海洋与湖沼  2022, Vol. 53 Issue (3): 597-606   PDF    
http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20211100272
中国海洋湖沼学会主办。
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吴峰, 宋秀贤, 池连宝, 王文涛, 俞志明. 2022.
WU Feng, SONG Xiu-Xian, CHI Lian-Bao, WANG Wen-Tao, YU Zhi-Ming. 2022.
近海养殖水体溶解性有机质的荧光特征及环境指示意义
FLUORESCENCE CHARACTERISTICS OF DISSOLVED ORGANIC MATTER IN OFFSHORE AQUACULTURE WATER AND ITS ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE
海洋与湖沼, 53(3): 597-606
Oceanologia et Limnologia Sinica, 53(3): 597-606.
http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20211100272

文章历史

收稿日期:2021-11-08
收修改稿日期:2021-12-30
近海养殖水体溶解性有机质的荧光特征及环境指示意义
吴峰1,2,3,4, 宋秀贤1,2,3,4, 池连宝1,2,3, 王文涛1,2,3, 俞志明1,2,3,4     
1. 中国科学院海洋研究所 海洋生态与环境科学重点实验室 山东青岛 266071;
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室 山东青岛 266237;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 中国科学院海洋大科学研究中心 山东青岛 266071
摘要:为探究近海养殖水体溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)的荧光特征及环境指示意义, 以山东省东营市凡纳滨对虾池塘为研究对象, 利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEMs-PARAFAC)技术对2020年9月14日至10月17日凡纳滨对虾池塘养殖水体中DOM的荧光特征进行了分析, 以期揭示其来源及环境指示意义。结果表明, 养殖池水体DOM有4种荧光组分, 包括1种类蛋白质物质(C4)和3种类腐殖酸物质(C1、C2与C3), 前者作为养殖池水体DOM特有组分, 且其荧光强度高于对照池各组分。养殖池水体DOM总荧光强度、总有机碳和溶解有机碳含量于采样时期均明显高于对照池。综合3种荧光指数(FI、BIX、HIX), 对照池和养殖池水体DOM以内源输入为主, 自生源特征明显。对照池和养殖池水体DOM组分与营养盐(氮、磷营养盐为主)具有显著相关性, 表明DOM组分的产生与利用和营养盐的消耗与生成过程相耦合。养殖池DOM组分C1和C4与chl a呈显著正相关性, 表明浮游藻类是养殖水体DOM类蛋白质和类腐殖酸物质的重要来源。该研究揭示了养殖水体有机质高度积累, 对养殖环境的富营养化带来潜在威胁, 同时为进一步揭示养殖水体DOM的光化学性质提供了科学依据。
关键词溶解性有机质    三维荧光    荧光特征    环境指示意义    
FLUORESCENCE CHARACTERISTICS OF DISSOLVED ORGANIC MATTER IN OFFSHORE AQUACULTURE WATER AND ITS ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE
WU Feng1,2,3,4, SONG Xiu-Xian1,2,3,4, CHI Lian-Bao1,2,3, WANG Wen-Tao1,2,3, YU Zhi-Ming1,2,3,4     
1. CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
2. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
Abstract: To explore the fluorescence characteristics and environmental indication significance of dissolved organic matter (DOM) in offshore aquaculture water body, Litopenaeus vannamei pond in Dongying City, Shandong Province was chosen as the research object, for which three-dimensional fluorescence spectrum parallel factor analysis (EEMs-PARAFAC) technology was used to analyze the dissolved organic matter (DOM) in Litopenaeus vannamei pond aquaculture water body from September 14 to October 17, 2020, and to reveal the source and environmental indicative significance of DOM. The DOM in the aquaculture pond water was consisted of four fluorescent components, including one type of protein (C4) and three types of humic acid (C1, C2, and C3). The former is a unique component of DOM in the aquaculture pond water, and its fluorescence intensity is higher than that in the control pond water. The content of organic matter (OM) in the aquaculture pond was higher as indicated by the observed significantly higher total fluorescence intensity of DOM and the contents of TOC and DOC in the aquaculture pond, than those in the control pond during the sampling period. Based on the three fluorescence indexes (FI, BIX, and HIX), the DOM in the control pond and aquaculture pond is mainly endogenous input, and the characteristics of endogenous source are obvious. The DOM components in both control and aquaculture pond had significant correlations with NO2-、NO3-、PO43-, indicating the coupling between the generation / utilization of DOM components and the consumption/generation of nutrients. In addition, there was a significant positive correlation between chl a and DOM components C1 and C4, which indicated that the phytoplankton was an important source of DOM proteins and humic acids in aquaculture pond water. This study reveals that the high accumulation of organic matter in aquaculture water brings a potential threat to the eutrophication of aquaculture environment, and provides a scientific basis for further revealing the photochemical properties of DOM in aquaculture water.
Key words: dissolved organic matter    three dimensional fluorescence    fluorescence characteristics    environmental significance    

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)主要包含氨基酸、富里酸、腐殖酸等, 属于结构和组分复杂的有机混合物, 其中某些组分可以产生荧光特性。DOM中含有丰富的氮、磷等生源要素, 可通过分解或直接被生物吸收利用, 在水体物质循环过程中扮演重要角色, 在赤潮等海洋生态灾害暴发过程中具有重要的作用(吴丰昌等, 2008), 一直是国际生物地球化学领域的研究热点和难点之一(Yao et al, 2011)。

三维荧光光谱技术(three-dimensional excitation- emission matrix fluorescence spectra, EEMs)作为一种可准确识别水体中DOM荧光峰的个数及荧光强度等信息的手段, 以其样品用量少、灵敏度高、不破坏样品结构等优势, 近年来被广泛应用于各种天然水体中DOM的光降解(赵紫凡等, 2019)、来源识别(黄昌春等, 2010; Yao et al, 2011; 胡素征等, 2015)与空间动态变化(Yan et al, 2012; Zhang et al, 2013; Li et al, 2015)等研究中, 该技术可以较好地揭示DOM的性质、来源与关键循环过程。

自1970年起, 随着世界人口对水产品需求量的剧增, 水产养殖业以每年8.7%的递增高速增长, 成为农业经济的重要组成部分(Williams et al, 2010)。我国是水产养殖大国, 水产养殖产量约占世界总产量的70% (李成军, 2019), 其中海水养殖产量约占全国水产养殖产量的62% (农业部渔业渔政管理局, 2016)。近海池塘养殖作为一种人为干预的水生生态系统, 在养殖过程中受高密度、集约化养殖方式的影响, 养殖生物残留的饵料、排泄物、生物残骸等导致养殖水体DOM含量持续增加, 继而DOM分解产生过量的氨氮、亚硝酸盐与硫化氢等有害物质(Schmitt et al, 1998; 李中虎等, 2021), 引发水体富营养化现象, 严重影响水质环境与养殖生物安全(贾瑞胜等, 2021)。迄今, 关于近海池塘养殖水体中DOM的组成及来源的研究报道较少, 相关资料是制定科学养殖策略, 从而提升养殖效率、优化养殖水体环境的重要支撑。基于上述需求, 本研究利用三维荧光光谱技术(EEMs)结合平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC), 对山东省东营市近海凡纳滨对虾池塘养殖水体DOM的三维荧光光谱特性进行分析, 探究了DOM的主要组分及来源属性, 为了解养殖水体DOM的组成特征和环境指示意义提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域

本文选择山东省东营市近海的凡纳滨对虾养殖池塘(118°55′E, 37°27′N)为研究区域, 该区域位于渤海莱州湾附近沿海地区, 区域内遍布滩涂水产养殖池塘。选择2个具有代表性的陆基人工池塘进行实验, 其中一个池塘设为养殖池, 养殖生物为凡纳滨对虾, 放苗量为5.0×104尾。在养殖过程中科学投喂饵料, 前期投喂饵料和功能性饵料, 后期增投大卤虫等活体饵料, 根据天气(如降雨、降温等)、对虾摄食(根据料台上的残余残饵量判断摄食量)、蜕壳(观察养殖过程中对虾的蜕壳情况)等相关情况对投饵量进行调节, 合理控制饵料的投入量。养殖过程中为了保持水体环境的稳定、避免对虾造成应激, 根据水位、水色变化等养殖水质条件对养殖池进行适当补水外, 没有与外界水体发生明显交换, 并根据情况适量加入益生菌、增氧剂等制品。另一个池塘设为对照池, 池内无养殖生物。每个养殖池面积大约为700 m2, 水深平均为1.5 m, 池底铺聚乙烯塑料薄膜防渗, 配备1台叶轮式增氧机, 养殖用水均源于莱州湾近岸海水。

1.2 实验设计

本实验于2020年9月14日至10月17日(该时期为对虾养殖末期)在东营市近海凡纳滨对虾养殖池和对照池多次采集表层水样, 采样时间间隔、采样位置和采样深度等尽量保持一致, 采样过程中严格按照操作规范进行, 水样采集后立即装入干净的聚乙烯塑料桶内, 对其进行避光处理, 并迅速运回实验室。本实验设计为野外现场实验, 受现场养殖环境条件等限制未设置平行处理。在实验室, 水样用经450 ℃灼烧过的GF/F膜过滤, 收集过滤一定体积水样的滤膜保存在液氮中, 用于叶绿素测定; 过滤后的水样收集至聚乙烯瓶中在−20 ℃保存, 用于硝酸盐(NO3-)、亚硝酸盐(NO2-)和磷酸盐(PO43-)营养盐测定; 同时, 收集滤液于总有机碳(total organic carbon, TOC)样品瓶中在–20 ℃保存, 用于溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)含量的测定; 收集未过滤水样于TOC样品瓶中在–20 ℃保存, 用于TOC含量的测定; 另外, 收集过滤水样于TOC瓶中在–20 ℃保存, 用于DOM三维荧光光谱测定分析。

1.3 参数的测定及分析 1.3.1 水质参数的分析测定

DOM三维荧光光谱测定通过F-98荧光分光光度计(上海棱光技术有限公司)(1 cm石英荧光样品池)分析测定。使用氙弧灯为激发光源(150 W); 增益(PMT电压)设为650 V; 信噪比大于110; 响应时间自动匹配; 扫描波长范围: Ex=250~450 nm, Em=250~600 nm; 激发采样间隔为5 nm; 激发和发射带宽均为10 nm; 扫描速度设为1 000 nm/min; 测定过程进行内过滤效应校正; 扫描光谱进行仪器自动校正; 以1 nm间隔得到荧光光谱。利用Milli-Q超纯水的拉曼光谱强度监控荧光仪的稳定性, 同时利用0.01 mg/L硫酸奎宁进行荧光定标(He et al, 2013)。使用差减法扣除样品EEMs中拉曼散射和瑞利散射的影响(Zhang et al, 2009, 2011)。以Ex=350 nm时超纯水的拉曼峰积分面积对样品的荧光强度进行校正, 荧光强度表示为拉曼单位(Raman Μnits, R.Μ.)(Lawaetz et al, 2009)。

营养盐(氮、磷营养盐为主)测定分析利用SKALAR营养盐自动分析仪(Skalar Ltd., Netherland)进行测定(NO3-、NO2-和PO43-分别通过铜镉柱还原法、重氮-偶氮法和抗坏血酸还原磷钼蓝法进行测定分析), 在样品测定过程中, 使用国家海洋局第二海洋研究所标准物质中心生产的标准品对数据进行校正。

叶绿素(chl a)测定在避光、低温的环境条件下, 通过体积分数为80%的丙酮提取叶绿素24 h, 由于萃取液受蓝光激发后产生红色荧光, 通过Trilogy荧光计(Turner Design Ltd., USA)测定上清液酸化前、后的荧光值, 依照Parsons等(1984)的公式计算样品中chl a的浓度:

    (1)

式中, chl a为叶绿素a的浓度, 单位为μg/L; Fd为测量时所用量程换算因子(随仪器而异); R为纯叶绿素a的酸化因子; RbRa分别为样品酸化前、后的荧光值; V1V2分别为丙酮提取液体积、海水样品体积。

TOC和DOC样品利用总有机碳分析仪(Multi N/C 2100S, Analytik jena, Germany)进行测定。

1.3.2 荧光指数(FI、BIX、HIX)

荧光指数(FI)、自生源指标(BIX)、腐殖化指数(HIX)等常被用来定量分析不同水体DOM来源及不同来源对DOM的贡献。荧光指数(FI)是指Ex=370 nm时, Em在450 nm和500 nm处的荧光强度比值(Jaffé et al, 2004; Cory et al, 2005), 常用来表征DOM的来源信息(陆源高等植物碎屑或微生物等), 能反映芳香或非芳香组分的相对贡献。FI > 1.9时主要源于水体自身微生物活动, 自生源特征明显; FI < 1.4时, 以外源输入为主, 水体自身生产力贡献相对较低。自生源指标(BIX)是指Ex=310 nm时, Em在380 nm和430 nm处的荧光强度比值, BIX反映DOM自生源的相对贡献, 其范围在0.6~0.8之间指示自生源贡献较少, 在0.8~1.0之间指示具有较强自生源特征, 而大于1.0时说明有机质降解程度较高, 为生物细菌活动产生, 自生源组分特征明显(Huguet et al, 2009)。腐殖化指数(HIX)是指Ex=254 nm时, Em在435~480 nm的荧光峰面积比300~345nm的荧光峰面积, HIX < 4表示以自生源为主, 在4~6之间表示较弱腐殖质特征和较强自生源特征, 当大于6时, 表示强腐殖质特征, 陆源贡献较大(Ohno, 2002)。

1.4 数据处理及分析

在MatlabR2014b软件中使用DOMFluor工具箱运行PARAFAC法模型对样品的三维荧光光谱数据进行分析(Yamashita et al, 2008; Singh et al, 2010; 姚昕等, 2014), 初步确定荧光组分数并且通过利用残差分析和对半分析来检验结果的可靠性; 养殖池水体中DOM的荧光特征与水质参数间相关性分析采用SPSS22.0软件中Pearson进行分析, 显著水平设置为0.05, 极显著水平设置为0.01; 采用Origin 2018绘图软件进行相关数据的绘图。

2 结果 2.1 养殖水体DOM三维荧光光谱特征

通过PARAFAC对对照池和养殖池水体的DOM三维荧光样品(样品数分别为23和13个)进行分析, 剔除差异较大的个别数据, 最终所得组分均通过残差分析和对半分析检验。结果显示, 对照池DOM共得到3种荧光组分(C1~C3), 各组分均具有一个激发峰和发射峰。组分C1、C2、C3的最大荧光峰分别位于360 nm/436 nm (Ex/Em)、305 nm/402 nm (Ex/Em)和400 nm/487 nm(Ex/Em)处(表 1)。养殖池水体DOM共得到4种荧光组分(C1~C4), 组分C1、C2、C3均具有一个激发峰和发射峰, 组分C4具有一个激发峰、一个强发射峰和一个弱发射峰(300 nm/475 nm), 本文主要以强发射峰处荧光物质对C4组分进行分析。组分C1、C2、C3、C4的最大荧光峰分别位于340 nm/ 416 nm (Ex/Em)、365 nm/457 nm (Ex/Em)、415 nm/ 497 nm (Ex/Em)和300 nm/365 nm (Ex/Em)处(表 1)。基于前人的研究结果(Cory et al, 2005; Stedmon et al, 2005; Murphy et al, 2006), 对照池和养殖池中DOM组分C1、C2与C3分别为类腐殖酸、类富里酸与类腐殖酸, 均属于类腐殖质; 养殖池中DOM组分C4主要为可见区类色氨酸, 属于类蛋白质。

表 1 DOM的主要荧光峰及相应位置 Tab. 1 Main flμorescence peaks and corresponding positions of dissolved organic matter (DOM)
采样编号 荧光组分 荧光峰位置λEx/λEm 物质类型 Ex/Em文献值/nm
对照池 C1 360/436 类腐殖酸 345~450/430~530
C2 305/402 类富里酸 275~310/380~460
C3 400/487 类腐殖酸 345~450/430~530
养殖池 C1 340/416 类腐殖酸 345~450/430~530
C2 365/457 类腐殖酸 345~450/430~530
C3 415/497 类腐殖酸 345~450/430~530
C4 300/365 类蛋白质, 主要为可见区类色氨酸 270~300/320~370
注: 文献来自Cory等(2005), Stedmon等(2005), Murphy等(2006)

进一步分析了对照池和养殖池水体DOM的荧光组分随时间的变化特征。结果显示, 对照池DOM总荧光强度在0.15~0.25之间, 平均值为0.21±0.02, 随时间变化整体较为稳定(图 1)。DOM的三组分C1、C2、C3荧光强度分别为0.11±0.06、0.07±0.03和0.06±0.04, 在总荧光强度中的占比分别为41.68%~ 48.16%、26.49%~32.83%和22.07%~28.30% (图 2a)。对照池DOM各组分荧光强度均维持在较低水平, 随时间变化呈现缓慢下降的特征。

图 1 对照池和养殖池DOM各组分总荧光强度随时间变化情况 Fig. 1 Variation in total fluorescence intensity of DOM components with time in control pond and aquaculture pond

图 2 对照池(a)和养殖池(b)DOM各组分荧光强度随时间变化情况 Fig. 2 Variations of DOM fluorescence components with time in control pond (a) and aquaculture pond (b)

养殖池DOM总荧光强度在0.61~0.96之间, 平均值为0.84±0.11, 随时间变化呈逐渐上升趋势, 各采样时间点均大于对照池(图 1)。DOM的四个组分C1、C2、C3、C4荧光强度分别为0.27±0.08、0.26±0.07、0.14±0.03和0.13±0.03, 在总荧光强度中的占比分别为28.97%~35.55%、31.59%~35.08%、15.31%~21.71%和13.82%~18.52% (图 2b)。养殖池水体DOM组分C1、C2含量明显高于组分C3、C4。组分C1、C2、C4荧光强度随养殖时间变化呈现波动上升的特征, 组分C3基本保持稳定, 组分C4荧光强度在后期(10月6日至17日间)大于组分C3。

2.2 养殖水体主要水质参数的变化特征

本研究对养殖池和对照池水体主要水质参数进行了分析测定, 包括TOC、DOC、营养盐(主要为NO3-、NO2-、PO43-)和chl a

2.2.1 TOC和DOC

对照池水体TOC和DOC浓度变化范围分别为11.27~15.04和9.23~11.87 mg/L, 平均值分别为13.58和10.36 mg/L, 二者随时间变化呈现波动变化趋势, 且均维持在较低水平(图 3a, 3b)。养殖池水体TOC和DOC浓度变化范围分别为27.60~46.82和13.67~20.32 mg/L, 平均值分别为34.01和17.75 mg/L, 二者随时间变化呈总体呈波动上升趋势, 各采样时间点均大于对照池(图 3a, 3b)。

图 3 对照池和养殖池TOC(a)和DOC(b)浓度随时间变化情况 Fig. 3 Variations of TOC (a) and DOC (b) concentrations with time in control pond and aquaculture pond
2.2.2 营养盐和叶绿素

对照池NO3-、NO2-和PO43-浓度变化范围分别是0.09~0.92、0.10~0.35和0.34~0.70 μmol/L, 平均值分别为0.30、0.17和0.50 μmol/L, 各营养盐浓度随时间变化整体较为稳定且保持在较低水平(图 4)。

图 4 对照池和养殖池营养盐浓度随时间变化情况 Fig. 4 Variation of nutrient concentration with time in control pond and aquaculture pond

养殖池NO3-和NO2-浓度变化范围分别是1.05~6.95和0.13~8.29 μmol/L, 平均值分别为3.30和3.77 μmol/L, 随时间变化呈现波动上升趋势, 二者于各采样时间点均明显高于对照池。养殖池PO43-浓度变化范围是0.74~5.62 μmol/L, 平均值为2.65 μmol/L, 随时间变化总体呈现先升高后逐渐降低的特征, 各采样时间点均明显高于对照池(图 4)。

对照池水体chl a浓度变化范围是10.83~ 49.39 μg/L, 平均值为29.21 μg/L, 在调查期间维持在较低水平。养殖池水体chl a浓度变化范围是62.86~576.73 μg/L, 平均值为275.13 μg/L, 随时间变化整体呈现逐渐上升的变化特征, 各采样点均显著高于对照池(图 5)。

图 5 对照池和养殖池叶绿素(chl a)浓度随时间变化情况 Fig. 5 Variation of chl a concentration with time in control pond and aquaculture pond
3 讨论 3.1 DOM荧光组分特征分析

DOM荧光峰位置是表征有机质组分的重要指标, 荧光峰值出现的位置不同表征有机质的组分构成不同(Wu et al, 2001)。通过平行因子分析可以确定有机质的荧光峰位置, 从而将有机质组分主要分为类蛋白质和类腐殖质两大类(刘笑菡等, 2012)。通过分析测定以及与以往的研究结果比较发现, 本文的养殖池水体DOM荧光组分为类腐殖酸(C1、C2与C3)和类蛋白质(C4); 对照池水体DOM荧光组分为类腐殖酸(C1、C2与C3)。类腐殖酸主要是外源输入的腐殖酸和富里酸, 与类富里酸和腐殖质结构中的羟基及羧基有关(Wu et al, 2003), 也有研究指出类腐殖酸(C1、C2与C3)可能来源于原位细菌降解过程中细菌呼吸作用的副产物或人类活动产生的类腐殖质物质(Nieto-Cid et al, 2006), 具有易光降解、生物可利用性差的特点(Stedmon et al, 2005; 傅平青等, 2005)。此外, 有研究报道浮游藻类原位降解产生的DOM中包含大约25%的类腐殖酸(Kramer et al, 2004)。相较于对照池, 类蛋白质(C4)是养殖池水体DOM特有组分, 与藻类生长和腐烂的本地生产以及近岸水体来源和养殖生态系统的输入有关, 蛋白质组分可以从浮游藻类的生长和降解中产生(Yang et al, 2013; Wang et al, 2020)。对虾养殖过程中, 饵料的投入可以提高浮游藻类的营养浓度、大小和生物量(Wang et al, 2020), 导致chl a浓度较高(图 5), 进而原位增加了类蛋白质(C4)的含量。同样, Yamashita等(2008)发现伊势湾含有较高chl a浓度, 类蛋白质成分得到了原位增加。

养殖池水体DOM总荧光强度显著高于对照池, 约为后者的3~5倍, 随养殖时间变化呈上升趋势, 且各采样时间点均明显高于对照池(图 1), 表明养殖池水体DOM中荧光类有机物质含量较高, 主要是由残余饵料积累、生物活动频繁等导致养殖水体中有机质分解所致。同时, 养殖池水体TOC和DOC浓度均明显高于对照池, 且随养殖时间变化呈波动上升趋势(图 3), 表明养殖池水体有机质含量较高, 主要包括生物饵料、对虾等生物排泄、动植物残体等, 将对周边环境的富营养化带来潜在威胁。对照池有机质含量较低, 其主要原因可能包括单一、有限的外源海水补给, 以及微生物不断消耗分解有机质。对照池和养殖池水体DOM以类腐殖酸为主, 其中对照池组分C1占总荧光强度的41.68%~48.16%, 养殖池组分C1和C2共占总荧光强度60%以上, 因为类腐殖酸主要来自水体微生物对虾类残骸、浮游藻类等有机质的分解, 且分解时间越长, 腐殖化程度越高, 导致类腐殖酸等难降解物质累积增多(朱爱菊等, 2019)。养殖池各组分随时间变化均逐渐升高(C3除外)且都高于对照池各组分(图 2), 同时发现养殖池DOM组分C4含量虽然最低, 但都高于对照池DOM各个组分, 因为采样时期对照池水体DOM主要来自莱州湾海水有限补给, 并无其他来源; 而养殖池正值对虾生长旺盛时期, 水体中产生更多的有机质(图 3)。此外该时期养殖水体微生物活性处于较高水平(数据未发表), 促进了水体中大量有机质和残饵的分解, 易降解成分优先被分解利用, 而难降解成分逐渐积累增多, 水体中类腐殖酸浓度显著增加, 该研究结果与郭卫东等(2010)的认识基本一致。另外, 研究发现, 在养殖后期(10月6日至17日间)养殖池水体DOM组分C3呈缓慢降低趋势, 而组分C4则不断升高且大于组分C3 (图 2b), 推测该结果可能是由于养殖池水体DOM组分C3向C4转化所致, 该结论还需进一步实验验证。

3.2 DOM的来源分析

养殖过程中水体DOM来源途径主要可分为内源和外源输入。内源输入与生物活动关系密切, 这部分有机质主要来源于养殖水体中藻类、养殖生物、微生物等生物活动(Zhang et al, 2011), 而外源有机质主要来源于陆地土壤输入、陆源动植物残体输入以及人为输入等(吕伟伟等, 2018), 这两种来源对养殖水体DOM的贡献不同。

本研究结果显示, 对照池FI、BIX和HIX变化范围分别是1.53~1.68、1.71~2.18和1.48~2.81; 养殖池FI、BIX和HIX变化范围分别是1.66~1.73、1.69~4.29和2.07~2.22, 养殖池各指数值整体上均高于对照池(图 6)。养殖池和对照池水体DOM的FI值均处于1.4和1.9之间, 在中间值1.65附近, 这表明水体有机质来源于内源及外源两部分; BIX指数均大于1.0, 说明各采样点有机质降解程度较高, 主要为生物细菌活动产生, 自生源特征明显; HIX指数均小于4, 说明水体有机质整体处于弱腐殖质特征, 且以自生源为主(图 6)。结合三种荧光指数及养殖现场实际情况, 对照池水体DOM主要来源于有限补给的外源海水和自身水体的有机质, 而养殖池水体DOM则主要来自内源浮游藻类、过剩饵料、动植物残体等有机质。

图 6 对照池和养殖池DOM荧光组分的FI-HIX、BIX-HIX分布 Fig. 6 FI-HIX and BIX-HIX distribution of DOM fluorescent components in control pond and aquaculture pond

综上所述, 3种荧光指数(FI、BIX、HIX)对表征不同养殖水体有机质来源具有良好的指示作用, 养殖池浮游微藻、饵料及动植物残体等有机质的降解作用导致的内源输入较对照池有限水源补给的外源输入作用对养殖水体DOM具有更大的贡献。

关于水体中DOM荧光组分之间的相关关系也有较多的文献报道, 江俊武等(2017)对太湖水体DOM荧光组分之间的相关性研究发现, 各荧光组分之间存在极显著的相关性, 说明它们在来源上具有相似性。朱爱菊等(2019)在研究亚热带河口陆基养虾塘水体DOM三维荧光特征变化时发现不同DOM荧光组分之间存在极显著相关性, 表明其来源具有相似性。本文中养殖池水体DOM除组分C3与C4之间无明显相关性外, 其他各组分之间均呈极显著正相关(P < 0.01)(表 2), 表明养殖池中类腐殖酸之间或类腐殖酸与类蛋白质之间可能具有相同的来源, 养殖池水体的高密度生物量(浮游藻类、养殖对虾等)是养殖水体DOM来源的主要贡献者。

表 2 养殖池水体DOM荧光组分的相关分析 Tab. 2 Correlation analysis between DOM fluorescence components in aquaculture pond
DOM组分 C1 C2 C3 C4
C1 1
C2 0.97** 1
C3 0.76** 0.78** 1
C4 0.88** 0.88** 0.44 1
注: **表示P < 0.01; *表示P < 0.05.
3.3 DOM荧光组分与主要水质参数之间的关系

DOM可通过光降解或微生物降解过程释放出氮、磷等生源要素(McCallister et al, 2006; Mayer et al, 2009; 吕伟伟等, 2018)。宋晓娜等(2010)的研究表明, 类腐殖酸和类蛋白质与TN、TP及NO3-等呈显著正相关关系。江俊武等(2017)研究也发现, DOM与氮、磷营养盐具有良好的相关性, 与氮、磷等元素迁移转化密切相关。众多的研究表明DOM荧光强度对营养盐具有较好的指示意义, 可以作为表征营养盐浓度高低的指标(吕伟伟等, 2018)。本研究中, 养殖池NO3-和NO2-含量均明显高于对照池, 且随养殖时间呈现浓度总体升高, 因为养殖过程水体产生了大量有机质, 包括过剩饵料、生物排泄物等, 在采样时期内水体微生物活性较高, 分解有机质产生大量营养盐并随时间逐渐积累增多。相关性分析发现, 养殖池水体DOM荧光组分C1和C4与NO3-和NO2-含量具有显著相关关系(P < 0.05), 组分C4与PO43-含量具有极显著相关关系(P < 0.01), 对照池DOM各荧光组分均与NO2-、NO3-、PO43-含量具有极显著正相关关系(P < 0.01)(表 3), 表明DOM组分的产生与利用伴随着营养盐的生成与消耗, DOM组分与氮、磷元素的迁移转化行为密切相关。

表 3 不同水体DOM荧光组分与各水质参数间的相关分析 Tab. 3 Correlation analysis between DOM fluorescence components and water quality parameters in different ponds
虾池编号 参数 C1 C2 C3 C4 TOC DOC chl a NO2- NO3- PO43-
对照池 C1 1
C2 0.99** 1
C3 0.99** 0.99** 1
C4 1
TOC 0.27 0.19 0.24 1
DOC −0.42 −0.66 −0.55 0.52 1
chl a 0.11 0.07 0.11 –0.07 −0.51 1
NO2- 0.90** 0.88** 0.89** 0.39 −0.18 0.21 1
NO3- 0.93** 0.91** 0.93** 0.46 0.83* 0.02 0.85** 1
PO43- 0.93** 0.89** 0.91** 0.42 0.35 −0.06 0.91** 0.86** 1
养殖池 C1 1
C2 0.97** 1
C3 0.76** 0.78** 1
C4 0.88** 0.88** 0.44 1
TOC 0.39 0.36 −0.17 0.63 1
DOC 0.48 0.32 0.54 0.27 −0.35 1
chl a 0.60* 0.51 −0.03 0.79** 0.84** 0.26 1
NO2- 0.60* 0.48 0.10 0.63* 0.70* 0.42 0.81** 1
NO3- 0.65* 0.54 0.16 0.63* 0.71* 0.25 0.85** 0.91** 1
PO43- −0.51 −0.48 0.03 −0.68* −0.64* 0.18 −0.70* −0.67* −0.60* 1
注: **表示P < 0.01; *表示P < 0.05; —表示对照池中不含组分C4且不存在C4与其他参数的相关性

还有研究者发现荧光组分与DOC含量之间具有一定相关性, 并试图通过荧光组分来反演DOC的含量(Spencer et al, 2012; 姜广甲等, 2015; 邵田田等, 2018)。分析本研究中的有关数据发现, 养殖池水体中DOM荧光组分与DOC的相关性不显著(表 3), 推测可能是因为在生物降解、光化学降解等作用下, DOM中的蛋白类物质、腐殖酸、富里酸以及一些非荧光物质在DOC中所占比例不同(Moran et al, 1997), 导致DOM荧光组分与DOC的相关性存在一定差异, 这与江俊武等(2017)的研究结果基本一致。另外, 前人研究表明DOM荧光组分与chl a含量之间也会呈现出良好的相关关系, 表明浮游藻类是DOM组分来源的重要贡献者(姚昕等, 2014; 王书航等, 2016; 江俊武等, 2017; 吕伟伟等, 2018)。本研究中养殖池水体chl a含量不断升高, 原因主要有两方面, 一方面因为水体产生大量有机质, 其中部分有机质可被浮游藻类直接吸收利用, 进而产生更多的生物量; 另一方面因为大量有机质在被微生物分解利用后, 产生更多的营养盐, 进而被浮游藻类吸收利用, 支持了更多的生物量, 导致水体叶绿素含量不断升高。研究发现, 养殖池水体DOM荧光组分C1和C4与chl a含量均呈显著正相关(P < 0.05)(表 3), 说明浮游藻类是养殖池水体DOM类蛋白质(C4)和类腐殖酸(C1)的重要来源。同时, 荧光组分C2和C3与chl a含量之间的相关性不显著(表 3), 也表明了类蛋白质和类腐殖酸与chl a含量的关系存在一定差异。综上所述, DOM组分与氮、磷营养盐等具有良好的相关关系, 表明DOM的产生与利用与营养盐的消耗和生成过程相耦合, 揭示了DOM与氮、磷等营养元素的迁移转化行为密切相关。养殖池水体DOM组分与chl a相关性分析表明浮游藻类是养殖水体DOM类蛋白质(C4)和类腐殖酸(C1)的重要来源。

4 结论

(1) 本研究的养殖池水体DOM组分主要包括1种类蛋白质物质(C4)和3种类腐殖酸物质(C1、C2与C3)。相较对照池而言, 养殖池DOM组分C4作为其特有荧光组分, 且荧光强度高于对照池各组, 表明养殖水体有机质高度积累, 对周边环境的富营养化带来潜在威胁。类腐殖酸为对照池和养殖池水体DOM的主要成分, 推测可能受采样时期水体中微生物较强的有机质分解作用。

(2) 3种荧光指数对表征水体有机质来源及其贡献具有良好的指示作用。对照池和养殖池水体DOM来源于外源和内源, 主要以内源输入为主。养殖池水体DOM内源特性相对较强, 高密度生物量(浮游藻类、对虾等)是养殖池水体DOM来源的主要贡献者。

(3) 养殖水体DOM与营养盐(氮、磷营养盐为主)之间具有不同程度的显著相关性, 表明DOM组分的产生与利用与营养盐的消耗与生成过程相耦合, DOM与氮、磷元素的迁移转化行为密切相关。浮游藻类是本研究养殖池水体DOM类蛋白质(C4)和类腐殖酸(C1)的重要来源。

参考文献
王书航, 王雯雯, 姜霞, 等, 2016. 基于三维荧光光谱-平行因子分析技术的蠡湖CDOM分布特征. 中国环境科学, 36(2): 517-524 DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2016.02.031
吕伟伟, 姚昕, 张保华, 2018. 太湖水体有机质荧光特征及其来源解析. 生态环境学报, 27(8): 1512-1521
朱爱菊, 孙东耀, 谭季, 等, 2019. 亚热带河口陆基养虾塘水体CDOM三维荧光光谱平行因子分析. 环境科学, 40(1): 164-171 DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2019.01.018
刘笑菡, 张运林, 殷燕, 等, 2012. 三维荧光光谱及平行因子分析法在CDOM研究中的应用. 海洋湖沼通报, 34(3): 133-145
江俊武, 李帅东, 沈胤胤, 等, 2017. 夏季太湖CDOM光学特性空间差异及其来源解析. 环境科学研究, 30(7): 1020-1030
农业部渔业渔政管理局, 2016. 2016中国渔业统计年鉴. 北京: 中国农业出版社, 27
李中虎, 张广芹, 刘聪, 等, 2021. 山东沿海地区工厂化水产养殖存在的问题及建议. 中国动物保健, 23(9): 100-101 DOI:10.3969/j.issn.1008-4754.2021.09.066
李成军, 2019. 我国水产养殖安全问题研究现状. 现代农业, (6): 69-70
吴丰昌, 王立英, 黎文, 等, 2008. 天然有机质及其在地表环境中的重要性. 湖泊科学, 20(1): 1-12 DOI:10.3321/j.issn:1003-5427.2008.01.001
宋晓娜, 于涛, 张远, 等, 2010. 利用三维荧光技术分析太湖水体溶解性有机质的分布特征及来源. 环境科学学报, 30(11): 2321-2331
邵田田, 李柳阳, 王涛, 等, 2018. 辽河流域河流秋季CDOM光学特性及影响因素研究. 环境科学学报, 38(4): 1558-1568
赵紫凡, 孙欢, 苏雅玲, 2019. 基于紫外-可见光吸收光谱和三维荧光光谱的腐殖酸光降解组分特征分析. 湖泊科学, 31(4): 1088-1098
胡素征, 李桂菊, 李奕洁, 等, 2015. 长江口有色溶解有机物光谱特性及其示踪溶解有机碳研究. 天津科技大学学报, 30(3): 57-61
姜广甲, 苏文, 马荣华, 等, 2015. 富营养化水体颗粒有机碳浓度的遥感估算及动态变化特征. 红外与毫米波学报, 34(2): 203-210
姚昕, 张运林, 朱广伟, 等, 2014. 湖泊草、藻来源溶解性有机质及其微生物降解的差异. 环境科学学报, 34(3): 688-694
贾瑞胜, 周建军, 董克, 等, 2021. 水产养殖常见不良水色危害及调节措施. 今日畜牧兽医, 37(7): 61 DOI:10.3969/j.issn.1673-4092.2021.07.049
郭卫东, 黄建平, 洪华生, 等, 2010. 河口区溶解有机物三维荧光光谱的平行因子分析及其示踪特性. 环境科学, 31(6): 1419-1427
黄昌春, 李云梅, 王桥, 等, 2010. 基于三维荧光和平行因子分析法的太湖水体CDOM组分光学特征. 湖泊科学, 22(3): 375-382
傅平青, 刘丛强, 吴丰昌, 2005. 溶解有机质的三维荧光光谱特征研究. 光谱学与光谱分析, 25(12): 2024-2028 DOI:10.3321/j.issn:1000-0593.2005.12.031
CORY R M, MCKNIGHT D M, 2005. Fluorescence spectroscopy reveals ubiquitous presence of oxidized and reduced quinones in dissolved organic matter. Environmental Science and Technology, 39(21): 8142-8149 DOI:10.1021/es0506962
HE X S, XI B D, LI X, et al, 2013. Fluorescence excitation–emission matrix spectra coupled with parallel factor and regional integration analysis to characterize organic matter humification. Chemosphere, 93(9): 2208-2215 DOI:10.1016/j.chemosphere.2013.04.039
HUGUET A, VACHER L, RELEXANS S, et al, 2009. Properties of fluorescent dissolved organic matter in the Gironde Estuary. Organic Geochemistry, 40(6): 706-719 DOI:10.1016/j.orggeochem.2009.03.002
JAFFÉ R, BOYER J N, LU X, et al, 2004. Source characterization of dissolved organic matter in a subtropical mangrove- dominated estuary by fluorescence analysis. Marine Chemistry, 84(3/4): 195-210
KRAMER G D, HERNDL G J, 2004. Photo- and bioreactivity of chromophoric dissolved organic matter produced by marine bacterioplankton. Aquatic Microbial Ecology, 36(3): 239-246
LAWAETZ A J, STEDMON C A, 2009. Fluorescence intensity calibration using the raman scatter peak of water. Applied Spectroscopy, 63(8): 936-940 DOI:10.1366/000370209788964548
LI P H, CHEN L, ZHANG W, et al, 2015. Spatiotemporal distribution, sources, and photobleaching imprint of dissolved organic matter in the yangtze estuary and its adjacent sea using fluorescence and parallel factor analysis. PLoS One, 10(6): e0130852 DOI:10.1371/journal.pone.0130852
MAYER L M, SCHICK L L, HARDY K R, et al, 2009. Photodissolution and other photochemical changes upon irradiation of algal detritus. Limnology and Oceanography, 54(5): 1688-1698 DOI:10.4319/lo.2009.54.5.1688
MCCALLISTER S L, BAUER J E, DUCKLOW H W, et al, 2006. Sources of estuarine dissolved and particulate organic matter: a multi-tracer approach. Organic Geochemistry, 37(4): 454-468 DOI:10.1016/j.orggeochem.2005.12.005
MORAN M A, ZEPP R G, 1997. Role of photoreactions in the formation of biologically labile compounds from dissolved organic matter. Limnology and Oceanography, 42(6): 1307-1316 DOI:10.4319/lo.1997.42.6.1307
MURPHY K R, RUIZ G M, DUNSMUIR W T M, et al, 2006. Optimized parameters for fluorescence-based verification of ballast water exchange by ships. Environmental Science & Technology, 40(7): 2357-2362
NIETO-CID M, ÁLVAREZ-SALGADO X A, PÉREZ F F, 2006. Microbial and photochemical reactivity of fluorescent dissolved organic matter in a coastal upwelling system. Limnology and Oceanography, 51(3): 1391-1400 DOI:10.4319/lo.2006.51.3.1391
OHNO T, 2002. Fluorescence inner-filtering correction for determining the humification index of dissolved organic matter. Environmental Science & Technology, 36(4): 742-746
PARSONS T R, MAITA Y, LALLI C M, 1984. A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis. Oxford: Pergamon Press
SCHMITT A S C, SANTOS E A, 1998. Ammonia-N efflux rate and nutritional state of juvenile pink shrimp, Penaeus paulensis (perez-farfante), in relation to food type. Aquaculture Research, 29(7): 495-502
SINGH S, D'SA E J, SWENSON E M, 2010. Chromophoric dissolved organic matter (CDOM) variability in Barataria Basin using excitation–emission matrix (EEM) fluorescence and parallel factor analysis (PARAFAC). Science of the Total Environment, 408(16): 3211-3222 DOI:10.1016/j.scitotenv.2010.03.044
SPENCER R G M, BUTLER K D, AIKEN G R, 2012. Dissolved organic carbon and chromophoric dissolved organic matter properties of rivers in the USA. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 117(G3): G03001
STEDMON C A, MARKAGER S, 2005. Resolving the variability in dissolved organic matter fluorescence in a temperate estuary and its catchment using PARAFAC analysis. Limnology and Oceanography, 50(2): 686-697 DOI:10.4319/lo.2005.50.2.0686
WANG H, WANG Y H, ZHUANG W E, et al, 2020. Effects of fish culture on particulate organic matter in a reservoir-type river as revealed by absorption spectroscopy and fluorescence EEM-PARAFAC. Chemosphere, 239: 124734 DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.124734
WILLIAMS J, CRUTZEN P J, 2010. Nitrous oxide from aquaculture. Nature Geoscience, 3(3): 143 DOI:10.1038/ngeo804
WU F C, TANOUE E, 2001. Isolation and partial characterization of dissolved copper-complexing ligands in streamwaters. Environmental Science & Technology, 35(18): 3646-3652
WU F C, TANOUE E, LIU C Q, 2003. Fluorescence and amino acid characteristics of molecular size fractions of DOM in the waters of Lake Biwa. Biogeochemistry, 65(2): 245-257 DOI:10.1023/A:1026074318377
YAMASHITA Y, JAFFÉ R, MAIE N, et al, 2008. Assessing the dynamics of dissolved organic matter (DOM) in coastal environments by excitation emission matrix fluorescence and parallel factor analysis (EEM-PARAFAC). Limnology and Oceanography, 53(5): 1900-1908 DOI:10.4319/lo.2008.53.5.1900
YAN L H, SU R G, ZHANG C S, et al, 2012. Assessing the dynamics of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in the Yellow Sea and the East China Sea in autumn by EEMs-PARAFAC. Science China Chemistry, 55(12): 2595-2609 DOI:10.1007/s11426-012-4617-7
YANG L Y, HONG H S, CHEN C T A, et al, 2013. Chromophoric dissolved organic matter in the estuaries of populated and mountainous Taiwan. Marine Chemistry, 157: 12-23 DOI:10.1016/j.marchem.2013.07.002
YAO X, ZHANG Y L, ZHU G W, et al, 2011. Resolving the variability of CDOM fluorescence to differentiate the sources and fate of DOM in Lake Taihu and its tributaries. Chemosphere, 82(2): 145-155 DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.10.049
ZHANG Y L, LIU X H, OSBURN C L, et al, 2013. Photobleaching response of different sources of chromophoric dissolved organic matter exposed to natural solar radiation using absorption and excitation–emission matrix spectra. PLoS One, 8(10): e77515 DOI:10.1371/journal.pone.0077515
ZHANG Y L, VAN DIJK M A, LIU M L, et al, 2009. The contribution of phytoplankton degradation to chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in eutrophic shallow lakes: field and experimental evidence. Water Research, 43(18): 4685-4697 DOI:10.1016/j.watres.2009.07.024
ZHANG Y L, YIN Y, FENG L Q, et al, 2011. Characterizing chromophoric dissolved organic matter in Lake Tianmuhu and its catchment basin using excitation-emission matrix fluorescence and parallel factor analysis. Water Research, 45(16): 5110-5122 DOI:10.1016/j.watres.2011.07.014