賈世琪 楊 芳 王希歡 柏楊巍 馬文娟 李秋華 廖海清# 陳少華

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550001；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，湖庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)含量總體較高，富營(yíng)養(yǎng)化程度和范圍呈不斷擴(kuò)大趨勢(shì)[1]。水體中溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)在湖庫(kù)水體的物質(zhì)循環(huán)中起到重要作用[2]。水環(huán)境中DOM的來(lái)源可以分為外源和內(nèi)源，外源主要來(lái)自人為活動(dòng)和自然代謝[3-4]，內(nèi)源包括沉積物釋放、水生和浮游動(dòng)植物的生長(zhǎng)釋放及消亡降解[5]。浮游植物是湖泊有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源，其可以通過(guò)光合作用合成DOM，同時(shí)浮游植物參與DOM在水體中遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程[6-7]。浮游植物在生長(zhǎng)與細(xì)胞死亡時(shí)都會(huì)不停向水體中釋放各種代謝物質(zhì)，如氨基酸、脂類、維生素、酶、有機(jī)磷、毒素及抑制/促進(jìn)因子，其中細(xì)胞死亡時(shí)還會(huì)釋放高分子量的DOM[8-10]。浮游植物中至少有5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～10%物質(zhì)以DOM形式釋放到水體中，甚至有的浮游植物DOM釋放量可達(dá)10%～25%[11]。DOM與浮游植物等影響因素的變化特征已成為湖泊內(nèi)源精準(zhǔn)治理的重要理論依據(jù)和研究熱點(diǎn)。

白洋淀是華北平原最大的天然淡水湖泊，淀內(nèi)有大小淀泊143個(gè)，具有灌溉蓄水、調(diào)洪滯瀝、補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)局部小氣候、提供生物棲息地等多種生態(tài)功能，有“華北明珠”之稱。近年來(lái)，白洋淀水環(huán)境發(fā)生了重大變化，水位下降，上游河流污染物負(fù)荷排入淀內(nèi)[12]，且生態(tài)系統(tǒng)脆弱，自凈能力逐漸降低，導(dǎo)致湖水水質(zhì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，富營(yíng)養(yǎng)化程度依然嚴(yán)重。近年來(lái)，已在白洋淀水生態(tài)環(huán)境方面開(kāi)展了大量研究工作，闡明了白洋淀湖泊水質(zhì)指數(shù)與周圍植物生態(tài)系統(tǒng)特征[13]，評(píng)估了白洋淀濕地生態(tài)系統(tǒng)沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[14]，研究了浮游植物群落結(jié)構(gòu)的特征[15-16]。洪志強(qiáng)等[17]探究了白洋淀水生植物腐解產(chǎn)物中DOM的組分特點(diǎn)；袁冬海等[18]研究了白洋淀沉水植物腐解DOM與重金屬的相互作用。目前，鮮見(jiàn)有白洋淀水體DOM與浮游植物關(guān)系研究。

該研究以白洋淀水體中的DOM和浮游植物為對(duì)象，擬通過(guò)開(kāi)展秋季水體DOM三維熒光光譜和浮游植物豐度空間分布研究，應(yīng)用平行因子法解析秋季DOM的主要組分特征，對(duì)比秋初和秋末浮游植物豐度和DOM熒光強(qiáng)度，探究水體中浮游植物的空間分布與DOM組分之間的關(guān)系，初步估算浮游植物消亡對(duì)DOM內(nèi)源貢獻(xiàn)，以期為白洋淀污染治理與生態(tài)環(huán)境修復(fù)政策制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 采樣點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀位于河北省保定市、滄州市交界(38°45′N～39°2′N,115°38′E～116°6′E)，總面積為366 km2，地處海河流域大清河水系的九河下梢，由從南、西、北三面流來(lái)的潴龍河、唐河、府河等8條河流匯集而成，是華北平原最大的淺水湖泊群[19]。淀區(qū)之間通過(guò)溝渠相互連接，淀區(qū)內(nèi)大約分布著39個(gè)村莊[20]。本研究結(jié)合相關(guān)資料以及白洋淀水體環(huán)境特征，選取白洋淀11個(gè)代表性采樣點(diǎn)(包含生活區(qū)、蘆葦區(qū)、荷花區(qū)、水草區(qū)及燒車淀、光淀張莊、圈頭、采蒲臺(tái)、南劉莊5個(gè)國(guó)控點(diǎn)位)，于2019年秋初(9月)和秋末(11月)采集表層水體，研究區(qū)域及采樣點(diǎn)信息見(jiàn)圖1和表1。

圖1 白洋淀采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baiyangdian Lake

表1 白洋淀采樣點(diǎn)信息

1.2 樣品采集與檢測(cè)

采集白洋淀表層水(水面以下0.5 m)，水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后進(jìn)行分析。采用熒光分光光度計(jì)(F-7000)進(jìn)行三維熒光光譜檢測(cè)。激發(fā)光源為150 W氙弧燈，光電倍增管(PMT)電壓為700 V，激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)為200～450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(Em)為260～550 nm，狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為2 400 nm/min。用超純水作為空白，每隔5個(gè)樣品用超純水的拉曼光譜強(qiáng)度監(jiān)控儀器穩(wěn)定性，同時(shí)利用0.01 mg/L硫酸奎寧進(jìn)行熒光定標(biāo)[21]。

為檢測(cè)浮游植物(本研究主要關(guān)注藻類)豐度，取1 L表層水，現(xiàn)場(chǎng)加入15 mL魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀24～48 h后，用虹吸法吸取上清液，濃縮至30 mL，浮游植物豐度通過(guò)鏡檢計(jì)數(shù)獲得[22]。

1.3 分析方法

采樣平行因子法對(duì)水樣三維熒光光譜進(jìn)行分析，利用折半分析來(lái)驗(yàn)證結(jié)果可靠性，三維熒光光譜的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三維熒光光譜相關(guān)參數(shù)特征1)

FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355等熒光光譜參數(shù)常用來(lái)研究和表征水體中DOM來(lái)源。FI<1.2時(shí)，DOM以陸源輸入為主；FI>1.8時(shí)，DOM以自生源為主；1.2≤FI≤1.8時(shí)，DOM受陸源與自生源共同影響[27]。HIX<4時(shí)，DOM主要由內(nèi)源物質(zhì)產(chǎn)生；HIX介于4～6表示DOM具有較弱的腐殖化特征和較強(qiáng)自生源特征；HIX介于6～10表示DOM具有較強(qiáng)腐殖化特征及較弱的自生源特征；HIX>16時(shí)，DOM具有強(qiáng)腐殖化特征，陸源物質(zhì)是其主要輸入源[28]。0.61.0 時(shí)，DOM以生物或者細(xì)菌等內(nèi)源為主[29]。參考文獻(xiàn)[30]計(jì)算優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)≥0.02為優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)>0.1為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。

2 結(jié)果與討論

2.1 白洋淀水環(huán)境特征

根據(jù)之前相關(guān)研究，對(duì)白洋淀2018年1月至2019年8月高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量情況進(jìn)行分析。白洋淀2018年高錳酸鹽指數(shù)較高，5個(gè)國(guó)控點(diǎn)位平均值為8.49 mg/L，符合Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)評(píng)價(jià)，下同)，其中2018年6—8月高錳酸鹽指數(shù)均較高，2018年8月達(dá)到峰值，且采蒲臺(tái)和圈頭均超過(guò)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；2019年高錳酸鹽指數(shù)較2018年降低2.25 mg/L，5個(gè)國(guó)控點(diǎn)位平均值為6.24 mg/L，接近Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；2019年6—8月，高錳酸鹽指數(shù)逐漸遞增。白洋淀化學(xué)需氧量5個(gè)國(guó)控點(diǎn)位2019年平均值為25.56 mg/L，較2018年降低3.25 mg/L；2018年6—8月化學(xué)需氧量達(dá)到全年高值，峰值出現(xiàn)在8月(平均值33.80 mg/L)；2019年6—8月，化學(xué)需氧量不斷上升，并在8月達(dá)到峰值(平均值35.60 mg/L)。

2.2 DOM組分解析

對(duì)白洋淀淀區(qū)22個(gè)水樣的三維熒光光譜矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參考文獻(xiàn)[31]至[35]，共識(shí)別出3個(gè)有效熒光組分(記為C1～C3，見(jiàn)圖2)。組分C1的熒光峰與色氨酸單體的熒光T峰(峰值出現(xiàn)于Ex為220～240、260～280 nm，Em為320～350 nm)一致，反映的是來(lái)源于藻類、微生物降解的類色氨酸；組分C2主要體現(xiàn)了類富里酸，熒光峰對(duì)應(yīng)紫外區(qū)類富里酸A峰(峰值出現(xiàn)于Ex為235～270 nm，Em為375～445 nm)，富里酸一般來(lái)自陸源，也可能來(lái)源于降解過(guò)程中細(xì)菌呼吸作用的副產(chǎn)物。組分C3為類酪氨酸，其熒光峰對(duì)應(yīng)類蛋白熒光B峰(Ex為210～230、260～280 nm，Em為280～315 nm)，類酪氨酸為典型的DOM的類蛋白信號(hào)。這3個(gè)組分的熒光峰位置與其他文獻(xiàn)的報(bào)道結(jié)果基本一致(見(jiàn)表3)。

表3 3種DOM組分的熒光峰位置對(duì)比

圖2 白洋淀水體DOM中3個(gè)熒光組分的Ex/Em分布Fig.2 Ex/Em of three different fluorescent components in DOM of Baiyangdian Lake

研究發(fā)現(xiàn)白洋淀水體DOM中類色氨酸組分所占比例較高，為主要來(lái)源，類富里酸組分的熒光強(qiáng)度占總熒光強(qiáng)度的比例相對(duì)較低。類色氨酸組分占比高說(shuō)明白洋淀水體DOM來(lái)源可能是微生物作用下的外源和內(nèi)源，其中藻類等浮游植物生長(zhǎng)繁殖的區(qū)域會(huì)造成類色氨酸增多。

2.3 浮游植物分布特征

研究區(qū)域共鑒定出7門93種浮游植物，其中秋初鑒定出7門83種，秋末鑒定出7門93種。綠藻門(Chlorophyta)種類達(dá)48種，占總種類數(shù)的51.61%；其次為藍(lán)藻門(Cyanophyta)20種，占21.51%；硅藻門(Bacillariophyta)14種，占15.05%；裸藻門(Englenophyta)5種，占5.38%；甲藻門(Dinophyta)2種，占2.15%；金藻門(Chrysophyta)3種，占3.23%；隱藻門(Cryptophyta)1種，占1.08%。浮游植物以綠藻門、藍(lán)藻門和硅藻門為主。如表4所示，鑒定出白洋淀秋初和秋末浮游植物優(yōu)勢(shì)種共4門13種。優(yōu)勢(shì)種的種類和優(yōu)勢(shì)度在不同時(shí)段均有差異，但藍(lán)藻門優(yōu)勢(shì)種在秋初和秋末均占主導(dǎo)，秋末硅藻門優(yōu)勢(shì)種高于秋初。假魚(yú)腥藻為秋季主要的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，且其在秋末優(yōu)勢(shì)度(0.505)最高，豐度(1.13×108個(gè)/L)最大。白洋淀未檢測(cè)到指示水質(zhì)清潔的黃藻門(Xanthophyceae)，可能與上游工業(yè)廢水和村鎮(zhèn)生活污水排入有關(guān)[40]。

表4 浮游植物優(yōu)勢(shì)種豐度及優(yōu)勢(shì)度

由圖3可以看出，秋初浮游植物總豐度為2.29×106～1.27×108個(gè)/L，平均為4.57×107個(gè)/L，圈頭、采蒲臺(tái)、蘆葦區(qū)浮游植物豐度較高，且采蒲臺(tái)和蘆葦區(qū)藍(lán)藻門的豐度占比均95%以上，南劉莊浮游植物豐度最低。秋末浮游植物總豐度為2.04×105～4.25×107個(gè)/L，平均為1.02×107個(gè)/L，采樣點(diǎn)之間浮游植物豐度差別較大，圈頭浮游植物豐度明顯高于其余采樣點(diǎn)，且藍(lán)藻門占比較大，南劉莊浮游植物豐度最低。白洋淀秋初浮游植物總豐度約為秋末的4.48倍，由于秋末大部分浮游植物已衰亡，因此浮游植物豐度呈下降趨勢(shì)，同時(shí)，種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，藍(lán)藻門占比減小，硅藻門占比增大。

圖3 白洋淀浮游植物空間分布Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton in Baiyangdian Lake

從整體上看，采蒲臺(tái)、蘆葦區(qū)和圈頭的浮游植物豐度較高，荷花區(qū)、水草區(qū)、燒車淀、光淀張莊等采樣點(diǎn)的浮游植物豐度較低，南劉莊最低。采蒲臺(tái)和蘆葦區(qū)曾為水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，水體流動(dòng)性相對(duì)較差，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)長(zhǎng)期累積，為浮游植物生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源；圈頭周邊養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展較好，為浮游植物生長(zhǎng)提供了持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。南劉莊為入淀河流匯口，承納上游河流生活污水和工業(yè)廢水，盡管營(yíng)養(yǎng)鹽充足，但氨氮含量高，一定程度抑制了浮游植物的生長(zhǎng)。

2.4 DOM來(lái)源及途徑分析

為進(jìn)一步明確白洋淀水體DOM的來(lái)源，對(duì)FI、BIX、HIX、Fn280、Fn355進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 白洋淀水體DOM的FI、BIX、HIX、Fn280與Fn355分布Fig.4 The distribution of FI,BIX,HIX,Fn280 and Fn355 of DOM in Baiyangdian Lake

白洋淀秋初FI平均為1.90，秋末平均為1.87，表明淀區(qū)沉水植物和浮游植物在生長(zhǎng)繁殖以及消亡腐爛過(guò)程中，造成類色氨酸增多，生物自生源影響高于陸源輸入影響[41]。秋初BIX平均為0.96，秋末平均為0.89，表明白洋淀有較強(qiáng)的自生源特征，DOM受水體浮游植物、沉積物、微生物作用影響明顯。秋初HIX平均為1.95，秋末平均為1.88，表明水體DOM腐殖化程度較弱，不易被微生物降解。由此可見(jiàn)，以上3個(gè)參數(shù)均表明白洋淀DOM以內(nèi)源為主。

秋初Fn280為60.36～757.40，秋末為63.42～304.4；秋初Fn355為40.45～112.90，秋末為48.93～88.62。從整體上看Fn280高于Fn355，但變化趨勢(shì)大致相似，表明白洋淀水體DOM的自生源特征強(qiáng)，腐殖質(zhì)含量低，類蛋白含量高，與FI、BIX和HIX結(jié)果基本一致。

2.5 浮游植物對(duì)DOM熒光組分的影響

解析出的各個(gè)熒光組分根據(jù)其最大熒光強(qiáng)度計(jì)算兩次采樣中每個(gè)采樣點(diǎn)的各個(gè)熒光組分熒光強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖5。不同采樣時(shí)段，各熒光組分的熒光強(qiáng)度和貢獻(xiàn)率均不同。從整體上看，秋季類色氨酸貢獻(xiàn)率最大，為46.77%，類酪氨酸貢獻(xiàn)率為28.38%，類富里酸貢獻(xiàn)率為24.84%。從不同采樣點(diǎn)的熒光組分分布來(lái)看，秋初類色氨酸貢獻(xiàn)率為40.99%～54.65%，類富里酸為9.25%～43.66%，類酪氨酸為14.62%～39.52%；秋末類色氨酸貢獻(xiàn)率為37.78%～46.77%，類富里酸為18.89%～49.08%，類酪氨酸為11.86%～34.34%。

圖5 熒光組分的熒光強(qiáng)度分布Fig.5 Fluorescence intensity distribution of fluorescent components

熒光強(qiáng)度的區(qū)域分布能夠指示DOM濃度的空間分布，秋初從熒光強(qiáng)度的空間變化趨勢(shì)來(lái)看，采蒲臺(tái)、蘆葦區(qū)和圈頭類色氨酸貢獻(xiàn)率為49.00%～54.65%(其中，采蒲臺(tái)和蘆葦區(qū)熒光強(qiáng)度較大)，說(shuō)明DOM貢獻(xiàn)主要來(lái)自于浮游植物生長(zhǎng)代謝，這與前文中浮游植物豐度分析一致。秋末不同采樣點(diǎn)各個(gè)熒光組分熒光強(qiáng)度差異明顯，圈頭浮游植物豐度較高，熒光強(qiáng)度較大且類色氨酸貢獻(xiàn)率較大，秋末藻類開(kāi)始消亡，浮游植物在消亡后會(huì)產(chǎn)生類色氨酸[42]。南劉莊入河淀口類色氨酸貢獻(xiàn)率較小，類富里酸貢獻(xiàn)率較大，表明入淀河口外源影響較大。

白洋淀秋初浮游植物豐度高，且白洋淀優(yōu)勢(shì)種基本源于藍(lán)藻門，與其他水生植物相比，藍(lán)藻門更易分解有機(jī)質(zhì)[43]，對(duì)水體中DOM有重要貢獻(xiàn)。根據(jù)DOM熒光組分貢獻(xiàn)率分析，白洋淀類色氨酸貢獻(xiàn)率較大，浮游植物為類色氨酸影響因素，與冬季冰封期白洋淀水體DOM特征研究結(jié)果相符[44]。隨著氣溫下降，秋末浮游植物豐度較秋初下降約80%，類色氨酸熒光強(qiáng)度下降約40%，浮游植物豐度與類色氨酸強(qiáng)度關(guān)系密切，白洋淀秋季浮游植物可能是DOM中類色氨酸的重要影響因素。

3 結(jié) 論

(1) 白洋淀水體DOM以自生內(nèi)源為主。秋初類色氨酸貢獻(xiàn)率為40.99%～54.65%，采蒲臺(tái)和蘆葦區(qū)熒光強(qiáng)度較大；秋末類色氨酸貢獻(xiàn)率為37.78%～46.77%，圈頭熒光強(qiáng)度較大。

(2) 2019年秋季，白洋淀共鑒定出7門93種浮游植物，以藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門為主。圈頭、采蒲臺(tái)、蘆葦區(qū)浮游植物豐度較高，南劉莊浮游植物豐度最低。

(3) 從秋初到秋末，浮游植物豐度降低，DOM中類色氨酸下降趨勢(shì)明顯，浮游植物可能是DOM中類色氨酸的主要影響因素。