研究区域为长江口门附近海域，采样航次为上海市水生野生动植物保护研究中心中华鲟自然保护区的水域调查航次，在长江口门附近海域共布设10个采样点，按照空间分布可分为3个区域，具体采样点的分布情况见表1，分别为南支北港（Z1、Z2、Z3号站位）；北港北沙，即中华鲟自然保护区海域（Z4、Z5、Z6、Z7号站位）；北支（Z8、Z9、Z10号站位）。

分别于2020年8月（夏季）、2020年11月（秋季）、2021年1月（冬季）、2021年4月（春季）采集了长江口门附近海域4个季节共40个表层海水水样。使用有机玻璃采样器采集0～50 cm表层水样1～2 L，水样采集后立即用孔径0.45 μm的聚碳酸酯滤膜过滤，冷冻避光保存用于溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）和荧光光谱的测定。

取过滤水样20 mL，使用岛津TOC-4200总有机碳分析仪测定DOC的浓度，单位为mg/L，仪器内置稀盐酸用于去除无机碳，每个样品测试3次，采用邻苯二甲酸氢钾溶液作为标准溶液绘制标准曲线，检出限为0.06 mg/L，在0～100 mg/L范围内相对标准偏差小于3%，所有测定均依据《水质 总有机碳(TOC)的测定 非色散红外线吸收法》（GB 13193－91）中规定的方法进行^[7]。

采用日立F-7000荧光光谱分析仪对水样进行三维荧光光谱测定，测定条件：激发波长范围为220～480 nm，步长5 nm，发射波长范围为280～550 nm，步长5 nm；响应时间设为自动，扫描速度设为1200 nm/min，扫描光谱进行仪器自动校正，测量水样放入1 cm石英比色皿中测量。同时，以Milli-Q超纯水的三维荧光光谱作为空白对照，各个样品测得的荧光强度数据矩阵扣除空白以去除拉曼散射，将$ {\lambda }_{{E}_{m}} $≤$ {\lambda }_{{E}_{x}} $+5 nm以及$ {\lambda }_{{E}_{m}} $≥$ {\lambda }_{{E}_{x}} $+300 nm两个范围内的荧光强度用0替代以去除瑞利散射，对激发和发射光谱进行矫正以消除内滤波的干扰^[8]。

将扣除空白的三维荧光光谱数据采用仪器自带的FL Solutions软件读取并导出，然后建立PARAFAC模型对实验数据进行分析，通过残差分析和裂半分析验证PARAFAC建模的有效性，并确定最优的荧光组分个数，其中PARAFAC是在二维PCA模型的基础上扩展的三维线性模型，其数学表达式为：

式中：$ {x}_{i,j,k} $是第$ i $个样品的第$ j $个发射波长和第$ k $个激发波长处的荧光强度；$ {a}_{i,f} $是第$ i $个样品中$ f $组分所占的浓度比例；$ {b}_{i,f} $和$ {c}_{k,f} $分别代表第$ f $个组分在第$ j $个发射波长和第$ k $个激发波长上的估算数值；$ F $为组分数目；$ {e}_{i,j,k} $为模型残差，代表模型未计算的变异性。

荧光指数FI被定义为当激发波长为370 nm时，发射波长在470 nm与520 nm处的荧光强度比值(FI=F₄₇₀/F₅₂₀ )，其中F为荧光强度；自生源指数BIX被定义为当激发波长为310 nm时，发射波长在380 nm和430 nm处荧光强度的比值(BIX=F₃₈₀/F₄₃₀ )；腐殖化指数HIX被定义为在255 nm激发波长下435～480 nm荧光峰值与300～345 nm荧光峰值积分值之商( F_435～480/F_300～345 ) 。荧光特征参数的计算公式及相关特性如表2所示。

参数名称	计算公式	特性描述
FI	$FI=\dfrac{F\left({E}_{x}=370\;{\rm{nm}},{E}_{m}=470\;{\rm{nm}}\right)}{F\left({E}_{x}=370\;{\rm{nm}},{E}_{m}=520\;{\rm{nm}}\right)}$	FI通常用来表征DOM的降解程度和来源，一般FI值越高，水溶性有机质的 芳香性越低
BIX	$BIX=\dfrac{F\left({E}_{x}=310\;{\rm{nm}},{E}_{m}=380\;{\rm{nm}}\right)}{F\left({E}_{x}=310\;{\rm{nm}},{E}_{m}=430\;{\rm{nm}}\right)}$	BIX是衡量水体DOM的自生来源的重要指标，同时它可评价生物可利用性 的高低
HIX	$HIX=\dfrac{F\left({E}_{x}=255\;{\rm{nm}},{E}_{m}=435 \sim 480\;{\rm{nm}}\right)}{F\left({E}_{x}=255\;{\rm{nm}},{E}_{m}=300 \sim 345\;{\rm{nm}}\right)}$	HIX反映了有机质腐殖化程度，HIX数值越高表明DOM腐殖化程度越高

表 2  荧光特征参数相关特性

Table 2.  Correlation characteristics of fluorescence characteristic parameters

2020年8月－2021年4月，长江口门附近海域水体DOC的浓度范围为1.21～6.21 mg/L，平均值为2.35 mg/L，比典型大洋的DOC浓度（一般不超过0.8 mg/L）高出数倍。图1表征了该区域4个季节以及不同区域DOC浓度的变化情况，其中，秋季DOC浓度（2.76 mg/L）显著高于春季（1.96 mg/L）和冬季（2.11 mg/L），夏季DOC浓度（2.56 mg/L）与秋季差别较小，春季和冬季的DOC浓度最低，且二者差异不显著。季节之间的浓度变化特征与邢建伟等^[9]的研究结果一致，即夏、秋季DOC浓度较高，春季和冬季DOC呈现较低的浓度水平。从区域分布来看，崇明岛南北两侧的DOC浓度较高，高值区主要集中在南支北港，表现为南支北港（3.20 mg/L）>北支（2.21 mg/L）>北港北沙（1.82 mg/L）。

图  1  长江口门附近海域水体DOC浓度时空分布特征

Figure 1.  Temporal and spatial distribution characteristics of DOC concentration in waters near the mouth of the Yangtze River

长江口门附近海域水体DOC浓度时空分布特征可能与河口输入、大气沉降以及水域初级生产力等变化有关。研究结果显示，夏季和秋季长江口门的DOC浓度较高，这是由于夏季温度较高，表层浮游植物生产旺盛，贡献了较多的DOC。同时，夏季为丰水期，水动力条件较为强烈，长江口门的径流量较大，长江口门附近海岸分布着上海的两个主要排污口（即吴淞口排污口和竹园排污口），在长江径流的作用下会携带大量的陆源DOC进入海洋，而秋季在夏季的积累下DOC浓度呈现较高的范围。春季和冬季由于温度较低，水生生物生长代谢较为缓慢，水域初级生产力较弱，使得DOC的生产减少，并且冬季为枯水期，径流较小，较弱的水动力条件下DOC浓度呈现较低的水平。从长江口内到外海，DOC浓度呈现梯度递减的趋势，表明陆源输入对DOC浓度的影响较大，咸淡水交换、沿岸的工业生产等陆源输入是DOC的重要来源。由于南支北港离岸距离较近，海水与淡水间的水体循环较为复杂，同时人类活动较为频繁，海岸工程的建设、污水排放等会带来大量的陆源DOC，而北港北沙靠近外海区域，陆源影响较小，因此，南支北港DOC的浓度显著高于北港北沙。

对于河口区域DOC浓度特征，不同学者也进行了一定的探究。表3给出了长江口及其他河口DOC浓度变化特征的历史数据。谢肖勃等^[10]1985－1986年在长江口的研究结果显示，DOC的整体浓度范围为1.10～5.50 mg/L，平均值为2.36 mg/L；与19世纪80年代比较，2020年8月－2021年4月长江口水域整体DOC浓度范围变化不大，各季节有一定的改变，主要体现在夏季DOC浓度降低，秋季DOC浓度升高。同时，本研究结果与李宁^[11]2003年春季调查的结果接近。自2005年以来，长江口附近海域DOC浓度呈现递增的趋势，本研究数据显著大于林晶^[12]2005年8月以及邢建伟2012年的研究结果，可能是由于近年来长江口区域人口增长迅速、经济快速发展、工业化的发展使得温室气体大量排放，海洋工程的建设使得人类活动干扰强烈，碳排放量大大增加，从而导致了DOC浓度的显著增大。本研究与王江涛等^[13]1996年5月调查的鸭绿江以及张向上^[14]2004年4月和9月在黄河口测得的数据接近，较Chen等^[15]1999年夏季在珠江口测得的数据偏高。

通过PARAFAC平行因子分析对样品的三维荧光图谱进行分析，PARAFAC模型对组分数要求较高，只有选择正确的组分数且信噪比合适，解析的结果才能反映真实的谱图。当组分数从3变为4时，残差平方和显著降低，组分数从4变为5时，残差平方和变化不大（图2），对组分数为4的结果进行裂半分析，核一致性系数位于80%附近且处于急剧下降段，因此确定当组分数为4时最合适。

图  2  长江口门附近海域水体DOM荧光组分的残差分析

Figure 2.  Residual analysis of DOM fluorescence components in waters near the mouth of the Yangtze River

本研究共识别出4个DOM荧光组分（表4），分别为C1(E_x/E_m=260/500 nm)、C2(E_x/E_m=240，300/395 nm)、C3(E_x/E_m=225，280/370 nm)、C4(E_x/E_m=310/420 nm)。图3表征了DOM组分的图谱及激发发射波长位置，组分C1具有一个激发峰和发射峰，位于传统的T峰区域，被认为是一种相对分子量较高的芳香氨基酸，荧光特征与富里酸类似，是一种较为普遍的类腐殖质^[16]。组分C2具有两个激发峰和一个发射峰，其中短波240/395 nm位于传统的A峰区域，为陆生源类腐殖质物质，长波激发峰300/395 nm位于传统的海洋类腐殖质荧光峰M峰区域，因此，C2被认为是传统A峰与M峰的混合体，称为陆源及海洋源类腐殖质。通常情况下，荧光峰A主要与高分子量、高芳香度的基团有关，不易被生物降解利用，多用于指示外源输入。荧光峰M相对分子质量较大，结构比较复杂且稳定，通常与异养生物代谢产生的DOM有关，指示海洋源类腐殖质物质^[17]。因此，可以推断陆生源腐殖质也存在于海洋水体中，可能与长江口门区域附近DOM的生物地球化学循环以及人类活动有关。组分C3具有两个激发峰和发射峰，其中短波225/370 nm位于传统的T1峰（220～240 nm/330～370 nm），长波280/370 nm位于T2峰，被认为是类色氨酸类物质，通常游离或结合在蛋白质中，荧光特性类似于游离的氨基酸，指示了完整的蛋白质或者较少降解的缩氨酸^[18]。组分C4具有一个激发峰和一个发射峰，位于传统的M峰（290～310 nm/370～420 nm）区域，是一种海洋源类腐殖质，主要来源于海洋^[19]。

荧光组分	荧光类型	传统峰值（$ {\lambda }_{{E}_{x}} $/$ {\lambda }_{{E}_{m}} $）	参考文献
C1	芳香氨基酸	PeakT:250～290 nm/ 478～504 nm	[16]
C2	陆源及海洋 源类腐殖质	PeakA:230～260 nm/ 380～460 nm PeakM:290～312 nm/ 370～420 nm	[17]
C3	类色氨酸	PeakT1:220～240 nm/ 330～370 nm PeakT2:260～280 nm/ 320～370 nm	[18]
C4	海洋源类腐殖质	PeakM:290～312 nm/ 370～420 nm	[19]

表 4  长江口门附近海域水体DOM的荧光组分

Table 4.  Fluorescence components of DOM in waters near the mouth of the Yangtze River

图  3  长江口门附近海域水体DOM的荧光组分及其激发发射波长位置

Figure 3.  Fluorescence components and excitation emission wavelength positions of DOM in waters near the mouth of the Yangtze River

通常情况下，DOM的组分含量可由荧光强度表征，荧光强度的分布差异可以揭示DOM的组分分布特征，图4显示了长江口门附近海域各采样点4个季节不同组分的荧光强度特征，表5表征了DOM的组分占比情况。荧光强度在一定程度上可以表征DOC浓度的高低，不同站位的荧光强度呈现较大的差异，由图4可以得到，DOC浓度较大的站位荧光强度显著大于浓度较小的站位，荧光强度与DOC浓度之间呈现显著正相关关系。同时，不同站位以及不同季节间DOM组分荧光强度也呈现出一定的差异，其中腐殖质类组分C1（41.2%）和陆地及海洋混合类腐殖质组分C2（29.3%）占据主体地位，类蛋白类组分C3（23.0%）次之，海洋类腐殖质组分C4（6.5%）占比最小。

图  4  长江口门附近海域DOM荧光强度时空分布特征

Figure 4.  Temporal and spatial distribution characteristics of DOM fluorescence intensity in the sea area near the mouth of the Yangtze River

DOM组分的空间变化特征与水体中水生生物的新陈代谢水平、人类活动以及海陆相互作用等相关，组分C3的空间占比情况为南支北港（24.7%）>北支（23.7%）>北港北沙（21.1%），而组分C4的占比情况与C3相反。由于组分C3是一种类蛋白质类物质，离岸距离越近，人类活动越频繁，海陆相互作用更为显著，水体活性较强，水生生物的新陈代谢较强，DOM来源更为复杂，对组分C3的来源有一定的促进作用。组分C4是一种海洋类腐殖质，在海洋环境中较为常见，随着离岸距离的增大，组分C4呈现递增的趋势，并且长江口门南支附近海岸的两个主要排污口（即吴淞口排污口和竹园排污口）会带来大量的陆源DOM，而海洋源类腐殖质组分C4为海洋内源产生的DOM，因此，南支北港组分C4的占比呈现一个较低的水平。

DOM组分的季节性变化表征着水体活性及水域初级生产力等相关性质的季节性变化，组分C1冬季占比最大，夏季最小，其占比情况为冬季（44.2%）>春季（41.7%）>秋季（40.6%）>夏季（38.4%），而组分C3与C1占比情况相反。C3是类色氨酸类蛋白类，与水体的活性以及生物体的生命活动密切相关，夏季温度较高，水体活性较强，生物体生长代谢迅速，因此C3组分占比较大。随着温度的降低，组分C3占比减小，其中一部分经微生物分解转化成了腐殖质，使组分C1占比增大。

荧光指数FI是用来表征DOM来源的特征参数，当FI>1.9时，表明DOM主要是以藻类活动或者自养微生物等内源输入的DOM为主，当FI<1.4时，表明是以陆源输入为主的外源DOM^[20]。各站位的FI为1.49～2.38（图5），其中，Z5、Z6、Z7以及冬季的Z8、Z9的FI大于1.9，表征着DOM的来源主要是内源输入，其余站位FI为1.4～1.9，表征着DOM为陆源输入的外源和水生生物活动的内源共同作用。其中，北港北沙（2.057）>北支（1.787）>南支北港（1.653），南支北港由于其附近村庄以及公园较多，人类活动较为显著，因此陆源特征较为明显。季节性变化为冬季（1.960）>秋季（1.863）>春季（1.828）>夏季（1.770），表明春季和夏季水体DOM陆源输入特征比秋季和冬季更强。单因素方差分析结果表明，FI区域间变化的P值为0.014，季节性变化的P值远大于0.05，即荧光指数FI区域间变化的差异性较大，而季节性变化并不显著，DOM来源的季节性变化较小。

图  5  长江口门附近海域DOM荧光指数FI、BIX和HIX分布特征

Figure 5.  Distribution characteristics of DOM fluorescence index FI、BIX and HIX in the sea area near the mouth of the Yangtze River

自生源指数BIX是用来反映DOM中自生源强弱的一个指标，当BIX>1.00时，DOM为自生来源且多为新近产生；当0.80<BIX<1.00时，自生源特征较为显著，自生源贡献较大；当BIX<0.8时，DOM组分中自生源贡献较小，主要受陆源输入以及人类活动的影响^[21]。长江口门附近海域各站位BIX为0.83～0.98（图5），具有较强的自生源特征，各站位间BIX呈现较大的差异，离岸距离越近，BIX越大。由于离岸距离较近，陆源输入以及人类活动的影响较大，DOM的海陆交换作用较为显著，易产生新近自生源DOM，其中南支北港（0.923）>北支（0.899）>北港北沙（0.874）。季节性变化为夏季（0.924）>秋季（0.900）>春季（0.897）>冬季（0.866），夏季温度较高，水生生物的生长代谢较强，同时夏季的水动力条件强烈，因此，DOM的生物地球化学循环过程较快，而冬季与其相反。经过检验，BIX区域间变化的P值为0.054，季节性变化的P值为0.042，即自生源指数BIX的季节性变化的差异性较为显著，自生源特征的变化较大，而区域间的差异性较小。

腐殖化指数HIX表明了DOM的腐殖化程度，HIX越大表明DOM腐殖化程度越高，DOM分子结构越稳定。当HIX<4时，具有较弱的腐殖质特征和较强的内源特征^[22]。各站位腐殖化指数HIX为0.95～1.99（图5），HIX小于4，这表明DOM腐殖化程度较弱，自生源明显，主要来源于藻类和细菌分解产生，其中北支（1.769）>北港北沙（1.606）>南支北港（1.073），而Z7站位的HIX最大，BIX最小，可能是因为Z7站位离岸较远，主要与海洋水生生物生长代谢产生的DOM有关，而陆源输入对其影响较小，较难产生新近自生源DOM。季节变化情况为冬季（1.653）>秋季（1.500）>春季（1.452）>夏季（1.374），表明冬季的腐殖化特征最显著，相对于其他季节，夏季腐殖化特征较弱。经过检验，HIX区域间变化的P值为0.013，季节性变化的P值远大于0.05，即腐殖化指数HIX的区域间变化的差异性较大，而季节性变化并不显著，DOM腐殖化程度的季节性变化较小。

综上所述，长江口门附近海域水体DOM主要由陆源输入和内源活动共同产生，同时自生源特征较为显著，腐殖化程度较弱，反映了长江口门附近海域陆地与海洋间的相互作用显著，水体活性较强，易产生新近自生源DOM，有利于推进该区域DOM的生物地球化学循环过程。

DOM组分、荧光特征参数、DOC浓度以及温度和盐度的相关性分析结果如图6所示，其中T代表温度，S代表盐度，图中P<0.01为极显著相关，P<0.05为显著相关。组分C1、组分C2以及组分C3之间呈极显著正相关关系，表明它们之间有一定的同源性，组分C4是海洋类腐殖质，与其他组分相关性不强，说明海洋类腐殖质组分C4与其他3个组分在组成和来源上不尽相同。FI与组分C4呈极显著正相关关系，与其他组分呈极显著负相关关系，这是因为FI与DOM的来源有关，FI越大，DOM内源输入越强，组分C4主要为海洋水体内源产生，而其他组分受陆源输入以及人类活动等多种因素影响。BIX与组分C1、C2以及C3呈极显著正相关关系，而与组分C3相关性最显著，HIX与其相反，这是由于C3表征为一种类蛋白物质，与水生生物的生长代谢有关，类蛋白物质组分含量越多，腐殖化程度越弱，水体活性越强，易产生新近自生源DOM。DOC浓度与C1、C2以及C3呈极显著正相关关系，表明3个组分对其浓度贡献较大。温度T与组分C3和BIX呈极显著正相关关系，这与BIX的季节性变化研究结果一致，即生长代谢以及水动力条件等对C3有促进作用。盐度S与组分C3呈显著负相关关系，这可能是因为离岸近的海水容易受到地面淡水河流、雨水和地下淡水等多种因素的影响，导致盐度相对偏低，而陆源输入对组分C3有一定促进作用，离岸距离越近，陆源输入越强，组分C3占比就越大。

图  6  DOM组分以及相关参数之间的相关性

Figure 6.  The correlation between DOM components and related parameters

DOM组分占比和相关参数的相关性分析表征了DOM不同组分的相关性质，为研究长江口门附近海域水体中DOM的组成结构、来源特性等生物地球化学循环过程提供了理论依据。

（1）长江口门附近海域水体中DOC浓度范围为1.21～6.21 mg/L，均值为2.35 mg/L。DOC浓度存在显著季节差异，秋季（2.76 mg/L）>夏季（2.56 mg/L）>冬季（2.11 mg/L）>春季（1.96 mg/L）；区域分布上，南支北港（3.20 mg/L）>北支（2.21 mg/L）>北港北沙（1.82 mg/L）。DOC浓度的时空变化表征着DOM的生物地球化学循环过程，即长江口门附近海域水域初级生产力、河口输入以及人类活动等对DOM有促进作用。

（2）运用平行因子分析的方法解析了长江口门附近海域水体中的DOM的4种组分，可分为3种类腐殖质（C1、C2、C4）和1种类蛋白（C3），组分C1、C2占主体地位，C3次之，C4占比最小，组分C1、C2、C3之间具有显著的相关关系，同源性较强。DOM的组分占比及相关性表征着DOM的组成结构特征，为进一步研究该区域DOM的相关特性提供了理论依据。

（3）荧光特征参数（FI、BIX、HIX）分析结果表明，长江口门附近海域水体中DOM主要由陆源输入和水生生物的内源共同产生作用，腐殖化程度较弱，自生源特征较为显著，同时，夏季的自生源特征最强，冬季的腐殖化程度最显著；相关性分析表明，组分C3与水生生物的生长代谢呈显著正相关关系，而组分C1、C2、C3与HIX呈显著正相关关系，且同源性较强，组分占比较大，因此它们对DOM的腐殖化程度贡献较大。