典型喀斯特河流汛期溶解性有機質空間變化及其光學參數的耦合關系

倪茂飛,劉 睿,王志康,4,張 靜,*,苑浩達,徐 溶

1 貴州民族大學生態環境工程學院, 貴陽 550025

2 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331

3 重慶市地理信息系統應用研究重慶市高校重點實驗室, 重慶 401331

4 貴州省工程地質災害防治工程研究中心(貴州民族大學), 貴陽 550025

溶解性有機質(DOM)廣泛存在于自然水體,并在全球及區域碳循環中扮演著核心角色[1]。它是一類由不同生物化學成分(如：腐殖質、蛋白質和脂肪酸等)所組成的非均相混合物[2]。河流DOM由于區域生態環境過程影響,其成分一般具有顯著的時空格局特征,且主要由陸生源(外源)及原位生物源(內源)構成,受區域季節性生態水文過程、人為活動、植物根系分泌、藻類和微生物新陳代謝所調控[3—4]。同時,DOM作為自然水體中化學物質(如：營養物質和重金屬等)的載體,兼具物質輸運、反應和存儲的功能[5]。因此,河流DOM成分特征及來源解析對進一步了解生物地球化學過程至關重要。

世界范圍內喀斯特流域分布廣泛,且其特殊的地形地貌特征極大地調節了水體物理、化學和生物過程[6]。特別是汛期降雨影響流域徑流、巖石風化和水土連接狀況,因此周期性調節喀斯特河流DOM空間格局[7]。同時汛期喀斯特區域水土流失加重,導致大量陸源DOM輸入河流[8]。先前研究顯示[9],碳酸鹽溶解耦合光合作用強烈影響喀斯特水體碳循環過程,從而進一步響應DOM生物/非生物源轉化。因此,特殊區域生物地球化學特征對DOM成分及來源具有重大影響。然而,當前喀斯特水體DOM的研究主要集中于巖石含水層和巖溶泉等[10—11]。特別地,國內研究報道了西南喀斯特地下河系統DOM特征,結果顯示原位水體腐殖質和絡氨酸成分大量累積[12]。因此,目前對于地表水喀斯特河流,特別是集中降雨作用下的DOM成分及來源信息卻鮮有報道,急需相關研究的補充。

當前DOM的測量方法眾多[13—15],如傅里葉變換離子回旋共振質譜法(FT-ICR-MS)、傅里葉紅外光譜法(FTIR)和高效液相色譜法(HPLC)等。其中,紫外-可見光譜和三維熒光光譜法以其高效的分子級檢測特征被廣泛使用[16—17]。例如,有機物官能團能吸收特定波長下的紫外-可見光,其標準化吸光系數(SUVAλ)用于半定量解釋DOM成分的相對豐度[18]。大分子DOM的吸光范圍相對較寬,因此其吸光度比值(如：E2:E3和E4:E6等)和光譜斜率(如：S275- 295、S290- 350和S350- 400等)能夠顯示DOM的相對分子質量[19]。同樣,三維熒光矩陣甄別不同熒光基團的相對含量,同時其熒光參數能夠顯示DOM來源、可生物降解性、新鮮度和腐殖化程度,有力地揭示了DOM的特征信息[20]。當前,三維熒光矩陣平行因子分析(EEM-PARAFAC)作為一項后處理技術被廣泛應用于熒光數據的深度解釋,并在DOM成分分析領域具有卓越貢獻[21]。

該研究以我國典型喀斯特河流——芙蓉江作為對象,它全流域處于巖溶地貌區域且大量覆蓋碳酸鹽巖結構,具有顯著的研究代表性。同時研究利用紫外-可見光譜、熒光光譜和EEM-PARAFAC探索該河流汛期DOM光學特性及其空間格局特征,評估各光學參數的相關關系,進一步揭示喀斯特河流DOM與全球及區域內陸水體碳循環的響應機制,以期為我國生態水環境調控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

該研究野外調研及樣品采集地點位于芙蓉江流域(28°0′57″—29°14′23″N,107°10′3″—107°52′42″E),它是烏江水系左岸最大的一級支流(圖1)。該河流碳酸鹽巖分布廣泛且地質構造復雜,其出露地層均為沉積巖,有顯著的喀斯特地形地貌特征。該流域發源于貴州省遵義市綏陽縣,并于重慶市武隆縣匯入烏江。河流全長231 km,流域面積為7406 km2,貴州省境內面積占總流域面積的93%。芙蓉江水系發達,其中清溪河、三江和梅江是主要支流。據沿途雨量站數據顯示,芙蓉江多年平均降雨量在1037—1233 mm范圍,且主要集中在每年5—9月,占全年降雨量的86%。芙蓉江多年徑流量在15—58 m3/s之間,其平均值為34 m3/s。流域土地利用以林地和草地為主,次之為農業用地、城鎮用地和水域。同時,為達到發電與防洪的目的,該河流干流建有多座水電站(圖1),這可能造成區域水生態環境的改變。

圖1 研究區域位置、土地利用及采樣點分布圖

1.2 野外工作及樣品分析

野外工作：遵循《水質采樣技術指導》(HJ494—2009)相關描述[22],于2020年7月(汛期)對干流(21個樣點)和支流(11個樣點)開展了野外樣品采集工作,采樣點布設最大程度包含了河流空間信息,并符合河流連續體概念[23]。為考慮人為活動對水質的影響,每日采樣時間為早上(9:00—12:00)及下午(14:00—18:00),保障各樣點樣品具有科學代表性。水樣于河流流水處采集,各樣點類型覆蓋：用水地、支流合流前后、城鎮進出口、水電站和大壩前后,盡量保證10 km采樣間隔。水樣為河流表層水體(10—20 cm),保存于50 mL或100 mL高密度聚乙烯塑料瓶,采集時仔細檢查瓶蓋是否蓋嚴同時避免出現頂空空氣。用于溶解性有機碳(DOC)分析的樣品事先用2 mol/L鹽酸酸化。

樣品預處理：采樣當天利用玻璃纖維膜(GF/F 47 mm, 0.45 μm, Whatman)對原水樣進行抽濾處理,并將濾液移置超純水潤洗過的50 mL或100 mL高密度聚乙烯塑料瓶中,仔細檢查瓶蓋及頂空空氣規范。后續將預處理后的樣品存放于4℃冰柜中冷藏并在一周以內運送至實驗室進行測定。

實驗室分析：樣品DOC濃度利用varioTOC cube select總碳分析儀(Elementar,德國)測定。紫外-可見光譜利用UV- 1500PC紫外-可見分光光度計(Macy,上海)在200—700 nm(間隔1 nm)波長下掃描。三維熒光激發—發射矩陣(EEMs)利用F- 7000熒光光譜儀測定(Hicachi,日本)測量,其激發(Ex.)和發射波長(Em.)掃描范圍分別為200—450 nm(間隔5 nm)和250—600 nm(間隔1 nm)。

1.3 光學參數分析

該研究共選取8項具有代表意義的光學參數(SUVA254、SUVA280、E2:E3、S290-350、BIX、FI、Frl和HIX),其描述及計算分析方法見表1。

表1 DOM光學參數計算方法及相應描述

EEM-PARAFAC用于熒光數據的整體分析,包括以下步驟：(1)EEMs的瑞麗及拉曼散射切除；(2)非負性條件約束；(3)樣品貢獻荷載評估；(4)離群值剔除；(5)拆半分析選取適當的成分數量。最終,EEM-PARAFAC輸出各主要熒光成分結果及其相應的最大熒光強度(Fmax),用于表征樣品DOM成分特征及其相對含量[30]。

1.4 統計方法

該研究數據的正態分布用Kolmogorov-Smirnov test檢驗,連續性用Levene′s test進行驗證,并將不符合正態分布的數據進行自然對數轉換。河流DOC濃度及光學參數(SUVA254、SUVA280、E2:E3、S290—350、Frl、FI、BIX和HIX)的顯著性差異分析利用Mann-WhitneyUtest檢驗。DOC及光學參數的相關性利用Spearman相關系數驗證。EEM-PARAFAC利用DOMFluorv1.71工具箱在Matlab 2018a上進行分析。統計基于SPSS 19.0和OriginLab OriginPro 2020b,所有圖形繪制利用SigmaPlot 14.0和OriginLab OriginPro 2020b完成。

2 結果與分析

2.1 河流DOC及紫外-可見光學參數

典型喀斯特河流DOC及紫外-可見光學參數(SUVA254、SUVA280、E2:E3和S290—350)如表2所示,各參數在干流與支流不具有顯著的統計學差異(P>0.05)。

表2 芙蓉江汛期河流DOC及DOM紫外-可見光學參數空間變化特征

河流DOC濃度在(1.08—3.89)mg/L范圍,干流與支流平均濃度分別為(2.65±0.85)mg/L和(2.54±0.85)mg/L。SUVA254顯示了自然水體腐殖質類(芳香類)DOM的相對豐度,芙蓉江SUVA254值在(1.89—6.63)L mg-1m-1范圍,低于其它長江支流河流[31]。同樣地,SUVA280顯示了芙蓉江水體中蛋白質類DOM的相對豐度[32],其值較低且干流與支流分別為(2.76±1.04)L mg-1m-1和(2.85±0.92)L mg-1m-1。E2:E3反比于DOM相對分子質量(表1),其值在(0.85—3.25)范圍內變化。類似的,S290-350同樣表征了DOM相對分子質量且具有較高的靈敏度,其值在(0.002—0.012)nm-1范圍內,干流與支流不具有顯著變化(P>0.05)。

2.2 河流DOM成分的EEM-PARAFAC結果

由于DOM成分不具有空間差異(P>0.05,表2),EEM-PARAFAC對全流域樣本進行統計分析。典型喀斯特河流DOM共解析了3項主要熒光成分,其熒光峰位置及對應Ex.和Em.處的熒光強度如圖2所示。

圖2 芙蓉江汛期河流DOM的EEM-PARAFAC分離組分圖

成分1(C1)的熒光峰出現在Ex./Em.=255/432處,為典型的陸源腐殖質特征峰[21],其平均Fmax為(96.6±24.3)a.u.且占各成分Fmax的比例(%Fmax)為(35.3±13.8)%。成分2(C2)具有2個熒光峰,位于Ex./Em.=230(275)/338處,其平均Fmax和%Fmax分別為(97.8±24.3)a.u.和(33.5±11.0)%。該成分在色氨酸特征峰范圍內,與微生物和藻類代謝有關[33]。成分3(C3)的熒光峰在Ex./Em.=254/306處,其平均Fmax較大為(127.3±162.1)a.u.但%Fmax較小為(31.2±21.7)%,說明各樣品豐度極差大且分布不均勻。先前研究顯示,該特征峰主要由DOM中的絡氨酸基團所決定[34]。總的來說,芙蓉江汛期水體DOM主要包含1類陸源腐殖質和2類氨基酸(色氨酸和絡氨酸)化合物。

2.3 河流熒光參數

典型喀斯特河流DOM熒光參數(BIX、FI、Frl和HIX)如圖3所示,各參數不具有顯著的空間(干流與支流)差異(P>0.05)。

圖3 芙蓉江汛期河流DOM熒光參數空間變化特征

熒光參數BIX顯示了自然水體DOM的自生源程度(表1),芙蓉江BIX值在(0.77—1.11)范圍,其平均值為(0.91±0.07),說明陸源及自生源均對DOM均有貢獻。FI同樣表征了水體來源信息,芙蓉江FI值變化范圍較小(2.14—2.39),該結果暗示了內源DOM所占比例較大。Frl可以表征新生DOM的相對量級大小,它與原位微生物和藻類的新陳代謝有關,芙蓉江Frl值在(0.75—0.94)范圍,其中位數為0.86。HIX展示了水體DOM的腐殖化程度,其值與SUVA254具有顯著相關關系[3],芙蓉江HIX值在(0.14—0.79)范圍,其平均值為(0.54±0.16),說明其腐殖化程度較低,水體DOM可能大量來源于水生生物新陳代謝。

3 討論

3.1 典型喀斯特河流汛期DOM成分特征

自然河流DOM成分復雜且變化迅速,其組成以腐殖質、蛋白質和木質素類等有機物為主[31]。由于降雨引發的“稀釋作用”和徑流的混合[35],芙蓉江汛期腐殖質和蛋白質的相對豐度(SUVA254和SUVA280值)較低且不具有顯著的空間變化(P<0.05,表2)。這與先前在長江上游的研究結果相似[36],同時與河流DOC濃度大小及變化一致。芙蓉江DOM相對分子質量(E2:E3和S290—350值)高于一些亞熱帶河流[37—38],該結果具有以下兩種可能：(1)汛期降雨加強了喀斯特流域水土流失,進而致使陸源大分子DOM(如腐殖質)被沖刷進入河流；(2)汛期(夏季)適宜的溫度和光照促使小分子DOM(如氨基酸)在水文輸運過程中被迅速生物降解。芙蓉江DOM光學參數均不具有顯著空間變化(P>0.05),說明水文輸運、擴散和稀釋作用劇烈[39],從而掩蓋了DOM內源生產和外源輸入的區域性差異,同時也進一步支撐了該河流DOM豐度較低的結果。

同時,EEM-PARAFAC可以表征河流DOM存在及變化情況,進一步精確顯示區域范圍內的主要DOM構成。芙蓉江DOM共解析出3項主要成分(圖2),即1類陸源腐殖質和2類氨基酸(色氨酸和絡氨酸)。這與我國其它長江支流的觀測結果相似[40—41],說明了河流DOM轉化、反應和存儲具有流域特征。通常認為腐殖質是類頑固難降解的DOM,光化學過程可在河流輸運中少量消耗腐殖質,將其不完全降解為小分子DOM[42]。色氨酸和絡氨酸是水生生命體所需的有機質來源,因此在輸運過程中易被生物降解甚至徹底生物礦化為無機碳[43—44]。該研究觀察到喀斯特河流大分子與小分子DOM同時存在(圖2),說明其水生生物過程顯著,這與喀斯特區域“生物炭泵”作用主導的研究觀點吻合[9]。結果同樣暗示了該河流低DOC濃度是由于區域內強烈的生物碳循環,導致其在有機相和無機相中快速轉化,從而難以長時間大量存儲于自然河流中[45—46]。

3.2 典型喀斯特河流汛期DOM來源解析

內源和外源輸入通常是自然水體DOM的主要來源[37]。其中內源DOM是由于浮游動植物或藻類的新陳代謝所生產[47],另一方面水生生物的死亡細胞或脫落有機物與周圍環境長期反應也可成為一項重要的DOM內源[48]。外源則是通過水利沖刷或溝壑侵蝕將水—土連接帶的陸生DOM攜帶入河流,由于土壤層具有高豐度的腐殖質類DOM,導致外源DOM多是一些大分子有機物[49]。芙蓉江BIX值(圖3)說明內/外源DOM同時存在于水體且內源更顯著(表1)。這與以往“喀斯特流域以物理化學作用主導”的認知沖突[50],說明該區域生物過程在一定程度上被低估,FI值顯示出強烈的生物源DOM訊號(FI>1.9)也同樣支撐了這一推測(圖3)。Frl值表征該河流具有較大的新生內源DOM比重,先前研究表明新生DOM會優先被生物礦化為無機碳[51],導致喀斯特水體DOC濃度因快速的生物轉化而低于其它河流。芙蓉江腐殖化程度較低(HIX<4),但相對分子質量較高(反比于E2:E3和S290-350,表2)。該結果看似沖突,實際上捕獲了大分子DOM不完全降解的初期階段(芳香性降低但未完全轉化為小分子DOM)。

進一步分析芙蓉江干流各DOM熒光成分的輸運、反應和消耗等過程。結果顯示,腐殖質類DOM的Fmax隨河流上游至下游具有顯著的上升趨勢,而氨基酸(色氨酸和絡氨酸)類組分Fmax具有下降趨勢(圖4)。這說明小分子氨基酸被不斷反應消耗,大分子陸源腐殖質相對增加。事實上,先前的研究顯示生物過程會優先利用易降解的小分子DOM,從而促使大分子DOM隨水流方向相對累積[52]。因此,芙蓉江汛期河流小分子DOM的生產和消耗主要由生物過程驅動,同時陸源DOM在水利沖刷作用下也持續輸入河流水體。

圖4 芙蓉江汛期河流DOM動態過程概念圖(虛線表示該處為水電站)

除此之外,人類活動也是河流DOM的重要來源。例如,該研究中腐殖質、色氨酸和絡氨酸類Fmax的最大值均出現在城鎮河流(正安縣石梁河和旺草鎮芙蓉江干流),說明人為源DOM輸入具有強度高及類別不確定等特點[53]。土地利用信息極大地表征了人為擾動狀況：芙蓉江上游土地利用以林地和草地為主,是典型的自然狀態河流；中游具有大量的農業和城鎮用地,人為擾動急劇增強(圖1)。河流DOM的Fmax在上游顯示了連續性變化,然而中游區域出現強烈波動(圖4),這表明人為干擾破壞了河流連續體動態,從而造成DOM的不規則空間變化[49]。水電站的修建會對水生系統產生劇烈影響,先前研究認為筑壩改變了水力停留時間并強化了原位生物過程,因此進一步調節河流碳循環狀態[54—55]。對比該研究DOM在經過水電站前、后差異,水體C2(色氨酸)和C3(絡氨酸)DOM分別呈現升高和降低趨勢(圖4),這一方面支撐了水力停留對DOM累積和消耗具有顯著作用的觀點[56],另一方面說明不同氨基酸組成對生物活動的響應具有選擇性[57]。然而,腐殖質類DOM并未出現明顯的一致性變化,這可能是由于該組分化學性質穩定且難以被生物利用所造成[58]。

3.3 喀斯特河流DOM光學參數關聯性

光學參數表征DOM的成分、分子大小和來源等信息,其存在普遍的關聯性[59—60]。該研究紫外-可見光學參數SUVA254和SUVA280顯著正相關(P<0.01,圖5),說明河流DOM成分具有同質性變化,且它們都是由DOC濃度標準化的吸光系數,因此與DOC呈顯著負相關(P<0.01)。與先前研究一致,相對分子質量參數E2:E3和S290- 350具有相似的判別結果[49]。由于強烈的“生物碳泵”作用導致新生內源DOM產量較高,因此Frl與BIX呈顯著正相關(P<0.05)。同時,腐殖化程度(HIX)正比于腐殖質豐度(C1)并反比于絡氨酸豐度(C3),以及新生生物源(Frl和BIX)正比于色氨酸豐度(C2)等現象,共同說明了水生環境DOM成分及來源具有一致性變化,同時暗示氨基酸組分主要源自內源輸入。

圖5 芙蓉江汛期河流DOM參數的Spearman相關系數

總的來說,光學參數之間的關聯性揭示了河流DOM成分、分子大小和來源具有一致性生態水文學意義。陸源輸入以大分子腐殖質類DOM為主,自生內源則貢獻了大量可生物降解小分子DOM,它們在輸運過程中不斷轉化、反應和存儲,保持河流水生系統處于一個穩定的狀態。未來的研究可進一步定量監測喀斯特河流DOM的生物/光降解過程及相應量級大小。

4 結論

(1)喀斯特河流汛期DOM成分以大分子陸源腐殖質、小分子色氨酸和絡氨酸為主。在河流輸運過程中,小分子DOM經生物降解由上游至下游不斷減少,導致大分子DOM相對累積。

(2)喀斯特河流汛期水體DOM以生物內源為主且腐殖化程度較低,說明其生物碳循環作用顯著,河流碳在有機相和無機相中快速轉化。同時,陸生輸入、城鎮化過程和水電站修筑也顯著地改變了河流DOM成分。

(3)光學參數之間具有顯著的相關關系,且DOM成分、分子大小和來源具有一致的生態水文學意義。