陈旭东， 高良敏*， 庞振东， 陈晓晴， 王慧， 张金昕， 童荣荣

(1.安徽理工大学地球与环境学院， 淮南 232001； 2.淮南市环境保护监测站， 淮南 232001)

城市景观河流是城市生态系统的重要一环，其水质状况变化对其生态功能与景观价值有重要影响。溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是由成千上万种芳香族和脂肪族化合物组成复杂异质体(包括羧基、苯酚、醌基、醛、酯、酮、羟基和氨基等)，是水体中最活跃的组分之一[1-2]。DOM具有高反应性和强迁移性[3- 4]，广泛存在于土壤和水生环境中，为水环境中的微生物提供了必需的营养和能量，是生物地球化学循环中重要的一环[5- 6]。DOM的含量与构成在时空分布上有很大差异[7]，对水体生态环境状况具有很好的指示作用[8-9]。目前已有多种技术来表征DOM的环境行为，而光谱法由于其独特的优势，如简便、速度快、成本低和灵敏度高等，是研究DOM最有效的工具之一[10-12]。基于光谱学的水质监测、评价和管理是一种很有前景的策略[13-15]。

同步荧光光谱(synchronous fluorescence spectrum，SFS)常用来分析和表征样品间DOM含量与构成变化情况[16]。冗余分析(redundancy analysis，RDA)可以用于分析DOM构成对水环境变化的响应[14]。DOM的异质性使其光谱重叠度高，组分间难以识别和分离，二维相关光谱(two-dimensional correlation spectroscopy，2D-COS)通过外部施加扰动(如时间、浓度、温度、磁场、pH和空间等)所产生的一系列光谱，经过Herbert-NODA变换扩展到二维空间，提高了光谱分辨率并识别出不同组分发生变化的先后顺序[17-18]。同步荧光光谱结合二维相关分析(SFS-2D-COS)对研究水体中DOM的构成与变化有着极其广泛的应用[19]。同步荧光光谱结合主成分分析(principal component analysis，PCA)是一种快速有效的光谱分析方法，可以针对DOM光谱变化特点进行分类与解析并消除光谱噪声[20]。

基于此，以夏季阶梯式景观河流不同高程水体作为研究对象，采用SFS荧光强度区域积分校正因子法解析水体DOM的含量与构成变化。通过SFS-RDA、SFS-2D-COS和SFS-PCA等方法探究DOM含量与构成变化和水环境参数间的相互关系，对城市景观河流水质监测、水污染防治和生态修复具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

1.1.1 研究区概况

如图1所示，研究区内阶梯式景观河流位于安徽省淮南市田家庵区(117°00′30″E～117°01′30″E，32°33′05″N～32°33′35″N)。河流水体主要由周边雨水汇集而成，地势西高东低，呈现阶梯状，东西落差近22 m。百川河不同海拔区间设置多级堤坝维持水面高度，类似于多个湖泊串联相通，降水时表现出河流的特征，水体依靠重力自流由研究区东部流出。河流周围植被覆盖茂盛，绿化面积较高，流域内存在大量建筑与道路，无裸露土地。作为景观河流，部分区域水面覆盖着挺水和浮水植物。流经道路时，河流通过暗渠相连。

S1～S8为采样点

1.1.2 样品采集

样品采集时间为2021年7月，采样前一星期有短暂降水过程。使用有机玻璃采水器，每个点位采集3份水样，基础水质指标采用便携式仪器现场测定，水样于4 ℃下避光保存，3 d内完成所有指标测定。采样时估计采样区域水面覆盖率Cover，单位：%。

1.2 样品测定

1.2.1 水质参数测定

1.2.2 SFS测定

SFS测定过程中样品全程避光，待样品恢复至室温后开始测定。采用RF-5301PC(Shimadzu，日本)测定水样SFS，仪器参数为：150 W无臭氧氙气光源；激发与发射狭缝宽度均为5 nm；在激发波长Ex：220～490 nm范围扫描，波长间隔1 nm扫描速度为250 nm/min，恒定波长偏移为60 nm(选择60 nm 的值作为偏移量，以提供比其他偏移量更高的荧光强度和更好的分辨率)；每个样品扫描三次取平均光谱以消除测量误差，同时测定超纯水的SFS作为空白校正。

1.3 数据分析方法

1.3.1 综合营养状态指数

采用综合营养状态指数(trophic level index，TLI)来衡量研究区水体的营养状态，TLI以TN、TP、CODMn、SD和叶绿素a(Chla)作为5种因子，通过皮尔逊相关性加权计算TLI指数[9]。根据营养状态的分级标准，当TLI<30时，水体处于贫营养状态；当30≤TLI≤50，水体处于中营养状态；当TLI>50时，水体处于富营养状态[22-23]。

1.3.2 数据统计与绘图

统计学分析使用R(4.0.5)软件进行(不同统计学水平上的显著性差异以P<0.05、P<0.01、P<0.001表示)。单因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)及LSD事后检验使用R(4.0.5)中“agricolae”(1.3-5)包完成；使用“vegan”(2.5-7)包进行去趋势分析(detrended correspondence analysis，DCA)和RDA分析；以河流水面海拔高程变化为扰动变量，利用“corr2D”(1.0.2)包进行SFS-2D-COS分析[24]；“factoextra”(1.0.7)包和“FactoMineR”(2.4)包进行SFS-PCA分析。使用“ggplot2”(3.3.5)包、Origin2021b(学习版)、Adobe Illustrator2021和ArcMap10.2绘图。数据以均值(mean)±标准偏差(SD)表示。

2 结果与讨论

2.1 水体基本参数与水质指标

如表1所示，各采样点位水面海拔高度依次降低，海拔高度变化范围为56.11～41.21 m。夏季采样水体温度维持在较高水平[(29.19±0.36)℃]。水体中EC[(325.26±13.59)μS/cm]和TDS[(210.2±8.99)mg/L]均表现出随海拔降低过程逐步升高的趋势。除S6外，其他点位TUR均处于较低水平，S6水深仅有0.3 m，水体易受底层沉积物影响，S6拥有最高的TUR(13.6 NTU)和最低的SD(0.22 m)。S5和S8处Cover最高(>80%)，水面覆盖着大量的植物使水体受到的阳光辐射减少，水体藻类的活动受到影响，光合作用产生的DO减少，同时，水面覆盖也影响了水体大气复氧过程。

表1 采样点基本参数

如图2所示，河流水体各水质指标在S1～S8(每个点位采集3份水样，即样品数n=3)的分布均存在显著性差异(P<0.05，ANOVA，n=3)，S1处的TN[(0.62±0.02)mg/L]和TP[(0.35±0.03)mg/L]显著高于其他点位(P<0.001，LSD)。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，除S1外，其他点位水质符合地表水环境质量Ⅲ类标准，TP为S1首要污染指标，符合地表水环境质量Ⅴ类标准。如图2(b)所示，S1为河流源头，周边存在大量的草地、林地及未开发荒地(研究区北部为未开发荒地)，降水形成的面源输入过程将周围土壤中的磷带入水体，其TP与TDP含量显著高于其他点位(P<0.001，LSD)。S2～S8周边以道路和建筑区域为主，面源输入水平较弱，TP与TDP在流程内受到降水稀释、面源输入、和生物活动等复杂环境因素的影响下呈现出波动性分布。如图2(d)所示，TLI分布表明S1(52.45±0.46)和S6(50.41±2.26)处水体于轻度富营养化的状态，而其他点位处于中营养状态。S5与S8水体中Chla浓度分别为(3.72±0.22) μg/L和(4.78±0.30)μg/L，低于其他点位，S5和S8处的藻类活动受到抑制。

以*、**、***(P<0.05、P<0.01、P<0.001，ANOVA)表示显著性差异水平；柱高表示均值(mean)，误差棒表示标准偏差(SD)

2.2 SFS分析

如图3所示，根据水样DOM构成，将SFS划分为4个区域，分别为类酪氨酸区(TYRLF，220～250 nm)、类色氨酸区(TRPLF，250～300 nm)、微生物源类腐殖质区(MHLF，300～340 nm)和陆源类腐殖质区(HLF，340～490 nm)。其中，TYRLF接近DOM三维荧光光谱“B峰”区域，TRPLF则接近“T峰”区域，两者与水体生物活动所产生的DOM类蛋白物质密切相关，同时也有报道称其与人类生活尾水排放有密切关系[20]。MHLF接近于DOM海洋类腐殖质“M峰”区域，与水体中的微生物代谢活动关系紧密[25-26]。HLF穿过了“C峰”与“D”峰区域，归类为类富里酸和类胡敏酸区域，与陆地输入水体的DOM陆源类腐殖质有关，可以衡量水体DOM陆源输入强度[27-28]。

图3 采样点同步荧光光谱

SFS不同区域荧光强度积分面积，可以解释相应区域所代表的DOM组分含量及相对丰度信息。为了消除积分区域范围大小差异对结果产生的影响，提高SFS荧光强度区域积分半定量分析的准确性，参考Chen等[29]提出的三维荧光区域积分(fluorescence regional integration，FRI)区域校正倍增因子MFi。引入SFS积分校正因子SFi，每个区域的SFi等于积分区域总波长范围除以每个区域的波长范围。如表2所示，荧光区域积分面积Si乘以相应的SFi，得到校正后的荧光强度区域积分面积Sin。

表2 SFS积分校正因子

各点位水体SFS校正荧光强度区域积分结果如图4(a)所示，S1(24 970.92 a.u.)、S2(23 723.02 a.u.)、S5(23 823.66 a.u.)和S8(25 339.82 a.u.)总荧光

图4 SFS各组分荧光强度与丰度占比

强度积分高于S3(21 435.96 a.u.)、S4(22 041.05 a.u.)、S6(21 430.62 a.u.)和S7(21 226.04 a.u.)。S1周围存在大面积绿化用地及未开发荒地，降水时的陆地面源输入强度高于其它区域，水体中荧光DOM含量较高。S5和S8点位水面覆盖度高于80%，DOM光化学氧化受到抑制，光化学氧化是DOM降解的主要途径之一[9]。各区域水体DOM荧光组分丰度如图4(b)所示，研究区水体DOM主要由TYRLF(8%～15%)、TRPLF(29%～39%)和MHLF(34%～44%)构成，其占比总和达到80%以上，而代表陆地源输入的HLF占比较低(11%～18%)。HLF类物质主要来源于降水过程中陆地土壤面源输入水体，而研究区内主要土地利用类型为建筑、道路和绿化用地等。水体中来源于陆地输入的HLF类DOM物质含量远低于水体生物活动所产生的DOM。TYRLF组分呈现出逐渐降低的趋势，TYRLF所代表的低相对分子质量、弱疏水性和不饱和度的DOM组分，更易被水体中微生物利用，在河流整个流程中逐渐降低。李崇蔚等[30]利用SFS研究了内蒙古乌梁素海水体中DOM组分，MHLF为其研究区内DOM的主要组分。MHLF主要由水体中微生物活动产生，研究区内水体系统中生长着大量水生植物，水底存在着大量的植物残体，微生物分解活动剧烈，MHLF为DOM主要组分。TRPLF多由水体藻类活动产生，S8处河道狭窄，且植被茂密，水中生长了大片挺水植物，藻类活动受到抑制，TRPLF含量29%低于其他点位。S5处虽然水体覆盖度达到85%，但此处水面宽阔，且其上游点位与下游点位水面覆盖都处于低水平，研究区水体处于不断更替中，外部环境影响对其有显著影响。

2.3 SFS-RDA分析

图5 RDA分析

2.4 SFS-2D-COS分析

阶梯式景观河流水体SFS-2D-COS分析结果如图6所示，在图6(a)中存在4个自动峰位，分别位于230/230、280/280、320/320、360/360 nm处，分别对应着TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4个区域的SFS峰位。根据自动峰的峰强可以判断出4个DOM组分在河流水体中的变化情况，其变化强弱为：HLF(27.20)>MHLF(22.78)>TYRLF(8.87)>TRPLF(5.94)。DOM中的HLF和MHLF组分在河流流程中的变化幅度大于TYRLF和TRPLF组分，DOM中的类腐殖质组分相对于类蛋白质组分具有更大的变化幅度，更易受到周边环境的影响。图6(a)中交叉峰符号可以体现出峰位间的变化方向，4个峰位的交叉峰分别位于230/280(+)、230/320(-)、230/360(-)、280/320(-)、280/360(-)和320/360 nm(+)。根据SFS-2D-COS同步图交叉峰的符号，TYRLF和TRPLF组分变化方向与MHLF和HLF组分变化方向相反。

图6 SFS-2D-COS分析

SFS-2D-COS同步图[图6(a)]与异步图[图6(b)]对应峰位符号结合NODA规则[当同步图6中(X1、X2)和异步图中(X1，X2)符号正负相同时，X1波长处的光谱强度变化先于X2波长处发生，否则相反；同步图中(X1，X2)≠0而异步图中(X1，X2)=0时，X1和X2的光谱强度变化完全同步，当同步图(X1，X2)=0，二者变化顺序无法断定]可以判断水体流动过程中DOM荧光组分变化先后顺序[31-32]。同步图与异步图对应峰位的SFS-2D-COS符号如表3所示，根据NODA规则，河流水体中DOM各组分的变化先后顺序为：230 nm(TYRLF)>280 nm(TRPLF)>360 nm(HLF)>320 nm(MHLF)。在河流水体中类蛋白组分先于类腐殖质发生变化，类蛋白组分更易参与水体中的生物活动，从而发生变化，而微生物活动所产生的类腐殖质(MHLF)则拥有最高的稳定性。Ishii等[33]研究表明，接近“M峰”位置的微生物源类腐殖质(MHLF)比靠近“C峰”位置的陆源类腐殖质(HLF)更耐光化学氧化分解。

表3 NODA规则

2.5 SFS-PCA

对水样SFS进行PCA分析，KMO值为0.81，Bartlett检验P<0.001，水体DOM的SFS数据适合进行PCA分析[20, 34]。PCA的两个主成分共解释了SFS数据集99.8%方差变化，其中，PC1解释了96.9%方差变化，PC2解释了2.9%方差变化。根据图7(a)中的PC1和PC2波长得分分布情况，PC1正载荷方向代表了DOM的TRPLF和MHLF组分，负载荷方向代表了TYRLF和HLF组分。PC2正载荷方向为DOM类蛋白组分(TYRLF和TRPLF)，负载荷方向为DOM类腐殖质组分(MHLF和HLF)。

图7(b)中展示了不同点位的分布情况，所有采样点位均位于PC1的正载荷方向，表明水体中的DOM以TRPLF和MHLF组分为主要成分。S3和S4位于PC2的正载荷方向，表明其DOM组分以类蛋白为主，而S8位于PC2的负载荷方向，其DOM以类腐殖质组分为主。SFS-PCA所得到的组分分布与SFS区域积分结果类似，可以作为水体DOM组分构成快速分类的依据。

图7 SFS-PCA分析

3 结论

(1)根据DOM的荧光特性将SFS划分为TYRLF、TRPLF、MHLF和HLF 4个区域。采用SFS荧光强度积分校正因子对区域积分面积进行校正，提高了SFS半定量分析准确性。

(2)夏季阶梯式景观河流水体中DOM以类蛋白组分(TYRLF和TRPLF)和微生物源类腐殖质(MHLF)为主(>80%)，陆源类腐殖质(HLF)占比较低(<20%)。SFS-2D-COS揭示了随着水体的运移，DOM中的类蛋白组分(TYRLF和TRPLF)与类腐殖质组分(MHLF和HLF)变化趋势相反，且变化先后顺序为：TYRLF>TRPLF>HLF >MHLF。

(3)RDA分析表明水体中DOM的构成受到了水面覆盖与陆地面源输入的双重影响。

(4)同步荧光光谱主成分分析(SFS-PCA)可以根据荧光峰值的分布对水样进行分类，识别出不同水体DOM构成差异。