莱州湾荧光溶解有机物的时空分布

洪晨飞, 崔正国, 白 莹, 江 涛, 胡清静, 周明莹, 李 玉, 曲克明

莱州湾荧光溶解有机物的时空分布

洪晨飞1, 2, 崔正国2, 3, 白 莹2, 3, 江 涛2, 胡清静2, 3, 周明莹2, 李 玉1, 曲克明2, 3

(1. 江苏海洋大学海洋技术与测绘学院, 江苏 连云港 222005; 2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所 农业农村部海洋渔业可持续发展重点实验室, 山东 青岛 266071; 3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室, 山东 青岛 266071)

利用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)技术结合多元统计方法研究了莱州湾海域春季(2020年5月)和秋季(2020年10月)荧光溶解有机物(FDOM)的来源及时空分布特征。结果显示莱州湾海域FDOM由2类共4个荧光组分组成: C1、C4为类蛋白质组分, 分别为色氨酸和酪氨酸; C2、C3为类腐殖质组分。并对各组分的来源及分布特征分析: 春季FDOM分布主要受到陆源输入的影响, 其中表层C1、C2、C3也受微生物活动影响。秋季表层C1、C2、C3分布受到陆源输入和浮游植物生产共同影响, 秋季表层C4主要受生物现场生产影响, 秋季底层C1、C2、C3主要受陆源输入影响, C4受陆源输入和浮游植物生产共同影响。各荧光组分在表层的季节性差异主要是由于春季部分FDOM经陆源输入后受偏南风作用, 在莱州湾西部及南部海域扩散。FDOM在底层的季节性差异主要由于受到沉积物再悬浮的影响。HIX高值分布表明莱州湾西部和南部FDOM受陆源输入影响显著, BIX高值分布表明莱州湾远海FDOM受生物活动影响程度较高。总体上, 陆源输入影响莱州湾FDOM分布的主要因素。

荧光溶解有机物; 三维荧光光谱-平行因子分析法; 莱州湾

溶解有机物(DOM)是天然水体中一种复杂的混合物, 是海洋中最大的有机物质库[1], 有色溶解有机物(CDOM)是溶解有机物(DOM)中重要的光学部分[2-3], CDOM一方面具有紫外光吸收特性, 能有效吸收紫外辐射, 保护水生生物, 另一方面具有可见光吸收特性, 能吸收水体表层光辐射, 抑制光合作用, 从而影响海洋初级生产力和生态系统结构[4]; CDOM的生成和迁移转化过程对C、N、P等元素的生物地球化学循环有重要影响[5], 同时CDOM能作为载体影响重金属和有机污染物的迁移过程[6]; CDOM还包含与各种污染源有关的独特的化学信号, 通过研究CDOM的组成和光学特性, 可以研究城市、沿海等环境的水污染问题[7-8], CDOM不同的来源与组成还影响着污染物在水生生态系统中的归趋[9]; CDOM也是海洋遥感研究中的重要参数[10]。而CDOM中的一部分有机化合物——FDOM在吸收光(能量)后能够以荧光的形式发光[11], 因此对FDOM的研究在生物地球化学、海洋光化学、海洋环境保护、水色遥感等研究领域都具有重要意义。

三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)是研究海水中FDOM的重要工具。通过连续的激发发射光谱可以得到FDOM信息, 结合PARAFAC模型可以将EEMs分解为不同的独立荧光组分, 从而提高了对FDOM荧光组分的识别能力, 更好地解析FDOM。EEMs-PARAFAC近年来已经广泛用于湖泊、河流、沿海地区等各类水体FDOM的研究中[12-13]。

莱州湾是渤海三大海湾之一, 位于中国东部山东省渤海南部, 地理位置特殊, 湾内水浅, 泥沙多, 除黄河外, 还有潍河、白浪河、胶莱河、小清河、支脉沟等河流入海, 因而大量淡水、营养盐和陆源物质,包括污染物等向莱州湾海域输入, 受人类活动影响强烈, 生态环境复杂[14]。目前对于莱州湾海域溶解有机物的荧光特性及来源分析的研究较少, 因此本文利用EEMs-PARAFAC对2020年春季(5月)以及秋季(10月)莱州湾水体中FDOM的荧光光谱数据进行处理, 分析了莱州湾FDOM的时空分布特征及来源, 对莱州湾海域陆源输入指示、改善海域环境有着重要意义, 并可为其他海区FDOM的研究提供资料。

1 材料与方法

1.1 样品及数据采集

在2020年5月以及2020年10月对莱州湾的调查航次中, 用YSI多参数水质分析仪获取对应站位表、底层的海水温度、盐度、溶解氧数据。使用卡盖式采水器采集了莱州湾各站位(图1)的表、底层海水样品, 采集的水样立即经GF/F膜(预先在马弗炉450 ℃烧灼5 h)过滤并收集于洁净棕色样品瓶(预先在马弗炉450 ℃烧灼5 h)中冷冻保存[15-16]。水样进行荧光测定前需避光自然解冻恢复到室温, 并用0.22 μm的一次性聚醚砜(PES)针头滤器过滤。

图1 采样站位图

1.2 FDOM三维荧光光谱的测定

FDOM的EEMs使用日立(Hitachi)F-4600荧光分光光度计并配1 cm比色皿进行测定。测定参数: 光源为150 W氙弧灯, PMT电压为700 V, 激发波长(ex)范围为240～480 nm, 发射波长(em)范围为250～ 580 nm, 狭缝宽度以及步长均为5 nm, 扫描速度为1 200 nm/min, 扫描信号积分时间为0.05 s, 以QSU为单位进行FDOM荧光强度的定标。1 QSU为1 μg/L硫酸奎宁(溶于0.05 mol/L硫酸溶液)在ex=350 nm、em=450 nm处的荧光强度[17]。

1.3 PARAFAC分析过程

1.3.1 光谱数据散射去除

运用MATLAB R2018b软件并采用Delaunay三角形插值法对荧光光谱数据进行处理, 该方法是将散射区域数据置零, 然后以散射区域邻近数据为基准进行三维插值来填补缺失区域, 以消除光谱数据中的瑞利散射和拉曼散射的影响并保留散射区域的荧光信号[17-18]。

1.3.2 PARAFAC模型

利用PARAFAC可以将EEMs解析成单独的荧光组分。在光谱数据去除散射并整合之后, 利用MATLAB R2018b中DOMFlour toolbox工具箱, 通过残差分析和折半分析确定最优组分数。

1.3.3 荧光强度及荧光组分占总组分比例的计算

通过PARAFAC可以得到每种成分的相对荧光强度(Scores), 各成分的荧光强度I按照以下公式进行计算:

I=Score, n×xn(max)×mn(max), (1)

式中,Score, n代表第种成分的相对荧光强度,xn(max)代表第种成分激发负载最大值,mn(max)代表第种成分发射负载最大值。总荧光强度和荧光组分占总组分比例的计算公式如下:

P=I/TOT, (3)

其中,TOT代表总荧光强度,P代表第种荧光强度占总组分比例。

1.4 腐殖化指数与生物指数

腐殖化指数(HIX)为在激发波长255 nm处, 发射波长435～480 nm与发射波长300～345 nm的区域积分值的比值, 一般被用来指示FDOM的腐殖化程度、来源等[19]。HIX高值表示FDOM腐殖化程度越高, 稳定性越好, 在环境中存在的时间相对较长, 一般来自陆源, 而低HIX值与本地FDOM有关。生物指数(BIX)是在激发波长310 nm处, 发射波长380 nm与430 nm的荧光强度的比值, 一般被用来指示生物活动、FDOM来源等[19], BIX高值则表明海洋内源为FDOM主要来源。

1.5 统计分析及数据作图

采用IBM SPSS Statistics 26软件进行Pearson相关性分析,<0.05表示显著相关,<0.01表示极显著相关。采用Surfer 13进行站位图及平面分布图的绘制。CANOCO 5版本中进行了RDA分析, 以盐度(S)、表观耗氧量(AOU)及叶绿素(Chl)3个变量作为解释各荧光组分的指标, 平行因子分析得到的荧光组分作为相应的响应变量。

2 结果

2.1 莱州湾海域FDOM荧光组分解析

利用EEMs-PARAFAC解析不同季节莱州湾的FDOM样品, 共鉴定出4个荧光组分(图2): 组分一(C1:ex/em=275 nm/330 nm), 组分二(C2:ex/em=265 nm/ 410 nm), 组分三(C3:ex/em=240 nm/355 nm), 组分四(C4:ex/em=245 nm/295 nm)。经过与其他文献对比(表1), 可以将C1、C4归为类蛋白质组分, C2、C3归为类腐殖质组分。C1为典型的类蛋白质(色氨酸), 在不同的水体环境中均有报道[20-21]; C2为类腐殖质[3], 一般为分子量较大的芳香性腐殖物质, 在森林和湿地中较常见; C3为类腐殖质组分和Yamashita等[22]发现的C4组分(C4: <250 nm, 295 nm/358 nm), 以及林辉等[23]发现的C2(C2: 230 nm, 310 nm/374 nm)相似, 其在淡水和海水环境中均有发现, 并不是特征性“海源”FDOM指示组分; C4为类蛋白质(酪氨酸)成分, 其和C1在海洋水生环境以及陆域的水生环境都能观测到[24]。C4与Yang等[25]发现的C7组分(C7: 250 nm/300 nm)十分相似, 该组分被认为易受微生物活动影响[26]。

图2 PARAFAC 鉴定的4种荧光成分的三维荧光光谱图

表1 莱州湾FDOM荧光组分特征

2.2 春季表底层FDOM水平分布特征

春季表底层盐度分布相似, 受南部多条淡水河流输入的影响, 呈现从近岸向远海逐渐增大的分布趋势。表观耗氧量(AOU)是海水在特定条件下溶解氧的饱和含量与实测值的差值[34], 在研究中多被用作表征微生物活动, FDOM与AOU的负相关可能是由于水体中微生物活动对FDOM的降解[35], 而正相关则是表明微生物活动可以产生FDOM[16]。春季表层AOU的高值区基本分布在莱州湾的西南部的白浪河入海口及西部沿海地区, 春季底层AOU高值区分布在莱州湾的西南部的白浪河入海口、西部沿海地区及东北部海域。由于春季及秋季表底层C2, C3均具有极显著相关性(春表=0.95,<0.01;春底= 0.96,<0.01;秋表=0.83,<0.01;秋底=0.88,<0.01), 具有相似的分布特征, 因此在图3—图8中均以C2代表2个类腐殖质组分, 以及图3—图6中以2代替2个类腐殖质组分占总组分的比例。春季表层FDOM中的C1荧光强度范围为0.19～0.46 QSU, 其荧光强度高值主要分布莱州湾西部及中部以南, 其最高值分布在胶莱河入海口附近, 荧光组分占总组分比例1范围为35.88%～44.29%,1最高值分布在莱州湾南部及东北部; C2荧光强度范围为0.04～ 0.21 QSU, C3荧光强度范围为0.12～0.36 QSU。C2、C3荧光强度高值分布在莱州湾西部和中部以南, 其最高值分布在莱州湾西部近岸海域, 荧光组分占总组分比例2范围为8.74%～20.32%, 荧光组分占总组分比例3范围为26.23%～34.67%,2、3最高值主要分布在莱州湾西部近岸海域; C4荧光强度范围为0.09～0.16 QSU, 其荧光强度高值呈扇形分布, 其最高值分布在胶莱河入海口附近, 荧光组分占总组分比例4范围为9.12%～20.50%,4最高值主要分布在莱州湾东北部。

春季底层C1荧光强度范围为0.18～0.46 QSU, 其荧光强度高值主要分布在莱州湾西部及中部以南, 其最高值分布在6194及6334站点, 荧光组分占总组分比例1为35.88%～43.86%,1最高值主要分布在莱州湾北部; C2荧光强度范围为0.04～0.21 QSU, C3荧光强度范围为0.12～0.36 QSU。C2、C3荧光强度高值主要分布莱州湾西部及中部以南, 其最高值分布在6251及6351站点, 荧光组分占总组分比例2为6.90%～ 20.32%, 荧光组分占总组分比例3为24.64%～34.6%,2、3高值主要分布在莱州湾西部以及中部以南; C4荧光强度范围为0.09～0.20 QSU, 分布较为不规则, 在莱州湾近岸的西南部及远海的东北部均出现荧光强度高值, 荧光组分占总组分比例4为9.13%～ 29.64%,4高值主要分布在莱州湾东北部。

图3 春季表层各组分、荧光组分占总组分比例、盐度、AOU、HIX及BIX的分布

图4 春季底层各组分、荧光组分占总组分比例、盐度、AOU、HIX及BIX的分布

图5 秋季表层各组分、荧光组分占总组分比例、盐度、AOU、HIX及BIX的分布

图6 秋季底层各组分、荧光组分占总组分比例、盐度、AOU、HIX及BIX的分布

腐殖化指数HIX和生物指数BIX作为荧光指数也可用来表征FDOM, 用于分析FDOM来源。莱州湾春季表层HIX范围为0.72～1.30, BIX范围为1.14～ 1.76, 春季底层HIX范围为0.73～1.23, BIX范围为1.14～2.00。春季表底层HIX分布特征相似, HIX高值区均分布在黄河入海口附近, 表层BIX低值区主要分布在黄河入海口附近, 高值分布在莱州湾南部近岸以及东北部海域。底层BIX高值区主要分布在莱州湾北部远海。

2.3 秋季表底层FDOM水平分布特征

秋季莱州湾表底层盐度的分布与春季相似, 受近岸河流输入的影响, 呈现从近岸向远海逐渐增大的分布趋势。秋季表层AOU高值区主要分布在莱州湾中部区域, 低值区主要分布在小清河入海水舌区域以及东北部海域, 秋季底层AOU低值区主要分布在小清河入海水舌区域, 其高值区主要分布在莱州湾中部区域。秋季表层C1荧光强度范围为0.13～0.68 QSU, 高值区主要分布在莱州湾南部近岸区域以及5194、6262站位的邻近海域(图5), 荧光组分占总组分比例1为38.51%～58.60%,1高值主要分布在界河入海的水舌区域及东北部; C2荧光强度范围为0.04～0.16 QSU, C3荧光强度为0.10～ 0.38 QSU。C2、C3分布模式相似, 其荧光强度高值区主要分布在莱州湾南部近岸区域以及小清河入海的水舌区域。荧光组分占总组分比例2为7.85%～ 17.49%, 荧光组分占总组分比例3为19.95%～ 31.97%,2、3高值主要分布在莱州湾西部和南部; C4荧光强度范围为0.04～0.16 QSU, C4分布较为不规则, 荧光强度高值区域主要分布在中北部(5183、5194、6251站位邻近海域), 荧光组分占总组分比例4为8.42%～22.81%,4高值主要分布在莱州湾中部及北部。

秋季底层C1荧光强度范围为0.20～0.76 QSU, 高值区分布在白浪河入海的水舌区域、黄河入海口以及莱州湾东部近岸区域, 荧光组分占总组分比例1为35.88%～43.86%,1高值主要分布在莱州湾西北部; C2荧光强度范围为0.03～0.19 QSU, C3荧光强度范围为0.11～0.50 QSU。C2、C3荧光强度主要呈现从近岸向远海逐渐减小的分布趋势, 荧光组分占总组分比例2为6.90%～20.32%, 荧光组分占总组分比例3为24.64%～34.67%,2、3高值主要分布在莱州湾西部和南部。秋季底层C4荧光强度范围为0.08～0.19 QSU, 其荧光强度高值区分布莱州湾南部白浪河及潍河入海口以及6262站点附近, 荧光组分占总组分比例4为9.13%～29.64%,4高值主要分布在莱州湾东北部。

莱州湾秋季表层HIX范围为0.41～1.10, 表层BIX范围为0.54～1.76, 秋季底层HIX范围为0.53～ 1.08, 秋季底层BIX范围为1.05～1.70。秋季表层HIX高值区出现在莱州湾西部及南部大部分海域, 与秋季C2、C3荧光强度高值区基本吻合, 表层BIX高值区主要出现在莱州湾北部远海; 而秋季底层HIX高值区分布与表层相似, 底层BIX高值区分布在潍河入海口及北部远海。

2.4 莱州湾FDOM时空分布的变化

2.4.1 莱州湾FDOM表底层分布的变化

从春季表、底层FDOM的分布图可以看出C1、C4在莱州湾潍河及胶莱河入海的水舌区域(7351站位邻近海域)表现为表层荧光强度高于底层, 该区域内C1、C4底层荧光强度分别比表层低约28.59%、24.05%。C2、C3在表底层之间的荧光强度变化相似, 在莱州湾西北部以及南部表现为表层荧光强度大于底层, C2、C3在该区域内底层荧光强度比表层分别低约21.90%、17.11%。

从秋季表、底层FDOM的分布图可以看出C1、C2、C3在莱州湾西部及南部海域大体表现为秋季底层荧光强度高于表层, 该区域内C1、C2、C3底层荧光强度分别比表层高约45.83%、42.84%、29.91%, C4在莱州湾西部与南部近海区域表现为秋季底层荧光强度高于表层, 该区域内C4底层荧光强度比表层高约21.31 %。

2.4.2 莱州湾FDOM季节变化特征

从图7、图8可知表层盐度在莱州湾南部及东部大部分表现为春季高于秋季, 说明秋季低盐度海区分布更广, 这与春秋季径流量调查结果一致(黄河利津站2020年5月径流量约为2.25×109m3, 10月径流量约为4×109m3, http://www.mwr.gov.cn/), 底层盐度变化模式与表层相似。表层AOU在莱州湾白浪河及小清河入海口附近表现为春季高于秋季, 其他海域大体表现为春季表层低于秋季表层, 底层AOU在莱州湾海域大体上均表现为秋季高于春季。

图7 春季至秋季表层各组分荧光强度、盐度及AOU变化图

莱州湾表层4种组分水平分布的季节变化特征相似, 在莱州湾南部和西部区域大体表现为春季表层荧光强度高于秋季表层。其中C1、C4与C2、C3分布略有区别, 在小清河及白浪河入海口表现为春季表层荧光强度低于秋季表层。4种组分在莱州湾南部和西部区域内秋季表层荧光强度分别比春季低约21.69%、30.69%、25.10%、26.94%。

莱州湾秋季底层C1的荧光强度在整个莱州湾海域大体表现为高于春季底层, 变化的高值区主要分布在莱州湾南部河流入海口附近以及北部远海, 该区域内C1秋季底层荧光强度比春季高约40.83%。C2、C3在莱州湾西部和南部大部分海域表现为秋季底层荧光强度高于春季底层, 该区域内C2、C3秋季底层荧光强度分别比春季高约29.49%、26.26%, 在黄河入海口及莱州湾东部海域表现为秋季底层荧光强度低于春季底层。C4在莱州湾南部近岸及莱州湾中部海域表现为秋季底层荧光强度高于春季底层, 该区域内C4秋季底层荧光强度比春季高约20.82%, 在莱州湾东部和西部大部分海域为秋季底层荧光强度低于春季底层。

3 讨论

3.1 莱州湾春季FDOM来源分析

春季表层C1、C2、C3、C4在盐度高值区域, 该4种组分荧光强度值低, 而在低盐度区, 4种组分荧光强度值高, 即FDOM与盐度呈相反分布模式。4种组分均与盐度有极显著负相关性(C1=–0.70,<0.01;C2=–0.67,<0.01;C3=–0.70,<0.01;C4=–0.51,< 0.01), 说明陆源输入是控制莱州湾春季表层FDOM分布的主要因素。2、3与盐度呈极显著负相关(C2=–0.62,<0.01;C3=–0.59,<0.01), 这与陆源输入为春季表层类腐殖质组分主要来源的结果一致。C1一般来源于海洋生物活动, 也有相关研究表明在人类活动影响严重的区域, 陆源输入也是类蛋白质组分的主要来源[21]。同时调查表明莱州湾具有多种类型排污口, 是山东省收纳各种污染物等排放量最大的海域[36-37], 进一步表明陆源输入影响表层C1的分布。表层C1与AOU也呈显著正相关(C1=0.41,<0.05), 说明微生物活动生产也是C1的来源之一。C2是类腐殖质, 主要来源为陆源输入。C2与C3在春秋表、底层均具有极显著正相关性, 说明两者具有同源性和相似的地球化学行为[23, 38], 表明C3主要来源也为陆源输入。表层C2、C3还与AOU呈极显著正相关(C2=0.48,<0.01;C3=0.44,<0.01), 说明微生物活动生产也是C2、C3的来源之一[16]。C4是类蛋白质(酪氨酸), 有学者认为其是由内源产生[39], 也有学者认为其来源有海洋内源以及陆源输入后经微生物过程的产出[20]。而C4在莱州湾春季表层的荧光强度高值主要分布在潍河、胶莱河入海口附近, 由近岸海域向远岸海域逐渐减小, 与莱州湾春季表层Chl呈显著正相关(=0.41,<0.05), 表明浮游植物生产也是C4的来源。有相关研究表明大量营养盐被河流携带入海后, 会导致近海区域内浮游植物旺盛, 进而产生大量FDOM[40]。

图8 春季至秋季各组分底层荧光强度、盐度及AOU变化图

春季底层C1、C2、C3与盐度呈极显著负相关(C1=–0.55,<0.01;C2=–0.51,<0.01;C3=–0.56,<0.01), 表明陆源输入是春季底层C1、C2、C3的主要来源。2、3与盐度呈极显著负相关(C2=–0.48,<0.01;C3=–0.54,<0.01), 这与C2、C3主要来源的分析结果吻合。春季底层C4分布较不规则, 在近岸小清河入海的水舌区域、黄水河近岸、远海5262站点附近均存在荧光强度高值区, 其荧光强度高值区分布与小清河入海盐度低值区及莱州湾东北部AOU高值区一致, 表明可能是受到陆源输入和微生物活动的共同控制[39, 41], 相关性表明C4与盐度、Chl、AOU相关性均较弱, 进一步表明C4受到陆源输入及微生物活动产生的共同控制, 此外还可能是由于类蛋白质(酪氨酸)本身不稳定, 导致C4分布不规则。

一般来说, 陆源FDOM具有较高的HIX, HIX值越大表示FDOM腐殖化程度越高, 稳定性越好, 在环境中存在的时间相对较长, 而HIX高值区与春季表层C2、C3组分高值区相吻合, 与陆源输入的特征一致, 这也与春季表层2、3的高值分布结果一致, 进一步说明莱州湾西部海域春季表层类腐殖质组分受以黄河为主径流输入的影响较大。春季表层BIX高值分布在东北部海域, 这与春季表层1、4的高值区分布结果一致, 反映了莱州湾春季东北部表层类蛋白质组分受生物活动的影响程度较高[42-43]。而南部近岸表层的BIX高值区, 可能是由于采样站位多位于近岸受到工农业及生活污水排放的影响[21, 44]。而底层2、3在南部和西部近岸均出现高值, 反映了近岸底层类腐殖质组分受陆源输入影响较大, 底层1、4高值也主要分布在远海区域, 反映了远海底层类蛋白质组分受海洋内源影响相对较大。

从春季RDA排序结果来看, 四种组分夹角较小, 表明它们之间相关性较强(图9)。在表、底层, 各荧光组分与盐度箭头方向相反且二者箭头均较长, 表明陆源输入是FDOM的主要来源。表层AOU与C1、C2、C3夹角较小, 相关性较强, 说明了春季表层C1、C2、C3受微生物活动影响较大。表层Chl与C4夹角较小, 相关性较强, 说明了春季表层C4与浮游植物的初级生产有关。而底层Chl箭头相对长度小于表层, 且底层AOU与各荧光组分之间的夹角大于表层, 说明浮游植物的初级生产及微生物活动对底层4种荧光组分影响较小。

图9 春季莱州湾与环境因子RDA排序

3.2 秋季表底层FDOM来源分析

秋季表层C1荧光强度高值区主要分布在莱州湾南部近岸区域以及5194、6262站位的邻近海域, 说明受陆源输入影响较大。相关研究表明工农业污水和生活废水的排放会造成荧光组分的升高, 而C1在莱州湾南部的荧光强度高值区与小清河、白浪河、潍河及胶莱河排污口对应, 进一步表明C1也可能受人类活动如排污等影响[21]。同时C1与Chl也呈显著正相关(C1=0.34,<0.05), 说明浮游植物的初级生产也是C1的来源之一, 因此C1分布受陆源输入和浮游植物生产共同影响。C2、C3其荧光强度大体上呈现从近岸到远海逐渐减小的分布趋势, 且C2、C3与盐度具有显著负相关性(C2=–0.40,<0.05;C3=–0.43,<0.05), 这和2、3与盐度呈显著负相关(C2= –0.40,<0.05;C3=–0.47,<0.01)的结果一致, 进一步说明陆源输入是类腐殖质组分的主要来源, 其近岸到远海逐渐减小的分布趋势与其他学者研究也相一致[30]。C2、C3与Chl也呈显著正相关(C2=0.40,<0.05;C3=0.47,<0.01), 说明浮游植物的初级生产也是这2种组分的来源, 这与之前在Barataria盆地中发现的海洋微藻可以产生腐殖质样成分的结果吻合[45]。C4的高值区主要分布在莱州湾中北部(5183、5194、6251站位邻近海域), 对应秋季表层BIX高值区, 表明主要是受到现场生物生产影响。

而秋季底层C1高值分布在白浪河入海的水舌区域、黄河入海口以及莱州湾东部近岸区域, 表明受陆源输入影响较大。秋季底层C2、C3与盐度呈极显著负相关(C2=–0.66,<0.01;C3=–0.63,<0.01), 而2、3与盐度呈极显著负相关(C2=–0.60,<0.01;C3=–0.58,<0.01)与前文分析结果吻合, 说明陆源输入是类腐殖质组分的主要来源。秋季底层C4近岸及远海区域均有荧光强度高值分布, 主要是受到陆源输入和现场生物生产共同影响。秋季表、底层HIX高值区分布黄河入海口偏南, 主要由于陆源输入的FDOM, 其HIX偏高, 在偏北风影响下, 导致HIX高值区分布黄河口偏南, 与秋季表、底层C2、C3组分高值区基本吻合, 也与表、底层2、3高值区域一致, 进一步说明莱州湾西部海域秋季类腐殖质组分受以黄河为主的径流输入影响较大。BIX北部远海(5183、5194附近)均出现高值, 说明莱州湾秋季远海FDOM受生物活动的影响程度较高。而秋季底层近岸BIX出现高值可能是由于近岸站点受到工农业及生活污水排放的影响[21, 44]。

从秋季RDA排序结果来看(图10), C2、C3夹角较小, 表明它们之间相关性较强。在表层, C2、C3与盐度箭头方向相反且二者箭头均较长, 表明陆源输入是C2、C3的主要来源。表层Chl与各荧光强度夹角较小, 相关性较强, 说明了秋季表层FDOM与浮游植物的初级生产有关。秋季表层Chl相对长度大于秋季底层, 说明秋季表层Chl对各组分影响程度大于底层。在底层, 各荧光组分与盐度呈相反反向, 说明秋季底层FDOM主要来源为陆源输入。

图10 秋季莱州湾与环境因子RDA排序

3.3 莱州湾FDOM时空分布变化分析

3.3.1 莱州湾FDOM表底层分布差异分析

从春季表、底层FDOM的分布图可知C1、C4在莱州湾东南部(7351站位邻近海域)表现为春季表层荧光强度高于底层, 主要由于该近岸区域是春季表层Chl浓度高值区, 相关研究表明可能是该区域表层浮游植物的初级生产力促进了FDOM的产生, 也有研究表明可能是由于该区域受人类活动影响严重, 导致表层类蛋白质组分荧光强度偏高[21, 33]。C2、C3在莱州湾西北部以及南部表现为表层荧光强度大于底层, 是因为该区域表层盐度低于底层盐度, 表层受陆源输入影响更大。此外发现该4种组分在莱州湾东南部(7351站位邻近海域)均表现为表层荧光强度高于底层, 一些研究表示河流会将沿海城市的工业污染、农业废水和生活污水输送到沿海海域, 影响FDOM荧光强度[46-47]。7351站点附近为潍河、胶莱河入海口, 而潍河、胶莱河属于莱州湾7大排污口之二, 进一步证实了莱州湾该地区FDOM的分布可能也受到周边生活污水, 工业废水等输入的影响。

从秋季表、底层FDOM的分布图可知各荧光组分在莱州湾南部白浪河、潍河以及莱州湾西部黄河入海口均表现为秋季底层荧光强度高于表层, 推测是由于秋季河流径流量较大, 造成浑浊带处沉积物再悬浮作用, 进而释放间隙水中FDOM, 使区域内FDOM荧光强度增加[44, 47]。

3.3.2 莱州湾FDOM季节变化分析

从图7可知C1、C2、C3、C4水平分布的季节变化特征相似, 在莱州湾南部和西部区域大体表现为春季表层荧光强度高于秋季表层, 这是由于春季经陆源输入的部分FDOM在春季偏南风的影响下, 莱州湾西部、南部及黄河口向北扩散, 因此秋季莱州湾南部和西部区域表层FDOM浓度较低于春季。同时表层AOU在莱州湾西南部表现为春季高于秋季, 表明FDOM可能受到微生物生产的影响[16]。因此秋季莱州湾南部和西部区域表层FDOM浓度较低于春季。

从图8可知秋季底层C1的荧光强度在莱州湾海域大体上均高于春季底层, 且变化的高值区主要分布在莱州湾南部河流入海口附近以及北部远海, 与盐度变化相似, 推测有两个原因: (1) 由于秋季径流量增大, C1受陆源输入影响增大, 荧光强度增高; (2) 秋季莱州湾处于风期, 海水垂向运动强烈造成底层沉积物再悬浮, 导致沉积物间隙水中高浓度FDOM被释放, 从而表现出在该莱州湾秋季底层C1荧光强度高于春季底层。C2、C3均在莱州湾南部表现为秋季底层荧光强度高于春季底层, 可能是由于秋季河流径流量较大, 在浑浊带处强烈的再悬浮作用使类腐殖质从沉积物中释放出来造成的[44]。C4在莱州湾西部和东部表现为春季底层高于秋季底层, 可能是由于受陆源输入和海洋内源的共同影响。

4 结论

本文利用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs- PARAFAC)技术结合多元统计方法, 解析了莱州湾春秋季FDOM的荧光组分, 并分析了其来源以及分布差异。

(1) 通过EEMs-PARAFAC研究了春季和秋季莱州湾海域的FDOM, 发现FDOM共有4个荧光组分: C1、C4为类蛋白质组分, 分别为色氨酸和酪氨酸。C2、C3为类腐殖质组分, 该两种组分具有高相关性, 且其分布也具有高度一致的特征性, 表明C2与C3具有同源性。

(2) FDOM荧光组分在莱州湾不同时间和空间其分布特征不同, 影响因素复杂多变, 陆源输入、微生物活动和浮游植物初级生产、及沉积物再悬浮都会对FDOM的分布产生影响, 而在莱州湾区域, 陆源输入是控制莱州湾FDOM分布的最主要因素。HIX高值区的分布也表明黄河的径流输入对莱州湾FDOM分布影响显著, 而BIX在春秋表底层的远海区域均出现高值, 反映了莱州湾远海FDOM受生物活动的影响程度较高。RDA的结果也表明莱州湾海域春秋季表底层的FDOM主要来源于陆源输入, 部分受浮游植物初级生产和微生物活动的影响。

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Spatial and temporal distribution of fluorescent dissolved organic matter in Laizhou Bay

HONG Chen-fei1, 2, CUI Zheng-guo2, 3, BAI Ying2, 3, JIANG Tao2, HU Qing-jing2, 3, ZHOU Ming-ying2, LI Yu1, QU Ke-ming2, 3

(1. School of Ocean Technology and Surveying and Mapping, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005 China; 2. Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071 China; 3. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Laboratory for Marine Fisheries Science and Food Production Processes, Qingdao 266237, China)

The source and spatial distribution characteristics of fluorescent dissolved organic matter (FDOM) in the Laizhou Bay were studied using excitation and emission matrix spectroscopy and parallel factor analysis (EEMs-PARAFAC) in the spring (May 2020) and autumn (October 2020). According to the results, the FDOM in Laizhou Bay is composed of two types of four fluorescent components: C1 and C4 are protein-like components, tryptophan and tyrosine, respectively; C2 and C3 are terrestrial humus components. Each component’s source and distribution are analyzed: The distribution of FDOM in the spring is mainly affected by terrestrial input, with microbial organic matter preprocessing also influencing the surface layer C1, C2, and C3. In the fall, the distribution of C1, C2, and C3 in the surface layer in the autumn is affected by both terrestrial input and phytoplankton production, whereas C4 is affected mainly by onsite biological production. Terrestrial input has the greatest impact on C1, C2, and C3 of the bottom layer in autumn, whereas phytoplankton production has an impact on C4. The seasonal differences in the various fluorescent components in the surface layer are mainly due to the fact that in spring, after being imported from land sources, a portion of the FDOM is affected by the southerly wind and spreads into the western and southern waters of the Laizhou Bay. The influence of sediment resuspension is mostly responsible for the seasonal difference in FDOM in the bottom layer. The distribution of high HIX values indicates that terrestrial input has a large impact on FDOM in the western and southern parts of Laizhou Bay, whereas the distribution of high BIX values indicates that biological activities have a large impact on FDOM in the open sea of Laizhou Bay. The main factor affecting the distribution of FDOM in Laizhou Bay is land-based input by biological activities.

fluorescent dissolved organic matter; excitation and emission matrix spectroscopy and parallel factor analysis; Laizhou Bay

Aug. 1, 2021

[Major Science and Technology Innovation Project of Shandong Province, No. 2018SDKJ0503-1; the National Natural Science Foun­dation of China, No. 41906129; the Project of Jiangsu Natural Science Foundation of China, No. BK20171262; the Natural Science Foundation of Shandong Province, China, No. ZR2019BD004]

X144

A

1000-3096(2022)06-0015-17

10.11759/hykx20210801001

2021-08-01;

2021-10-18

山东省重大科技创新工程专项课题(2018SDKJ0503-1); 国家自然科学基金青年基金(41906129); 江苏省自然科学基金面上项目(BK20171262); 山东省自然科学基金博士基金(ZR2019BD004)

洪晨飞(1997—), 男, 江苏镇江人, 硕士研究生, 海洋科学专业, E-mail: 1790717708@qq.com; 白莹(1988—),通信作者, 女, 山东聊城人, 副研究员, 博士, 主要从事近岸水体中溶解有机物的迁移转化研究, E-mail: baiying@ysfri.ac.cn; 李玉(1976—), 通信作者, 女, 山东济宁人, 教授, 博士, 主要从事海洋环境科学研究, E-mail: liyu241@sina.com

(本文编辑: 赵卫红)