达古冰川不同季节雪冰中溶解性有机质光谱特征变化研究

冯 琳， 马兴刚， 徐建中， 翟立翔，4， 王世金， 黄仕海， 张 伏

（1. 阿坝师范学院，四川 汶川 623002； 2. 中国科学院 西北生态环境资源研究院 玉龙雪山冰冻圈与可持续发展野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730000； 3. 中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；4. 中国科学院大学，北京 100049； 5. 达古冰川风景名胜区管理局，四川 黑水 624000）

0 引言

溶解性有机质（dissolved organic matter，DOM）广泛存在于生物圈、大气圈、水圈、岩石圈以及冰冻圈中，在天然有机质中的占比高达97.1%［1］。由于DOM 化学性质极其活跃，其在自然界各个圈层的物质、能量交换循环过程中发挥着十分重要的作用。冰川中的DOM 化学组成丰富（包含有碳、氮、硫和磷等营养元素），是冰川表面物质与能量循环的重要组成部分，与冰川生态系统的营养水平、化学特征以及生态结构等密切相关［2］。

冰川DOM 的含量、组成及光学性质存在显著的时空差异，以及在不同的雪冰介质中的行为差异，主要受冰川表面环境、不同的陆源输入以及微生物群落组成的影响。研究发现老虎沟12 号冰川夏季雪坑样品DOM 含量略高于冬季雪坑样品，而相比于夏季雪坑样品，冬季雪坑样品DOM 含有较多的类蛋白类荧光组分，较低的类腐殖质类荧光组分，表明DOM 的含量和组成具有明显的季节差异［3］；老虎沟12 号冰川新雪DOM 浓度显著高于小冬克玛底冰川新雪DOM浓度［3-4］，说明DOM的空间差异性受不同的陆源输入影响较大；小冬克玛底冰川表面不同类型雪冰（新雪、粒雪和冰川冰）DOM浓度及荧光组分的含量均存在显著差异，表明雪冰消融过程可以显著改变DOM 在不同雪冰介质中的含量和组成［4］；冰川消融区表面普遍存在的球状聚合体冰尘，是冰川表面微生物的主要聚集区，含有丰富DOM，冰尘DOM 通过活跃的“光-生物”演化过程，其氧化程度和不饱和程度明显增加，影响冰川表面的辐射强迫［5-6］，即光化学过程和微生物活动可以显著影响冰川表面DOM 的组成及光学性质。随着全球气候持续变暖，冰川消融加剧，冰川DOM会随着冰川融水进入高山湖泊和下游河流，这对区域生物地球化学循环至关重要。

达古冰川位于青藏高原东部边缘，在全球变暖背景下，该地区的冰川普遍呈现消融加剧［7-8］、冰川表面运动活跃［9］等特征，严重影响该区域的水资源利用与水安全、生态安全问题。因此，有必要开展达古冰川DOM 的相关研究，为评估达古冰川消融对区域环境的影响提供科学依据。

鉴于此，本研究以达古冰川海拔4 860 m 附近不同季节的雪冰样品为研究对象，通过总有机碳分析、紫外可见光光谱和三维荧光光谱（3D-EEMs）等技术：（1）对不同季节雪冰中溶解性有机碳（DOC）浓度进行定量分析；（2）对不同季节雪冰中DOM 的光谱特征进行分析；（3）通过平行因子分析方法，结合特征光谱参数初步分析不同季节达古冰川雪冰DOM 的组成和来源。基于不同季节达古冰川表层雪冰中DOM 浓度和光谱特征的分析，认识达古冰川表层雪冰DOM 的组成、来源以及其季节性演化特征，为系统分析冰川DOM 演化特征及其生物地球化学效应提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

达古冰川（32°12′33.37″ N， 102°45′30.99″ E）位于青藏高原东缘［图1（a）］，属于青藏高原与四川盆地过渡带的横断山系，地处川西北高原岷山与邛崃山交会处，岷江上游。地貌特点为多高山和峡谷，地势西北部高，东南部低。气候以北亚热带山地气候为主，1月平均气温-5.3 ℃，7月平均气温12.8 ℃，年降水量699.5 mm。区内平均降雪期为38 d，海拔5 000 m 以上常年积雪。2001 年张文敬等［10］针对该地区开展了现代冰川科学考察，证实达古冰川发育有现代冰川13 条，冰川面积4.56 km2，冰储量约0.13 km3，随着全球气候持续变暖，达古冰川也经历着快速的消融退缩，2019 年，冰川面积仅1.75 km2，其退缩趋势与中国西南地区季风性海洋冰川变化一致，近45年，达古冰川面积缩减了近75%［11］。

图1 达古冰川示意图：达古冰川地理位置（a），采样点位置（b）Fig. 1 The diagram of the Dagu Glacier： geographical location （a）， the sampling site of Dagu Glacier （b）

1.2 样品采集与预处理

本研究采样点位于达古冰川海拔4 860 m 附近［图1（b）］，分别于冬季（2020 年11 月）、春季（2021年3 月）、夏季（2021 年7 月）和秋季（2021 年10 月）雪后开展新雪和粒雪/表层冰样品的采样工作，由于采样区域位于冰川末端消融区，夏季和秋季消融剧烈，故夏季和秋季采集样品为新雪和表层冰。采集样品时严格按照雪冰采样程序进行，用预先清洁的不锈钢勺（500 ℃烧6 h 除去有机物）采集雪冰样品，每次采集新雪样品15～20 个，粒雪或表层冰样15～20 个。采集的固体雪冰样品装在干净的聚乙烯瓶中（10% HCl 浸泡24 h，超纯水浸泡24 h，超纯水冲洗晾干后使用），放入低温冰箱，于当天运送至阿坝师范学院资源与环境学院实验室，于-25 ℃保存直至分析测试。

将不同季节采集的雪冰样品用孔径为0.45 μm的聚四氟乙烯滤头（Pall Life Sciences，AnnArbor，MI，USA）过滤，过滤后的滤液直接用于测定DOC浓度、紫外可见光谱和三维荧光光谱分析。

1.3 实验室分析

1.3.1 DOC分析测定

取滤液10 mL，用总有机碳分析仪（Elementar，Hanau， Germany）测试雪冰样品DOC浓度。具体如下：酸化后的样品（每10 mL溶液中加入100 μL 10%的盐酸）通过自动进样器引入仪器，燃烧管高温（850 ℃）催化（Pt）氧化后将C 完全转化为CO2，用非色散红外分析仪检测CO2峰值，然后积分转化为DOC 浓度［12］。DOC 浓度分析采用邻苯二甲酸氢钾标准溶液对系统进行校准。仪器最低检测线是2 μg C·L-1，精确度为±5%，C的相对标准偏差＜1%。

1.3.2 紫外光谱分析测定

雪冰样品的紫外-可见吸收光谱采用UV-2700分光光度计（UV-2700；Shimadzu，Kyoto，Japan）进行测定，测定的波长设置在200～900 nm 范围内，波长间隔1 nm。测试结束后，通过减去每个吸光度谱690～700 nm 波长之间的平均吸光度值来校正基线，并用式（1）计算相应的吸收系数。

式中：A（λ)为波长λ时DOM 的吸光值；L为光路长度（针对目前的比色皿直径是0.01 m）。

254 nm 处的特征参数SUVA254是研究天然有机质性质或组成的重要特征参数，其值的大小可表征DOM 的芳香性程度，SUVA254是由波长254 nm 处吸光值的均值除以样品DOM 的平均浓度得到的，单位为L·mg C-1·m-1［13］。

1.3.3 三维荧光光谱分析测定

所有雪冰样品的三维激发发射矩阵（EEMs）均使用内部装有700 V氙灯的日立F-7000荧光分光光度计（Hitachi High-Technologies， Tokyo， Japan）检测，检测方法详见文献［14］，激发波长Ex 的范围是200～450 nm，波长间隔5 nm，发射波长Em 的范围是250～600 nm，波长间隔1 nm。激发波长Ex 和发射波长Em 的狭缝宽度均为5 nm，扫描速度为2 400nm·min-1。测定样品的三维荧光光谱之前测定Milli-Q水（18.2 MΩ·cm-1）的荧光光谱，并将其作为空白，用于后期消除水的拉曼散射对样品荧光光谱的影响。然后将瑞利散射影响的区域数据置零。荧光强度以Raman 单位（RU）表示，以激发波长为350 nm时水的拉曼峰积分强度换算。

平行因子分析（PARAFAC）是可以将EEMs 分解为单独的荧光组分，该分析在MATLAB 12b 中利用DOMFluor 和drEEM 工具箱完成，通过残差分析得出组分数并用折半分析对分离出的组分进行验证。同时，通过计算荧光指数（FI），新鲜度指数（BIX）和腐殖质指数（HIX），对样品中DOM 的组成和性质进行分析。FI是激发波长370 nm，发射波长470 nm 和520 nm 处荧光强度的比值［15］，FI＜1.4 说明样品中的DOM 的来源是陆源性的，FI≥1.9 说明DOM是微生物活动引起的自生来源［16］；新鲜度指数BIX是激发波长310 nm，发射波长380 nm 和430 nm处荧光强度的比值［17］，BIX＞1.0说明DOM 是生物或者微生物新鲜产生的，BIX的值低于0.6说明内源性的有机物含量较少［16］；HIX在激发波长254 nm 处，用发射波长435～480 nm 的区域积分值除以发射波长300～345 nm 的区域积分值，HIX值的大小可以衡量DOM 的腐殖化程度，HIX＜4 说明DOM 腐质化程度较弱，HIX＞10说明DOM有腐殖化程度很高，稳定性越好，在环境中存在的时间相对较长［16］。

2 结果与讨论

2.1 不同季节雪冰中DOC浓度变化

冰川中的DOC具有很高的生物可利用性，会驱动下游生态系统中陆源性DOC 的代谢［18-19］，促进下游生态系统的异养代谢，增加水体二氧化碳的排放［20］。当冰川中的DOC进入下游水生态系统时，其生态系统层面的意义取决于来自冰川的DOC 的量以及DOC 释放到水生态系统后的行为。达古冰川不同季节新雪样品DOC 浓度范围为0.11～0.38 mg·L-1［图2（a）］，与唐古拉小冬克玛底冰川新雪DOC 浓度（0.18～0.34 mg·L-1）相当［4］，低于老虎沟12 号冰川和木斯岛冰川新雪DOC 浓度（2.00～2.61 mg·L-1［3］，1.12 mg·L-1［21］），与南极冰盖、南极洲麦克默多干谷地区冰川以及格陵兰冰盖表层雪DOC浓度相比，没有显著差异（表1）。新雪样品DOC浓度变化表现出显著的季节性差异（P＜0.05），春夏秋冬的对应值分别为0.28 mg·L-1、0.11 mg·L-1、0.24 mg·L-1和0.38 mg·L-1。不同季节粒雪/表层冰DOC浓度范围为0.70～1.08 mg·L-1［图2（b）］，高于藏东南地区冰川粒雪/表层冰DOC 浓度（0.16～0.18 mg·L-1）［22］（表1），无显著的季节性差异（P＞0.05），春夏秋冬的对应值分别为0.70 mg·L-1、1.08 mg·L-1、0.71 mg·L-1和1.08 mg·L-1。比较同一季节不同类型的雪冰样品DOC 浓度发现，新雪DOC 浓度均显著低于同季节粒雪/表层冰DOC 浓度（P＜0.05），可能是由于新雪降落在冰川表面后，冰川表面的微生物活动会显著增加粒雪和表层冰中DOC 的浓度［23-25］，另一方面，光化学过程可以将水不溶性有机碳转化为DOC，从而增加表层粒雪/表层冰中的DOC浓度［26］。

表1 达古冰川与其他地区冰川雪冰中DOC浓度、类蛋白类荧光组分和类腐殖质类荧光组分的相对丰度的比较分析Table 1 The comparison analysis of DOC concentration， the relative abundance of ptotain-like and humic-like fluorescent component in Dagu Glacier in this study and other glaciers from other studies

图2 不同季节（春、夏、秋、冬）新雪样品（a）和粒雪/表层冰样品（b）中DOC浓度的变化Fig. 2 DOC concentration in fresh snow samples （a） and in firn/ice samples （b） in different seasons（spring， summer， autumn and winter）

2.2 不同季节雪冰DOM 的紫外可见吸收光谱变化分析

紫外-可见吸收光谱结合特征光谱参数SUVA254分析了达古冰川不同季节雪冰DOM 的结构和性质。达古冰川不同季节新雪样品中DOM 在紫外-可见光波段的吸光系数均随波长增加而逐渐降低［图3（a）］，并且各季节新雪DOM 的吸收曲线均无明显吸收峰出现，这与其他冰川新雪样品中DOM 的吸收曲线较为相似［4，26］；不同季节粒雪/表层冰样品中DOM 在紫外-可见光波段的吸光系数也均随波长增加而逐渐降低［图3（b）］，夏季和秋季的表层冰样品均在250～300 nm 处有明显的吸收峰出现，可能是由微生物的代谢产物类菌胞素氨基酸引起的［31］，而且夏季样品在250～300 nm 处的吸收峰明显高于秋季样品，说明夏季表层冰样品中类菌胞素氨基酸的含量较高，即微生物活动也更为活跃。

图3 不同季节（春、夏、秋、冬）新雪样品（a）和粒雪/表层冰样品（b）DOM的紫外可见吸收光谱图Fig. 3 UV-Vis absorbance spectra of DOM in fresh snow samples （a） and in firn/surface ice （b） sample from different seasons （spring， summer， autumn and winter）

比较不同季节新雪样品DOM 的紫外特征参数SUVA254（表2），其具有显著的季节性差异（P＜0.05），春夏秋冬的对应值分别为4.56 L·mg C-1·m-1，5.24 L·mg C-1·m-1，2.73 L·mg C-1·m-1和1.68 L·mg C-1·m-1。因此，夏季新雪DOM的芳香化程度最高，冬季新雪芳香化程度最低。不同季节粒雪/表层冰样品DOM 的SUVA254也存在显著的季节性差异（P＜0.05）（表2），春季粒雪、夏季表层冰、秋季表层冰和冬季粒雪样品DOM 的SUVA254依次为2.41 L·mg C-1·m-1，7.17 L·mg C-1·m-1，2.60 L·mg C-1·m-1和1.29 L·mg C-1·m-1，夏季表层冰样品的DOM 芳香化程度最高，冬季粒雪DOM 芳香化程度最低，表明夏季强烈的光化学过程显著改变了新雪和表层冰样品中DOM的组成［32］。

表2 不同季节新雪和粒雪/表层冰DOM 的SUVA254变化分析Table 2 The SUVA254 for DOM in fresh snow and firn/surface ice in different season

2.3 不同季节雪冰DOM的三维荧光光谱变化分析

本研究利用三维荧光光谱结合平行因子分析探讨达古冰川雪冰DOM 的特征和来源。所有雪冰样品共解析出4 个荧光组分（图4），包括3 个类蛋白质类荧光组分（C1、C2 和C3）和一个类腐殖质荧光组分（C4）。组分C1 和类色氨酸荧光组分类似，最大激发波长220 nm，最大发射波长341 nm，是DOM中被生物体高度降解了的一类氨基酸类DOM［17，33］。组分C2和类酪氨酸荧光组分特征类似，最大激发波长220 nm，最大发射波长304 nm，代表一类降解程度比较高的内源性的DOM［17］。组分C3和类苯丙氨酸荧光组分特征类似，最大激发波长220 nm，最大发射波长289 nm，与Jrgensen 等［34］在海水样品中得到的一类内源性荧光组分特征类似。组分C4 最大激发波长230 nm，最大发射波长431 nm，是一类低分子量的腐殖质类物质，广泛存在于和微生物活动密切相关的环境中［17，33］。

图4 平行因子解析出的4种荧光组分（C1～C4）的3D-EEM图谱（a）及载荷图（b）Fig. 4 EEM-PARAFAC results of four main components （a） and their excitation and emission loadings （b）

雪冰中DOM 的荧光组分的相对丰度（图5）表明在达古冰川表层雪冰中，三个蛋白类的荧光组分（C1、C2 和C3）占总荧光强度的80%以上（81.75%～97.13%），说明达古冰川表面DOM表现为显著的微生物来源。这一研究结果与老虎沟12号冰川、小冬克玛底冰川、朱西冰川以及南极洲麦克默多干谷地区冰川DOM 荧光分析结果相一致，即冰川DOM 含有较多的类蛋白类荧光组分，较少的类腐殖质类荧光组分，主要源于自生的微生物［3-4，27-30］（表1）。

图5 不同季节（春、夏、秋、冬）新雪样品（a）和粒雪/表层冰样品（b）中4个荧光组分的相对丰度Fig. 5 The relative abundance of each fluorescent component in fresh snow （a） and firn/surface ice samples （b）from different season （spring， summer， autumn and winter）

比较不同季节新雪样品中各荧光组分的相对丰度，春夏秋冬新雪DOM 的类蛋白类荧光组分（C1、C2 和C3）相对丰度依次为88.25%、93.38%、95.64%和93.86%，蛋白类荧光组分C1，C2和C3的相对丰度在新雪DOM 中均表现出显著的季节差异（P＜0.05）。如图5所示，色氨酸类荧光组分C1与苯丙氨酸类荧光组分C3 的相对丰度在夏季新雪中最高，分别为25.57%和54.37%，而酪氨酸类荧光组分C2的相对丰度在冬季新雪中最高（38.50%）。春季新雪DOM 中类腐殖质类荧光组分C4（11.75%）显著高于其他季节新雪（P＜0.05）。因此，达古冰川不同季节新雪DOM 以类蛋白组分为主，在夏季、秋季和冬季新雪中相对丰度更高，而类腐殖质组分在春季新雪中更高。

比较不同季节粒雪/表层冰样品中各荧光组分的相对丰度（图5），春夏秋冬粒雪/表层冰DOM的类蛋白类荧光组分（C1、C2 和C3）相对丰度依次为89.38%、81.58%、97.08%和91.95%。色氨酸类荧光组分C1 的相对丰度在夏季表层冰中（40.27%）最高，酪氨酸类荧光组分C2的相对丰度在秋季表层冰中最高（44.49%），苯丙氨酸类荧光组分C3 的相对丰度在冬季粒雪中最高（38.94%），并且C1、C2 和C3 的相对丰度在粒雪/表层冰DOM 中均表现出显著的季节差异（P＜0.05），说明冰川表面的雪冰消融过程会显著影响表层雪冰中的微生物活动［24-25］。类腐殖质组分C4 在夏季表层冰中相对丰度（18.42%）显著高于其他季节粒雪/表层冰（P＜0.05）。以上结果表明，达古冰川不同季节粒雪/表层冰DOM 的主要组分是蛋白类组分，在春季、秋季和冬季粒雪/表层冰中相对丰度更高，类腐殖质组分在夏季表层冰中更高。

荧光指数FI、新鲜度指数BIX和腐殖质指数HIX三类荧光参数的大小可以衡量DOM 来源、自生源贡献和腐殖化程度［15-17］。达古冰川春季新雪荧光指数FI=1.84，其他样品荧光指数FI均≥1.9，说明达古冰川雪冰中的DOM 是微生物活动引起的自生来源［16］。春季新雪样品BIX=0.66，介于0.6 和0.7 之间，说明春季新雪样品中的DOM 陆源性输入影响较大；其他所有样品新鲜度指数BIX的值均＞0.8，说明微生物自身来源的DOM 对雪冰样品中DOM 贡献较大［16］；所有样品HIX的值均＜4，说明达古冰川雪冰中DOM腐殖化程度较弱［16］。

比较不同季节新雪样品三类荧光参数的大小（表3），春夏秋冬新雪样品DOM 的FI值依次为1.84、2.47、2.02 和2.13，季节性差异不显著（P＞0.05）；BIX的值依次为0.66、0.83、1.20 和0.81，季节性差异显著（P＜0.05）；HIX的值依次为0.29、0.42、0.11 和0.08，季节性差异显著（P＜0.05）。春季新雪DOM 具有较低的FI值和BIX值，较高的HIX值，说明春季新雪DOM 来源较丰富，包括微生物来源和陆源性输入，而且腐质化程度较秋冬季新雪高；夏季新雪DOM 具有较高的FI值、BIX值和HIX值，说明其主要源自于微生物活动，相比于其他季节新雪，其腐殖化程度也较高，可能是受夏季较强的光化学作用的影响［35］。秋冬季新雪DOM 具有较高的FI值、BIX值，具有较低的HIX值，说明秋冬季新雪DOM 来源主要源自于自源性的微生物活动，腐质化程度很低。

表3 不同季节新雪和粒雪/表层冰中DOM的荧光指数（FI）、腐殖质指数（HIX）和新鲜度指数（BIX）Table 3 Fluorescence index （FI）， humification indices（HIX） and biological indices （BIX） for DOM in fresh snow and firn/surface ice from different seasons

比较不同季节粒雪/表层冰样品三类荧光参数的大小（表3），春季粒雪、夏季表层冰、秋季表层冰和冬季粒雪样品DOM 的FI值分别为2.24、3.82、2.32 和2.13，BIX值依次为0.85、1.14、1.44 和1.65，HIX值依次为0.22、1.72、0.31 和0.32，不同季节粒雪/表层冰DOM 的FI、BIX和HIX均表现出显著的季节性差异（P＜0.05）。夏季表层冰DOM 的FI值和HIX均最高，说明夏季表层冰DOM 中微生物来源的DOM 贡献更大，但腐殖化程度相对其他季节较高，相关研究证实紫外辐射会增加DOM 分子类腐殖质荧光组分的强度［36］；秋季表层冰和冬季粒雪样品DOM 的BIX均较高，说明其DOM 新鲜程度更高。

3 结论

本文通过对达古冰川不同季节雪冰样品中DOC 浓度、DOM 的紫外可见吸收光谱以及三维荧光光谱分析，得出达古冰川不同季节新雪样品DOC浓度介于0.11～ 0.38 mg·L-1之间，春夏秋冬的对应值分别为0.28 mg·L-1、0.11 mg·L-1、0.24 mg·L-1和0.38 mg·L-1，表现出显著的季节性差异；不同季节的粒雪/表层冰中DOC 浓度介于0.70～1.08 mg·L-1之间，春夏秋冬的对应值分别为0.70 mg·L-1、1.08 mg·L-1、0.71 mg·L-1和1.08 mg·L-1，季节性差异不显著；受冰川消融和冰川表面微生物活动的影响，各季节粒雪/表层冰中DOC 浓度均显著高于同季节新雪中DOC浓度。

不同季节新雪样品DOM 的紫外可见吸收光谱没有显著差异，其中夏季和秋季的表层冰样品在250～300 nm 处均有明显的吸收峰，此吸收峰是类菌胞素氨基酸类物质的典型吸收峰。夏季表层冰在250～300 nm 处的吸收峰值明显高于秋季表层冰样品，说明夏季冰川表面微生物活动异常活跃，对表层雪冰中DOM 的组成影响较大。夏季新雪和表层冰样品的SUVA254均高于其他季节雪冰样品，说明夏季表层冰样品中DOM芳香化程度也较高。

达古冰川雪冰样品DOM 以类蛋白类荧光组分（C1、C2 和C3）为主，其来源主要是微生物源，具有新鲜度高、腐殖化程度低的特点。三类蛋白组分C1、C2 和C3 的相对丰度在新雪和粒雪/表层冰样品DOM 中均表现出显著的季节差异，春季新雪和夏季表层冰样品DOM 的类腐殖质组分C4 的相对丰度显著高于其他季节。新雪样品DOM 的FI值没有季节性差异，而BIX和HIX值季节性差异显著，粒雪/表层冰样品DOM 的FI、BIX和HIX值均表现出显著的季节性差异。达古冰川春季新雪样品DOM来源较其他季节的新雪和粒雪/表层冰丰富，为陆源输入与内源产生两种方式混合，其他季节雪冰样品DOM 均源自内源性微生物。新雪样品DOM 的腐殖化程度为春夏季高于秋冬季；受夏季光化学过程和微生物活动的影响，夏季表层冰DOM 腐质化程度显著高于其他季节粒雪/表层冰，秋冬季粒雪/表层冰样品DOM 的新鲜程度显著高于春夏季粒雪/表层冰样品。以上研究结果表明，达古冰川表层雪冰中DOM 的来源和组成表现出显著的内源性和季节性差异。