巢湖湖滨带沉积物间隙水溶解性有机质的光谱特征与时空差异

应炎杰，赵 敏，李 勇，潘继征，张国正，汪 欣

〔1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215011；2.江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏 苏州 215011；3.国家东中西区域示范区(连云港徐圩新区)管委会，江苏 连云港 222000；4.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008〕

溶解性有机质(DOM)是一类组成复杂、结构多样的有机物质，是湖泊碳循环的关键组成之一，其组成包括类色氨酸、类氨基酸、类腐殖质及碳水化合物等[1]。水环境DOM主要来自水体动植物的分泌物及微生物降解，以及陆源有机质输入[2]。作为一种较为活泼的化学组分，湖泊沉积物中DOM因其含有丰富的碳、氮、磷等生源要素，会参与湖体中物理、化学和生物地球化学过程，是湖泊蓝藻爆发的诱因之一[3]。此外，沉积物DOM时空分布特征间接反映了湖泊污染物迁移转化规律，记录了湖泊及流域的演变信息[4]。

湖滨带是湖泊水体与陆地之间的过渡带，属于生态交错带的一种，也是湖泊生态系统的重要组成部分，对维持湖泊生态系统的结构和功能起着积极作用[5]。但是在过去的几十年里，浅水湖泊湖滨带受到人为活动的剧烈影响，大量有机质在湖滨带积累，对湖泊生态系统的碳循环产生重大影响[6]。到目前为止，对于富营养化浅水湖泊湖滨带DOM的构成特征及空间变化特征报道不多，所以需要对富营养化浅水湖泊湖滨带溶解性有机质进行针对性研究。

近些年来，三维荧光光谱(3DEEM)技术以其操作简单、灵敏度高和用量少、不破坏样品结构等优点被广泛应用于测定湖泊水体和沉积物中DOM结构组成、分布来源及迁移转化规律[7]。HE等[8]等采用三维荧光光谱技术对沉积物间隙水和碱性可萃取有机质进行对比分析，阐明了沉积物中DOM的有机质溶解相和颗粒相的分布行为。MILLER等[9]采用三维荧光光谱技术研究亚高山湖泊融雪期和夏季湖水中DOM含量的季节变化，三维荧光光谱数据表明夏季内源输入是DOM的主要来源。张倩等[10]采用该技术对新建人工湖深水湖的上覆水和沉积物孔隙水DOM进行研究，通过对比三维荧光光谱图得到新建湖区受到微生物影响大，原湖区受到沉积物中的陆源影响较大。这些研究在一定程度上分析了不同湖体中间隙水和水体DOM的特征，但是主要集中在湖体或者河道、水库上，对于富营养化浅水湖泊湖滨带的研究鲜有报道。

巢湖是我国第5大淡水湖泊，受流域经济快速发展和人口激增等影响，近些年来水体出现严重的富营养化和大面积蓝藻爆发问题[11]。作为陆地连接湖体的纽带，湖滨带发挥了重要的生态作用。笔者以巢湖湖滨带为研究对象，采用三维荧光光谱技术结合平行因子法研究巢湖湖滨带沉积物间隙水中DOM组分、含量和来源，揭示巢湖湖滨带沉积物间隙水DOM的光谱特征和时空差异。研究成果对湖泊污染控制以及水质治理、水体修复等后续工作具有理论指导意义，为进一步揭示巢湖湖滨带中DOM的组成、来源及其对湖泊富营养化的影响机制提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

巢湖(北纬31°25′28″～31°43′28″、东经117°16′54″～117°51′46″)位于安徽中部，长江中下游西岸，是我国第5大淡水湖。巢湖最大面积约为825 km2，平均水深为2.69 m，平均水位为8.0 m，该区域属于亚热带和暖温带过渡性季风气候区，年平均气温为15～16 ℃，年降水量为1 100 mm[12]。

1.2 采样点位设置

在巢湖布设A、B、C、D、E、F和G共计7个断面，分别在近岸点A0、B0、C0、D0、E0、F0、G0和远岸点A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1取样，同时设湖心点HX。因F断面上湖底为硬质沉积物，无法采集到沉积物样本，故未采样。采样点位位置描述见表1和图1。

1.3 样品采集与预处理

于2019年1月和2019年9月在安徽巢湖的A、B、C、D、E、G 6个断面和湖心点(HX)总计26个点进行采样。沉积物垂直分布样品采用柱状采泥器(90 mm × 500 mm，Rigo公司，日本)原位采集获取，采集各点位沉积物0～25 cm深度样品。在现场利用分层装置将柱状样品按照0～2、>2～4、>4～6、>6～10、>10～15、>15～20和>20～25 cm进行分层，新鲜分层的柱状样品置于4 ℃车载冰箱中尽快运回实验室，然后利用冷冻离心机进行离心(4 000 r·min-1，20 min)获取沉积物间隙水，经GF/F膜(滤膜预先于马弗炉中450 ℃条件下灼烧4 h)过滤的滤液用于测定DOM相关指标。

表1 巢湖采样点位布置

1.4 样品分析

利用HORIBA-Fluorolog-3荧光光谱分析仪扫描样品的三维荧光光谱，设置激发波长范围为250～450 nm，间隔波长为5 nm，发射波长范围为250～580 nm，间隔波长为1 nm。狭缝宽度为5 nm，积分时间为0.2 s。每10个样品测定完成后用纯水进行空白扫描与拉曼校正。运行MATLAB软件中drEEM和N-way数据包，对三维荧光图谱进行内滤校正和平行因子分析(PARAFAC)[13]。计算表2[14-20]所示的荧光强度指数(FI)、生物源指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)。

因三维荧光分析内滤校正所需，利用紫外可见分光光度计(UV-2700，岛津)测定样品紫外-可见吸收光谱，设置波长范围为200～800 nm，间隔波长为1 nm，以Milli-Q超纯水作为空白对照[21]。

溶解性有机碳(DOC)浓度用总有机碳测定仪(TOC5000A，岛津)测定[22]。

1.5 统计分析

采用Excel 2019、Origin 9.1进行数据处理和制图；采用SPSS 19.0进行相关性分析；采用MATLAB R2012a进行EEMs-PARAFAC分析。

2 结果与讨论

2.1 DOC浓度变化

溶解性有机碳(DOC)常用来表征DOM含量，也是表征研究区域有机质污染情况的重要指标。巢湖湖滨带间隙水DOC浓度分布见图2，总体上DOC浓度随着深度变化的总体趋势表现为在表层0～4 cm处较高，随着深度降低而逐渐保持相对稳定或小范围波动，笔者研究结果与倪建宇等[23]的研究结果相符。图2显示，冬夏季各个断面点位与湖心点位基本符合该规律。

在空间分布上，在6个断面和湖心对照点中，DOC浓度在A断面最高，冬季A0为54.51 ～119.32 mg·L-1，A1为26.88～64.12 mg·L-1，夏季A0为21.12～93.29 mg·L-1，A1为25.14～60.56 mg·L-1。因为A断面位于南淝河流入巢湖河口断面上，南淝河流入巢湖时携带大量有机质，造成入湖河口处沉积物间隙水表层DOC浓度远高于其他断面[24]。在同为西北湖区的E断面，远近岸带点位DOC浓度均值为24.95 mg·L-1，这也高于C、D和G断面远近岸带点位DOC浓度均值(23.09、18.53和19.97 mg·L-1)，并且湖心点位HX冬夏季DOC浓度均值为12.7 mg·L-1，表明湖滨带污染情况比湖心严重。由图2可知，近岸带点位比远岸带点位在表层更符合先上升然后逐渐下降再保持稳定的趋势，湖心点位DOC浓度随深度变化不大，说明远岸带点位受到扰动相对较小。在6个断面远近点位的对比上，近岸带DOC浓度均值高于远岸带，这与巢湖夏季盛行风导致蓝藻靠岸堆积[12]、陆地面源污染流入[25]等原因有关。6个断面冬夏季DOC浓度均值都高于湖心点冬夏季DOC浓度均值，这说明湖滨带污染相较湖心区域严重。

表2 荧光光谱指数的环境意义和计算方法

在时间分布上，B断面冬夏季间隙水DOC浓度差异明显，冬季近岸带点位在表层0～4 cm的间隙水DOC浓度显著高于>6～25 cm深度(P<0.05)，而冬季近岸带点位间隙水DOC浓度随深度变化符合垂直分布规律。冬季远岸带点位间隙水DOC浓度随深度变化不大，但夏季远岸带点位在>15～25 cm深度DOC浓度持续上升，这可能是因为表层间隙水向上覆水进行扩散，同时底栖生物的活动促进了间隙水的非局部交换所致[26]。在冬夏季断面点位的对比上，近岸带总体呈现冬季点位间隙水DOC浓度高于夏季，这与夏季和秋季蓝藻衰败休眠阶段向沉积物中沉淀的DOM量增加，导致冬季沉积物间隙水中含有较高的DOM通量有关。

2.2 荧光组分的分析确定

利用平行因子分析对沉积物间隙水DOM三维荧光光谱矩阵数据进行解析，此方法可以有效解决三维荧光谱图在多个不同位置出现荧光峰之间重叠的问题。经分析，巢湖湖滨带间隙水DOM三维荧光谱图包括3个荧光组分(图3、表3[27-29])。C1和C2均为类腐殖质物质，代表着较难降解的DOM，与其结构中羟基和羧基有关。类腐殖质峰C1(275 nm，365 nm/467 nm)是外源输入的腐殖质形成的荧光峰值，主要是河流输入及其携带的土壤溶解至水中的腐殖质；另外，还包括水体内部浮游动植物及微生物经过细菌分解的残体，主要反映了水体的陆源特征[30]。类腐殖质峰C2(330 nm/407 nm)与传统的M峰类似，可能来源于微生物及水中藻类降解或人类活动产生的氧化的类腐殖质类组分[31]。C3位于275 nm/319 nm处，是一类类蛋白物质，可能受浮游植物或水生细菌等生物降解的影响，同时有研究发现C3峰也受到生活污水和工业废水等外源输入所携带的微生物影响[29,32]。

表3 溶解性有机质的主要荧光峰及对应位置

2.3 湖滨带沉积物间隙水的荧光组分分布分析

为进一步了解湖滨带的污染，说明富营养化巢湖湖滨带DOM的时空差异，对间隙水荧光组分及含量进行分类整理。由图4可知，在垂直分布上，湖滨带沉积物间隙水DOM荧光强度表现为表层荧光强度高，之后随深度增加荧光强度逐渐降低，这是因为营养物质随深度增加而逐渐减少，从而使微生物生物活性和丰度降低所致[32]。在荧光组分上，C1组分荧光强度占比最小，占比较大的是C2和C3组分。C1和C2组分的荧光强度占比总和稍高于C3组分荧光强度占比，说明湖滨带沉积物DOM受到陆源和内源污染中生物源的共同影响[33]。

在冬季和夏季沉积物间隙水荧光组分强度对比中，可以直观地看出冬季沉积物间隙水DOM荧光强度要高于夏季，这与巢湖富营养化和蓝藻爆发相关。从春季到冬季藻类会经历“复苏—爆发—衰败—休眠”4个阶段[34]，在这4个阶段向沉积物中累计释放的有机质逐渐增加，所以冬季湖滨带间隙水DOM荧光强度高于夏季荧光强度。冬季沉积物荧光强度高于夏季，也可能是因为水下光场的原因。在夏季水温升高、日均光照强度增强的情况下，水体中DOM会发生光降解[35]，所以释放沉淀到沉积物中的DOM量减少。根据巢湖目前的富营养化状况和DOM光分解、巢湖藻类生物量等文献，巢湖湖滨带沉积物间隙水DOM的主要影响因素为内源中藻类4个阶段的有机质释放及微生物降解。在6个断面和湖心点中，A、E断面A0、A1、E0、E1点位具有很高的总荧光强度，冬、夏季分别为10.55、6.68、5.54、3.90和5.05、4.10、6.69、3.05 RU；这是因为这4个点位均位于巢湖西半湖区，该区域水体整体处于严重富营养化状态，富营养化导致水体中藻类及生物向沉积物释放沉淀的DOM量增加，所以西北湖区A、E断面点位总荧光强度高于其他断面点位，并且夏季藻类爆发严重，藻类因为盛行风向因素靠岸堆积，导致这4个点位总荧光强度高于其他断面点位[36]。A0、A1点位在南淝河入湖的断面上，此为外源污染中的陆源污染，即南淝河入湖河水中含有的大量生活、工业产生的污染物及溶解在径流中的土壤腐殖质使A断面2个点位DOM总荧光强度要高于同为西半湖区的E断面点位。有些点位表层0～2 cm荧光强度较低，亚表层荧光强度最高，且随深度增加趋于降低，这可能与表层受扰动影响较大有关。

在冬、夏季远近岸带点位总荧光强度对比上，冬季A0、C0、E0、G0总荧光强度分别为10.55、4.19、5.54和3.00 RU，高于冬季A1、C1、E1、G1(6.68、3.21、3.90和2.04 RU)。夏季也呈现近岸带点高于远岸带点的现象。冬季D0总荧光强度为2.27 RU，低于远岸端D1的2.8 RU，这可能是该采样点微生物对于营养物质分解不完全的特殊差异性所致，虽然垂直方向上符合随深度减低的趋势，但是远近带点位差异不明显[18]。冬夏季近岸带总荧光强度总体上高于远岸带，这与湖滨带的作用相关。湖滨带作为水陆的交接区域，在降雨时，会对陆地方向来的污染物进行简单的拦截及净化[37]，并且污染物入湖也会被稀释，导致近岸带点位总荧光强度高于远岸带点位。

湖心点位冬、夏季沉积物间隙水总荧光强度也符合随深度增加而逐渐减少的规律，且冬季湖心点总荧光强度为2.26 RU，高于夏季的1.28 RU。相较于湖滨带沉积物间隙水冬、夏季总荧光强度差异，湖心区变化较小，这也说明湖心区环境状况相对稳定[38]。湖心点位冬、夏季荧光强度断面平均值为0.108、0.061 RU，均小于冬季近、远岸点的0.226、0.186 RU和夏季近远岸点的0.162、0.109 RU，说明相较于湖滨带，湖心区所受污染轻。

2.4 荧光光谱指数及其环境意义

巢湖湖滨带冬、夏季所有断面点位FI、BIX和HIX数值见图5。冬季湖滨带远近岸带所有点位FI值为1.64～2.04，平均值±标准差为1.83±0.08，BIX值为0.52 ～1.27，平均值±标准差为0.99±0.11，HIX值为1.04～8.15，平均值±标准差为2.44±1.10；夏季FI值为1.71～2.82，平均值±标准差为2.02±0.25，BIX值为0.82～1.47，平均值±标准差为1.03±0.09，HIX值为0.27～3.78，平均值±标准差为0.95±0.62。由于6个断面远近点位荧光光谱指数没有差异，所以通过比较冬夏两季整个湖滨带DOM的3个荧光光谱指数差异进行环境意义分析。

由图5可知，夏季FI均值要高于冬季，且该值大于1.9，说明夏季DOM以生物源为主要来源。冬季FI均值大于1.4而小于1.9，说明冬季湖滨带间隙水DOM受到外源中陆源和内源中生物源的共同影响。虽然夏季是巢湖区域的雨季，在雨季大规模降雨时，降雨在地面汇集成地表径流，裹挟外源污染中陆源污染物(包括土壤中有机质及人类活动产生的氧化类腐殖质)进入巢湖水体[39]，同时巢湖夏季水生浮游动植物和藻类大量繁殖[17]，降雨径流带来更多营养物质促进微生物和浮游动植物活动，所以夏季巢湖湖滨带DOM表现为受内源中生物源影响较大，主要表现为藻类及微生物大量生长繁殖。夏季湖滨带间隙水BIX均值为1.03，大于1，冬季BIX均值为0.99，在0.8～1之间。考虑到冬夏季节BIX波动情况基本相同，均在1上下波动，夏季稍高于冬季，说明沉积物间隙水中DOM具有较强自生源特征，意味着主要的影响因素为微生物及藻类代谢。夏季湖滨带HIX均值为0.95，小于1.5，说明沉积物间隙水中DOM主要属于生物或水生细菌来源，冬季HIX值为2.44，在1.5～3之间，说明沉积物间隙水中DOM主要为弱腐殖质特征和重要的新近自生源特征，同样表现为主要影响因素为微生物细菌及藻类代谢。DOM来源分为内源和外源贡献，内源包括生物源及沉积物释放源等，外源包括陆源输入及生物源等。笔者研究中外源中陆源污染物基本来源于C、E断面农田聚集区地表水土流失随地表径流入湖的腐殖质，B、D断面村镇人类活动，及A断面南淝河生活、工业废水中氧化的类腐殖质；内源中生物源主要来源于湖泊中藻类生长繁殖、降解和水生细菌分解产生的类蛋白物质。

比较冬、夏季湖滨带与湖心点位FI、BIX、HIX值可知，湖心区和湖滨区FI值无显著性差异，这可能是由于巢湖都处于富营养状态，从而没有表现出明显的空间差异，并且仅FI也无法完全反映有机质状况，所以需要其他荧光光谱指数值来联合证明。湖心区冬、夏季HIX均值(1.97±1.02、0.38±0.16)低于湖滨区(2.44±1.10、0.95±0.62)，说明湖心区DOM自源性更高，这是由于相对于湖滨带，湖心区受外源污染干扰[38]影响小。

比较3种荧光光谱的季节变化趋势可知，相较于夏季，冬季沉积物间隙水HIX值较高，而夏季FI、BIX值稍高，这些数值特征说明相较于夏季，巢湖湖滨带沉积物间隙水中冬季DOM受到外源污染中陆源影响升高，但是DOM的主要来源仍以内源中生物源为主。

3 结论

(1)巢湖湖滨带间隙水DOC受陆源污染和湖泊蓝藻堆积影响较大，西北湖区污染程度高；DOC浓度在垂直剖面上表现为表层上升后到达最高值，随着深度逐渐减低至底泥界面10 cm以下保持稳定。

(2)巢湖湖滨带间隙水中DOM主要包括3种荧光组分，分别为类腐殖质C1、类腐殖质C2和类酪氨酸C3，其中，C3类蛋白物质占比和C2类腐殖质占比较高，且C3含量大于C2，湖滨带受到内源中生物源和外源中陆源的共同影响，生物源影响更大。

(3)夏季巢湖湖滨带沉积物间隙水DOM荧光强度均值小于冬季，在垂直剖面上荧光强度呈现下降趋势。远岸带总荧光强度均值为0.432 RU，低于近岸带点(0.583 RU)，远岸带点位荧光强度均值高于湖心点。