劉東萍，高紅杰*，崔兵，于會彬，楊芳

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水污染綜合治理中心 2.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院

溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter，DOM)是由多種有機物質(zhì)組成的異質(zhì)碳氫混合物，主要包括含氧、氮和硫的氨基酸，多糖和腐殖質(zhì)等[1-2]。DOM廣泛存在于自然環(huán)境和人工環(huán)境中，主要來源于物理、化學(xué)和微生物過程中動植物殘體、藻類排泄物及人類活動排放物等的降解，是紫外光降解、細菌繁殖與生物地球化學(xué)反應(yīng)的有機組成部分[3-5]。DOM不僅影響營養(yǎng)物質(zhì)的保持和釋放、生物可利用性、金屬離子和有機化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，還被用于表征水質(zhì)特征[6]。目前國內(nèi)外應(yīng)用熒光光譜技術(shù)對DOM的研究已趨于成熟，識別DOM特征的關(guān)鍵因子，揭示熒光組分的空間分異規(guī)律，能夠為治理水體污染提供更為具體的措施及建議。

三維熒光光譜(three-dimensional excitation emission matrix spectroscopy，EEMs)檢測是一種操作簡單、測樣快速、靈敏度高、成本低的技術(shù)，它能夠打破傳統(tǒng)二維熒光光譜的局限，將激發(fā)、發(fā)射光譜和熒光強度有效地在一張三維等高線光譜圖中全面表達，被廣泛用于定量分析底泥中的DOM組成結(jié)構(gòu)，揭示DOM在河流、湖泊、地下水及海洋等環(huán)境中的動力學(xué)特征[7-9]。由于DOM自身的復(fù)雜性和多樣性，光譜掃描中易發(fā)生熒光重疊和干擾[10]。近年來，平行因子(parallel factor，PARAFAC)被廣泛應(yīng)用于DOM熒光特性的分析，該方法不僅能識別與分離EEMs中重疊及受到干擾的熒光峰，還可以半定量表征DOM各熒光組分特征[11]。EEMs結(jié)合PARAFAC分析，可以表征底泥中DOM的組成結(jié)構(gòu)特征，辨識其污染源；通過PARAFAC組分的分析，能夠較為準確地判斷底泥的污染特征。但目前利用分類回歸樹(classification and regression tree，CART)模型分析PARAFAC組分的研究較少。

筆者應(yīng)用EEMs對沈陽市白塔堡河底泥DOM進行分析，結(jié)合PARAFAC、層次聚類分析(hierarchical clustering analysis，HCA)與CART模型，分析白塔堡河底泥DOM的組成結(jié)構(gòu)特征，揭示底泥DOM熒光組分的空間分異規(guī)律，識別底泥DOM特征的關(guān)鍵因子，判別白塔堡河底泥的污染狀態(tài)，以期明確白塔堡河底泥DOM的污染源及污染狀態(tài)，為河流治理措施的制定提供參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白塔堡河位于渾河中游左側(cè)，是渾河的一級支流，其發(fā)源于沈陽市渾南區(qū)李相鎮(zhèn)老塘峪村，由東向西流經(jīng)李相、深井子、南塔、渾南新區(qū)、白塔、渾河民族開發(fā)區(qū)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街區(qū))，于曹仲屯匯入渾河[12-13]。流域面積為178 km2，河流總長為48.5 km，河道平均比降為1.65‰。白塔堡河處于溫帶半濕潤和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)，冬季嚴寒、干燥，夏季炎熱、多雨。白塔堡河為季節(jié)性河流，自然流量很小[13]。近年來，由于生活污水、工業(yè)廢水、污水處理廠排水、養(yǎng)殖場排水和農(nóng)業(yè)面源污染入河的影響，白塔堡河及其周邊環(huán)境受到污染，河流生態(tài)環(huán)境問題突出[14-15]。

1.2 樣品采集

根據(jù)人類活動對白塔堡河影響程度的不同，在白塔堡河設(shè)置12個采樣點(圖1)。其中，1#～5#采樣點位于白塔堡河上游的農(nóng)村段，該河段河水的補給來源以農(nóng)村生活污水、農(nóng)田退水和養(yǎng)殖廢水為主，補給水量??；6#～9#采樣點位于中游的城鎮(zhèn)段，該河段河水的補給來源主要是生活污水與工業(yè)園集中排水，補給水量大，其中8#采樣點附近有工業(yè)園區(qū)；10#～12#采樣點位于下游的城市段，該河段河水的補給來源以生活污水和工業(yè)廢水為主，補給水量較大，采樣之前河道內(nèi)已疏浚了部分底泥[12]。

圖1 白塔堡河采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Baitapu River

采集12個采樣點的表層底泥樣品，經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過100目篩。稱取20 g底泥樣品與100 mL超純水(Milli-Q，電阻率為18.2 MΩ·cm)混合，置于25 ℃恒溫搖床上以200 rmin的速度避光連續(xù)提取24 h，靜置30 min，用離心機以9 000 rmin離心10 min，取上清液過0.45 μm醋酸纖維膜，得到底泥的DOM溶液。

1.3 EEMs檢測與PARAFAC分析

采用熒光分光光度計(F-7000型)完成EEMs的測定，并運用FL Solutions 2.1軟件進行數(shù)據(jù)處理。以Milli-Q超純水作為空白，將DOM溶液放入1 cm石英比色皿中。激發(fā)光源為150 W氙弧燈，光電倍增電壓為700 V，激發(fā)波長(Ex)掃描范圍為200～450 nm，發(fā)射波長(Em)掃描范圍為260～550 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為5 nm，響應(yīng)時間為0.5 s，掃描速度為2 400 nmmin，掃描間隔為10 nm[9]。分光光度計根據(jù)儀器的拉曼信號進行自動校準，并以奎寧硫酸鹽單位標準化[16]。

利用MATLAB 2017b軟件中的DOMFlour工具箱對光譜數(shù)據(jù)進行拉曼和瑞麗散射的去除，再對數(shù)據(jù)進行PARAFAC建模，模型通過半劈開驗證和殘差驗證提取最佳熒光組分數(shù)，所得最大熒光強度(Fmax)代表各組分的相對濃度或強度[7]。

1.4 數(shù)理統(tǒng)計分析

HCA依據(jù)樣本之間的相似性進行分類，是一種多變量統(tǒng)計技術(shù)。對熒光組分聚類，探究不同熒光組分間的聯(lián)系；對采樣點聚類，揭示白塔堡河表層底泥的空間相似性與差異性。CART模型是一種基于統(tǒng)計理論的非參數(shù)方法，常通過識別特征變量來揭示定性特征。CART可以辨識最佳分組變量，并利用該變量對數(shù)據(jù)進行分組，輸出分類錯誤最小的子樹作為最優(yōu)分類模型[9]。在SPSS 22軟件中采用中位數(shù)算法對熒光組分進行聚類，采用質(zhì)心算法對采樣點進行聚類，運用CRT算法生成CART模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 EEMs特征

在EEMs圖譜中出現(xiàn)了8個不同強度的熒光峰(圖2)：B峰為類酪氨酸熒光峰(ExEm=225～235 nm290～310 nm)，與DOM中的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)有關(guān)[17-18]；T1峰和T2峰為類色氨酸熒光峰(ExEm=225～235、265～285 nm330～370 nm)，與微生物降解產(chǎn)生的芳香性蛋白類結(jié)構(gòu)有關(guān)[9]；M峰為類腐殖質(zhì)熒光峰(ExEm=290～310 nm370～410 nm)，與微生物代謝產(chǎn)物有關(guān)，反映底泥中微生物活性強度[18]；A峰和C峰為類富里酸熒光峰(ExEm=240～260、335～365 nm380～420 nm)，反映陸源輸入的富里酸和腐殖酸[19-20]；H峰為紫外區(qū)胡敏酸熒光峰(ExEm=260～300 nm475～510 nm)，F(xiàn)峰為可見區(qū)胡敏酸熒光峰(ExEm=350～380 nm475～510 nm)，一般用于表征陸源性有機物質(zhì)[21]。從不同河段來看，農(nóng)村段熒光強度較大的是B峰和T峰；城鎮(zhèn)段與城市段熒光強度較大的是A峰，此外，城鎮(zhèn)段B峰和T峰的熒光強度明顯高于城市段。

熒光指數(shù)(FI)常用于指示DOM的來源，其定義是Ex為370 nm時，Em在450和500 nm處熒光強度的比值[22]。當(dāng)FI<1.4時，表示DOM主要來源于經(jīng)徑流進入水體的陸源有機質(zhì)；FI>1.9時，表示DOM主要來源于微生物分解產(chǎn)生的內(nèi)源性代謝物[23]。各采樣點FI為1.55～1.91，均值為1.65±0.09〔圖(3a)〕，表明底泥DOM受陸源和內(nèi)源物質(zhì)共同影響。其中FI的最大值出現(xiàn)在農(nóng)村段4#采樣點，為1.91，說明其底泥DOM以微生物內(nèi)源性代謝產(chǎn)物為主；FI的最小值出現(xiàn)在城市段10#采樣點，為1.55，表明其底泥DOM陸源的占比較大。

自生源指數(shù)(BIX)是指Ex為310 nm時，Em在380和430 nm處熒光強度的比值，常用于表示自生源特征和生物可利用性，反映出水體自生源的相對貢獻[24]。當(dāng)BIX<0.8時，表示DOM自生源貢獻較少；BIX>0.8時，表明自生源貢獻較多[24]。各采樣點BIX為0.71～0.97，均值為0.83±0.08〔圖3(b)〕，表明底泥DOM受陸源和內(nèi)源物質(zhì)的雙重影響。其中，農(nóng)村段BIX均值為0.89±0.07，城鎮(zhèn)段為0.78±0.05，城市段為0.79±0.08，表明農(nóng)村段底泥DOM自生源貢獻較多，城鎮(zhèn)段和城市段自生源貢獻較少。

圖2 不同采樣點底泥DOM的三維熒光光譜Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM in the sediments at different sampling sites

腐殖化指數(shù)(HIX)是指Ex為255 nm時，Em在435～480 nm與300～345 nm處熒光強度的平均值之比，常用于表示DOM的腐殖化程度，HIX的數(shù)值越大表示腐殖化程度越高，DOM越穩(wěn)定[25]。各采樣點HIX為0.93～4.15，均值為2.48±1.17，表明底泥DOM的腐殖化程度較低。另外，農(nóng)村段HIX均值為1.22±0.36，城鎮(zhèn)段為3.30±0.34，城市段為3.48±0.58，表明城鎮(zhèn)段與城市段底泥DOM的腐殖化程度明顯高于農(nóng)村段，這與FI、BIX指示的農(nóng)村段以內(nèi)源為主，而城鎮(zhèn)段和城市段受陸源與內(nèi)源物質(zhì)的綜合影響的結(jié)果相一致。

圖3 各采樣點熒光指數(shù)分布Fig.3 Distribution of fluorescence index of each sampling site

圖4 PARAFAC技術(shù)提取出各采樣點DOM的6個熒光組分Fig.4 Six fluorescence components extracted by PARAFAC of DOM at each sampling site

2.2 PARAFAC分析

應(yīng)用PARAFAC方法提取了6個熒光組分(C1～C6)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，C1(260、355 nm430 nm)包含2個熒光峰，分別為紫外區(qū)類富里酸和可見區(qū)類富里酸，對應(yīng)于圖2中的A峰和C峰，二者都可能與DOM中的羰基(—CO—)、羥基(—OH)有關(guān)，常用于指示陸源輸入[26-27]。C2(240、320 nm405 nm)指示微生物代謝產(chǎn)物，可用于表征底泥中微生物的活動強度[12]。C3(370、280 nm490 nm)包含2個熒光峰，分別為紫外區(qū)類胡敏酸和可見區(qū)類胡敏酸，對應(yīng)于圖2中的H峰和F峰，常用于指示陸源輸入[28]。C4(270 nm375 nm)指示類色氨酸熒光，對應(yīng)于圖2中的T峰，與羧基(—COOH)官能團有關(guān)，是一種由微生物代謝產(chǎn)生的內(nèi)源類蛋白物質(zhì)[29]。C5(215 nm305 nm)為類酪氨酸熒光，對應(yīng)于圖2中的B峰，主要為微生物和浮游植物產(chǎn)生的內(nèi)源類蛋白物質(zhì)，但也受生活污水和農(nóng)田退水的影響[30]。C6(230 nm425 nm)指示酚類物質(zhì)，由煤氣、焦化、石油、化工、油漆、制劑制藥等行業(yè)大量排放含酚廢水產(chǎn)生，與白塔堡河沿程城鎮(zhèn)段和城市段工業(yè)廢水的排放有關(guān)[31-33]。

圖5 各熒光組分最大熒光強度與占比Fig.5 Maximum fluorescence intensity and proportion of each fluorescence component

白塔堡河底泥DOM總Fmax及各組分Fmax空間分布差異較大〔圖5(a)〕。城鎮(zhèn)段總Fmax的平均值最高，為(196.13±65.77)a.u.，表明該河段底泥DOM的熒光物質(zhì)濃度最高；其次為城市段，平均值為(180.95±67.35)a.u.；總Fmax最低的為農(nóng)村段，平均值為(89.12±56.40)a.u.，表明該河段底泥DOM中熒光物質(zhì)濃度最低，變化幅度也最小。白塔堡河底泥DOM熒光物質(zhì)濃度的分布為城鎮(zhèn)段>城市段>農(nóng)村段。

從不同熒光組分來看，城鎮(zhèn)段C1的Fmax平均值最大，為(272.53±61.55)a.u.，城市段次之，農(nóng)村段最低，C2～C4和C6與C1的分布趨勢相同。C5的Fmax最大平均值位于農(nóng)村段，為(183.58±80.16)a.u.，與EEMs中B峰強度為農(nóng)村段>城鎮(zhèn)段>城市段的結(jié)果一致?？傮w而言，城鎮(zhèn)段河流底泥的熒光物質(zhì)濃度略高于城市段，農(nóng)村段河流底泥的熒光物質(zhì)濃度最低。這可能是由于城鎮(zhèn)段和城市段接納了大量的生活污水和工業(yè)廢水，而城市段底泥部分被清淤，使該河段DOM熒光物質(zhì)濃度低于城鎮(zhèn)段；農(nóng)村段位于白塔堡河上游，農(nóng)村生活污水、農(nóng)田退水及養(yǎng)殖廢水的匯入量均較小。

不同采樣點各熒光組分的相對濃度用Fmax在該采樣點總Fmax中的占比表示〔圖5(b)〕。C1的平均相對濃度由農(nóng)村段到城市段逐漸增大，依次為農(nóng)村段(14.75%)、城鎮(zhèn)段(23.09%)、城市段(24.42%)。C2的平均相對濃度在農(nóng)村段較小，為12.54%，在其他河段相對濃度較大且空間變化較小，為15.61%～18.05%。C3的平均相對濃度在農(nóng)村段為8.09%，城鎮(zhèn)段為11.33%，城市段為11.42%。C4的平均相對濃度由農(nóng)村段到城市段呈先減小后略微增加趨勢，農(nóng)村段為15.05%、城鎮(zhèn)段為12.83%、城市段為13.69%。C5的平均相對濃度在農(nóng)村段最高，為32.99%；其次為城鎮(zhèn)段(15.22%)；城市段最低(12.08%)。C6的平均相對濃度呈現(xiàn)出和C1相同的變化趨勢，由農(nóng)村段到城市段逐漸增大，依次為農(nóng)村段(16.59%)、城鎮(zhèn)段(21.12%)、城市段(21.45%)。

農(nóng)村段DOM中相對濃度較大的熒光組分是C5(32.99%)，表明農(nóng)村段河流底泥DOM的熒光物質(zhì)主要受微生物與浮游植物產(chǎn)生的內(nèi)源和生活污水及農(nóng)田退水排入的影響。城鎮(zhèn)段和城市段DOM中相對濃度較大的熒光組分均為C1和C6，表明城鎮(zhèn)段和城市段河流底泥DOM的熒光物質(zhì)主要受生活污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖場排水和農(nóng)業(yè)面源等陸源輸入的影響。此外，城鎮(zhèn)段和城市段DOM中C4和C5的相對濃度存在明顯差異，城鎮(zhèn)段表現(xiàn)為C4低于C5，城市段表現(xiàn)為C4高于C5，這表明城鎮(zhèn)段河流底泥DOM的熒光物質(zhì)受內(nèi)源類蛋白物質(zhì)的影響低于微生物與浮游植物產(chǎn)生的內(nèi)源和生活污水排入的影響，而城鎮(zhèn)段與之相反。

2.3 層次聚類分析

利用HCA將熒光組分分成3個具有統(tǒng)計學(xué)意義的組〔圖6(a)〕：第Ⅰ組包括C1和C6，二者在不同河段的占比表現(xiàn)為相同的變化趨勢，且可用于指示陸源輸入。第Ⅱ組包括C2～C4，相較而言這3種熒光組分的占比在農(nóng)村段、城鎮(zhèn)段和城市段的變化幅度不大，不具備對采樣點進行明確分類的特征。第Ⅲ組為C5，其主要集中于農(nóng)村段，屬于內(nèi)源類蛋白物質(zhì)，表征了河流底泥的內(nèi)源性。C5與其他組分相對距離最大，是根據(jù)相似特征對采樣點進行分類的關(guān)鍵因子[37]。

圖6 熒光組分與采樣點的HCA分析Fig.6 Hierarchical clustering analysis of the fluorescent components and the sampling sites

根據(jù)HCA分析結(jié)果，將采樣點分成3組〔圖6(b)〕：A組為農(nóng)村段(1#～5#采樣點)，該組DOM熒光組分的總Fmax濃度最低，底泥污染程度較輕；B組為城鎮(zhèn)段(6#～9#采樣點)，該組DOM熒光組分的總Fmax最高，底泥污染程度較嚴重；將城市段(10#～12#采樣點)歸類為C組，除C5組分外，該組各熒光組分的Fmax均遠高于A組農(nóng)村段且略微低于B組城鎮(zhèn)段，表明城市段河流底泥的污染程度低于城鎮(zhèn)段，但仍處于重污染狀態(tài)。

2.4 CART模型

依據(jù)HCA分類結(jié)果將底泥DOM樣品分為A、B和C 3組，把6個熒光組分濃度設(shè)為自變量，分類結(jié)果設(shè)為因變量，生成CART模型(圖7)。CART模型輸出結(jié)果顯示，組分C5與C1將3組對應(yīng)的白塔堡河底泥污染狀態(tài)各異的河段區(qū)分開。A組農(nóng)村段C5濃度及其變動幅度遠大于城鎮(zhèn)段和城市段，類酪氨酸是識別農(nóng)村段底泥的關(guān)鍵因子；B組城鎮(zhèn)段C1濃度及其變動幅度大于城市段，類富里酸是區(qū)分城鎮(zhèn)段與城市段的關(guān)鍵因子(圖5)。CART模型揭示了C5與C1可用于表征白塔堡河底泥DOM空間差異，驗證了類酪氨酸是白塔堡河底泥DOM特征的關(guān)鍵因子，并識別出類富里酸是底泥DOM的另一關(guān)鍵因子。

圖7 基于底泥DOM組分對采樣點分類的CART模型Fig.7 CART model for classification of sampling sites based on DOM components of sediment

3 結(jié)論

(1)由三維熒光光譜結(jié)合平行因子、層次聚類分析與分類回歸樹模型提取白塔堡河底泥DOM的熒光組分，揭示白塔堡河底泥DOM中包括類富里酸、微生物代謝產(chǎn)物、類胡敏酸、類色氨酸、類酪氨酸和酚類物質(zhì)6種熒光組分。

(2)白塔堡河農(nóng)村段底泥DOM以內(nèi)源貢獻為主，城鎮(zhèn)段和城市段受陸源和內(nèi)源物質(zhì)的雙重影響；城鎮(zhèn)段底泥污染程度最高，城市段次之，農(nóng)村段最低。

(3)DOM熒光組分在農(nóng)村段、城鎮(zhèn)段和城市段有明顯分異特征，類酪氨酸與類富里酸是DOM特征的關(guān)鍵因子，可用于判別白塔堡河底泥的污染狀態(tài)。