基于三维荧光光谱结合平行因子分析对春季北黄海有色溶解有机物的研究

药怡良， 赵卫红， 苗 辉

1. 中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室， 山东 青岛 266071

2. 青岛海洋科学与技术国家实验室， 海洋生态与环境科学功能实验室， 山东 青岛 266071

3. 中国科学院大学， 北京 100049

基于三维荧光光谱结合平行因子分析对春季北黄海有色溶解有机物的研究

药怡良1，3， 赵卫红1，2*， 苗 辉1

1. 中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室， 山东 青岛 266071

2. 青岛海洋科学与技术国家实验室， 海洋生态与环境科学功能实验室， 山东 青岛 266071

3. 中国科学院大学， 北京 100049

利用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC)， 对我国春季北黄海海水样品的荧光光谱进行了研究和分析。 结果表明， 北黄海有色溶解有机物(CDOM)中的荧光溶解有机物(FDOM)可分为四个组分， 其中两组为类腐殖荧光组分c1(260， 315/425)和c2(295， 355/490)， 两组为类蛋白荧光组分c3(275/310)和c4(230， 290/345)。 四个组分之间不同程度的线性相关性说明了它们同源相似性， 类腐殖质两组分之间的相关性最高， 类蛋白质两组分次之。 四个荧光组分和总荧光强度在平面分布和垂直分布都呈现近岸高， 远岸低的趋势， 同时除去陆源输入影响， 海洋自身的水团运动和生物活动也影响着北黄海CDOM的分布。 聚类分析进一步说明了北黄海不同区域的总荧光强度分布特征， 也体现了整体上CDOM的均一性。 荧光指数FI、 腐殖化指数HIX和生源指数BIX在一定程度上指示了北黄海CDOM的来源， 说明近岸区域陆源的影响较大， 而向海一侧则受生物活动的作用影响较大， 此结论与前述荧光组分的分布规律吻合。

三维荧光光谱； 平行因子分析； 有色溶解有机物； 北黄海

引 言

海洋有色溶解有机物(CDOM)是溶解有机物中的重要组成部分， 也是全球碳循环中的重要一环， 因而对CDOM的组成、 结构和来源进行研究具有重要价值和意义[1]。 三维荧光光谱技术(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC)是目前对水体中的荧光溶解有机物(FDOM)进行研究， 从而间接研究有色溶解有机物(CDOM)的重要方法， 具有易识别， 无污染， 准确高效的明显优点， 因而也被广大学者应用于湖泊、 河流、 海湾、 大洋等不同天然水体的调查研究中[2]。 北黄海是山东半岛， 辽东半岛和朝鲜半岛之间的半封闭海域， 海域面积约为8万多km2， 平均水深40 m， 沿海分布着众多经济发达城市， 有鸭绿江等河流汇入， 属我国近海， 对此海域进行的CDOM的研究目前仍然较少， 因而本研究对深入了解该水域有机物生物地球化学循环具有重要意义。

1 实验部分

1.1 样品预处理

样品采集于2007年4月22日—5月5日北黄海春季航次， 范围在120°—124°E， 37°—40°N之间， 站位如图1所示。 用Niscon采水器采集各站位0 m层、 10 m层和底层水样， 经Whatman GF/F滤膜φ=0.25 mm过滤， 封装于60 mL的棕色玻璃瓶中， 依次编号且冷冻保存。 GF/F膜和棕色玻璃瓶均在450 ℃下预灼烧4 h。

1.2 三维荧光光谱的测定

使用日立F-4500型荧光分光光度计对Milli-Q超纯水和海水样品进行测定， 配1 cm石英比色池； 激发波长范围在200～500 nm， 发射波长范围为250～650 nm， 步长均为5 nm， 其他参数设定参考文献[3]。

1.3 数据预处理

以Milli-Q超纯水的三维荧光光谱作为空白对照， 各个样品扣除空白以去除拉曼散射。 把数据控制在Ex+10

图1 北黄海采样站位

1.4 平行因子分析中因子数的选择和组分判定

在Matlab2013a中调用DOMFlour工具箱， 对281个样品的EEMs进行平行因子(PARAFAC)分析。 去除个别异常值之后， 剩余262个数据， 先用残差法比较各组的残差值大小， 再用一分为二法对2～7组分中的有效组分进行验证， 最终确定4因子模型适合， 并得到了组分的相对荧光强度数据。

1.5 荧光强度

1.6 聚类分析

本研究中选用系统聚类法对所有样品进行了分析， 并用欧式距离定义样品之间的距离。 通过反复计算与合并， 最终的聚类结果由一个谱系图展示出来。

1.7 荧光指数FI、 腐殖化指数HIX和生源指数BIX

荧光指数FI的计算方法为： 激发波长λex=370 nm时， 发射光谱在450与500 nm处的荧光强度比值[6]。 通常认为FI具有指示CDOM来源的作用[6-7]。 腐殖化指数HIX为激发波长255 nm时， 发射波长在435～480与300～345 nm波段中的荧光强度积分值(或平均值)之比， 可用于估计溶解有机质的腐殖化程度[8-9]。 生源指数BIX为激发波长为λex=310 nm时， 发射波长在380与430 nm处荧光强度的比值， 可用于衡量新近的水生生物生产贡献[9]。

2 结果与讨论

2.1 北黄海溶解有机物的荧光组分

PARAFAC模型对EEMs解析得出4个荧光组分(图2)， 分别为c1(260， 315/425)， c2(295， 355/490)， c3(270/

图2 平行因子分析得到的4个组分及其激发发射波长

310)， c4(230， 290/345)。 经过与文献对照和比较(表1)， 可以看出其中两个组分可归为类腐殖质组分： c1(260， 315/425)和 c2(295， 355/490)； 另两个组分为类蛋白质组分： c3 (270/310)和 c4 (230， 290/345)。

表1 北黄海CDOM的荧光组分

根据Coble等[10]在1996年的报道， c1组分应该为M峰(312/380～420)与A峰(260/380～460)的结合， M峰的物质一般认为是海源腐殖质， A峰是陆源或海源腐殖质， 因而c1具有类腐殖质的荧光特征, Murphy等[12]在大西洋和太平洋的海洋天然水体中曾发现与本研究中的c1组分十分接近的物质。 c2的荧光峰具有陆源腐殖质特征， 广泛发现于各类天然水体中， Stedmon[14]等在丹麦河口流域中曾发现相似的物质。 c3和c4组分分别是类酪氨酸和类色氨酸， 属于类蛋白质， Baghoth等[16]2011年在向阿姆斯特丹供应饮用水的两家处理站的样品中， 以及Stedmon等[15]在丹麦霍森斯河口流域， 均有发现与本文c3和c4组分相对应的组分。

2.2 各荧光组分之间相关性分析

荧光组分之间相关性分析结果见表2， 四组荧光组分之间均呈现显著的相关性， 类腐殖质c1与c2、 类蛋白质c3与c4之间相关性系数r均大于0.85， 表明两种类腐殖质和两种类蛋白质各有相近的来源。 c1和c3， c1和c4也有一定的相关性， 说明c1与其他三个组分在来源上均有一定联系。 而c2组分与c3， c4组分之间相关性系数r均小于0.65， 体现了来源的差异性。

表2 4组分荧光强度之间的关系

2.3 各荧光组分的空间分布特征

组分c1和c2， c3和c4之间各自具有高度的相关性， 因而下文中均以c1和c3作为代表对各组分的平面分布和垂直

图3 c1， c3和总荧光强度在3个水层上的水平分布

分布规律进行探讨。

2.3.1 平面分布

图3展示了荧光组分c1和c3以及总荧光强度在0， 10 m和底层的水平分布情况， 总体来说， 陆地沿岸和靠近渤海的站位等值线更加密集， 且荧光强度较高， 而离山东半岛和辽东半岛距离较远的海域， 通常出现较低荧光强度， 这很可能是受到了陆地输入和沿岸的人类活动的影响。 总荧光强度呈现西高东低的特点， 即总荧光强度从靠近渤海和陆地边缘的海区向着离岸向海方向有逐渐减小的趋势。

2.3.2 垂直分布

本文截取的C1， C5， C10和B1四个断面的垂直分布情况如图4。 在这四个断面上， 组分c1， c3与总荧光强度的垂直分布规律呈现相似性， 可总结为： 近岸区域的荧光强度由于明显受到陆源输入影响而呈现高值， 远离沿岸的区域荧光强度有逐渐减小的趋势； 除陆源输入的影响外， 荧光强度的高低分布还受到海流和海洋自生源的影响， 如C1断面沿岸的高值区域可能受到富含有机物的渤海海水的输入的影响， C5断面山东半岛一侧中下层的荧光高值可能是山东半岛的沿岸流系导致的， 而该断面中部的中下层高值则是海洋生物产生的， C10断面的中层受到生物活动影响， 荧光强度有一定升高， B1断面沿岸受到了绕过山东半岛南下的沿岸海流的输入影响。

图4 c1， c3和总荧光强度在断面C1， C5， C10和 B1的垂直分布

2.4 聚类分析

聚类分析结果分为图5所示的(a)， (b)， (c)和(d)四组。 (a)组中有C801， C904和C102站位， 它们分别紧邻广鹿岛、 獐子岛和大连市， 与图3中TFI水平分布的高值区相对应， 这可能是人类活动的强烈影响造成的， 而C102可能还受到来自富含有机物的渤海水流的影响。 (b)组中站位C1001和A710位于调查海域的东北角， 该组很可能是受到来了来自鸭绿江的径流输入从而呈现出一定的高荧光强度特征。 (c)组包含了调查区域的大多数样品(156个)和大部分站位， 说明了北黄海在整体上呈现出均一性。 (d)组包含的站位呈现出沿山东半岛分布的特征， 这一区域工业区域密集， 水产业发达， 因而受人类活动影响强烈， 同时这与类蛋白质组分c3和c4在此区域的分布特征呈现一定的吻合性， 说明此区域的生源活动是一个重要的影响因素。

图5 聚类站位分布

2.5 荧光指数FI、 腐殖化指数HIX和生源指数BIX

荧光指数FI整体上在0.94～1.35之间， 这说明调查海域的表层CDOM受陆源影响十分明显。 表层连接南黄海的极小区域出现高值说明该海区受海洋自生源影响更大。 底层海区中部和与南黄海相连区域的FI出现高值， 体现了受到陆源影响减小的特点。 腐殖化指数HIX表层和10 m层的分

布特点为自沿岸至向海一侧逐渐减小， 这与FI的分布有一定的一致性， 且随着深度增大， 底层HIX的数值分布特征趋于均一， 这可能是底层受到陆源影响减小和底层再悬浮作用导致的。 BIX在0 m层、 10 m层和底层整体分布较均匀且都大于0.76， 说明北黄海在此三个水层都有比较强烈的生物活动， 尤其是远离沿岸的海域， 生源特征明显增加， 且在垂直梯度上， BIX的高值区域随深度增加更加向远离陆地的区域集中， 这与HIX的分布规律恰好相反。

3 结 论

(1) 利用PARAFAC模型分析之后得到春季北黄海的4个荧光组分： 类腐殖质荧光组分c1(260， 315/425)c2(295， 355/490)和类蛋白荧光组分c3(275/310)c4(230， 290/345)。

(2) 四种荧光组分都有显著的相关性， 表明四种组分在来源或者结构上都有一定的联系。 其中类腐殖荧光组分c1和c2的R值最高， 类蛋白荧光组分c3和c4次之， 说明同类型的荧光组分间， 来源更为相近。

(3) 各荧光组分的荧光强度与总荧光强度在水平方向上总体呈现近岸高， 远海降低的趋势。

(4) 各荧光组分和总荧光强度在垂直的四个断面上有各自的分布特征， 在靠近陆地的海域主要受陆源输入的影响， 而离岸较远的区域受到的陆源作用减少， 同时受到了一定的海流影响。

(5) 三个荧光指数在空间分布上呈现近岸受陆源影响大， 向海一侧的区域海洋生源特征更加明显的特点。

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Studied on Colored Dissolved Organic Matter of Spring in North Yellow

*Corresponding author

Sea with Three-Dimensional Fluorescence Spectroscopy Combined with Parallel Factor Analysis

YAO Yi-liang1,3, ZHAO Wei-hong1,2*， MIAO Hui1

1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

This paper conducted fluorescent spectra of dissolved organic matter of Spring China North Yellow Sea by using three-dimensional fluorescence spectroscopy (EEMs) combined with parallel factors analysis (PARAFAC). The results showed that the fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in colored dissolved organic matter (CDOM) of North Yellow Sea could be resolved to four components. Two components, c1 (260,315/425) and c2 (295,355/490) were identified as humic-like fluorescence components while c3 (275/310) and c4 (230,290/345) were protein-like components. The different linear correlations showed different degrees of similarities in the source or the chemical constitution, the relationship of the humic-like fluorescence components were most closely, followed by protein-like components. Four fluorescent components and total fluorescence intensity (TFI) in the horizontal and vertical directions had a higher intensity in coastal area than that of the area far away from the coast. Additionally, besides terrestrial input, the seawater mass movement also affects the distribution of CDOM in North Yellow Sea. Cluster analysis not only further illustrated the TFI characteristics of different areas of the North Yellow Sea, but also reflects the overall uniformity of the CDOM. Fluorescence Index (FI), Humification Index (HIX) and Biological Index (BIX) at some extent indicated the source of North Yellow Sea CDOM and the conclusion was that the near shore side gets greater influence from terrigenous sources while the sea side is more impacted by biological activity, which matched with the prior distribution patterns of fluorescence components.

Excitation-emission matrix spectroscopy; Parallel factor analysis (PARAFAC); Colored dissolved organic matter； North Yellow Sea

Jun. 23, 2015; accepted Oct. 12, 2015)

2015-06-23，

2015-10-12

国家基金委-山东省联合基金项目(U1406403)， 国家自然科学基金项目(41276118)资助

药怡良， 女， 1984年生， 中国科学院海洋研究所研究生 e-mail： yaoyiliang04@163.com *通讯联系人 e-mail： whzhao@qdio.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2532-06