水溶性有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)广泛存在于自然水体和人工水体中，主要是由含氧、氮和硫的氨基酸、脂肪族、芳香族等功能团组成的异质碳氢混合物(Chen et al., 2003；杨楠等，2014).DOM主要来源于土壤、动植物残体、藻类排泄物及人类活动排放物等(Borisover et al., 2009; Vazquez et al., 2011)，是细菌繁殖、紫外光降解与生物地球化学反应的有机组成部分(岳兰秀等，2005；Yu et al., 2012).在水生生态系统中，DOM不仅影响营养物保持与释放、生物可利用性、重金属离子和有机化合物络合，而且还被用来表征水质特征.此外，DOM能与污染物形成易于流动的聚合物，不仅影响化合物在水生态系统中的生物可利用性，而且还会与水消毒剂反应生成致癌物质(Borisove et al., 2009; Lu et al., 2009; Yu et al., 2013).

三维荧光是一种简单、快速、灵敏度高、成本低的检测方法，广泛用于定量分析水体中的DOM组成结构，揭示DOM在河流、湖泊、地下水、海洋及污水等水环境中的动力学特征(Zhang et al., 2011; Goldman et al., 2012; Yu et al., 2013).早期人们通过识别5个荧光特征峰表征不同水体中DOM组成结构，例如，类酪氨酸峰(Peak B)、类色氨酸峰(Peak T)、类富里酸峰(Peak A和Peak C)与微生物代谢产物峰(Peak M)(Hudson et al., 2008; Osburn et al., 2012).近年来，人们应用区域积分、平行因子、自组织神经网络等方法表征DOM组成结构、来源及归宿，辨识DOM荧光组分，阐述不同水生态系统中DOM迁移与转化机制.

因此，本文应用三维荧光区域积分方法，分析城镇化河流——白塔堡河DOM组成结构特征，揭示DOM空间分布规律，阐述DOM与水质相关性，为白塔堡河水质改善与生态修复提供理论支持.

白塔堡河位于沈阳市浑南新区内(123°39′E，41°38′N)，是浑河水系的Ⅰ级支流，为沈阳市主要河流之一(图 1).白塔堡河发源于前老溏峪村(海拔187.6 m)，蜿蜒向北，流至后老溏峪村转而向西，流经前李相村向北横穿李相镇和永安村，向西流经营城子镇，绕经沈阳理工大学向西南横穿浑南新城，流至白塔堡镇转向西北，在曹仲屯汇入浑河.河流总长48.5 km，流域面积为178 km²(杨楠等，2013).随着城市化进程加速，城市人口持续增加，生活污水总量高速增长，且由于污水处理能力低，致使大量的污染物进入河流，引起了一系列水量、水质、水生态、水安全等问题.

图1(Fig.1)

图1 白塔堡河位置与采样点布设 Fig.1 Location of the study area and sampling sites

为了研究水质空间分布与DOM组成结构特征，在河流流经的农村地区设置3个采样点，即老溏峪(1^#)、李相镇(2^#)和永安村(3^#).1^#采样点位于河源头附近，流量约为0.02 m³ · s^-1，以自然补给水和农村生活污水为主；2^#和3^#采样点流量分别约为0.18 m³ · s^-1和0.45 m³ · s^-1，除了上游来水，农村生活污水和养殖废水汇入河流.在城镇河段设置3个采样点，即营城子(4^#)、理工大学(5^#)和21世纪湖(6^#).4^#、5^#和6^#采样点流量分别为0.62、1.37和1.23 m³ · s^-1，除了上游来水，生活污水和工业园排水汇入河流.在城市河段设置3个采样点，即白塔镇(7^#)、沈苏公路桥(8^#)和曹仲屯(9^#).7^#、8^#和9^#采样点流量分别为1.58、3.37和1.79 m³ · s^-1，除了上游来水，生活污水和污水厂出水汇入河流.在每个采样点位的河流断面，依据水流向的左、中、右采集水样.使用不锈钢采水器采集水样，每个采样点采集3次，将3次样品混合作为该采样点样品(杨楠等，2013).混合水样装入500 mL聚乙烯水样瓶里，置于冷藏箱(<4 ℃)，运回实验室后立即分析.

利用水质检测仪(YSI 600)现场测量河水的温度(Temperature，TEMP)、pH、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)与电导率(Electrical Conductivity，EC).在实验室里，过滤(=0.45 μm)的水样用于测量氨氮(NH₃-N)、硝酸盐(NO₃^--N)、水溶性有机碳(DOC)，未过滤的水样用于测量总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD₅)和叶绿素(Chla)，参照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的检测方法进行.

利用荧光分光光度计(Hitachi F-4600)进行三维荧光检测，配以1 cm石英比色皿.以Mill-Q水为空白，对过滤后的水样进行荧光扫描.仪器光源为150 W氙灯，光电倍增电压为400 V，激发和发射狭缝宽度均为5 nm，响应时间0.5 s，扫描速度2400 nm · min^-1，扫描光谱进行仪器自动校正.激发波长(λ_Ex)范围为200~450 nm，发射波长(λ_Em)范围为280~550 nm.所有水样的三维荧光分别减去空白光谱，以去除拉曼散射的影响(Murphy et al., 2011)；在位于发射波长等于激发波长或2倍激发波长的光谱区域内，将瑞利散射及上方的光谱数据均赋值为0，以消除瑞利散射的影响(Stedmon et al., 2008; Yu et al., 2013).

采用区域体积积分方法，分析DOM组成结构，计算各组分的丰度；利用主成分(PCA)方法，识别影响水质的潜在因子，辨析污染源，揭示DOM组分与水质相关性.

河水温度平均值为(12.46±0.46)℃，2^#点的温度最低(12.07 ℃)，5^#点的温度最高(13.31 ℃)，各采样点的温度变化不大(图 2a).各采样点的pH变化范围在7.28~8.18之间(图 2b)，河水呈弱碱性.1^#和2^#采样点的EC在100 μS · m^-1以下，3^#~9^#点的EC在400 μS · m^-1以上(图 2c)，表明白塔堡河源头区域的水土流失程度远小于其它区域.河水DO浓度从上游到下游逐渐减小，入浑河口附近(8^#~9^#)的DO浓度小于1.00 mg · L^-1，表明河水好氧水平从上游到下游逐渐降低，而厌氧水平逐渐升高.城市河段COD平均值为(38.64±10.31)mg · L^-1，是城镇河段COD平均值的1.75倍，农村河段的2.13倍.城市河段BOD₅的平均值最大((14.46±5.25)mg · L^-1)，农村河段的BOD₅最小((4.59±1.35)mg · L^-1)，城镇介于两者之间((8.26±2.26)mg · L^-1).河水的NH₃-N、NO₃^--N、TN、TP、DOC和Chla变化趋势与COD、 BOD₅的变化趋势类似，表明农村河段水质最好，而城市河段水质最差，城镇河段介于两者之间.在农村河段，河水以农村生活污水及养殖废水补给为主，补给水量较小，污染物浓度较低；在城镇河段，除了农村河段来水外，河水以生活污水与工业园排水补给为主，补给水量较大，污染物浓度较高；在城市河段，除了城镇河段来水外，河水以处理和未处理的生活污水及工业废水为主，补给水量大，污染物浓度高.河水的DOM分别与NH₃-N(r=0.76，p<0.05)和TP(r=0.86，p<0.01)呈现显著正相关.因为NH₃-N和TP是生活污水的典型成分(Herzsprung et al., 2012)，所以河水中的DOM主要来源于排入河流的生活污水(Goldman et al., 2012).

图2(Fig.2)

图2 白塔堡河各采样点水质指标的柱状与偏差示意图 Fig.2 The distributions of water quality parameters in Baitapuhe River

在河水DOM三维荧光光谱上，很明显地呈现5个荧光峰(图 3).根据相关文献描述(Coble，1996; Chen et al., 2003; Li et al., 2013)，Peak B(λ_Ex/λ_Em= 215~235 nm/290~320 nm)定义为类酪氨酸物质，Peak T₁(λ_Ex/λ_Em=215~235 nm/330~370 nm)定义为类色氨酸物质，Peak T₂(λ_Ex/λ_Em=260~280 nm/320~360 nm)是由微生物代谢产物引起的，可以用来表征河水中微生物活动强度；Peak A(λ_Ex/λ_Em=215~235 nm/390~440 nm)是紫外光区类富里酸物质，Peak C(λ_Ex/λ_Em=310~350 nm/390~440 nm)为可见光区类富里酸物质.在农村河段，微生物代谢产物产生的荧光呈现肩峰(图 3a~c)；在城镇河段，微生物代谢产物产生的荧光由肩峰向尖峰过渡；在城市河段，微生物代谢产物的荧光都呈现为尖峰.这表明城市河段的微生物的活性最强，农村河段的最弱，城镇河段的介于两者之间.类酪氨酸荧光从上游到下游呈现出明显的红移现象，表明类酪氨酸中的羟基、羰基、羧基等含量递减的顺序为城市河段>镇区河段>农村河段.

图3(Fig.3)

图3 白塔堡河DOM的三维荧光光谱 Fig.3 EEM fluorescence spectra of DOM in Baitapuhe River

为了更深入地了解DOM荧光特征，采用区域体积积分法定量分析DOM荧光组分特征(Chen et al., 2003；Wang et al., 2009；Bilal et al., 2010).利用连续的激发和发射波长将三维荧光光谱划分为7个区域(图 3b)，较短的激发(<250 nm)与较短的发射波长(<380 nm)围成的区域为类芳香蛋白物质，即类酪氨酸(区域I)和类色氨酸(区域II)，而与较长的发射光谱围成的区域为紫外光区类富里酸物质.激发波长250~300 nm与较短的发射波长(<380 nm)围成的区域代表微生物代谢产物(区域IV)，而与较长的激发光谱围成的区域代表类糖化蛋白物质(区域V).在激发波长300~380 nm与发射波长大于340 nm区域，荧光峰代表可见光区富里酸物质.较长的激发波长(>380 nm)和较长的发射波长(>420 nm)围成的区域为类胡敏酸物质.此外，区域VI和区域VII的比值定义为荧光指数(FI)，可用来表征有机质的腐殖化程度，腐殖化程度随着FI的减小而增大.

三维荧光区域体积积分(Φ_i，i=1~7)能够正确地表征不同荧光组分的相对浓度(Chen et al., 2003).三维荧光总的体积积分(Φ_T)分别与NH₃-N(r=0.89，p<0.01)、TP(r=0.88，p<0.01)呈现出显著的正相关性.由于NH₃-N和TP是生活污水中的主要成分，进而证明河水中的DOM主要来源于排入河流的生活污水.河水DOM的Φ_T沿河呈现连续递增趋势(图 4)，即农村河段<城镇河段<城市河段，表明城市河段DOM中芳香碳含量最大，农村河段的最小，城镇河段介于两者之间.在城市河段Φ₁的平均值为247.85±61.65，约为城镇河段和农村河段的2倍，并且城市河段各采样点Φ₁的变化幅度远大于城镇和农村河段.Φ₂的变化趋势与Φ₁的相似.Φ₃的值从河源到入浑河口呈现连续上升趋势，Φ₅的值与Φ₃的变化趋势类似.Φ₄沿河递增的次序为农村河段(220.65±41.61)<城镇河段(360.49±48.11)<城市河段(483.36±107.82).相对于Φ₁~Φ₅，Φ₆的值很小(<10.00)，而Φ₇的值更小(<0.12).此外，FI的平均值沿河递增次序为农村河段(292.07±5.25)>城镇河段(94.40±2.44)>城市河段(82.22±4.48)，表明DOM腐殖化程度递增次序为城市河段>城镇河段>农村河段.

图4(Fig.4)

图4 白塔堡河DOM各组分相对丰度分布 Fig.4 Distributions of relative abundance of DOM components in Baitapuhe River

将Φ_i占Φ_T的百分比定义为P_i，表征DOM各组分所占的比重.由图 5可知，各采样点P₁(8.01%~12.77%)、P₄(19.24%~24.91%)与P₅(20.33%~29.71%)的变动较小，而P₂(19.24%~24.91%)的变动较大.显然，类蛋白物质是DOM的主要成分.P₃的变动较小(27.54%~29.22%)，表明紫外光区的类富里酸物质在DOM含量相对稳定.P₆值很小(0.36%~0.52%)，而且变动不大；相对于P₆、P₇的值更小.

图5(Fig.5)

图5 白塔堡河DOM各组分的百分含量分布 Fig.5 Distributions of percentages of DOM components in Baitapuhe River

应用PCA对Φ_i和水质指标进行分析，辨析河流营养水平特征.基于变量的载荷值与采样点的得分值聚类分析，可以识别影响河水营养状态的潜在因子，进而辨识污染源.通过对DOM组分和水质的相关性分析，揭示DOM对河流营养状态的响应机理(Santos et al., 2010).当变量的载荷值大于0.8时，该变量对河流系统具有较强的影响作用；采样点得分较高时，表明该采样点河水呈现出较强的水质、营养水平及污染强度特征(Kowalkowski et al., 2006).

PCA产生两个主成分(PCs)，占总方差的79.41%.在PC1(52.84%)中，Φ₁、COD、Φ₂、NH₃-N和BOD₅具有较大的正载荷值(图 6)，间接地证明河水中的污染物主要来源于养殖废水、生活污水与污水厂排水等.DO具有较强的负载荷，表明DO是决定河水好氧/厌氧状态的重要因子，影响污染物的降解.此外，DO与Chla具有显著负相关性(r=-0.93，p<0.01)，DO可以表征河水的富营养化程度.8^#与9^#采样点具有较高的得分，表明这两个采样点河水的Φ₁、COD、Φ₂、NH₃-N、BOD₅比其他采样点的高，而DO比其他采样点低(图 2).在8^#采样点，除了上游汇集的污染物与表层沉积物孔隙水释放营养物外，白塔污水处理厂出水(15000 m³ · d^-1)在此排入河流.在PC2(37.72%)中，EC、Φ₅与NO₃^--N具有较高的正载荷值，表明土壤侵蚀与工业废水影响水质.1^#和2^#采样点具有较低的得分，表明EC、Φ₅与NO₃^--N的浓度比其他采样点的低.

图6(Fig.6)

图6 白塔堡河DOM组分与水质指标的载荷与采样点的得分矩阵 Fig.6 Loadings plot and scores plot for PC1 and PC2 of DOM components and water quality parameters in Baitupuhe River

1^#~3^#采样点位于第三象限，4^#~6^#采样点位于第二象限，7^#~9^#采样点位于第一象限，并且它们分别位于3个不同的置信椭圆内(置信度为40%)，验证了白塔堡河营养水平深受人类活动的影响，沿着农村河段、城镇河段和城市河段分布.3^#和4^#采样点的距离近，表明这两个采样点位于农村河段和城镇河段的过渡带，河水营养水平相近.

三维荧光光谱与多元统计可以分析白塔堡河DOM的组成结构，揭示DOM组分对水质响应机制.在城市河段，DOM的芳化度和腐殖化程度最高，农村河段最小，城镇河段介于两者之间.在DOM各组分中，类蛋白所占比重最大，而类胡敏酸最小，类富里酸在两者之间.影响河流水质的潜在因子包括类酪氨酸、COD、类色氨酸、NH₃-N、BOD₅与DO，污染物主要来源于畜禽养殖废水、生活污水和工业废水.在农村河段，应加强对养殖废水污染和生活污染控制；在城镇河段，除了加强治理养殖废水和生活污水外，还要集中处理工业园区的排水；在城市河段，要提高城市污水厂排放标准，实施河流底泥疏浚工程.