長江口-東海陸架咸淡水混合影響下溶解性有機質的分布及熒光特征

李明洋，王銳，李梓軒，黃清輝，尹大強

同濟大學環境科學與工程學院，長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092

溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)是芳香族和脂肪族碳氫化合物組成的復雜異質混合物，含有羥基、羰基、羧基、烯醇、硫醇和苯酚等含氧、氮和硫的官能團[1-2]，廣泛存在于不同水生態系統中。DOM可與持久性有機污染物相結合，作為其有機配體和遷移載體，顯著影響其在生態系統中的環境行為和生態效應[3]。同時，DOM可與重金屬絡合，通過改變重金屬的化學形態控制其在水環境中的生物可利用性[4-5]，進而影響其在生物體中的生物累積和毒性效應。有色溶解性有機質(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)是DOM中可以吸收紫外和可見光的光學活性組分，對海洋中DOM的貢獻在河口海岸水域可以達到70%[6]，在海洋碳元素的生物地球化學循環過程中具有重要意義。熒光溶解性有機質(fluorescent dissolved organic matter, FDOM)是CDOM中具有熒光特征的組分。近年來，隨著三維熒光光譜(three-dimensional excitation-emission matrix spectroscopy, 3D-EEMs)技術的發展，3D-EEMs結合平行因子(parallel factor, PARAFAC)分析已成為表征FDOM的有力手段，極大推動了不同水環境中FDOM組成、來源及遷移轉化行為的研究[7-10]。

長江口連接了歐亞大陸和西太平洋，是我國第一大河口。調查結果顯示，2009年長江向東海輸送溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)的輸送量可達1.58×1012g，顆粒態有機碳(particle organic carbon, POC)的輸送量可達1.52×1012g[11]。長江口及其鄰近海域受長江沖淡水、臺灣暖流、閩浙沿岸流和黃海沿岸流等水團的強烈影響[12]，水動力條件復雜、物質循環活躍，生物地球化學過程復雜多變。在長江口劇烈的咸淡水混合影響下，水體理化因子與生物分布特征呈現出巨大變化[13]，可改變長江入海DOM的輸送、分布與組成特征。然而，目前關于長江口及其鄰近海域DOM的研究主要集中在DOC和POC的空間分布及影響因素[14-18]，基于光譜分析的研究多討論局部水域DOM的分布和熒光特征[19-21]，對于長江入海FDOM在河口水域劇烈的水環境因子變化下的分布特征和影響因素還缺乏研究。本文基于對2021年11月在長江口-東海內陸架典型斷面采集的水體中DOC總量測定、FDOM的3D-EEMs特征和PARAFAC分析，結合鹽度、濁度、葉綠素a(chlorophylla, Chl-a)、營養鹽等水環境因子，探究FDOM在長江口咸淡水混合過程中的空間分布、組成變化及其關鍵影響因素。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區域和采樣方法

2021年11月24日至11月29日，搭載近海作業船只對長江口-東海內陸架典型斷面(A1～A14，位于121°E～124°E，30°N～31°N海域，圖1)共計14個點位進行了為期6 d的水樣采集工作。研究區域西起長江口南支南港長興島(A1，121°34′10″E，31°24′7″N)，東至中國東海內陸架(A14，123°59′53″E，30°17′29″N)，受到強烈的咸淡水混合影響，且跨越長江口最大渾濁帶區域(Turbidity Maximum Zone, TMZ)。每個點位均在現場使用多參數水質檢測儀(YSI probe，6600V2, Sea-Bird，美國)和濁度儀(OBS-3A，D&A，美國)測定了溫度、鹽度、深度、濁度和pH等水體理化參數，并采集未過濾的水體基于碘量法現場測定了溶解氧(dissolved oxygen, DO)。

圖1 長江口-東海內陸架典型斷面14個采樣點位分布圖Fig. 1 A map of the 14 sampling sites along the Yangtze River Estuary-East China Sea transect

每個點位用Niskin采水器采集分層水體，每層水樣采集3份平行樣品。在水深低于10 m的點位(A1、A3～A6)，采集表層(近水面2 m處)和底層(近底部1 m處)水體樣品。在水深超過10 m的點位(A2、A7～A14)，分別采集表層、中層和底層3層水體樣品。采樣后立即使用圓盤疊片式過濾器通過預先在450 ℃下灼燒5 h的GF/F玻璃纖維濾膜(Whatman，美國)進行過濾。用于測定DOC和總溶解態氮(total dissolved nitrogen, TDN)的水樣經過濾后保存在50 mL聚丙烯離心管中，-20 ℃冷凍保存直至檢測。用于測定FDOM三維熒光光譜特征測定的水樣經過濾后保存在40 mL棕色高硼硅玻璃瓶中，4 ℃冷藏保存至檢測。用于測定營養鹽的水樣經過濾后保存在500 mL聚乙烯瓶中，-20 ℃冷凍保存至檢測。此外，用于測定Chl-a的濾膜由表底2層的水體分別通過三聯真空過濾器經GF/F玻璃纖維濾膜過濾后收集得到，隨后放置于15 mL聚丙烯離心管中，-20 ℃冷凍保存至檢測。

1.2 DOC、TDN、Chl-a及營養鹽分析

水體中DOC和TDN濃度采用TOC-V/TN分析儀(Shimadzu，日本)基于催化燃燒方法進行測定，以鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)為測定總有機碳的標準溶液繪制標準曲線，以硝酸鉀(KNO3)為測定TDN的標準溶液繪制標準曲線。每10個樣品進行一次重復測定，測量的重復樣品間的相對標準偏差均在±3%以內。Chl-a的測定參考標準《水質葉綠素a的測定分光光度法》(HJ 897—2017)，選擇丙酮法進行浸泡提取，使用分光光度計于750、664、647和630 nm處測量吸光度，并根據公式計算Chl-a的濃度。溶解態無機磷(dissolved inorganic phosphate, DIP)、溶解態活性硅酸鹽(dissolved inorganic silicate, DISi)和氨氮的測定參考《海洋監測規范 第4部分：海水分析》(GB 17378.4—2007)。其中，DIP的測定采用磷鉬藍分光光度法，DISi的測定采用硅鉬藍分光光度法，氨氮的測定采用次溴酸鹽氧化法。硝酸鹽氮的測定參考中國國家環境保護標準《水質硝酸鹽氮的測定氣相分子吸收光譜法》(HJ/T 198—2005)。亞硝酸鹽氮的測定參考中國國家環境保護標準《水質亞硝酸鹽氮的測定氣相分子吸收光譜法》(HJ/T 197—2005)。溶解態無機氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)為氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮之和。營養鹽分析中每10個樣品重復測量一次，測量的重復樣品間的相對標準偏差均在±10%以內。

1.3 三維熒光光譜測定

水體中DOM的三維熒光光譜特征測定使用三維熒光光譜儀(AquaLogTM，HORIBA Jobin Yvon，法國)進行，測試條件為：采用1 cm的石英比色皿；儀器積分時間2 s；激發波長(Excitation)范圍為240～500 nm，步長3 nm；發射波長(Emission)范圍為210.42～619.66 nm，步長3.27 nm。每日測定樣品前利用超純水的三維熒光光譜作為空白參比。樣品三維熒光光譜的掃描結果經空白扣除、內濾效應校正及拉曼散射校正后得到。

1.4 3D-EEMs的PARAFAC分析

以PARAFAC模型為理論基礎，運用MATLAB R2018b軟件(Mathworks，美國)使用drEEM工具箱(http://dreem.openfluor.org)對36個水樣的三維熒光光譜數據進行解析，并運用非負性限制對模型進行約束，以得到合理的熒光光譜。經程序運行得到2～7個組分的模型，通過分別觀察各組件光譜圖初步判定其是否為熒光團或是模擬噪聲，隨后運行殘差分析及拆半分析，最后結合MATLAB分析結果及文獻數據確定得到其中4個組分模型為最終的PARAFAC分析結果。進一步對各點位各組分Fmax數據進行拉曼歸一化(即Fmax除以Ex=350 nm處超純水的拉曼峰面積，Ex=380～420 nm)，處理后的Fmax單位為R.U.。

1.5 數據分析

運用Ocean Data View 5.5.2軟件繪制研究區域采樣點位分布圖，運用Origin 2022b軟件繪制DOC濃度柱狀圖、DOM熒光光譜等高線圖、Fmax百分比堆積柱狀圖和參數間相關性熱圖等數據圖。運用IBM SPSS Statistics 22軟件進行DOC濃度、熒光參數與其他水體理化參數(鹽度、濁度、溫度、Chl-a和營養鹽等)的Pearson相關系數分析。運用MATLAB R2018b軟件計算熒光指數(FI)、生物源指數(BIX)和腐殖化指數(HIX)，計算方法如下：

(1)FI：當Ex=370 nm時，Em在470 nm與520 nm熒光強度的比值[22]；(2)BIX：當Ex=310 nm時，Em在380 nm與430 nm熒光強度的比值[23]；(3)HIX：當Ex=254 nm時，Em在435～480 nm區域積分值與300～345 nm區域積分值的比值[24]。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 長江口-東海內陸架斷面水環境因子變化特征

長江口-東海內陸架斷面14個點位的水環境參數(包括溫度、鹽度、濁度、pH值、DO、Chl-a、DOC、TDN、DIP、DISi和DIN)平均值如表1所示。在長江輸入的大量淡水和懸浮顆粒物的影響下，該斷面呈現出巨大的鹽度和濁度梯度。鹽度從淡水點位到海洋點位逐漸增加，范圍為0～33.7。濁度變化范圍為0.22～464 NTU，且底層水的濁度(3.44～464 NTU)普遍高于表層水(0.22～108 NTU)。在長江口劇烈的咸淡水混合作用下，有3個點位(A6、A7和A8)的濁度(尤其是底層水，達到400 NTU以上)明顯高于鄰近的上游或下游點位，表明其位于長江口TMZ范圍內[25-26]。各點位水體均呈中性至堿性，pH在7.96至8.45之間，與鹽度呈顯著負相關(r=-0.369，P<0.05，圖2)。DO濃度范圍5.54～7.59 mg·L-1，并隨著鹽度的增加而明顯下降(r=-0.475,P<0.05，圖2)，且與pH呈顯著正相關(r=0.480，P<0.01，圖2)。底層水DO濃度(4.02～6.75 mg·L-1)普遍低于表層水(6.36～8.62 mg·L-1)。盡管我們的采樣點位跨越了長江口外的夏季低氧核心區(123°E，31°N附近)[27-28]，但在這次秋季調查中沒有觀察到低氧的點位(DO<2 mg·L-1)。該斷面的TDN、DIP、DISi和DIN濃度范圍分別為0.222～1.59、0.0110～0.0593、0.0067～0.142和0.113～2.64 mg·L-1，從淡水端到海洋端呈下降趨勢，并與鹽度均呈顯著負相關(P<0.05，圖2)，表明長江輸入是該水域營養鹽的主要來源。該斷面Chl-a的濃度范圍為0.22～1.76 μg·L-1，與營養鹽無顯著關聯(P>0.05，圖2)，但與濁度呈顯著正相關(r=0.461,P<0.01, 圖2)，表明該斷面的初級生產力不受營養鹽控制，而是受到復雜的河口特征(如濁度影響下的水體透光性)影響。

表1 長江口-東海內陸架斷面14個點位水環境參數(不同水層平均值)Table 1 Water characteristics at 14 sites along the Yangtze River Estuary- East China Sea transect (average value of different water layers)

圖2 水環境參數間的皮爾遜相關性系數注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。Fig. 2 Pearson correlation coefficients among tested water characteristicsNote: *represents P<0.05; **represents P<0.01.

2.2 長江口-東海內陸架斷面DOC濃度變化特征

在長江口-東海內陸架斷面14個點位水體中，DOC濃度范圍為0.839～1.94 mg·L-1。其中，表層水DOC含量范圍為0.682～1.94 mg·L-1，底層水DOC含量范圍為0.884～1.94 mg·L-1。底層水中DOC平均含量(1.27±0.35) mg·L-1與表層水(1.26±0.34) mg·L-1無顯著性差異(獨立樣本t檢驗，P=0.899)。這與2015年秋季長江口區域表底層水DOC分布趨勢類似[17]，而2013年夏冬季的調查結果顯示，夏季表層水DOC濃度顯著高于底層水，而冬季則無顯著差異[18]，這可能是由于秋冬季強烈的水團混合影響下水體無顯著分層?？傮w而言，DOC濃度呈現出淡水端含量高、海水端含量低的趨勢，這與之前在長江口及其鄰近海域觀察到的現象具有一致性[14, 17, 29]。DOC濃度在TMZ區域(尤其是在底層水中)有所上升(圖3(b))，可能是由于受到TMZ區域劇烈的水團混合影響。一方面，強烈的沉積物再懸浮過程促進了孔隙水中的DOC向底層水釋放；另一方面，TMZ區域懸浮顆粒往往具有更長的懸浮時間，在強烈的水動力作用下，有利于懸浮顆粒上的有機質通過解吸過程釋放到水體中[30]。DOC濃度與鹽度呈顯著的負相關關系(r=-0.827，P<0.01，圖3(c))，表明長江輸送的大量溶解性有機質是該斷面中DOC的主要來源，且在咸淡水混合的過程中DOC呈現出良好的保守行為，以物理混合(稀釋)為主。

圖3 長江口-東海內陸架斷面14個點位表層水(a)及底層水(b)中DOC濃度與鹽度的變化特征及其相關性(c)Fig. 3 Spatial variations of DOC and salinity in surface water (a) and bottom water (b) at 14 sites along the Yangtze River Estuary-East China Sea transect and their correlation (c)

2.3 長江口-東海內陸架斷面DOM的熒光組分特征

在長江口-東海內陸架斷面14個點位共計36個表(中)底層水樣中，DOM的三維熒光光譜數據經PARAFAC解析以及殘差分析和拆半分析，最終解析出4種熒光組分，包括1個類蛋白組分C1和3個類腐殖質組分(C2、C3和C4)，各組分的熒光光譜如圖4所示。將各熒光組分的光譜數據通過開源的光譜數據庫OpenFluor[31](https://openfluor.lablicate.com)進行在線比對，各熒光組分的Ex/Em、峰類型、其他研究區域的相似組分和來源及性質等信息如表2所示。

圖4 長江口-東海內陸架水體DOM的4種熒光組分的熒光光譜圖注：(a)、(b)對應C1組分；(c)、(d)對應C2組分；(e)、(f)對應C3組分；(g)、(h)對應C4組分。Fig. 4 Fluorescence spectra of four fluorescence components of DOM along the Yangtze River Estuary-East China Sea transectNote: (a) & (b) refer to C1 component; (c) & (d) refer to C2 component; (e) & (f) refer to C3 component; (g) & (h) refer to C4 component.

表2 長江口-東海內陸架水體溶解性有機質(DOM)的4種熒光組分特征Table 2 Characteristics of four fluorescence components of dissolved organic matter (DOM) along Yangtze River Estuary-East China Sea transect

目前自然水體中已鑒定出8種不同類型的有機質熒光組分[6, 32]。C1(Ex/Em：278/320)的熒光峰普遍被認為是B峰(Ex/Em：275/305)所在位置，一般被識別為類蛋白或類絡氨酸物質，由浮游植物或微生物原位產生，易被微生物利用而降解。在我國長江口及其鄰近海域[33]、閩江下游及閩江河口[10]、鄱陽湖流域[34]，以及加拿大北冰洋海岸[35]等河流湖泊、河口海岸及海洋中廣泛分布。C2(Ex/Em：290/385)的熒光峰位置在M峰(Ex/Em：(290～310)/(370～410))范圍內，屬于UVA類腐殖質，相較于UVC類腐殖質更易被光降解[36-37]。M峰通常被認為是海洋源類腐殖質[32]，也被認為是農業或廢水來源的人為源類腐殖酸[38]，或是微生物來源類腐殖酸[39]。C3(Ex/Em：254(341)/424)的熒光峰類似于A峰(Ex/Em：260/(400～460))和C峰(Ex/Em：(320～360)/(420～460))的組合，均屬于陸源的UVC類腐殖質。在長江口及其鄰近海域曾報道過相似的組分(C2，Ex/Em：271(355)/474)[33]，但可能由于季節差異，與本次調查測定中C3組分的熒光光譜相比稍有紅移。此外，我國閩江下游及河口區域[10]、加拿大北冰洋海岸[35]和科楚奇海域[40]都有相似組分的發現。C4(Ex/Em：275/501)的熒光峰位置被識別為UVA類腐殖酸(類富里酸)，主要為外來源(陸源)。在長江口及其鄰近海域[33]、閩江下游及閩江河口[10]乃至東北太平洋區域均有發現[41]。

2.4 長江口-東海內陸架咸淡水混合對DOM熒光特征的影響

長江口-東海內陸架斷面水體種4種熒光組分的熒光強度均呈現出淡水端高、海水端低的分布趨勢(除A1外，圖5)，且熒光組分C1(r=-0.790，P<0.01)、C2(r=-0.956，P<0.01)、C3(r=-0.962，P<0.01)、C4(r=-0.959，P<0.01)的熒光強度最大值(Fmax)均與鹽度呈顯著負相關關系(表3)，表明該區域的DOM主要源于長江輸入。然而，類蛋白組分C1和類腐殖質組分(C2、C3和C4)與鹽度的相關性存在一定差異。類腐殖質組分的Fmax均隨鹽度梯度呈線性下降趨勢(r>0.95，P<0.01，圖5(b)～(d))，表明主要受長江源輸入的類腐殖質在咸淡水混合過程中的稀釋效應影響。在中低鹽度區域(0～20)，類蛋白組分的熒光強度隨鹽度上升而急劇下降，表明主要受到長江源C1組分的稀釋效應控制。在高鹽度區域(20～34)，類蛋白組分熒光強度則幾乎保持不變(圖5(a))，表明長江口外水域存在較為穩定的海洋自生源類蛋白貢獻，這可能是因為長江口外水域較高的初級生產力促進了浮游植物及微生物的生命活動，進而產生大量類蛋白物質[45-46]。

圖5 鹽度對C1(a)、C2(b)、C3(c)和C4(d)4個組分Fmax的影響Fig. 5 Impact of salinity on Fmax of C1(a), C2(b), C3(c), and C4(d) components

表3 4種組分熒光參數與水體理化參數的相關性系數Table 3 Correlation coefficients between fluorescence parameters of four components and physicochemical parameters of water

將長江口-東海內陸架斷面的14個點位根據離岸距離、鹽度和濁度等參數劃分為低鹽度區域(A1～A5)、最大渾濁帶區域(A6～A9)和高鹽度區域(A10～A14)。4種熒光組分均在低鹽度區域具有較高的熒光強度(圖6(a)～(b))，尤其是類蛋白組分C1在A2點位觀測到比鄰近點位高出2倍～5倍的熒光強度。這一現象可能是因為該點位(121.75°E，31.29°N)緊鄰上海市大型綜合污水廠白龍港污水處理廠排污口，而城市污水中類蛋白質(類絡氨酸)含量較高且T峰峰形較寬并發生明顯紅移現象[47]，導致位于其附近的A2點位具有相對較高濃度和比例的類絡氨酸物質C1[48]。由于類蛋白質相比類腐殖質易被微生物降解[49-50]，隨著距排污口的距離增加，C1組分在低鹽度區域(A2～A5)的相對濃度和占比不斷降低(圖6)。從最大渾濁帶淡水端到海洋端，類腐殖質組分(C2、C3和C4)的相對占比之和總體呈現下降趨勢(圖6(c)～(d))，而類蛋白組分的占比有所提升，這表明陸源貢獻逐漸降低而海洋貢獻逐漸增強。具體而言，表層水中類腐殖質組分從A6點位的78%降低到A14點位的50%，底層水中類腐殖質從A6點位的73%降低到A14點位的60%，這可能與濁度的降低增強了類腐殖質的光降解有關[51]。

圖6 長江口-東海內陸架水體DOM中4種熒光組分的熒光強度及占比的變化Fig. 6 Fluorescence intensity and proportion in four fluorescence components of DOM along the Yangtze River Estuary-East China Sea transect

熒光指數(FI)可以表征FDOM中腐殖質的來源，FI>1.9表明微生物代謝為主要來源，FI<1.4則表明陸源為主要來源[52]。在長江口-東海內陸架斷面14個點位中，表層水FDOM的FI均介于1.4～1.9之間，且不同點位差異不大(圖7(a))，表明微生物源和陸源均對腐殖質有所貢獻。大多數點位底層水FDOM的FI也介于1.4～1.9之間，但A3點位FI<1.4(圖7(b))，表明該區域腐殖質主要來源于微生物代謝。生物源指數(BIX)可以表征FDOM自生來源的相對貢獻，BIX>1表示生物活動產生的內源性FDOM占主要貢獻，BIX為0.6～0.7說明以外源輸入為主[23]。腐殖化指數(HIX)表征DOM的腐殖化程度，HIX>10說明有顯著的腐殖質特征，HIX<4說明DOM的腐殖質特征較弱。長江口-東海內陸架斷面表層水體BIX范圍為0.8～1.3，其中A2、A12、A13和A14點位BIX>1，表明這些點位的FDOM主要來自微生物等生物活動相關的內源性貢獻，而其他點位主要以外源輸入為主(圖7(a))。底層水BIX值變化特征和表層水基本一致。雖然該斷面水體HIX值在不同點位差異較大，但均處于4以下，表明長江口水域DOM的腐殖化程度總體較低(圖7(b))。

圖7 長江口-東海內陸架斷面表層(a)、底層(b)水體DOM熒光特征參數的空間變化注：FI表示熒光指數；BIX表示生物源指數；HIX表示腐殖化指數。Fig. 7 Spatial variations of DOM fluorescence characteristic parameters in surface (a) and bottom (b) water along the Yangtze River Estuary-East China Sea transectNote: FI means fluorescence index; BIX means biological index; HIX means humification index.