷面3個水期的4種熒光組分一致. 結果表明，動態淋溶模擬降雨過程會使土壤中的腐殖質溶解到水體中，土壤DOM的熒光特性與水體DOM相似，黑龍江流域水體DOM與土壤DOM具有相似的來源.

2.4 DOC和熒光強度的相關性

由圖6可見，3個水期各熒光組分的熒光強度均與ρ(DOC)呈線性相關. 其中，C1、C2和C3的熒光強度與ρ(DOC)均呈顯著線性相關，平水期、豐水期、冰封期C1的相關系數分別為 0.776 2、0.852 4 和0.956 8，C2的相關系數分別為 0.478 3、0.265 9 和 0.878 4，C3的相關系數分別為 0.658 2、0.802 5 和 0.954 5；但C4的相關系數差別較大，3個水期分別為-0.064 4、0.021 9 和 0.847 4，說明黑龍江流域水體中的類腐殖質熒光組分是DOC的主要來源，這與Mendoza等[18,33]的研究結果一致.

表4 靜態浸泡試驗水體DOM的熒光組分特征

表5 動態淋溶試驗水體DOM的熒光組分特征

圖6 平水期、豐水期和冰封期DOC與熒光組分熒光強度的相關性

3 結論

a) 黑龍江流域水體ρ(CODMn)在平水期和豐水期出現了畸高現象，平水期和豐水期水體DOM的相對含量高于冰封期. 水體DOM識別出4種熒光組分，分別為長波段類腐殖酸(C1)、短波段類腐殖酸(C2)、類富里酸(C3)和類色氨酸(C4). 其中，類腐殖質總貢獻率在50%以上，表明水體DOM屬于類腐殖質主導型. 總熒光強度主要受到類腐殖質和類富里酸變化的影響，源頭水的背景值較高. 平水期、豐水期和冰封期水體DOM的FI值分別為1.48～1.61、1.51～1.63和1.52～1.79，BIX值分別為0.56～0.75、0.55～0.73和0.61～0.92，HIX值分別為5.84～13.42、5.70～15.78和2.84～12.05，表明水體DOM是陸源和自生源貢獻相結合，具有自生源特征和強腐殖質特征.

b) 通過靜態浸泡試驗模擬土壤溶解，識別出5種熒光組分，除C1～C4外，還識別出類酪氨酸(C5)；通過動態淋溶試驗模擬降雨過程，識別出4種熒光組分(C1～C4). 土壤DOM的熒光特性與水體DOM相似，表明水體DOM與土壤DOM具有相似的來源.

c) 3個水期各熒光組分的熒光強度均與ρ(DOC)呈線性相關. 其中，C1、C2和C3的熒光強度與ρ(DOC)均呈顯著線性相關，平水期、豐水期、冰封期C1的相關系數分別為 0.776 2、0.852 4 和 0.956 8，C2的相關系數分別為 0.478 3、0.265 9 和 0.878 4，C3的相關系數分別為 0.658 2、0.802 5 和 0.954 5；但C4的相關系數差別較大，3個水期分別為 -0.064 4、0.021 9 和 0.847 4. 黑龍江流域水體中的類腐殖質熒光組分是DOC的主要來源.