河流底泥含有大量的污染物质(褚君达和徐惠慈，1994)，一定条件下，累积于底泥中的污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物作用交换(Yang et al., 2014)，可重新进入上覆水中，成为影响河流水质的二次污染源，从而影响河流水质环境(周安兴等，2011; Hur et al., 2014)，是水质影响的不可忽视的重要污染源(Southwell et al., 2011).然而这些研究均集中在畅流期.我国北方地区每年11月份江河水面开始结冻，约在11月下旬水面形成冰盖，由畅流期转为冰封期(王宪恩等，2003).我国北方河流冰封期长达2~5个月，冰封期河流水质较差，并且冰封期河流在水文及其它影响污染物削减的因素方面不同于畅流期(郑秋红等，2006；Ran et al., 2011).可见，对于冰封期河流底泥污染状况的研究具有特殊的意义.

溶解性有机物(Dissolved organic matter，DOM)通常是指水中能通过0.45 um滤膜的有机物(贾陈忠等，2012).由于DOM在生物地化循环中扮演着重要角色(蔡明红等，2012; Wang et al., 2011)，研究其来源、分布特征及迁移转化规律显得至关重要(Kraus et al., 2008).由于DOM的组成非常复杂，很难在分子水平上进行分析.近年来国内外学者采用的化学分级法，即利用树脂的吸附特性，将DOM分成几种具有显著特征的组分，并辅助以化学分析仪器对各组分进行分析，得到了广泛的应用(Leenheer and Croué，2003).

荧光光谱技术具有灵敏度高，选择性好，且不破坏样品结构的优点(热合曼江 · 吾甫尔等，2014)，广泛用于定性或定量测定有机物的物理化学特性(冯伟莹等，2013; Zhu et al., 2014).通过荧光光谱图中荧光峰的位置、数量、强度的变化，能够初步判断DOM的种类、分布和来源(钟润生等，2008).Chen等(2003)提出的荧光区域积分(Fluorescence regional integration，FRI)法是将三维荧光图谱定量化，分为5个区域进行积分处理.与寻峰法相比，FRI法不仅能够充分利用有机物的荧光信息，而且克服了由于荧光团间相互叠加而导致的有些可能无法识别或识别不准确等缺点(何小松等，2012).同步荧光法(Synchronous fluorescence spectroscop，SFS)是在扫描过程中使激发波长(E_x)和发射波长(E_m)保持固定的波长间隔(Δλ= E_m - E_x =常数).同步荧光法具有选择性好、灵敏度高、谱图简化、干扰少等特点，尤其适合对多组分混合物的分析(何立芳等，2004).

本研究利用树脂吸附分级法，以沈阳市新开河为研究对象，进行底泥中DOM的分级分离，并采用FRI法和同步荧光法对冰封期前、后河流底泥中的DOM组分进行特性表征和比较，分析冰封期河流底泥中DOM组分的荧光特性的变化.

新开河是1914年在沈阳市区北部人工开凿的一条灌溉渠道.新开河东起上游的东陵引水闸门，西至下游的767库专用线.河道全长27.7 km，宽度15～25 m不等.除城区景观河流功能外，新开河兼俱农村灌溉、地下水补给、城区防汛排水功能(岳杰，2011).分别于冰封期前(2012-11-22)和冰封期后(2013-3-20)利用GPS定位，在新开河选择6个点采样(图 1)，用抓斗式底泥采样器采取0～10 cm的表层底泥，底泥样品装入聚乙烯塑料袋中密封，贴上标签以备后用.冰封期前、后在6个采样点采集的泥样分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6和B1、B2、B3、B4、B5、B6.采样点附近的污水排放口及排放情况如表 1所示.

图 1(Fig. 1)

图 1 新开河采样点示意图 Fig. 1 Sampling sites in the North Canal

表1(Table 1)

表1 采样点附近的污水排放口及排放情况 Table 1 Sewage outfalls and their discharging status near the sampling sites

表1 采样点附近的污水排放口及排放情况 Table 1 Sewage outfalls and their discharging status near the sampling sites 采样点 污水口性质 排放情况 1 ― ― 2 城市污水管泄洪口 雨小时没有污水流出 3 城市污水管泄洪口 雨小时没有污水流出 污水口 采样时有污水流出(生活污水)，流量约为2 m3·h-1 4 不清 采样时没有污水流出 5 ― ― 6 城市污水管泄洪口 雨小时没有污水流出 污水口 采样时有污水流出(生活污水)，流量<5 m3·h-1

底泥样品置于常温下避光风干至恒重后，研碎并过2 mm 筛子，将筛下土样以125 g土 ∶ 1L去离子水的比例进行稀释溶解，于20 ℃ 恒温下磁力搅拌1 h，静置24 h后将上清液用0.45 μm滤膜过滤，调至pH=2，然后用蠕动泵使滤液依次通过串联的XAD-7和XAD-4树脂柱.按照DOM在不同树脂上的吸附特性将其分为疏水性有机酸(HPO-A)，疏水性中性物质(HPO-N)，过渡亲水性有机酸(TPI-A)，过渡亲水性中性物质(TPI-N)和亲水性有机物(HPI)5部分(Chen et al., 2003).

溶解性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)采用Shimadou TOC-5000型总有机碳分析仪测定.

荧光光谱采用Eclipse EL0507-3920型分光荧光计测定.调节水样pH值为7，然后装入1 cm 石英荧光样品池中进行荧光光谱测定，激发和发射狭缝宽度均为5 nm，扫描速度为1200 nm · min^-1.三维荧光光谱的E_x扫描范围为220~400 nm，E_m扫描范围290~550 nm；同步荧光光谱的波长扫描范围为E_x＝280~550 nm，Δλ=60 nm.FRI法将三维荧光图谱分为5个区域，通过计算特定区域标准体积(Φ_i,n)量化三维荧光图谱.这5个荧光区域分别为：Ⅰ区(E_x/E_m = 220~250 nm/290~330 nm，类芳香族蛋白质荧光Ⅰ)；Ⅱ区(E_x/E_m = 220~250 nm/330~380 nm，类芳香族蛋白质荧光Ⅱ)；Ⅲ区(E_x/E_m = 220~250 nm/ 380~550 nm，类富里酸物质荧光)；Ⅳ区(E_x/E_m = 250~400 nm/290~380 nm，类溶解性微生物代谢产物荧光)；Ⅴ区(E_x/E_m = 250~400 nm/380~550 nm，类腐殖酸物质荧光).在FRI法中，Φ_i，n 表示具有相似性质的DOM的累计荧光强度，可反映出对应这一区域的特定结构的相对含量，Φ_T，n表示整体积分区域的累计荧光强度.Φ_i,n、Φ_T,n的值由以下公式进行计算：

为消除瑞利散射对水样DOM荧光的影响，将发射波长等于1倍和2倍激发波长处及其邻近(±20 nm)的区域，以及发射波长小于激发波长的区域和发射波长大于二倍激发波长的区域内的结果置零(肖雪等，2010)，并在计算MF_i时，将这些区域去除.

作为河流污染物的主要蓄积库，底泥不仅可以直接反映水体的污染历史，而且在一定条件下会向上覆水体释放各种污染物，是影响河流水质的重要二次污染源(李彬等，2008).从图 2可以看出，冰封期前、后河流底泥的DOC并未随水流方向降低，而是在采样点3处升高，之后降低，最后在采样点6处再次上升.这和新开河沿岸污水排放以及河水的自净作用有关.沈阳属水量缺少型城市，新开河水源供给主要靠浑河径流.每年5—9月灌溉期，由大伙房水库供水，新开河引水流量可达到20~30 m³ · s^-1，且水质较好；其余时间，引浑河径流，引水流量为3~15 m³ · s^-1，水质虽不十分清澈，但足以达到城市环境用水标准.但是由于新开河沿岸的部分市政污水泵站在河道内还留有污水溢流口，遇到停电、设备检修、雨量较大及人为因素等特殊情况时，市政污水就会从溢流口向新开河排放，造成污染(岳杰，2011).加之第三产业迅猛发展过程中一些非规范的污水排入，更加重了新开河水质污染.由表 1可知，采样点1处无污水汇入，因而此处的底泥DOC值较低；采样点2上游约500m处存在城市污水管泄洪口，由于城市污水泻洪导致的污染，采样点2处的底泥DOC值高于采样点1；除了城市污水管泄洪口，采样点3附近还存在生活污水排放口，因此该处的底泥DOC值较高，在冰封期前、后分别为40.2 mg · L^-1和34.4 mg · L^-1；由于河水的自净作用，随水流方向有机物浓度降低，底泥中的DOM通过化学扩散和再悬浮等地球化学过程释放到水体，因此采样点4和5的底泥DOC值较低；采样点6处的污水排放情况和采样点3相近，因此其底泥的DOC值也较高.由图 2可以看出，冰封期前各采样点的底泥DOC值约是冰封期后的1.2~9.8倍，说明在冰封期河流底泥主要是作为“污染源”，向水体释放污染物，因此在冰封期后，各采样点的底泥DOC值均降低.

图 2(Fig. 2)

图 2 冰封期前(a)、后(b)河流底泥中DOM的DOC Fig. 2 DOC for DOM in the sediments of river before(a) and after(b)the icebound season

由图 3(a)可知，冰封期前河流底泥中HPO-A组分的DOC最高，占总量的 41.2%~69.5%；THP-A次之，占总量的12.4%~26.4%；HPO-N的含量最低，约占总量的0.9%~9.8%.两种有机酸性组分(HPO-A和THP-A)是底泥DOM的主要组分，约占总量的67.6%~86.6%.图 3(b)反映了冰封期后底泥DOM的分布特征.结果表明，HPO-A的DOC范围为0.9~14.7 mg · L^-1，占总量的38.9%~63.9%，与冰封期前相比略有降低；其次为TPI-A组分，占总量的14.5%~35.3%，这两种有机酸性组分仍然是底泥DOM的主要组分，二者之和占总量的64.4%~92.5%；而与冰封期前不同的是，冰封期后底泥中的TPI-N组分的DOC所占比例升高，为5.5%~20.5%(冰封期前为0.8%~13.2%)；HPI所占比例最小，为0.6%~7.6%.冰封期后HPO-A和HPI的DOC分别是冰封期前的32.3%~85.9%和25.9%~95.6%；TPI-N也有4个采样点1、2、5和6的DOC值在冰封期前高于冰封期后.由实验结果来看，河流底泥在冰封期向水体释放的DOM组分主要是HPO-A，TPI-N和HPI.

图 3(Fig. 3)

图 3 冰封期前(a)、后(b)河流底泥中DOM及其组分的DOC Fig. 3 DOC for DOM and its fractions in the sediments of river before(a) and after(b)the icebound season

各采样点冰封期前DOM组分的三维荧光光谱图如图 4所示.冰封期前底泥DOM组分中含有类腐殖酸荧光团，类富里酸荧光团，类芳香族蛋白质荧光团和类溶解性微生物代谢产物荧光团.有学者(Wu and Tanoue， 2001)认为，类富里酸荧光团与类腐殖酸荧光团与腐殖质结构中的羰基和羧基有关；而芳香蛋白类荧光团与芳环氨基酸结构有关.在HPO-A光谱图上可以观察到两个明显的荧光峰，即类富里酸荧光峰和类腐殖酸荧光峰，而完整的类芳香族蛋白质荧光峰II存在于A1，A3，A5和A6中，该荧光峰在A2和A4的光谱图中是以“肩峰”形式存在的；在HPO-N的光谱图中均能观察到类芳香族蛋白质荧光峰II，类溶解性微生物代谢产物荧光峰存在于A1，A2和A5中，而类腐殖酸荧光峰存在于A4和A6中；在TPI-A的光谱图中能观察到类芳香族蛋白质荧光峰II，类富里酸荧光峰和类腐殖酸荧光峰存在于除了A4以外的光谱图中；TPI-N的A1、A4和A5中存在类芳香族蛋白质荧光峰II，A2、A3和A6中存在类富里酸荧光峰，A1、A5和A6中存在类溶解性微生物代谢产物荧光峰，在A1、A2、A3、A4和A6中能够观察到完整的类腐殖酸荧光峰，在A5中该峰以“肩峰”形式存在；从不同采样点的HPI光谱图中均能观察到类芳香族蛋白质荧光峰II，类腐殖酸荧光峰存在于A2、A3和A4中，类溶解性微生物代谢产物荧光峰存在于A2、A3和A5中，此外在A4的图谱中还能够观察到类富里酸荧光峰.

图 4(Fig. 4)

图 4 冰封期前河流底泥中DOM组分的三维荧光光谱图 Fig. 4 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM fractions in the sediments of river before the icebound season

图 5反映了冰封期后底泥各DOM组分的三维荧光光谱图.与冰封期前相比，冰封期后HPO-A的类芳香蛋白Ⅱ荧光峰在B1和B5中消失，而在B2和B4中以完整峰形出现，此外，B3、B4和B6中还出现了溶解性微生物代谢产物荧光峰；HPO-N的光谱图结果表明B4和B6处的溶解性微生物代谢产物荧光峰在冰封期后消失；对于TPI-A来说，在其冰封期后的光谱图中除了能够观察到冰封期前出现的类芳香蛋白Ⅱ荧光峰，类富里酸荧光峰和类腐殖酸荧光峰外，在B1、B4和B5中还出现了溶解性微生物代谢产物荧光峰；TPI-N的光谱图显示，类富里酸荧光峰和溶解性微生物代谢产物荧光峰在冰封期后消失，在冰封期后所有采样点的TPI-N光谱图上均只能观察到类芳香蛋白Ⅱ荧光峰和类腐殖酸荧光峰；与冰封期前相比，冰封期后HPI在B1、B2和B6处的溶解性微生物代谢产物荧光峰消失，而B1、B5和B6处则出现了类腐殖酸荧光峰.

图 5(Fig. 5)

图 5 冰封期后河流底泥中DOM组分的三维荧光光谱图 Fig. 5 Three-dimensional fluorescence spectra of DOM fractions in the sediments of river after the icebound season

由于测定荧光光谱时，每个DOM组分水样均被稀释至相同浓度，所以图 5中的Φ_i，n和Φ_T，n均为将利用FRI法计算出的荧光强度乘以水样DOC后所得的数值，该数值可反映荧光物质含量的多少.本研究中将Φ_Ⅰ，n和Φ_Ⅱ，n相加，统一表示类芳香族蛋白质荧光区域内的累计荧光强度，以Φ_Ⅰ+Ⅱ，n表示.

由图 6可知，对于各DOM组分来说，Φ_Ⅰ+Ⅱ，n值最高，占Φ_T，n值的77.3%~84.8%；Φ_Ⅲ，n值位列第二，占Φ_T，n值的10.7%~16.9%；Φ_Ⅳ，n值和Φ_Ⅴ，n值最低，分别占总量的2.3%~3.4%和1.5%~2.8%.对于Φ_T，n值来说，HPO-A的Φ_T，n值最高，TPO-A次之，而两种中性组分(HPO-N和TPI-N)的Φ_T，n值较低，这说明HPO-A中荧光物质的含量较高，而HPO-N和TPI-N中荧光物质的含量较低.除了TPI-A外，其余4种组分的Φ_i，n值和Φ_T，n值随水流方向的变化趋势与DOC相同，但变化程度并不一致.以A3至A4段为例，HPO-A，HPO-N，TPI-A，TPI-N和HPI这5种组分的DOC变化率分别为-48.6%(负号表示降低)，-91.8%，1.4%，-76.9%和-26.6%；而这5种组分的Φ_Ⅰ+Ⅱ，n值变化率分别为-54.8%，-90.6%，10.1%，-79.3%和-25.7%；Φ_Ⅲ，n值变化率分别为-34.4%，-87.4%，2.3%，-80.4%和9.1%；Φ_Ⅳ，n值变化率分别为-51.3%，-90.23%，14.0%，-80.0%和-9.9%；Φ_Ⅴ，n值变化率分别为-38.7%，-89.9%，9.6%，-81.5%和17.1%；Φ_T，n值变化率分别为-51.8%，-90.2%，8.7%，-79.6%和-23.2%.

图 6(Fig. 6)

图 6 冰封期前河流底泥中DOM组分的的Φi，n和ΦT，n Fig. 6 Φi，n and ΦT，n for DOM fractions in the sediments of river before the icebound season

由图 7可知，冰封期后各DOM组分的Φ_Ⅰ+Ⅱ，n值最高，占总量的76.1%~85.2%，所占比例与冰封期前相差不大；Φ_Ⅲ，n值位列第二，占总量的10.7%~18.1%；Φ_Ⅳ，n值和Φ_Ⅴ，n值最低，分别占总量的2.4%~3.5%和1.1%~2.9%.对于5种DOM组分的Φ_T，n值来说，HPO-A的Φ_T，n值最高，而HPI组分的Φ_T，n值较低.对比冰封期前、后DOM组分的Φ_i，n值和Φ_T，n值后发现，各采样点HPO-A和HPI的Φ_i，n值和Φ_T，n值在冰封期前均高于冰封期后.冰封期前HPO-N的Φ_Ⅰ+Ⅱ，n值，Φ_Ⅴ，n值和Φ_T，n值，在采样点1、2、5和6处高于冰封期后，Φ_Ⅲ，n值和Φ_Ⅳ，n值则在采样点1，5和6处高于冰封期后.冰封期前后单位DOC的HPO-N组分的Φ_i，n值和Φ_T，n值均高于其他组分，但其DOC较低，因此该组分的荧光物质的含量较低.对于TPI-A来说，冰封期前在3、5和6采样点的Φ_i，n值和Φ_T，n值高于冰封期后.而冰封期前TPI-N在采样点3和4的DOC值分别仅为冰封期后的12.1%和8.0%，因此冰封期前在这两个采样点的TPI-N的Φ_i，n值和Φ_T，n值低于冰封期后，而在其他采样点，冰封期前TPI-N的Φ_i，n值和Φ_T，n值均高于冰封期后.上述数据说明，在冰封期河流底泥HPO-A和HPI中的腐殖酸荧光物质，类富里酸荧光物质，类芳香族蛋白质荧光物质和类溶解性微生物代谢产物荧光物质均向水体释放，而其他3种DOM组分中的荧光物质在水-底泥系统中的迁移行为缺乏规律性.

图 7(Fig. 7)

图 7 冰封期后河流底泥中DOM组分的Φi，n和ΦT，n Fig. 7 Φi，n and ΦT，n for DOM fractions in the sediments of river after the icebound season

图 8和图 9分别是是冰封期前、后底泥DOM组分的同步荧光光谱图.各DOM组分的同步荧光光谱中共出现3个荧光峰：峰I(E_x=285~295 nm)、峰II(E_x=330~350 nm)和峰III(E_x=380~400 nm).与三维荧光光谱图比较可知，峰I位于溶解性微生物代谢产物荧光峰的下方，Alberts和Takács(2004)认为该峰表示的是芳香性氨基酸(色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)类物质及含有芳香性氨基酸的蛋白质；峰II位于类腐殖酸荧光峰的左侧；在三维荧光光谱图中没有发现峰III，根据Smith和Kramer(1999)的研究，峰III表示的是含有稠环结构的芳香性物质，如四羟酮醇(E_x/E_m= 400~420/460~480 nm).

图 8(Fig. 8)

图 8 冰封期前河流底泥中DOM组分的同步荧光光谱图 Fig. 8 Synchronous fluorescence spectra of DOM fractions in the sediments of river before the icebound season

由图 8可知，HPO-N在峰I处有明显吸收，而另外4种DOM组分在该处的荧光信号较弱，这说明冰封期前底泥中与峰I对应的荧光物质主要存在于HPO-N中，而在其他4种组分中含量较低.HPO-A、TPI-A和TPI-N在峰II处显示有明显吸收，A1、A2、A4和A5的HPO-N在峰II处也显示有吸收，而HPI在峰II处没有明显荧光信号，三维荧光光谱结果中Φ_Ⅴ，n值也反映出该组分的类腐殖酸荧光物质含量较低(图 6).此外，由图 7可以看出，中性组分的峰II中心位置比酸性组分的偏左，说明中性组分中与峰II对应的荧光物质的成分与酸性组分中的并不完全相同，这和图 4的三维荧光光谱中中性组分类腐殖酸荧光峰的激发波长较短一致.5种DOM组分中，仅HPI在峰III处显示出微弱的荧光信号，这种结果反映出冰封期前底泥中含有稠环结构的芳香性物质主要集中于亲水性有机物中，且含量较低.

对比图 8和图 9可以发现，经过冰封期，除B1处的HPO-N在峰I处的荧光强度增强之外，各采样点各DOM组分在在峰I处的荧光强度均显著下降.此外，各采样点各DOM组分在峰II处的荧光强度均显著下降.这些结果说明在冰封期，底泥DOM中与峰I和峰II对应的荧光物质向水体释放，导致其在DOM组分中相对含量的显著降低.而另一方面，冰封期后B2、B3和B4的HPO-A、HPO-N、TPI-A和TPI-N的峰III呈现明显峰形.这可能是由于水体中与峰III对应的荧光物质通过吸附、沉降等作用进入底泥中，或者是底泥中与峰III对应的荧光物质向水体的释放量小于其他荧光物质，导致其在某些河段底泥DOM组分中相对含量的显著升高.

图 9(Fig. 9)

图 9 冰封期后河流底泥中DOM组分的同步荧光光谱图 Fig. 9 Synchronous fluorescence spectra of DOM fractions in the sediments of river after the icebound season

1)HPO-A是河流底泥中的主要DOM组分，在冰封期前、后分别占DOC的41.2%~69.5%和38.9%~63.9%.冰封期前河流底泥中的DOM及HPO-A、HPI的DOC值均高于冰封期后.

2)三维荧光光谱结果显示，冰封期前、后河流底泥DOM组分中含有类腐殖酸荧光物质，类富里酸荧光物质，类芳香族蛋白质荧光物质和类溶解性微生物代谢产物荧光物质，并且类芳香族蛋白质荧光物质在各DOM组分中的含量最高.冰封期后HPO-A、HPI中荧光物质的含量低于冰封期前.

3)同步荧光光谱结果显示，在冰封期底泥DOM中与峰I和峰II对应的荧光物质向水体释放，导致其在DOM组分中相对含量的显著降低.而另一方面，冰封期后与峰III对应的荧光物质在某些河段底泥DOM组分中相对含量高于冰封期前.