黑龙江流域典型断面水体DOM荧光特性分析

张道萍， 张铃松， 孟凡生*， 王业耀， 杨 琦， 薛 浩， 叶匡旻

1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院， 北京 100083

2.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心， 北京 100012

3.中国环境监测总站， 北京 100012

黑河市位于黑龙江省东北部，小兴安岭北麓，大小兴安岭、黑龙江和五大连池“两岭一江一池”交汇处，黑龙江上游与中游的交汇段. 受流域范围内植被类型和土壤类型影响，大量天然有机质通过降雨、地表径流和地下渗流等过程进入河流，并向下游长距离输运，形成背景值，导致水体ρ(CODMn)和ρ(NH4+-N)偏高. 天然有机质进入水体后，并不会引起水体ρ(DO)的明显消耗，也未有不利的水生态效应发生，因此其明显区别于人为排放的耗氧污染物所造成的ρ(CODMn)升高现象. 近年来随着水环境质量考核不断收紧，区域内水质考核面临巨大压力，因此探索和揭示区域内水体DOM的来源及组成对于科学制定水质考核目标具有重要意义.

该研究以黑龙江流域在黑河市境内的典型断面为研究对象，通过野外调查、静态浸泡试验和动态淋溶试验，利用EEM-PARAFAC和荧光定量指标，分析水体DOM的荧光特性和来源特征，研究黑龙江流域水环境腐殖质的组成、时空分布特征及来源特征，以期为黑龙江流域水质科学监测与客观评价提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 采样点描述和水样采集

黑河市境内河流众多，河网密布，有大小河流631条，其中，流域面积在 1 000 km2以上的河流有19条，在黑龙江省属于水资源相对富集地区. 黑龙江跨蒙古国、中国、俄罗斯三国，流经蒙古国、俄罗斯，以及中国的黑龙江省、内蒙古自治区，位于黑河地区北部，是中俄界河. 该研究选取黑龙江流域在黑河市境内的16个典型断面，于2019年5月(平水期)、2019年8月(丰水期)和2019年12月(冰封期)在各断面进行表层(0.5 m)水样采集，采样点信息见表1.

使用便携式水质分析仪(YSI Professional Plus, Yellow Springs, OH, USA)检测现场采样点的水温、ρ(DO)、pH和电导率. 每个采样点采集表层水1 L于无色聚乙烯塑料瓶中，将水样置于装有冰块的保温箱避光低温保存，尽快运回实验室冷藏，测定ρ(CODMn)、ρ(BOD5)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)等，用0.45 μm的玻璃纤维滤膜将水样过滤后测定ρ(DOC)、紫外吸收光谱和三维荧光光谱.

表1 黑龙江流域典型断面采样点信息

1.2 静态浸泡试验

在呼玛上、黑河上、呼玛河口内和库尔滨河中游4个断面的沿岸S型随机选取5个位置，清理凋落物层后，采集0～20 cm表层土壤样品，其中呼玛上、黑河上和库尔滨河中游为暗棕壤，呼玛河口内为黑土，并将5份土壤混合形成一个样品. 现场采集的土壤样品用塑料整理箱密封，避光保存，尽快运回实验室冷冻. 将土样过7目(孔径为 2 800 μm)的标准筛，除去碎石、植物残体等杂物.

将4个断面的土壤分别按四分法对角取样150 g，置于 5 000 mL的聚乙烯烧杯中，加入超纯水 5 000 mL，充分搅拌使土壤溶解后，盖上锡纸，静置. 反应24 h后，将水样用0.45 μm的滤膜过滤，测定ρ(DOC)、紫外吸收光谱和三维荧光光谱.

1.3 动态淋溶试验

采集黑河上断面的沿岸暗棕壤. 土壤样品采集方法见1.2节.

淋溶试验模拟装置主要由喷淋装置、土槽和水槽等组成，内侧圆圈为土槽，土槽壁上均匀分布有小孔，外侧圆圈为水槽(见图1). 将土壤按四分法对角取样填满土槽，用喷淋装置模拟降雨，淋溶土壤，淋溶水通过土槽壁上的小孔进入外侧水槽，通过出水口取样. 试验运行时间为168 h，总淋溶水量为80 L. 该研究分别在6、12、24、48、72、96、120、144、168 h时从出水口取淋溶水，将水样用0.45 μm的滤膜过滤后，测定ρ(DOC)、紫外吸收光谱和三维荧光光谱.

图1 淋溶试验模拟装置示意

1.4 水质参数的测定

采用GB 11892—1989《酸性高锰酸钾氧化法》测定ρ(CODMn)；采用HJ 505—2009《稀释与接种法》测定ρ(BOD5)；采用HJ 535—2009《纳氏试剂分光光度法》，用紫外可见分光光度计(N4，上海仪电分析仪器有限公司)测定ρ(NH4+-N)；采用GB 11894—1989《碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》，用紫外可见分光光度计测定ρ(TN)；采用GB 11893—1989《钼酸铵分光光度法》，用紫外可见分光光度计测定ρ(TP)；采用日本岛津公司生产的总有机碳分析仪(TOC-L CPH)测定ρ(DOC)；使用Milli-Q超纯水(Millipore，18.3 MΩ·cm，美国)作为空白，采用紫外可见分光光度计(岛津UV-1700，日本)测定UV-Vis吸光度，其扫描范围为200～700 nm，且以0.5 nm为间隔.

1.5 三维荧光光谱测试与PARAFAC分析

图2 不同水期水质参数浓度的变化情况

三维荧光光谱采用日立(Hitachi)F-7000三维荧光分光光度计测定，配以1 cm石英比色皿，150 W氙灯为激发光源，PMT电压为700 V，λEx(激发波长)范围为200～500 nm，λEm(发射波长)范围为250～600 nm，λEx和λEm增量均设为5 nm，狭缝宽度为10 nm，扫描速率为2 400 nm/min，响应时间设置为自动，样品测定前保持温度为25 ℃. 为避免荧光内滤效应，较浓的水样经过适当的精确稀释，然后再进行荧光光谱测定. 以Milli-Q超纯水为空白降低拉曼散射的影响，所有样品的三维荧光光谱扣除空白样品光谱信号后用Matlab R2017b调用DOMFluor工具箱进行PARAFAC分析. 荧光强度以Raman单位(R.U.)表示，以λEx为350 nm时水的拉曼峰积分强度换算[7]. 关于EEM-PARAFAC分析的参数条件见参考文献[10].

1.6 DOM来源解析

在DOM来源特征的解析中，常用荧光特征参数〔FI(fluorescence index，荧光指数)、BIX(fluorescence index，荧光指数)和HIX(humification index，腐殖化指数)〕分析水样中DOM的来源. 其中FI表示陆地和微生物源对DOM荧光组分的相对贡献[11]，BIX表征DOM自生源强弱特征，HIX评价DOM腐殖化程度. FI是指λEx=370 nm时，λEm分别在450 nm和500 nm处的荧光强度比值[12]. 当FI小于1.4时，表明DOM是陆地或土壤源输入；当FI在1.4～1.9之间时，表明水体DOM是陆源和自生源贡献相结合；当FI大于1.9时，表明微生物活动强烈. BIX是指λEx=310 nm时，λEm分别为380和430 nm处的荧光强度比值[13]. 当BIX为0.6～0.7时，表明DOM具有较少的自生组分；当BIX为0.7～0.8时，表明DOM具有中度新近自生源特征；当BIX为0.8～1.0时，表明DOM具有较强自源特征；当BIX大于1.0时，表明DOM主要为自生来源且有机质为新近产生. HIX是指λEx=255 nm时，λEm分别为434～480 nm区域积分值与300～346 nm区域积分值的比值[14]. 当HIX小于4时，表明水体DOM的腐殖化程度不强；当HIX大于6时，表明DOM具有强腐殖质特征.

2 结果与讨论

2.1 黑龙江流域典型断面水质参数特征和DOM荧光特性分析

2.1.1黑龙江流域典型断面水质参数特征

由图2可知：平水期、丰水期和冰封期黑龙江流域典型断面水体ρ(CODMn)范围分别为5.700～21.900、5.500～25.200、1.100～18.100 mg/L，平均值分别为14.131、13.881、5.562 mg/L；ρ(DO)范围分别为8.330～11.940、7.110～11.010、9.120～13.290 mg/L，平均值分别为9.727、8.495、11.045 mg/L；ρ(BOD5)范围分别为1.100～2.200、0.600～1.600、0.500～2.500 mg/L，平均值分别为1.513、1.200、1.431 mg/L；ρ(NH4+-N)范围分别为0.234～0.663、0.250～0.572、0.040～0.450 mg/L，平均值分别为0.412、0.379、0.274 mg/L；ρ(TN)范围分别为0.473～1.119、0.467～1.313、0.460～2.050 mg/L，平均值分别为0.755、0.738、0.742 mg/L；ρ(TP)范围分别为0.023～0.103、0.023～0.115、0.020～0.077 mg/L，平均值分别为0.060、0.060、0.041 mg/L；ρ(DOC)范围分别为4.802～19.430、6.080～23.700、0.377～16.700 mg/L，平均值分别为12.483、14.218、5.196 mg/L；UV254值范围分别为0.143～0.675、0.181～0.795、0.001～0.671 cm-1，平均值分别为0.377、0.432、0.171 cm-1. 结果表明：ρ(CODMn)、ρ(NH4+-N)、ρ(TP)、ρ(DOC)、UV254值在平水期和丰水期较高，在冰封期最小；ρ(DO)、ρ(BOD5)和ρ(TN)在3个水期接近. 根据GB 3828—2002《地表水环境质量标准》，以ρ(CODMn)判定，黑龙江流域典型断面在平水期和丰水期属于劣Ⅴ类水质，在冰封期属于Ⅲ类水质；以ρ(DO)和ρ(BOD5)判定，黑龙江流域典型断面在3个水期均属于Ⅰ类水质；以ρ(NH4+-N)判定，黑龙江流域典型断面在3个水期均属于Ⅱ类水质；以ρ(TN)判定，黑龙江流域典型断面在3个水期均属于Ⅲ类水质；以ρ(TP)判定，黑龙江流域典型断面在3个水期均属于Ⅱ类水质.ρ(CODMn)在平水期和丰水期出现了畸高现象，平水期和丰水期水体DOM的相对含量高于冰封期.

2.1.2黑龙江流域典型断面水体DOM荧光特征和来源解析

2.1.2.1黑龙江流域典型断面水体DOM荧光组分特征

基于EEM-PARAFAC，平水期、丰水期和冰封期黑龙江流域典型断面水体DOM共识别出4种荧光组分(见表2)，包括2种类腐殖质组分〔长波段类腐殖酸(C1)和短波段类腐殖酸(C2)〕、1种类富里酸组分〔类富里酸(C3)〕、1种类蛋白组分〔类色氨酸(C4)〕. 3个水期水体DOM的荧光组成一致，以平水期为例(见图3). 其中，C1对应传统意义上的A峰〔λEx(260 nm)/λEm(380～460 nm)〕和C峰〔λEx(350 nm)/λEm(420～480 nm)〕[22]，该组分是由大分子疏水性化合物组成的[23]. C2对应传统意义上的A峰，该组分主要由相对稳定的大分子有机物产生，具有相对稳定的芳香性和疏水性结构[24]. 一般认为，该组分反映的是陆地水体中输入的陆源腐殖酸[25]. 黑龙江流域典型断面水体中极高的类腐殖质荧光组分主要来自林区腐殖质，林下枯枝落叶和土壤的腐殖质随融冰融雪和降雨径流进入河流，导致河流中的类腐殖质荧光组分浓度较高. C3与传统的海洋类腐殖质M峰〔λEx(290～312 nm)/λEm(370～420 nm)〕相比，λEx变短，发生了蓝移，该组分可能来源于微生物及水中浮游植物降解氧化或陆地衍生的有机物质[26]. C4对应传统T峰〔λEx(275 nm)/λEm(340 nm)〕，该组分与DOM中的芳环氨基酸有关[27]，亲水性较强，反映的是生物降解来源形成的荧光峰值，主要由微生物和浮游植物的作用产生，还可能来源于生活污水和工业废水等的排入[28].

表2 平水期、丰水期和冰封期水体DOM的荧光组分特征

2.1.2.2黑龙江流域典型断面水体DOM荧光组分分布特征

由图4可知，在平水期，C1、C2、C3和C4的荧光强度占比分别为20.8%、30.6%、32.4%和16.2%；在丰水期，C1、C2、C3和C4的荧光强度占比分别为22.9%、31.5%、28.6%和17.0%；在冰封期，C1、C2、C3和C4的荧光强度占比分别为18.5%、31.7%、29.8%和20.0%. 其中，类腐殖质总贡献率在50%以上，类腐殖质和类富里酸总贡献率在80%以上，表明黑龙江流域典型断面水体DOM属于类腐殖质主导型. 在3个水期中，类腐殖质和类富里酸的荧光强度占比在平水期和丰水期较高，冰封期最小. 黑龙江流域位于中纬度地区，在秋冬季和春季存在明显的交替冻融过程，冻融作用会使黑土和暗棕壤松结态腐殖质升高，主要是由微生物分解作用和土壤大团聚体破坏等原因造成[29]. 因此，在平水期受季节性冻融过程的影响，林下枯枝落叶和土壤的腐殖质随融冰融雪进入水体，使水体DOM的类腐殖质浓度较高. 在丰水期，黑龙江流域沿岸植被茂密，但河流径流量最大，水土流失最为严重，通过降雨径流携带大量腐殖质进入水体，使水体中陆源输入的DOM较高. 在冰封期，径流主要靠地下水补给，外源输入最少，同时受季节温度的影响，生物活动和降解过程缓慢，故C1、C2和C3的占比最小，C4占比略微增大.

图3 平水期EEM-PARAFAC分析出的荧光组分及其激发/发射载荷

图4 平水期、丰水期和冰封期水体DOM的4种组分荧光强度占比

由图5可知，平水期与丰水期的荧光强度接近，冰封期最小. 采用非参数统计中的符号检验、Wilcoxon符号等级检验对所选取的平水期和丰水期荧光强度样本进行分析，结果表明，两种检验方法计算的P值分别为0.077和0.098，均大于0.050，故可认为二者无显著性的差异. 荧光强度的变化趋势与ρ(DOC)一致，冰封期外源输入最少，而且受季节温度的影响，自生源特征也不明显，主要受类腐殖质和类富里酸变化的影响. 由于总荧光强度受农业生产和人类活动等的影响，导致土壤腐殖质和营养物质随地表径流直接进入河流水体中，但源头水受林区腐殖质的影响，总荧光强度较大，背景值较高.

图5 平水期、丰水期和冰封期水体DOM的荧光强度空间分布

表3 平水期、丰水期和冰封期各采样点水体DOM的荧光定量指标

2.1.2.3黑龙江流域典型断面水体DOM来源解析

由表3可知，平水期、丰水期和冰封期黑龙江流域典型断面水体DOM的FI值分别为1.48～1.61、1.51～1.63和1.52～1.79，均介于1.4～1.9之间，说明3个水期水体DOM是陆源和自生源贡献相结合. 3个水期水体DOM的BIX值分别为0.56～0.75、0.55～0.73和0.61～0.92，均小于1.0. 其中，平水期和丰水期绝大多数采样点的BIX值介于0.6～0.7之间，表明其DOM具有较少的自生组分；而冰封期绝大多数采样点的BIX值介于0.7～0.8之间，表明其DOM具有中度新近自生源特征. 3个水期水体DOM的HIX值分别为5.84～13.42、5.70～15.78和2.84～12.05，除个别采样点外，其余采样点的HIX值均大于6，表明3个水期水体DOM均具有强腐殖质特征.

2.2 静态浸泡试验水体DOM荧光特性

基于EEM-PARAFAC，静态浸泡试验水体DOM共识别出5种荧光组分(见表4)，除C1～C4外，还识别出类酪氨酸(C5). 其中，C1～C4与黑龙江流域典型断面3个水期的4种荧光组分一致. C5对应传统意义上的B峰〔λEx(275 nm)/λEm(310 nm)〕，该组分是蛋白质中游离或结合的氨基酸，主要来源于生活污水，代表的是分解程度小、较新鲜的类蛋白质[32]. 由于进行静态浸泡试验时，土壤能够得到充分溶解，故土壤中的腐殖质能够更多地溶解到水体中，从而使得水体DOM的荧光组分增加. 结果表明，静态浸泡模拟土壤溶解会使土壤中的腐殖质溶解到水体中，土壤DOM的荧光特性与水体DOM相似，黑龙江流域水体DOM与土壤DOM具有相似的来源.

2.3 动态淋溶试验水体DOM荧光特性

基于EEM-PARAFAC，动态淋溶试验水体DOM共识别出4种荧光组分(C1～C4)(见表5). 该试验结果与黑龙江流域典型断面3个水期的4种荧光组分一致. 结果表明，动态淋溶模拟降雨过程会使土壤中的腐殖质溶解到水体中，土壤DOM的荧光特性与水体DOM相似，黑龙江流域水体DOM与土壤DOM具有相似的来源.

2.4 DOC和荧光强度的相关性

由图6可见，3个水期各荧光组分的荧光强度均与ρ(DOC)呈线性相关. 其中，C1、C2和C3的荧光强度与ρ(DOC)均呈显著线性相关，平水期、丰水期、冰封期C1的相关系数分别为 0.776 2、0.852 4 和0.956 8，C2的相关系数分别为 0.478 3、0.265 9 和 0.878 4，C3的相关系数分别为 0.658 2、0.802 5 和 0.954 5；但C4的相关系数差别较大，3个水期分别为-0.064 4、0.021 9 和 0.847 4，说明黑龙江流域水体中的类腐殖质荧光组分是DOC的主要来源，这与Mendoza等[18,33]的研究结果一致.

表4 静态浸泡试验水体DOM的荧光组分特征

表5 动态淋溶试验水体DOM的荧光组分特征

图6 平水期、丰水期和冰封期DOC与荧光组分荧光强度的相关性

3 结论

a) 黑龙江流域水体ρ(CODMn)在平水期和丰水期出现了畸高现象，平水期和丰水期水体DOM的相对含量高于冰封期. 水体DOM识别出4种荧光组分，分别为长波段类腐殖酸(C1)、短波段类腐殖酸(C2)、类富里酸(C3)和类色氨酸(C4). 其中，类腐殖质总贡献率在50%以上，表明水体DOM属于类腐殖质主导型. 总荧光强度主要受到类腐殖质和类富里酸变化的影响，源头水的背景值较高. 平水期、丰水期和冰封期水体DOM的FI值分别为1.48～1.61、1.51～1.63和1.52～1.79，BIX值分别为0.56～0.75、0.55～0.73和0.61～0.92，HIX值分别为5.84～13.42、5.70～15.78和2.84～12.05，表明水体DOM是陆源和自生源贡献相结合，具有自生源特征和强腐殖质特征.

b) 通过静态浸泡试验模拟土壤溶解，识别出5种荧光组分，除C1～C4外，还识别出类酪氨酸(C5)；通过动态淋溶试验模拟降雨过程，识别出4种荧光组分(C1～C4). 土壤DOM的荧光特性与水体DOM相似，表明水体DOM与土壤DOM具有相似的来源.

c) 3个水期各荧光组分的荧光强度均与ρ(DOC)呈线性相关. 其中，C1、C2和C3的荧光强度与ρ(DOC)均呈显著线性相关，平水期、丰水期、冰封期C1的相关系数分别为 0.776 2、0.852 4 和 0.956 8，C2的相关系数分别为 0.478 3、0.265 9 和 0.878 4，C3的相关系数分别为 0.658 2、0.802 5 和 0.954 5；但C4的相关系数差别较大，3个水期分别为 -0.064 4、0.021 9 和 0.847 4. 黑龙江流域水体中的类腐殖质荧光组分是DOC的主要来源.