長江口及鄰近海域有色溶解有機物的分布及河口混合行為的季節變化研究

解李娜，周斌，劉夢，楊琳，楊桂朋，張婧*

(1.中國海洋大學化學化工學院，山東 青島266100；2.中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東青島266100；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東青島266061)

1 引言

有色溶解有機物（Chromophoric Dissolved Organic Matter,CDOM）是海洋溶解有機物（Dissolved Organic Matter,DOM）中的光學活性成分，根據它們結構和性質的不同，可以分為類蛋白質和類腐殖質。CDOM是一類由陸源和海洋自生有機物組成的復雜混合物，能夠吸收紫外波段光和可見波段光[1?2]。陸源有機物通常來源于江河徑流，而海洋自生有機物主要來源于浮游植物和細菌的降解、生物的排泄物及細胞滲漏等[2]。CDOM的吸光特性對于水生生態系統有雙重影響。一方面，通過吸收光合有效輻射限制水域的光可用性，從而影響浮游植物的初級生產力；另一方面，CDOM可以限制有害紫外線的穿透深度，從而保護某些海洋水生生物[3]。

長江口是我國最重要的河口之一，有三級分叉和4個出?？?。崇明島將長江口分為南支和北支[4]。該河口具有流速大、懸浮沉積物濃度高、咸水?淡水混合顯著等特點。長江的年平均流量為2.9×104m3/s，豐水期（5?10月）流量高，枯水期（11月至翌年4月）流量偏低[5]。雖然已有大量學者對長江口CDOM的分布和來源等做了大量分析，如孫語嫣等[6]研究了長江口春夏季CDOM的分布特征，發現CDOM含量由口內向口外逐漸遞減，與鹽度的分布正好相反；徐亞宏等[7]對2015年3月和7月長江口CDOM進行了研究，發現4種熒光組分在最大渾濁帶處有添加過程，整體呈現河口不保守混合行為；Zhu等[8]在2014年對該區域的研究發現，2月和7月的aCDOM(355)隨著鹽度的增加而降低，表明陸源輸入是該區域CDOM的主要來源。之前的研究多集中在2個季節，很少關注3個季節CDOM的變化。本研究分別在2019年的3月、7月和10月對長江口及其鄰近海域進行取樣調查，結合三維熒光光譜?平行因子分析（EEM s-PARAFAC）技術，對3個季節CDOM的分布以及混合行為進行分析。探討了CDOM熒光組分、總熒光強度（Total Fluorescence Intensity,TFI）、aCDOM(355)、S275～295、鹽 度、溫度和Chla濃度的時空分布特征并進行季節對比，以揭示CDOM的季節變化，進一步了解長江口CDOM在河口區有機碳的生物地球化學循環中的作用。

2 材料與研究方法

2.1 樣品采集與預處理

搭乘“潤江1”號和“浙漁科2”號考察船，于2019年3月、7月和10月在長江口及鄰近海域進行現場采樣，站位如圖1 所示?，F場用Niskin采水器采集各層水樣，具體采樣深度見附表A1至附表A3。用CTD測量水樣的溫度和鹽度。將水樣用孔徑為0.7 μm的玻璃纖維濾膜（Whatman GF/F）過濾并轉移到60 m L的棕色玻璃瓶中。樣品瓶和濾器使用前須用10%HCl浸泡48 h，M illi-Q水潤洗3遍，樣品瓶烘干后與濾膜放在馬弗爐中，于450℃條件下灼燒4 h。過濾完水樣的濾膜對折后放入10m L離心管（預先用鋁箔包裹）中用于葉綠素的測定，在?20°C下冷凍保存。樣品瓶所使用的螺紋塑料蓋配有聚四氟乙烯襯墊，樣品需于4°C下冷藏避光保存，航次結束后盡快分析測定。

圖1 采樣站位圖Fig.1 Map of sampling stations

2.2 光譜測定分析

2.2.1 CDOM吸收光譜的測定

測樣前，將海水樣品放在避光處升至室溫，采用島津UV雙通道紫外?可見分光光度計配以長度為10 cm的石英比色皿進行測定，設置掃描波長范圍為200～800 nm，掃描間隔為1 nm，用M illi-Q水作為空白參比，得到樣品的吸光度。根據下式計算CDOM的吸

收系數aCDOM(λ)（單位：m?1）[1]

式中，λ為波長（單位：nm）；L為比色皿長度(單位：m)；A(λ)為分光光度計測量的CDOM吸光度與700～800 nm吸光度平均值的差值，以進行零點校正和減小基線漂移等影響。由于CDOM是種復雜混合物，很難確定所含發色團的具體含量，所以常用某一特定波長處的吸收系數來表征。Guo等[9]認為，用波長為355 nm的吸收系數能更好表征CDOM的濃度，故本文選擇355 nm處的吸收系數aCDOM(355)代表CDOM的相對濃度。

光譜斜率S的計算公式為[10]

式中，λ為波長（單位：nm）；λo為參比波長（單位：nm）；K為樣品的吸收背景值；S為光譜斜率（單位：nm?1）。光譜斜率S通常作為CDOM的來源和種類的指標，可用來描述富里酸與腐殖酸的比例和分子量[11]。鹽度與275～295 nm處的光譜斜率呈負相關，被認為是DOM分子量的良好指標[12]。根據公式（2），以440 nm作為參比波長，采用指數回歸的方法對波長275～295 nm進 行擬合得到S275～295。

2.2.2 CDOM三維熒光光譜測定

采用F-4500熒光分光光度計，以長度為1 cm的石英比色皿進行測定。熒光分光光度計光源為150 W的氙燈光源，PMT電壓為700 V，激發波長（Ex）范圍設置為200～400 nm，發射波長（Em）范圍為250～550 nm，激發和發射的狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為1 200 nm/m in。以M illi-Q水作為空白值，進行熒光掃描。將得到的熒光光譜數據扣除對應波長下的M illi-Q水值，以激發波長為350 nm、發射波長為365～430 nm時水的拉曼峰面積進行校準，然后采用Delaunay三角形插值法[13]來消除瑞利散射、拉曼散射[14]，對所得到的信號進行歸一化處理。最后將數據導入軟件MATLAB中，運用平行因子分析法解析三維熒光譜圖，得到各熒光組分信息。

若每個組分的熒光強度用In（單位：RU）表示，則TFI的計算公式[6]為

2.2.3 葉綠素a（Chla）的測定

采用熒光分光光度計來測定Chla濃度[15]。在低溫避光的條件下，用10m L 90%的丙酮溶液將濾膜萃取24 h，在4 000 r/m in轉速下將萃取液離心10 m in，取2m L上清液待用。在激發波長為436 nm、發射波長為670 nm的條件下測定各濃度梯度下標準溶液的熒光強度，繪制工作曲線，根據標準曲線求得Chla濃度，檢出限是0.01 μg/L。

3 研究結果與分析

3.1 CDOM的吸收光譜分布特征及季節變化

3.1.1 3 月CDOM的吸收光譜分布特征

3月長江口及鄰近海域表層、中層、底層的溫度、鹽度、aCDOM(355)、S275～295以及Chla濃度的分布特征如圖2所示。依據鹽度大小對站位進行劃分，將海域分為低鹽度區（鹽度小于10）和高鹽度區（鹽度大于10）[16]（表1）。

表1 3月長江口及鄰近海域溫度、a CDOM(355)、Chl a濃度以及S275～295的值Table 1 The value of tem perature,a CDOM(355),Chl a concentration and S275～295 of the Changjiang River Estuary and ad jacent areas in M arch

圖2 3月長江口及鄰近海域溫度、鹽度、a CDOM(355)、Chl a濃度、S275～295的分布Fig.2 Distribution of temperature,salinity,a CDOM(355),Chl a concentration,S275～295 of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in March

由圖2 可知，3層溫度和鹽度均呈現出沿水舌方向從河口內向口外增大的變化趨勢，在整個研究區域內高鹽度區所占范圍非常大，說明3月淡水流量小，長江沖淡水擴展的區域小。aCDOM(355)分布與鹽度的分布相反，沿著長江口由內到口外逐漸降低，高值出現口內，而Chla濃度的高值也分布在長江口沿岸，該值是浮游植物初級生產的直接反映指標，可表征浮游植物的生產活動[6,17?18]。由表1 可知，aCDOM(355)和Chla濃度在口內低鹽度區的值均相應高于口外高鹽度區，表明CDOM在口內受到陸源輸入和浮游植物生產活動的共同影響。

光譜斜率S275～295可以表征CDOM相對分子量的大小、來源和遷移轉化過程。Del Vecchio和Blough[19]的研究發現，海洋中S275～295處于0.02 ～0.03 nm?1范圍內，且Helms等[20]指出，S275～295值高，則CDOM主要為海源有機質，S275～295值低，則CDOM主要為陸源有機質。S275～295平面分布特征大致呈現近岸低、遠岸高的特征，越往口外高鹽度區，S275～295值越高，海源有機質成分越多，表明在口外主要受海洋生物活動的影響。Zhang等[21]的研究發現，在遠離陸地的海水中，CDOM主要受浮游植物的生產、有機物的降解、細菌的攝取以及生物細胞滲漏等生物活動影響。

3.1.2 7 月CDOM的吸收光譜分布特征

7月長江口及鄰近海域表層、中層、底層的溫度、鹽度、aCDOM(355)、S275～295以及Chla濃度的分布特征如圖3 所示，各參數值信息見表2。溫度的分布與3月的溫度分布特征相反。鹽度與3月份鹽度分布趨勢相同，但口內低鹽度區較3月范圍明顯增大，且aCDOM(355)分布由近岸到遠岸逐漸遞減，高值出現在低鹽度區，低值出現在口外高鹽度區（表2），表明7月長江口受長江沖淡水的影響更大。

圖3 7月長江口及鄰近海域溫度、鹽度、a CDOM(355)、Chl a濃度、S275～295的分布Fig.3 Distribution of temperature,salinity,a CDOM(355), Chl a concentration,S275～295 of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in July

表2 7月長江口及鄰近海域溫度、a CDOM(355)、Chl a濃度以及S275～295的值Table2 The value of tem perature, a CDOM(355),Chl a concentration and S275～295 of the Changjiang River Estuary and ad jacent areas in July

Chla濃度高值區主要出現在北部，這是因為夏季長江沖淡水沿東北方向擴散，朱建榮[22]在2000年8月的研究中指出，長江沖淡水沿著東偏北擴展, 而Chla高濃度中心也恰好位于東北，長江流域和沿岸工農業污水和生活用水等，含有豐富營養鹽，其大量排放導致該區域高Chla濃度較高。光譜斜率S275～295值在長江口內低，在高鹽區受長江沖淡水影響減弱，aCDOM(355)降低，S275～295值升高。

3.1.3 10 月CDOM的吸收光譜分布特征

10月長江口及鄰近海域表層、中層、底層的溫度、鹽度、aCDOM(355)、S275～295以及Chla濃度的分布特征如圖4 所示。各參數值信息見表3。溫度和鹽度與3月的溫度、鹽度分布趨勢相同。

圖4 10月長江口及鄰近海域溫度、鹽度、a CDOM(355)、Chl a濃度、S275～295的分布Fig.4 Distribution of temperature,salinity,a CDOM(355),Chl a concentration,S275～295 of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in October

aCDOM(355)與3月、7月的分布相同，受長江沖淡水的影響由口內到口外減小。而Chla濃度相則反，呈現出由長江口內到口外增加的變化趨勢，且高值出現在遠離近岸的高鹽度區（表3），S275～295高值也主要出現在受陸源輸入影響小的遠岸區域，說明在長江口外，10月的CDOM主要受浮游植物生產活動的影響。

3.1.4 與前人研究吸收光譜特征的對比

表4 列出前人對該海域和其他近海區吸收系數的研究結果，與本研究3個季節的aCDOM(355)（表1 至表3）進行對比可知：在列出的海域中，南波羅的海低鹽度區的aCDOM(355)值范圍為1.2 ～12m?1，高于本研究aCDOM(355)值，CDOM含量最高[23]。Funka灣[24]和阿拉伯海[25]高鹽度水體中，aCDOM(λ)值要低于本研究aCDOM(355)值，CDOM含量較低。九龍口3個季節的調查航次[16]以及長江口2003年航次[16]在不同鹽度區得到的aCDOM(355)值與本研究相比相差不大?？偟膩碚f，長江口CDOM含量處于中等水平。

表3 10月溫度、a CDOM(355)、Chl a濃度以及S275～295的值Table3 The value of temperature,a CDOM(355), Chl a concentration and S275～295 of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in October

表4 近岸海域的吸收系數值對比Table 4 Com parison of absorption coefficients in coastal waters

3.2 CDOM的熒光光譜分布特征及季節變化

3.2.1 CDOM熒光組分特征

用PARAFAC對研究區域3個季節水樣的三維熒光光譜進行分析，共鑒別出4種熒光組分（圖5）。與先前已有的文獻研究進行對比得到3種類腐殖質組分和1種類蛋白質組分（表5）。類蛋白質組分C1的最大激發和發射波長分別為280 nm和330 nm，對應于類色氨酸的T峰[275/340 nm][26?27]，主要來源是微生物的降解或生物殘骸。類腐殖質組分C2的最大激發波長出現在300 nm處，最大發射波長出現在350 nm處，與白瑩[28]發現的類腐殖質組分組分C3的熒光特征非常相似，類似于海源類腐殖質M峰，生物活動對其有一定影響[29]，也有學者認為該組分為是陸源腐殖質[26]，而Kowalczuk等[30]認為，該種物質受海源、陸源的共同控制。C3為陸源類腐殖質組分，最大激發和發射波長分別為260 nm和465 nm，位于傳統的A峰，被認為是含有高分子量的芳香性陸源腐殖質[29]。類腐殖質組分C4的最大激發和發射波長分別為320 nm和410 nm，與Holbrook等[31]發現的陸源類腐殖質組分C2相似，Stedmon和Markager[29]認為其在近岸區主要受徑流輸入和人為活動的影響，故C4為陸源有機質。

圖5 用PARAFAC鑒別出CDOM的4個熒光組分Fig.5 Four fluorescent componentsof CDOM identified by PARAFAC model

表5 長江口及鄰近海域CDOM的主要熒光組分Table5 Princip le fluorescent com ponent of CDOM in the Changjiang River Estuary and ad jacent areas

3.2.2 CDOM熒光組分的分布特征

由圖6 至圖8 可知，4個熒光組分的分布特征相似，均沿著長江沖淡水的方向由口內向口外逐漸降低，與TFI和aCDOM(355)分布相吻合，而與調查海域的鹽度分布呈相反關系，在近岸低鹽度區熒光值高，遠岸熒光值低，與孫語嫣等[6]研究的長江口及鄰近海域春夏季CDOM各熒光組分的分布基本一致。此外，在研究區域的南邊島嶼附近，CDOM組分熒光值較高，這主要受人類活動和杭州灣附近淡水輸入的影響[6]。CDOM組分的分布表明，在近岸海域，徑流攜帶大量CDOM注入海洋，陸源輸入是CDOM的主要來源，而在遠離大陸的外海區，受陸源輸入影響減小，主要來源是海洋自生有機物，因此CDOM的含量偏低。

圖6 3月長江口及鄰近海域4個熒光組分以及TFI的分布Fig.6 Distributions of four fluorescent components and total fluorescence intensity of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in March

圖7 7月長江口及鄰近海域4個熒光組分以及TFI的分布Fig.7 Distributions of four fluorescent componentsand total fluorescence intensity of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in July

圖8 10月長江口及鄰近海域4個熒光組分以及TFI的分布Fig.8 Distributions of four fluorescent components and total fluorescence intensity of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in October

由表6 可知，3個季節CDOM在表層和底層的熒光值均比中層熒光值高。表層熒光值比中層高是因為表層低鹽度區域范圍顯著大于中層低鹽度區（圖2 至圖4 ），說明長江沖淡水在表層擴展區域大，表層受其影響大，中層受長江沖淡水的影響小。孫語嫣等[6]在該區域的研究也發現中層低鹽度區范圍減小，受長江沖淡水影響減弱，使得CDOM熒光值小于表層。Guéguen等[33]報道中也指出，徑流淡水輸入能夠增加CDOM熒光值。而底層沉積物再懸浮使得底層各組分熒光值比中層高[6]。程遠月等[34]對廈門灣九龍江河口區的報道中也指出，在近岸河口區，海水比較淺，由于潮汐的運動或者陸源輸入等的影響，劇烈的再懸浮作用會對DOM的生物地球化學行為產生影響。

同時由表6 可知，4個組分的平均熒光強度在3個季節的總體變化從大到小依次為7月、10月、3月。夏季降水豐富，陸源輸入流量大，且光照充足、溫度適宜，浮游植物的生產活動強，使得7月CDOM熒光組分的平均熒光強度最高。Su等[35]的研究也發現，由于大量陸源輸入和較高的初級生產使得7月份熒光強度高于3月和10月。

表6 3月、7月及10月長江口及鄰近海域CDOM各組分熒光強度Table6 Fluorescent intensity of CDOM com ponent of the Changjiang River Estuary and ad jacent areas in M arch,July and October

3.3 CDOM的河口混合行為

本文選取C系列、A6系列的站位研究CDOM混合行為。依據Stedmon模型[36]假設在長江口區CDOM僅存在河端和海端的物理混合作用，以河海兩個端元熒光組分的強度作出理論稀釋線（圖9）。若高于理論稀釋線即說明組分存在原位產生等添加行為，低于理論稀釋線則存在去除過程。

圖9 3月、7月及10月長江口及鄰近海域4個熒光組分隨鹽度的變化Fig.9 Variation of four fluorescent components with salinity site of the Changjiang River Estuary and adjacent areas in March, July and October

在3月，4個熒光組分在中低鹽度區整體低于理論稀釋線，7月的C3、C4也出現相同情況，說明在該區域物理混合過程中CDOM存在去除行為。這有以下3個原因：（1）由于低鹽度區水體渾濁，而鹽度10～20之間的站位更是位于口門最大渾濁帶處，懸浮顆粒物含量較高，吸附CDOM使其沉淀，故熒光組分濃度降低[16]；（2）細菌活動使組分發生降解[21]，近岸陸源輸入了豐富的有機物，再加上適宜的鹽度有利于細菌的繁殖，進而促進了CDOM的降解。劉材材等[37]和劉晶晶等[38]在長江口的研究分別發現春季和夏季細菌的豐度達1.35 ×105～9.4 ×105個/mL、6.9 ×105～5.54 ×106個/m L；（3）熒光組分發生了光降解作用使得濃度偏離理論稀釋線[39]。

10月的4個熒光組分和7月的C1、C2總體呈現添加行為。在近岸低鹽區，靠近江蘇和上海等人口密集地區，工農業污水和生活廢水的排放會造成熒光組分濃度升高。鹽度為10～20的站位位于最大渾濁帶，類腐殖質和類蛋白質組分都有一定程度的添加，類蛋白質組分C1的添加可能是在口門最大渾濁帶處，此處細菌對有機體的降解、浮游生物的細胞滲透等生物活動強烈[7]；類腐殖質的添加可能是由于最大渾濁帶處強烈的再懸浮作用使類腐殖質從沉積物中釋放出來造成的[7]。此外，7月C1、C2在遠離陸地的高鹽度區（鹽度大于25）有添加行為，C1主要來源是微生物的降解或生物殘骸，而C2是海陸源共同控制的，兩組分的添加主要受到現場生物活動的影響[21]。

CDOM的來源和去除機制復雜多變，熒光組分在不同時間和空間的混合行為特征不同。朱偉健等[40]在長江口的研究發現，口外CDOM既存在高于理論稀釋線的添加行為，也有低于理論稀釋線的去除過程，整體混合行為較復雜。總的來說，本研究顯示，CDOM呈現河口不保守混合行為，與徐亞宏等[7]在本區域的調查結果一致。

4 結論

（1）在口內低鹽度區（鹽度小于10），aCDOM(355)值在季節上的對比，由大到小依次為7月、3月、10月，夏季降雨量多，口內受長江沖淡水影響最大；3月口內Chla濃度高于10月，CDOM受到長江沖淡水和浮游植物生產活動的雙重影響，因此比10月的aCDOM(355)值高。在口外高鹽度區（鹽度大于10），10月aCDOM(355)值最高，3月和7月的aCDOM(355)值相差不大，這是由于Chla濃度在10月最高，受浮游植物生產活動的影響最大。

（2）通過EEMs-PARAFAC技術對CDOM進行三維分析共識別出長江口及鄰近海域CDOM的4個熒光組分，分別是1個類蛋白質組分C1（280/330 nm）與3個類腐殖質熒光組分C2（300/350 nm）、C3（260/465 nm）和C4（320/410 nm）。3個季節CDOM熒光組分在均表現出由長江口內到長江口外逐漸降低的分布特征，且平均熒光強度的季節變化總體上來說，從大到小依次為7月、10月、3月。

（3）在3月、7月和10月，4個熒光組分都在一定程度上偏離理論稀釋線，表明在長江口區域，影響CDOM的因素復雜多變，CDOM整體呈不保守混合行為。

致謝：本文的樣品由“浙漁科2”號和“潤江1”號科考船采集，在此表示感謝。

附錄1

表 A1 3月采樣深度Table A1 Sam p ling dep th in M arch

表A2 7月采樣深度Table A2 Sam p ling dep th in July

表 A3 10月采樣深度Table A3 Sam p ling depth in October