溶解性有机质(dissolved organic matter，DOM)是湖泊生态系统的重要组成部分之一，一般包括类腐殖质、类蛋白质以及碳水化合物等，是土壤、沉积物和水体中化学组成和结构十分复杂的有机混合物，其主要来源于水体和沉积物中动物与植物及微生物的降解^[1-2]. DOM在生态系统物质和能量循环中起到非常重要的作用，是异氧微生物碳源和能源的主要提供者^[3]，同时DOM还能与有机或无机环境污染物发生化学反应，从而导致其迁移转化、稳定性和生物可利用性等发生变化，进而改变其潜在生态风险^[4].

近年来，大量学者利用三维荧光光谱法-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)，并结合紫外-可见光谱特征，分析了河流以及湖泊中溶解性有机质组分、结构及污染物迁移转化规律，并解析溶解性有机质的来源、分布特征及生物活动^[5].如张海威等^[6]利用三维荧光光谱法-平行因子分析法对新疆艾比湖主要入湖河流精河与博尔塔拉河进行研究，并分析荧光指数与氮元素的相关性；沈烁等^[7]利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术对南淝河不同排污口表层沉积物进行研究，分析出不同排污口的污染物来源；程杰等^[8]利用三维荧光光谱和紫外-可见光谱结合的方法探究了洱海沉积物溶解性有机氮的来源和空间分布特征；冯可心等^[9]利用EEMs-PARAFAC研究了丹江口水库表层沉积物可溶性有机物荧光组分、空间分布特征和来源，以及不同组分荧光强度与氮磷等污染物的相关性.对于作为水源的湖泊水库，沉积物DOM的含量和性质对于饮用水水质有重要的影响.然而，目前对于深水水源水库沉积物的DOM光谱特征的研究鲜有报道.由于深水水库具有明显的分层现象，底层水体处于厌氧高还原环境，沉积物中的DOM易从底泥释放到水体中，尤其是一些含氮有机物的释放，造成水体富营养化^[10].因此，通过对沉积物DOM光谱特征的分析，以及探索DOM和沉积物中氮素的互作关系，有助于对水体富营养化控制机理的研究.

黑河金盆水库是西安市主要的供水水源，其水质安全极其重要.由于金盆水库是一个深水型峡谷水库，对水库沉积物的DOM研究，有助于对水库沉积物和水体的微生物代谢和物质迁移转变有个更深层次的认识.特别在水体热分层时期，水库沉积物作为水体污染源，研究沉积物DOM特征有助于探索水库的污染物的相关迁移转化.本文主要应用EEMs-PARAFAC和紫外-可见吸收光谱技术研究处于热分层初期的金盆水库DOM光谱特征，以揭示金盆水库沉积物DOM的分布规律和化学行为，以期为金盆水库的生态环境保护提供理论基础和科学依据，同时也为金盆水库水环境模型的构建和水体、沉积物之间的迁移转化提供数据支撑，对进一步改善提高黑河金盆水库水质具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

黑河金盆水库(33°58'~34°3'N, 108°9'~108°13'E)位于陕西省西安市周至县境内，距黑河峪口大约1.5 km，是西安市黑河引水系统的主要水源地.水库距西安市86 km，2002年建成供水，总库容2亿m³，年调节水量4.28亿m³，其中城市供水占71.2 %为3.05亿m³，日平均供水量80万m³，供水保证率95 %，是一座以城市供水为主，有防洪、发电、灌溉等综合效益的大型水利枢纽工程.

黑河流域属暖温带半干燥、半湿润大陆性气候，气温差别较大，流域植被良好，河水清澈，泥沙主要为推移质，河流悬移质含沙量小.全流域面积2258 km²，流域内森林覆盖率可达70 %，黑峪口以上为峪谷山区，平均高程(以海拔计)为1850 m，分水线平均高程为2400 m，集水面积占全流域的65 %，干流总长91.2 km.黑河金盆水库属于大水深峡谷型水库，四周植被覆盖，径流大，造成氮磷有机质等污染物富集，沉积于库底，使沉积物颗粒中污染物含量不断增加，对水库水质造成影响.

1.2 样品采集及处理

根据金盆水库上游及库区的地貌和水力学特征，沿着“河流区-过渡区-主库区” ^[11-14]共设置12个采样点(S1~S12, 图 1).其中S1(水深2.0 m)位于河流汇入口，其河道狭窄，坡度较大，水流较快，代表河流区; S2(水深5.6 m)、S3(水深15.0 m)、S4(水深30.3 m)、S5(水深50.2 m)、S6(水深65.9 m)则分布在过渡区，坡度减少，流速较缓; S7(水深66.2 m)、S8(水深69.3 m)、S9(水深68.3 m)、S10(水深73.3 m)为主库区点，水面开阔，水深最深，流速最慢，S10靠近引水塔. S11(水深36.2 m)为主库区靠近岸边的浅水区，S12(水深72.1 m)位于小寒峪沟与主库区交界处. 2017年4月12日，金盆水库处于热分层初期，从上游到主库区12个采样点(所有采样点均采用GPS定位)，用柱状采样器采集各样点的表层沉积物(0~2 cm)样品^[15]，每个样点采集3个平行样.新鲜样品采集后装于聚乙烯封口袋中并编号，放入冷藏箱带回实验室用冷冻干燥机进行冷冻干燥，并将干燥后的沉积物样品研磨过100(0.149 mm)目筛.称取2 g研磨后的沉积物样品，加入40 ml Milli-Q超纯水混合进行DOM提取^[16]，振荡24 h(220转/min，25℃)后离心(6000转/min，15 min)，取上清液过0.45 μm滤膜(Whatman GF/F，预先450℃灼烧)过滤后进行分析.对沿程各点位水体进行原位测定，测定指标见表 1.

1.3 沉积物碳、氮含量测定

沉积物DOM浸提液用于测定DOC含量，用于表征DOM含量^[7]. DOC含量采用总有机碳分析仪(岛津TOC，日本)高温燃烧法测定，每个样品重复测定3次，保证测定结果变异系数 < 2 %.干燥过筛后的沉积物浸提液，用于测定可溶性总氮(STN)、硝态氮和氨氮，可溶性总氮与可溶性无机氮(SIN)(硝态氮与氨氮之和)含量之差即为可溶性有机氮(SON)含量^[17].

1.4 DOM吸收光谱分析

沉积物DOM紫外-可见吸收光谱由紫外-可见分光光度计(UV-2450，岛津)测定，扫描波长范围为200~700 nm，步长为1 nm，Milli-Q超纯水为参比，中速扫描.采用如下公式计算和校正后的吸收系数^[18]:

$ a\left( \lambda \right) = 2.303 \cdot D\left( \lambda \right)/r - a\left( {700} \right) \cdot \lambda /700 $

(1)

式中，λ为波长(nm); D(λ)为波长λ处的吸光度; a(λ)为经过散射校正后的波长λ处的吸收系数(m^-1); r为光程路径(m).

DOM吸收光谱从紫外到可见波长随波长的增加大致呈现指数衰减规律，用如下公式表示^[19]:

$ a\left( \lambda \right) = a({\lambda _0})\exp [S({\lambda _0} - \lambda )] $

(2)

式中，λ₀为参照波长(nm)，一般选取440 nm; S为指数函数曲线光谱斜率(μm^-1); 本研究采用最小二乘法对短波段275~295 nm和长波段350~400 nm之间的波段进行拟合，得到光谱斜率S_275-295和S_350-400，两者比值等于光谱斜率比S_R.

1.5 三维荧光光谱分析

沉积物DOM的三维荧光光谱采用日立荧光分光光度计F-7000测定，配以1 cm石英比色皿，仪器光源为150 W氙灯，PMT电压设为500 V，波长误差±1 nm，其中激发和发射单色仪的狭缝跨度都为5 nm，扫描光谱进行仪器自动校正.激发波长(Ex)范围从200~450 nm，波长间隔为5 nm; 发射波长(Em)范围为250~600 nm，波长间隔为1 nm，扫描速度为2400 nm/min.测定结果扣除Mili-Q超纯水三维荧光数据并进行Delaunnay三角形内插值法修正去除拉曼峰散射和瑞利散射^[20].利用MATLAB 2016a软件把12个样品的荧光矩阵组合，采用N-way和DOMFluor工具箱进行平行因子分析.参照Stedmon等^[21]的教程，通过一致性分析确定荧光组分数，利用折半分析来分析结果的可靠性.

1.6 数据统计分析

实验数据采用Excel 2007软件进行统计分析; 利用SPSS 22软件进行相关性分析，置信度设为0.05;光谱斜率S通过Origin 9.0软件进行线性拟合; 三维荧光光谱和PARAFAC模型模拟均在Matlab2016a软件中进行分析处理; 多组数据显著性差异采用单因素方差分析，显著性检验采用独立样本T检验.

2 结果与讨论 2.1 沉积物DOM荧光组分特征分析

利用PARAFAC模型对金盆水库沉积物中DOM的三维荧光光谱矩阵数据进行分析，表层沉积物DOM中主要解析出3个荧光组分(图 2，表 2)，分别为C1(235 nm，315 nm /430 nm)、C2(220 nm，275 nm/330 nm)和C3(265 nm/520 nm). C1有2个激发峰和1个发射峰，分别对应荧光峰A和C，代表陆源类腐殖质中的类富里酸，主要来源于森林、湿地^[22-23]. C2同样有2个激发峰和1个发射峰，分别对应荧光峰T2和T1，代表类蛋白组分中的类色氨酸基团，T2为低激发区类色氨酸，T1为高激发区类色氨酸，其主要游离或结合在蛋白质中，通常来源于水中浮游植物和微生物等残体的降解^[24-25]. C3反映了长波类腐殖质的荧光特性，代表类胡敏酸，属于陆源类腐殖质，其芳香性大于类富里酸，主要来源为高等植物腐解的有机物^[26].

2.2 荧光组分分布特征分析

一定程度上，总荧光强度可以用来表征DOM浓度的高低.通过研究对金盆水库沿程12采样点的总荧光强度图(图 3)发现，各组分荧光强度与总荧光强度空间分布趋势一致，从上游到主库区表层沉积物呈现先降低再升高的趋势.表层沉积物中C1组分荧光强度变化范围为2471.1~4860.0 R.U./g，平均值为4025.7±112.2 R.U./g(P＜0.05)，所占比例达43.15 %；C2组分荧光强度变化范围为2327.2~3021.0 R.U./g，平均值为2942.6±80.6 R.U./g(P＜0.05)，所占比例达31.54 %；C3组分荧光强度变化范围为2255.4~2550.4 R.U./g，平均值为2360.5±75.5 R.U./g(P＜0.05)，所占比例达25.31 %.相比较而言，类蛋白C1组分(类富里酸)占比例最大，腐殖质C2组分(类色氨酸)次之，腐殖质C3组分(类胡敏酸)最弱.类腐殖质由径流携带的部分腐殖质以及内源浮游动植物释放的有机物经过细菌进一步降解后产生，类蛋白主要由微生物及水生生物新陈代谢作用产生^[32]. Kritiansen等^[33]研究发现腐殖质类DOM在好氧条件下易被氧化降解，转化为分子量更小，也更易被微生物所吸收利用的碳源.总荧光强度从上游S1(河流区)到S6(入库口)呈现下降趋势，其原因是水库周围被植被覆盖，降雨冲刷地表，形成的径流携带的营养性土壤逐渐沉降，从柳树河流进的营养性污染物随着深度的增加浓度逐渐降低，DOM浓度也随之降低.水流从入库区流入主库区时，断面突然拓宽，流速减慢，并且受到水库水流顶托的影响，泥沙逐渐淤泥^[34]，DOM浓度逐渐升高.并且水面拓宽，易于藻类繁殖，造成蛋白类DOM升高. S11点各荧光强度都较小，可能是因为S11点处于主库区浅水处，营养性土壤颗粒在此处沉降较少，并且微生物(包括藻类)活动较强，蛋白类DOM占比较高，与表 1中原位测定的表层水体叶绿素及底部水体叶绿素、溶解氧、浊度和pH值的情况相吻合.

2.3 荧光特征指数及差异性分析

荧光指数(FI)是Ex=370 nm时，Em在470和520 nm处的荧光强度比值^[35]，被用于表征DOM中腐殖质组分的来源.通常认为，FI＞1.9时，主要源于水体自身微生物活动，自生源特征相对明显；FI＜1.3时主要为陆地和土壤输入为主，水体和自生源贡献较少^[36].内源多由水体中浮游动植物和沉积物微生物的降解和分泌物产生，表现为类蛋白物质占主要成分^[37].陆源则主要来自流域内土壤、森林以及人类活动等造成有机质的输入，表现为类腐殖质为主^[38].本研究中，金盆水库FI的范围为1.62~1.88，平均值为1.72，由于金盆水库流域内植被覆盖较好，且人为活动较少，陆源输入可能来源于降雨径流携带的陆生植物和土壤营养有机质，内源DOM可能来源于藻类和细菌的胞外释放，因此金盆水库DOM是混合来源.

腐殖化指标(HIX)是Ex=254 nm时，Em在435~480 nm荧光强度积分值和300~345 nm荧光积分值之比^[39]，通常认为HIX越高，表示DOM腐殖化程度越高^[40]，有机质越稳定.有研究表明^[41]，HIX＞16代表DOM具有强腐殖化特征，以陆源输入为主; 10＜HIX＜16代表较强腐殖化特征, 微弱自生源特征，陆源输入明显; 6＜HIX＜10代表较强腐殖化特征，且有较弱自生源特征; 4＜HIX＜6代表弱腐殖化特征，及较强自生源特征; HIX＜4表示为自生源.金盆水库HIX变化范围为3.76~7.37，平均值为6.03，大于6，说明属于较强腐殖化特征，中度自生源.

自生源指标(BIX)是Ex=310 nm时，Em在380和430 nm处的荧光强度比值^[42]，反映水体自生源的相对贡献，BIX值较高表示DOM以浮游植物和细菌的有机体降解产物等内源为主^[43].有研究认为BIX在0.8~1.0之间，表示样本中存在新生的自生源DOM较多; 而0.6~0.8之间表示自生源贡献较少^[44]，金盆水库沉积物BIX指数0.5~0.81，平均值0.73，表明其DOM为中度新近自生源特征，S11为较强新生自生源特征.

结合国内外不同地区DOM的荧光特征指数对比发现(表 3)，对于沿岸以森林生态系统为主，人为干扰小的湖泊DOM(如大洪湖、Lumpen和Albufera des Grau等)，其FI值均较低，而HIX值较高，表明水体DOM输入以腐殖化程度较高的陆源输入占主导.而城镇河流水库(如南淝河和周村水库)，受工业农业废水、生活污水排放等人为因素的影响，FI和BIX值较高，表明自生源DOM占主导.与水体相比，沉积物的FI值普遍大于水体，表明在这些区域水体DOM来源中陆源占有较大比重，沉积物DOM来源中自生源占有较大部分.黑河金盆水库是典型的沿岸森林生态系统的深水峡谷型水库，DOM输入既有水生植物和微生物等自生源特征，也有地表径流陆源的补给.

本研究对沉积物DOM中3个荧光峰分别作相关性分析(表 4)，结果显示C1、C2和C3组分之间呈显著相关(P < 0.01)，表明DOM中类腐殖质和类蛋白可能存在同源性，组分来源比较复杂.总体来说，金盆水库表层沉积物DOM来源既有内源输入又有陆源输入的双重特征，荧光强度分布差异性显著是由于营养性物质来源不同导致的.

周子振等^[51]研究发现金盆水库沉积物总氮含量为1252± 101 mg/kg，总磷含量为769±24 mg/kg，沉积物污染程度处于最低级级别^[52]，不会出现严重内源污染现象.金盆水库属于大水深峡谷型水库，森林植被覆盖率高，两岸土壤腐殖质发育程度高，春季降雨冲刷地表，造成径流携带大量有机质颗粒，后续的降解也成为DOM的主要来源之一.由于金盆水库自身特征，水文条件造成金盆水库沉积物DOM来源为混合输入，并且陆源输入特征明显.

2.4 沉积物DOM吸收光谱分析

本研究中采用波长350 nm处的吸收系数来表征DOM浓度.金盆水库表层沉积物吸收系数a₃₅₀平均值为20.92±1.96 m^-1，变化范围为10.55~26.31 m^-1，沉积物中DOC含量范围为313.65~687.23 mg/kg，平均值为535.5±13.24 mg/kg，STN含量变化范围为201.98~306.74 mg/kg，平均值257.71±6.52 mg/kg(表 5).通过分析a₃₅₀与沉积物指标的相关性，可揭示a₃₅₀与主要沉积物指标DOC和STN含量的相关性.结果显示：表层沉积物溶解性有机质吸收系数a₃₅₀与DOC和STN含量均存在显著正相关(P < 0.01)，相关系数分别为0.841和0.702，表明沉积物碳、氮指标可能与溶解性有机质有着相同的来源. Fighot等^[53]研究发现，相比于紫外可见吸收光谱的吸收值，光谱斜率和光谱斜率比更能解释DOM的特性.沈烁等^[7]在研究南淝河不同排口表层沉积物DOM光谱特征时，拟合了275~295和350~400 nm波段的斜率S，得出S_275-295能够反映腐殖酸的变化，且S值随腐殖质中陆源组分和内源组分比值的增加而减小.金盆水库从上游到主库区S值呈现先增加后减小的趋势，表明河流区和主库区表层沉积物DOM腐殖质中较多的来自陆地和土壤的C1组分.光谱斜率比S_R在各点差异不大，S11点的S_R值偏大，原因是在浅水处微生物和藻类活动频繁，DOM中自生源组分占比较高，与解析出来的荧光组分相一致.

2.5 沉积物各形态氮与荧光强度的相关分析

土壤中的可溶性有机氮(SON)能被直接释放出来^[54]，且在特殊情况下，藻类在吸收氮源时能更倾向于吸收或直接吸收SON而不是溶解无机氮(SIN)^[55].该研究沉积物中生物可利用较高的SON在交换态氮中占绝对优势，含量在103.33~167.53 mg/kg之间，占可交换态总氮比例的56.87 %，而SIN含量在98.65~139.21 mg/kg之间，占可交换态总氮比例的43.13 %.进一步通过沉积物DOM荧光组分与可交换态氮形态做回归分析(图 4).金盆水库表层沉积物DOM的3个组分的荧光强度与SON和SIN含量均呈显著正相关(P＜0.01)，说明沉积物DOM与氮元素的迁移转化密切相关，同时说明SIN和SON含量受DOM各组分的影响，尤其类腐殖质的影响大. SON含量与各组分的相关系数比SIN含量的更高，说明沉积物SON更可能直接来源于微生物对DOM中的降解.这与丁咸庆^[56]研究亚热带典型森林土壤SON中，得出土壤有机质的微生物降解是SON的重要来源的结论一致.通过DOM的研究可以监测水库的SON演变特征，为水库富营养化控制提供技术支持.

3 结论

1) 通过平行因子分析得出金盆水库沉积物DOM样本中均存在3个荧光组分，可分为类富里酸(235 nm，315 nm /430 nm)、类色氨酸(220 nm，275 nm /330 nm)和类胡敏酸(265 nm /520 nm)三类.热分层初期金盆水库主库区和河流区表层沉积物总荧光强度与过渡区相比较高，总体呈现先降低后增加的趋势.金盆水库DOM样本中的3个组分具有同源性，存在显著差异性(P＜0.01)，并且表层沉积物DOM以类腐殖质为主.

2) 通过各项荧光光谱指标(FI、BIX和HIX)的分析，综合得出热分层初期金盆水库表层沉积物DOM既有内源又有陆源输入双重特征，其中陆源占比较大.此特征源于水库自身特征和水文条件.

3) 通过对水库沉积物DOM吸收系数a₃₅₀分析得出，表层沉积物DOM浓度从上游到主库呈现规律性变化，且与水质指标具有同源性.光谱斜率S_275-295、S_350-400和光谱斜率比S_R沿程的变化规律表明, DOM陆源组分呈现先减少后增加的趋势，这是由于水库自身地貌和水力特征，从上游到下游有机颗粒逐渐沉积，并在主库区富集造成的.

4) 表层沉积物DOM各组分与SON和SIN含量均呈显著正相关(P＜0.01)，与SON含量的相关性更显著，说明DOM与氮元素的迁移转化密切相关, 且DOM的降解是SON的重要来源之一.