0.   引　言

溶解性有机质（DOM, dissolved organic matter）广泛分布于水环境中，其中40%~60%的DOM含有荧光组分，包括类腐殖质、类蛋白质等有机物，类腐殖质有陆源和海源之分，类蛋白质有类酪氨酸和类色氨酸等类型^[1−2]。目前，借助于吸收光谱、荧光光谱相结合的分析方法，针对海洋^[3]、湖泊^[4]、河流^[5−6]、地下水^[7]等水环境中DOM的组成、动力学过程等开展了较多研究，DOM的光谱特性可有效提供DOM来源及组分信息，定量分析DOM的组成和时空变异性^[1,8−9]。

岩溶水系统对各种形式污染物具有高度敏感性，更易受到外界环境的影响^[10−11]，因此岩溶水系统的生物地球化学和生态过程研究成为学者们关注的热点问题之一^[12−14]。DOM在岩溶水系统中的反应活性和生态作用各不相同^[15−16]，评估岩溶水系统中DOM特征可有效指示水生生态系统^[4]。DOM荧光组分可作为含水层中地下水流动的示踪剂追踪地下水系统的流动过程^[17]，以及了解地表水和地下水之间的相互作用及其生物地球化学过程^[18]。但是，利用DOM光谱特性对岩溶水系统的研究主要集中在溶洞水、泉水中DOM的荧光性质^[19−21]。有学者提出DOM的荧光信号可表征岩溶含水层的补给特点及脆弱性^[22]，强调DOM的荧光特性受多种因素影响^[23]。但是，在泉域尺度上，对补给、径流和排泄区岩溶地下水中DOM的光谱特性、空间分布及其指示作用的了解仍十分有限。

济南泉域是中国北方典型岩溶区，是重要的饮用水供水水源地^[24−25]。本文选取济南泉域岩溶水系统，利用吸收光谱、荧光光谱和PARAFAC等技术，结合水化学指标及相关性分析，探讨DOM在岩溶水系统中的组成、来源及空间分布特征，以及控制DOM分布特征的水化学因素及其指示作用，以期为泉域地下水保护、生物地球化学及全球碳循环研究提供科学依据。

1.   研究区概况

济南岩溶水系统位于山东省中西部，为中国北方岩溶发育区。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温14.3 ℃，多年平均降水量为698 mm，多年平均蒸发量为1 476 mm。区内南部为太古宇泰山群变质岩出露，寒武系、奥陶系碳酸盐岩地层在变质岩系之上，呈单斜构造，向北倾斜，北部隐伏于山前第四系之下^[26]。区域地下水受地形控制由南向北运动，本次研究采样点主要含水层为中寒武统张夏组、上寒武统凤山组和奥陶系含水层，为碳酸盐岩裂隙水，岩性主要为灰岩、白云质灰岩和泥质灰岩^[11]。

根据泉域内水文地质条件及泉水形成过程，由南向北依次划分为间接补给区、直接补给区和汇流排泄区，其中直接补给区能够直接接受地表水渗漏补给，间接补给区是指大气降水补给形成地表水、地下水后，以地表径流、地下径流的形式汇入直接补给区，地下水在北部受岩浆岩阻挡，含水层与岩浆岩接触带裂隙发育，岩溶地下水上升出露成泉^[27] （图1）。

图  1  研究区及采样点位置分布图

Figure  1.  Distribution of the study area and the location of sampling points

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玉符河流域是岩溶地下水的主要补给区，发源于泰山北麓，由锦绣川、锦阳川和锦云川三川汇入卧虎山水库，自南向北汇入黄河。玉符河流域河床以砂、卵砾石覆盖，地层主要为寒武系中上统、奥陶系下统及第四系地层，区域地表水与地下水水力联系密切^[28−29]。

2.   研究方法

2.1   样品采集

2022年8月共采集地表水（玉符河）样品6个（SW-1—SW-6）、地下水样品13个（KG-1—KG-13）和黑虎泉泉水样品1个（S-1），其中位于间接补给区地表水样品3个、地下水样品4个，直接补给区地表水样品2个、地下水样品2个，汇集排泄区地表水样品1个、地下水样品8个（图1）。使用便携式多指标仪（INSEA，DZS-708，中国）现场测量各采样点pH、总溶解固体（TDS）、电导率（Ec）、溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP），测量前使用标准溶液进行校准。水化学分析样品采集至去离子水清洗后的500 mL聚乙烯瓶，光谱分析样品经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后装入40 mL离心管中。所有样品在4 ℃中保存，一周内待实验室测试完成。其中地表水、泉水样品直接采集，地下水样品在洗井至电导率稳定后采集。

2.2   样品测试与分析

2.2.1   水化学样品

主要阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）、阴离子（Cl⁻、${\rm{SO}}_4^{2-}$、${\rm{NO}}_3^{-}$、NO$_2^{-}$）采用离子色谱法（Metrohm IC883，Switzerland）测定，${\rm{HCO}}_3^{-}$采用滴定法测定。DOM浓度以溶解性有机碳（DOC）计，采用总有机碳分析仪（Shimadzu TOC-VCSH，日本）测定。以上水化学指标测试在山东省水资源与环境重点实验室完成。

2.2.2   DOM光学性质测试

DOM光学性质测试包括吸收光谱和三维荧光光谱，在科学指南针检测平台进行。吸收光谱（UV-VIS）采用紫外分光光度计（Shimadzu UV-3600，日本）测定，扫描的波长范围为200~600 nm，扫描间隔为1 nm，光程为5 cm。三维荧光光谱（3D-EEM）采用荧光分光光度计（Hitachi，F-7000，日本）测定，仪器光源为150 W氙灯，发射波长（E_m）范围为250~800 nm，步长5 nm，激发波长（E_x）范围为200~800 nm，步长10 nm，狭缝宽度为5 nm，扫描速度为2 400 mm·min⁻¹。实验空白采用Milli-Q超纯水去除拉曼散射。

2.2.3   平行因子分析

利用MATLAB2022a软件的DOMfluor工具箱，对样品的三维荧光数据进行平行因子分析（PARAFAC），将DOM的荧光数据矩阵分离出不同组分，用于DOM荧光组分的定性判定和定量比较，其计算过程参照文献[30]。

3.   结果与分析

3.1   水体理化性质

表1为地表水、地下水主要现场理化指标和DOC浓度。地表水pH为7.95~8.28，岩溶地下水pH为7.38~8.01，小于地表水。除GW3采样点为自流井，TDS异常高外，地下水TDS和Ec值分别为175~703 mg·L⁻¹和342~1 239 μs·cm⁻¹，多高于地表水，表明岩溶地下水受水岩作用和人类活动的影响。地表水的DO值在6.91~7.76 mg·L⁻¹，平均值为7.22 mg·L⁻¹，地下水DO值为5.08~7.79 mg·L⁻¹，平均值为6.74 mg·L⁻¹，多低于地表水。地表水DOC浓度4.56~11.20 mg·L⁻¹，平均值为7.51 mg·L⁻¹，地下水DOC浓度为2.46~10.40 mg·L⁻¹，平均值为4.96 mg·L⁻¹，明显低于地表水。

表  1  主要现场理化指标和DOC浓度

Table  1.  Main on-site physical and chemical indicators and DOC concentrations

类型		编号	pH	TDS/mg·L−1	Ec/μs·cm−1	DO/mg·L−1	DOC/mg·L−1
地表水	间接补给区	SW-1	7.95	298	588	6.99	5.67
		SW-2	8.02	279	550	7.63	11.20
		SW-3	8.28	283	553	7.76	4.56
	直接补给区	SW-4	8.07	272	540	7.02	4.90
		SW-5	8.06	233	458	6.91	8.45
	汇集排泄区	SW-6	8.05	197	396	7.02	10.30
地下水	间接补给区	KG-1	7.50	420	813	7.31	5.51
		KG-2	7.92	270	539	7.38	4.90
		KG-3	7.86	2421	4137	7.79	2.67
		KG-4	7.63	175	342	6.44	7.31
	直接补给区	KG-5	7.93	401	786	5.45	5.52
		KG-6	7.72	446	872	5.08	10.40
	汇集排泄区	KG-7	7.38	496	992	7.11	7.32
		KG -8	7.71	369	688	6.18	4.09
		KG-9	7.89	319	628	6.69	3.59
		KG-10	7.52	506	972	6.20	3.78
		KG-11	7.78	266	524	7.23	2.76
		KG-12	8.01	266	526	7.52	4.62
		KG-13	7.87	427	846	7.14	4.50
		S-1	7.86	703	1239	6.79	2.46

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由图2可知，地表水和岩溶地下水主要水化学类型为HCO₃-Ca型和HCO₃·SO₄-Ca型，少数点为SO₄-Ca型。地下水中阳离子浓度顺序为Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺>K⁺，阴离子浓度顺序为${\rm{HCO}}_3^{-}$>${\rm{SO}}_4^{2-}$>Cl⁻>${\rm{NO}}_3^{-}$>NO$_2^{-}$，该特征与地表水一致，除${\rm{NO}}_3^{-}$和NO$_2^{-}$外，地下水中各离子浓度略高于地表水。

图  2  济南岩溶水水化学Piper三线图

Figure  2.  Piper diagram of hydrochemistry of karst water in Jinan

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3.2   吸收光谱特征

吸收光谱参数可表征DOM的分子量、芳香性以及疏水性等分子特征^[31]，其中光谱斜率比值（S_R）是DOM在275~295 nm和350~400 nm范围内的光谱斜率之比，用来表征DOM的结构变化，与分子量成反比^[32]；吸光度比值（E）是DOM在253 nm和203 nm处的吸收系数之比，表征官能团特征，与极性官能团含量成正比；SUVA₂₈₀和SUVA₂₆₀分别表示DOM在280 nm和260 nm处的吸收系数与DOC质量浓度之比，SUVA₂₈₀表征DOM的芳香性，值越大芳香化程度越高，SUVA₂₆₀表征DOM的疏水性组分含量，值越大疏水组分占比越高^[31]（图3）。

图  3  紫外—可见吸收光谱参数图

Figure  3.  Diagram of ultraviolet-visible absorption spectrum parameter

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地下水S_R的变化范围为0.094~1.886，均值为0.794，地表水S_R的变化范围为0.109~1.547，均值为0.854。地下水S_R值大小顺序为：间接补给区>汇集排泄区>直接补给区，间接补给区低分子量DOM组分相对丰富，复杂的腐殖酸分子被分解成低分子量的富里酸物质^[33]。地表水吸光度比值（E）沿水流方向呈微弱增加（0.0117~0.0127），地下水中自间接补给区、直接补给区至汇集排泄区，均值分别为0.0139、0.0160和0.0234，表明间接补给区中采样点DOM组分以含极性官能团为主，排泄区多为以脂肪链和脂类等非极性官能团，苯环取代程度逐渐增强^[34]。地表水和地下水的SUVA₂₈₀和SUVA₂₆₀值变化趋势一致，自间接补给区、直接补给区至汇集排泄区，地下水SUVA₂₈₀和SUVA₂₆₀值先减小后增大，即间接补给区地下水DOM的芳香性和疏水性物质与地表水较接近，而直接补给区地下水DOM的芳香性和疏水性物质明显下降，排泄区介于两区域之间，表明受两区域地下水混合作用影响。

3.3   DOM荧光组分特征

根据PARAFAC模型识别出3种主要荧光组分（表2），各组分激发光谱和发射光谱如图4。组分C1具有单一的激发峰和发射峰，属紫外区短波类腐殖质，以富里酸为代表，与腐殖质结构中的羧基和羟基有关，多为陆源输入，微生物可利用性低。组分C2有2个特征峰，属类蛋白质中的类色氨酸组分。组分C3有2个特征峰，属类色氨酸中的酪氨酸物质^[35]，反映的是生物降解来源形成的荧光峰值，主要由微生物作用形成。组分C2和C3与DOM的芳香环氨基酸有关，易于被微生物降解^[36]。

表  2  水体中主要荧光组分特征

Table  2.  Characteristics of main fluorescence components in water

组分	激发波长/发射波长	指示类型	意义	参考文献
C1	250 nm /420 nm	腐殖质物质	陆源输入、内源性形成	240~270/370~440[37] 235~255/410~450[7]
C2	240(280) nm /350 nm	类蛋白色氨酸	内源性形成	225~237/340~381和375/340[38]
C3	237(270) nm /330 nm	类蛋白酪氨酸	内源性形成	270~290/300~320[37]

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图  4  DOM三种荧光组分三维荧光光谱图（左）及其激发/发射波长图（右）

Figure  4.  Three-dimensional fluorescence spectra of the three fluorescence components of DOM (left) and their corresponding excitation/emission wavelength (right)

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岩溶地下水中DOM来源包括陆源输入（地表水、包气带淋滤、含水层沉积释放）和内源物质（微生物），DOM的荧光特征参数可分析水体中DOM的来源。由图5a-图5d可知，地表水中荧光指数（FI）、自生源指数（BIX）、腐殖化指数（HIX）和新鲜度指数（β:α）值分别在2.28~2.68、1.00~1.31、1.69~2.65和0.92~1.14之间，平均值分别为2.49、1.12、1.95和1.03；地下水分别在1.82~4.98、1.08~3.51、0.21~2.08和1.01~2.77，平均值分别为2.81、1.60、1.45和1.38。

图  5  荧光特征参数

Figure  5.  Fluorescent characteristics of DOM

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4.   讨　论

4.1   DOM荧光组分空间分布特征

DOM荧光强度反映了水体中DOM含量，各采样点不同荧光组分的荧光强度如图6a，地表水中各组分的平均荧光强度大于地下水，说明地表水中荧光性DOM含量高，与DOC浓度检测结果一致，这是由于外源有机质的输入和水体中微生物作用造成的地表水DOM浓度较高。从总荧光强度的空间变化趋势来看，间接补给区总荧光强度较大，直接补给区和汇集排泄区的总荧光强度接近，且低于间接补给区，表明DOM在微生物作用下发生降解，荧光强度减弱^[37]。

图  6  不同荧光组分最大荧光强度（a）和相对含量（b）

Figure  6.  Maximum fluorescence intensity (a) and relative content (b) of different fluorescence components

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各荧光组分的强度贡献率如图6b。地表水中DOM均以C1类腐殖质和C2类蛋白色氨酸为主；地下水在间接补给区地下水中C1类腐殖质占比最大，直接补给区和汇集排泄区中C2类蛋白色氨酸占比提高，对应C1类腐殖质比例有所降低。地下水中C3类蛋白酪氨酸贡献率顺序为：间接补给区>汇集排泄区>直接补给区。间接补给区岩溶地下水主要受大气降水形成的地表径流和地下径流补给，更多的DOM组分被微生物利用吸收，C3类蛋白酪氨酸的内源有机质增大^[38−39]。

4.2   DOM来源解析

地表水和地下水采样点FI、BIX、HIX值均分布在内源为主范围内（图5），表明DOM在微生物活动影响下的自生源特征占优势，且地下水中DOM的内源贡献更加明显^[40]。BIX指标>1，说明新近产生的内源DOM组分贡献较大，主要由微生物作用形成，地下水中的生物活性较高，与β∶α指标显示结果一致。HIX<3表示各样品的腐殖化程度较低，主要来源于微生物活动，且地下水腐殖化程度小于地表水，同样反映了内源有机质的贡献^[41−42]。张连凯等^[7]研究结果亦表明玉符河流域的弱腐殖化水平，但地表水受到陆源输入和内源微生物混合作用影响。本文样品于枯水季节采集，水体更新缓慢和内源累积是导致研究结论差异的主要原因。此外，在空间分布上，内源贡献大小顺序为汇集排泄区>直接补给区>间接补给区，汇集排泄区水体具有较低的HIX值和较高的BIX值，体现出微生物作用主导的弱腐殖化、自生源特征。间接补给区累积在土壤中的动物残体、植物枯枝的腐殖质及根系分泌物等经径流入渗进入到地下水中，从土壤到岩溶系统的水循环量较大，与DOM荧光组分占比分析结果一致。

4.3   主要控制因素及指示作用

DOM在岩溶地下水中的分布受水文地质、生物化学等作用影响。本研究选取pH、TDS、Ec、DO、主要水化学指标及吸收光谱参数等共计19个指标，对DOM荧光物质C1、C2、C3及总荧光强度F的相关性进行分析，结果如图7。TDS、Ec、Ca²⁺、Mg²⁺、${\rm{HCO}}_3^{-}$、${\rm{SO}}_4^{2-}$、Cl⁻、${\rm{NO}}_3^{-}$、DIC等理化指标具有较强相关性，说明与碳酸盐岩的溶解和离子交换作用有关。SUVA₂₈₀和SUVA₂₆₀呈显著正相关，表明芳香性物质主要存在于疏水组分中^[29]。C1类腐殖质组分与K⁺、NO$_2^{-}$和TOC呈正相关，与Mg²⁺、${\rm{HCO}}_3^{-}$、Cl⁻和E呈负相关，表明外源输入的特点，且与DOC的相关性高于C2和C3，富里酸物质来自微生物内源形成的未完全分解的有机质或外来生物残体。C2类蛋白色氨酸组分与${\mathrm{NO}}_2^{-}$、SUVA₂₈₀和SUVA₂₆₀呈正相关，与Ca²⁺、Mg²⁺、${\rm{HCO}}_3^{-}$、Cl⁻、DIC和E呈负相关。C1类腐殖质组分和C2类蛋白色氨酸组互为显著正相关，说明不同来源的两组分受相同因素制约，存在相同的变化趋势^[43]。C3类蛋白酪氨酸组分与各指标均无明显相关性，表明酪氨酸与Ca²⁺和${\rm{HCO}}_3^{-}$具有较强的适应性。此外，总荧光强度F与Cl⁻、TDS、Ec呈显著负相关，因此，C1腐殖质物质和总荧光强度F可作为岩溶水转化过程中的示踪指示剂^[7]。由于中国北方岩溶水系统特殊的水文地质特征及生物地球化学过程，采用多指标综合表征DOM是深入理解其环境行为特征的关键。

图  7  DOM指标相关性热图

Figure  7.  Heat map of DOM index correlation

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5.   结　论

（1）济南泉域间接补给区以低分子量类富里酸物质为主，直接补给区和汇集排泄区以类蛋白色氨酸物质为主，DOM的内源输入特征明显，主要表现为以类蛋白质物质为主的荧光峰相对丰度增加，微生物活动导致的类蛋白物质变化是DOM地化特征改变的主要驱动力。

（2）济南泉域岩溶地下水DOM处于弱腐殖化水平，在微生物活动影响下以内源输入为主，主要由微生物作用形成，地下水中的生物活性较高。内源贡献大小顺序为：汇集排泄区>直接补给区>间接补给区，与岩溶水系统水循环量大小顺序一致。

（3）岩溶地下水中有机质性质与多个水化学指标之间呈显著相关关系，岩溶水系统中的芳香性物质主要存在于疏水组分中，C1类腐殖质组分为外源输入，且与C2类蛋白色氨酸组分互为显著正相关，不同来源的两组分受相同因素制约，C3类蛋白酪氨酸组分与各指标均无明显相关性。

（4）C1类富里酸物质和总荧光强度可作为示踪岩溶水循环过程的天然指示剂，C2类蛋白色氨酸和C3类蛋白酪氨酸提供了重要的生物地球化学信息，可评价岩溶含水层的脆弱性。