富营养化驱动下城市-农业湿地中难降解溶解有机质的生成与积累机制及其碳汇效应

《Environmental Technology & Innovation》：Eutrophication leads to production and accumulation of recalcitrant dissolved organic matter in an urban-agricultural wetland

本研究针对富营养化如何影响湿地溶解有机质(DOM)转化及碳循环这一关键科学问题，通过为期两年的月度监测，揭示了在富营养化湿地中，微生物缺氧转化将生物易降解DOM转化为难降解DOM(RDOM)的过程。研究发现微生物转化是RDOM形成的主要驱动力(贡献度39.1-41.2%)，表明富营养化在有效管理下可能增强湿地碳汇功能。该成果为理解人为干扰下湿地碳循环机制提供了新视角。

　　

在全球气候变化背景下，湿地作为重要的碳汇生态系统，虽然仅覆盖地球表面积的不到2%，却储存了约20%的陆地有机碳。然而，令人担忧的是，全球30-90%的湿地正受到人为活动引起的富营养化威胁，导致碳储存功能持续退化，每年约损失0.5 Pg碳。更严峻的是，湿地可能从碳汇转变为碳源，加剧气候变化。尽管湿地在水候缓解中的作用日益受到重视，但在人类活动压力不断升级的背景下，恢复其碳储存功能仍需深入理解有机碳周转的控制机制。

溶解有机质(DOM)作为水生有机碳库的主要组成部分，其生态功能很大程度上取决于化学特性，而后者又受来源影响。在自然湿地中，DOM主要来自土壤或植物碎屑的陆地冲刷，富含腐殖化和芳香化合物，具有抗微生物降解特性。然而，城市扩张增加了外来生活工业污水和富营养化衍生的藻类生产对DOM库的贡献，这些DOM往往更具生物可利用性，易在较短时间内被微生物降解。尽管富营养化无疑通过引入生物易降解碳底物增强了湿地DOM库的反应性，但DOM的降解和转化受到多种环境约束的强烈调控。因此，理解富营养化如何在长期时间尺度上调控湿地生态系统中DOM的数量和质量，对进一步约束湿地碳预算至关重要。

在这项发表于《Environmental Technology》的研究中，研究人员对三垟湿地进行了为期两年(2023年4月至2025年4月)的月度调查，通过综合运用水质分析、DOM光学特性表征(紫外-可见吸收和三维荧光光谱)以及机器学习技术，系统探讨了富营养化驱动下DOM转化和储存的潜在机制。

关键技术方法

研究团队每月在湿地内6个站点采集表层水样，共获得144个样本。分析指标包括常规水质参数(TN、TP、COD、Chl a、DO等)、DOC浓度以及DOM光学特性。采用PARAFAC分析识别荧光组分，结合二维相关光谱(2D-COS)解析FDOM组分沿富营养梯度的动态变化。运用随机森林(RF)和SHAP模型评估环境因子对RDOM的相对重要性，通过统计检验分析时空差异。

研究结果

水质参数的季节性变化

三垟湿地TLI值范围为45.9-68.5，表明整个研究期间处于中营养至中度富营养状态。季节性上，春季和夏季富营养化更为严重，而秋季和冬季有所缓解。TN浓度月平均值为0.84-7.01 mg/L，夏季最低，冬季达到峰值；TP浓度(0.05-0.55 mg/L)在春夏较高，冬季最低；COD浓度(1.85-6.70 mg/L)从春季到夏季增加，随后逐渐下降；Chl a(4.0-135 μg/L)从春季到夏季增加，秋季下降。DO浓度(1.1-13.8 mg/L)在2023年至2025年期间普遍不饱和，特别是在两个夏季和2025年秋季。

DOC和CDOM的季节性变化

DOC浓度(1.7-5.0 mg/L)显示从春季到夏季逐渐增加，随后在秋季下降，冬季再次上升。与全球其他湿地生态系统不同，三垟湿地a_CDOM254(7.5-28.1 m^-1)与DOC解耦，冬季值相对较低。S_275-295(0.0109-0.0217)在夏季达到峰值，表明夏季DOM相对分子量最低。SUVA₂₅₄(1.2-3.5 mg C L^-1m^-1)与a_CDOM254显著相关，夏季DOM芳香度达到峰值。

PARAFAC组分与FDOM季节性变异

鉴定出三种PARAFAC组分：C1(类腐殖质，主要来自土壤和植物碎屑)、C2(微生物源类腐殖质DOM)和C3(类蛋白质组分，代表酪氨酸样物质)。类腐殖质C1(0.23-1.13 RU)和C2(0.38-1.39 RU)丰度呈正相关，季节性模式相似，夏季达到峰值，冬季最低。相反，类蛋白质组分C3(0.23-0.92 RU)冬季水平显著高于同年夏季。HIX值(0.96-5.00)与类腐殖质组分正相关，而BIX值(0.86-1.16)与类蛋白质组分正相关。

FDOM组分沿富营养梯度的动态变化

2D-COS分析揭示了FDOM组分对富营养化加剧的顺序响应：C3 → C2 → C1。表明类蛋白质DOM库对富营养化水平增加响应较早，而类腐殖质组分(C2和C1)的变化发生较晚。

讨论与意义

研究结果表明，富营养化促进了夏季微生物缺氧驱动下LDOM向高芳香度和腐殖化化合物的原位转化，导致RDOM显著积累。尽管有多个来源(如陆地源、污水输入和浮游植物释放)贡献于RDOM库，但SHAP分析强调微生物转化是主要驱动力。在较冷的冬季，较弱的DOM微生物转化导致自生RDOM的去除超过其积累。

这一发现推进了对富营养化湿地碳循环机制的理解，并强调了在评估富营养化对长期湿地碳预算影响时考虑微生物产生的RDOM的重要性。研究表明，通过有效管理污水和藻类，富营养化可能增强碳汇功能，为湿地管理提供了新思路。然而，鉴于富营养化已明确的不利影响(包括氧耗竭和生物多样性丧失)，通过有效的土地利用规划和废水处理来缓解富营养化仍然是湿地管理的关键优先事项。

该研究的创新之处在于揭示了微生物转化在RDOM形成中的主导作用，强调了环境条件(特别是温度和溶解氧)对DOM转化路径的关键调控，为预测气候变化背景下湿地碳循环响应提供了科学依据。未来研究需量化RDOM组分的归宿(埋藏或矿化)，并结合分子水平表征技术，以更全面理解富营养化对湿地碳预算的影响。