《Journal of Environmental Sciences》：Ecosystem-specific patterns in soil dissolved organic matter (DOM) biodegradability: validated by a multi-property persistence index (PI) for linking DOM and soil organic matter (SOM) intrinsic characteristics
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土壤溶解有机物（DOM）稳定性评估及其与持久性指数（PI）的关联性研究。通过实验室降解实验和PI多参数整合方法，比较森林、草地、农田三种生态系统DOM的生物降解性，发现森林DOM最稳定，PI与降解参数（如MRT、可降解分数）显著相关，验证了PI作为快速评估工具的有效性，为碳汇管理提供理论依据。
田珊怡|朱思华|姚松波|江慧|吕继涛|黄荣|张同文|苏晓蕾|尹永光|江涛|王定勇
中国重庆市西南大学资源与环境学院环境科学与工程系长江流域农业绿色发展跨学科研究中心，邮编400716
摘要
土壤溶解有机质（DOM）的生物稳定性对于理解碳（C）循环和生态系统功能至关重要。现有的估算DOM生物降解性的方法受到准确度、可扩展性和成本效益平衡的限制，这主要是由于DOM的化学复杂性和方法学上的局限性。虽然DOM常被用作土壤有机质（SOM）持久性的代理指标，但直接的实证验证仍然很少。在本研究中，我们应用了一个综合指数——持久性指数（PI），该指数基于多种属性（包括多样的光学属性）通过生态系统多功能性框架进行计算，以评估DOM的持久性。来自森林、草地和农田的土壤DOM样本经历了14天的生物降解实验，降解动力学通过双指数函数进行建模，以量化易降解部分和稳定部分。不同生态系统的DOM生物降解性存在差异，其中森林土壤的DOM降解性最低，平均停留时间（MRT）最长，其次是草地和农田土壤。PI值与生物降解参数之间存在显著相关性：与易降解DOM呈负相关，与稳定部分和MRT呈正相关。基于光学的PI值反映了这些趋势，证实了其作为快速、经济有效的DOM稳定性代理指标的潜力。此外，DOM的生物降解性还与SOM持久性指标有显著相关性，突显了SOM固相和水相之间的耦合关系。这些生态系统特异性的DOM稳定性差异对土地利用管理、综合流域管理和气候缓解策略具有直接意义。本研究强调了PI作为跨生态系统比较的稳健框架的潜力，为环境管理、碳封存和不同生态系统中的污染物风险降低提供了方法学参考。
引言
溶解有机质（DOM）是存在于土壤、水和其他环境中的有机质（OM）的溶解部分（Bolan等人，2011年）。DOM对碳（C）循环和环境污染物调节至关重要，因为它具有较高的迁移性，并且是陆地和水生生态系统中微生物的能量来源（Regnier等人，2022年）。土壤DOM是土壤有机质（SOM）的可溶性或水提取部分（Bolan等人，2011年；Chantigny，2003年）。尽管DOM仅占SOM总量的不到2%，但它被认为是SOM中最活跃的组成部分，在调节土壤健康和生物地球化学循环中起着重要作用（Bolan等人，2011年；Lehmann和Kleber，2015年；Zsolnay，2003年）。例如，多项研究利用孔隙水中的DOM来指示SOM/沉积物的稳定性，这可能主要影响污染物的迁移和生物可利用性（Aiken等人，2011年；Beckers等人，2019年；Huang等人，2022年；Jiang等人，2018年；Zhang等人，2024年）。此外，土壤DOM是有机质中高度移动的部分；因此，了解土壤DOM的稳定性对于阐明SOM如何在生态系统边界之间传递能量和养分至关重要（Kothawala等人，2021年；Regnier等人，2022年）。DOM的持久性反映了其抵抗微生物或化学降解的能力，对于理解其生物地球化学循环和相关环境问题至关重要（Zhou等人，2024年；Zsolnay，2003年）。然而，DOM明显的化学异质性和组成复杂性，加上其对气候和生态干扰等多种环境因素的敏感性，使得对其稳定性的准确评估具有挑战性（Chakrawal等人，2025年），从而限制了我们对其在碳循环和环境中的作用的理解。
实验室培养实验（如生物降解或光降解）通过测量DOM随时间的降解情况来直接评估其稳定性（Kalbitz等人，2003a；Zhang等人，2023年），但这些方法耗时且资源密集，限制了它们在大规模研究中的应用。间接方法如UV-Vis吸收光谱、荧光光谱（Chen等人，2003年；D’Andrilli等人，2022年）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）（McKay，2020年）和质谱分析（Lv等人，2022年；Simpson和Simpson，2012年）可以快速提供关于DOM芳香性、分子量和官能团组成的信息，但这些方法只能捕捉DOM稳定性光谱的一部分。我们之前的研究引入了持久性指数（PI），这是一个将多种OM参数整合在生态多功能性框架中的复合多属性指标（Tian等人，2025b）。这种方法通过结合多个独立指标，允许在不同地点和条件下进行OM持久性的稳健比较，为在陆地和水生环境中的应用提供了方法学可行性（Tian等人，2025c，2025a；Zhang等人，2025年）。然而，关于OM持久性的控制因素仍不明确，无论是内在属性（Kellerman等人，2015年；Ren等人，2025年）还是微生物特征（Cory和Kling，2018年；Kalbitz等人，2003a）都至关重要。迄今为止，尚未实现对PI与DOM直接生物降解性指标的实证验证，这限制了PI作为各种生态系统中DOM稳定性量化有用指标的应用和推广。
验证土壤DOM生物降解性与PI之间的耦合关系，并将其与SOM持久性联系起来，将为PI在评估OM稳定性方面的预测能力提供有力证据。这一方法学框架将增强对DOM作为调节土壤内及生态系统边界间生物地球化学过程的关键组成部分的理解，并支持在陆地生物地球化学中的更广泛应用（Jansen等人，2014年；Kothawala等人，2021年）。由于PI将多种OM属性整合到一个统一的指标中，基于光学的DOM特征分析为其应用提供了高效、可扩展的途径（Berg等人，2023年；Hansen等人，2016年）。结合荧光光谱和吸收光谱可以高分辨率地表征DOM的内在属性和反应性（Chen等人，2003年；D’Andrilli等人，2022年；Fellman等人，2010年）。常见的光学指标包括SUVA254用于表征芳香性（Weishaar等人，2003年）、E2:E3用于表征分子大小（De Haan和De Boer，1987年）和光谱斜率用于区分陆地和微生物来源（Helms等人，2008年）、荧光指数（FI）用于区分陆地和微生物来源（McKnight等人，2001年）、腐殖化指数（HIX）用于表征腐殖化程度（Ohno，2002年）以及生物指数（BIX）作为自养生产力的指标（Huguet等人，2009年）。基于我们之前的发现，基于光学的PI是土壤DOM和整体SOM持久性的强有力代理指标（Tian等人，2025b）。进一步验证基于光学的PI与DOM生物降解性之间的耦合关系将增强人们对PI作为快速、经济有效的DOM稳定性评估方法的信心，并突出其在支持碳封存策略和不同生态系统中的综合环境管理方面的适用性。
在这项研究中，我们从中国西部的典型陆地生态系统（即农田、草地和森林）收集了土壤样本，以捕捉不同生态系统中DOM特征和生物降解性的变化。这些生态系统在植被覆盖、有机质组成和土地利用强度方面存在差异，并且已知在DOM来源和化学性质上也有所不同（Tian等人，2025b，2025c）。基于这一采样框架，我们通过培养实验量化了从这些土壤中提取的DOM的生物降解性，建模了降解动力学以区分易降解和稳定DOM部分，并将这些结果与多属性和光学数据集的PI值以及SOM持久性指数进行了比较。我们假设：（1）不同生态系统间的DOM生物降解性存在显著差异；（2）PI与DOM生物降解参数之间存在强相关性，验证了其作为稳定性代理指标的适用性；（3）DOM生物降解性与SOM持久性相关。通过将直接生物降解测定与基于代理的指数（即PI）相结合，本研究旨在为PI提供稳健的方法学验证，并展示其在环境变化背景下为碳管理策略提供信息和支持基于证据的决策的实际相关性。
研究地点和土壤采样
本研究中使用的土壤样本来自我们之前的工作，采集于2021年7月至9月期间，涵盖了三种代表性的生态系统类型：农田、草地和森林（Tian等人，2025b）。对于本研究，从每个生态系统中随机选择了六个样本，为生物降解实验提供了代表性的子集（附录A 表S1）。采样地点的纬度范围为26°25′48″N至44°6′00″N，经度范围为87°3′00″E至106°24′00″E，涵盖了温带地区。
不同生态系统间土壤DOM的生物降解性差异
所有生态系统样本中的DOM降解都遵循明显的两相降解模式：第一阶段（I阶段）降解迅速，随后第二阶段（II阶段）降解速度减缓（图1a）。在I阶段，尽管生态系统间的差异没有统计学意义，但草地的DOM初始降解率最高，一天内有54.02%的DOC被降解，而森林为48.66%，农田为40.69%（图1a）。在第二阶段，农田DOM...
不同生态系统间土壤DOM的生物降解性差异
培养实验强烈支持我们的第一个假设，即不同生态系统间的DOM生物降解性存在显著差异（图1，图2）。森林DOM中含有较多的抗微生物降解的稳定部分，而农田DOM主要由易降解、低持久性的成分组成，草地DOM则表现出中等特征。这些结果与DOM的PI值（附录A 图S3）以及我们之前使用相同样本的研究结果一致。
结论
在中国西部进行的农田、草地和森林土壤DOM培养实验揭示了不同生态系统间DOM生物降解性的明显差异。森林DOM对微生物分解的抵抗力最强，具有最大的稳定部分和最长的平均停留时间（MRT）。农田DOM主要由易降解成分组成，生物降解性最高，而草地则处于中间水平。从全属性和光学数据集计算出的PI值与...
CRediT作者贡献声明
田珊怡：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。朱思华：撰写——原始草稿、方法学、研究、正式分析、数据管理。姚松波：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据管理。江慧：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据管理。吕继涛：撰写——原始草稿、资源获取、研究、正式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了SOM特征分析工作流程和平台的支持，该平台得到了重庆市自然科学基金（CSTB2022NSCQ-MSX0571）和中国国家自然科学基金（NSFC）（42177209和41977275）的财政支持。我们还要感谢西南大学提供的基本研究经费（SWU-XDJH202320）对气候变化及其环境影响（CCEI）研究的支持。
