《Water Research》：Constrained sediment carbon sequestration driven by agricultural diffuse pollution: Evidence from core-derived DOM
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本研究基于双层次EMMA框架，分析鄱阳湖河湖过渡带沉积物理化特性及DOM组成，发现农业面源污染显著增强水溶性有机物活性，抑制碳固存潜力，揭示DOM来源与光稳定性受环境因子共同调控，为流域管理提供依据。
Kaiyue Ji|Wei Ouyang|Xinyi Liu|Jiamei Wang|Dongsheng Li|Jiahui Xie
中国北京师范大学环境学院区域环境与可持续性国家重点实验室，北京100875
摘要
河流-湖泊过渡带中的沉积物溶解有机物（DOM）在养分、碳和污染物循环中起着重要作用，但人为因素和自然因素对沉积物垂直组成及碳稳定性的影响仍不甚清楚。本研究采用双层端元混合分析（EMMA）框架，结合物理化学、光谱学、同位素和建模方法，对鄱阳湖的河流-湖泊生态过渡带沉积物进行了垂直剖面分析。沉积物主要由沙子（44.7%）和淤泥（35.8%）组成，呈弱酸性，其中磷污染（STP 0.57–2.97）超过氮污染（STN 0.07–1.45），尤其是在流入河流中。基于稳定同位素的EMMA分析显示，沉积物有机质（SOM）的来源较为复杂，以化肥输入为主，这从δ13C（-25.58‰至-20.53‰）和δ15N（3.99‰至5.98‰）的特征可以推断出来。荧光基EMMA分析表明，牲畜和家禽（57%）、河岸植被（23%）以及农田渗漏（9%）是沉积物水溶性有机物（WEOM）的主要来源。LightGBM-SHAP分析显示α254与WEOM的光学稳定性密切相关，表层和深层沉积物之间存在明显差异。总体而言，双层EMMA分析表明农业面源污染加剧了WEOM的不稳定性，限制了河流-湖泊过渡带中的碳封存潜力。基于荧光的EMMA解释可能受到沉积物埋藏过程中DOM转化以及端元代表性不确定性的影响。这些发现强调了综合管理养分和土地利用措施对于维持大型泛滥平原湖泊系统碳储存的重要性。
引言
溶解有机物（DOM）是沉积有机质中最活跃的部分，影响着碳封存潜力、养分再生和污染物迁移（Guigue等人，2015年）。与水体相比，沉积物（尤其是垂直剖面）提供了关于DOM积累和转化的独特记录。DOM的特性，如芳香性、分子量和腐殖化程度，与其持久性和生态功能密切相关（Kajan等人，2023年）。河流-湖泊生态过渡带是陆地-水相互作用和物质循环的关键界面（Pearce等人，2021年），在此区域，高度异质的水动力条件和沉积过程导致DOM在空间和垂直方向上的显著变化。光学技术，包括紫外-可见光（UV–Vis）吸收和激发-发射矩阵（EEM）荧光，为DOM的特征分析提供了灵敏且非破坏性的工具。然而，大多数现有研究集中在湖水或表层沉积物中的DOM，对河流-湖泊过渡带沉积物剖面中DOM的垂直分布和控制机制关注较少。这一知识空白限制了我们对这些生态过渡带系统在变化水文条件下的长期碳和养分动态的理解。沉积物DOM的来源，无论是来自陆地输入、自生生产还是其他途径，都对其化学稳定性、生物可利用性和结合污染物的能力有重要影响。陆地来源的DOM通常富含高分子量腐殖质和芳香化合物，具有较高的化学稳定性（Seifert等人，2016年），但生物可利用性较低。相比之下，自生DOM通常具有较低的分子量和较高比例的蛋白质类及易降解化合物，化学活性更强，生物可利用性更高（Barron等人，2014年）。以往针对DOM来源分配的研究采用了定性分析技术，如稳定同位素特征和分子量谱（Mohapatra等人，2021年；Yang等人，2015年）。最近，基于光谱指数的端元混合分析（EMMA）等定量方法被用来量化不同来源的相对贡献，并提高了分析效率（Kim等人，2023年；Tak等人，2021年）。尽管存在一些局限性，如端元识别不准确、混合过程中潜在的DOM转化被忽略（Lee等人，2018年）、对示踪剂选择和端元数量的敏感性以及假设线性混合行为（Christophersen & Hooper，1992年），EMMA仍能有效解析主要混合模式，其可靠性也得到了傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析的支持（Lin等人，2024年）。然而，现有应用主要集中在粗略的来源分类和水生环境中，针对湖泊系统中沉积物DOM来源分配的精确研究较少。填补这一空白对于重建环境变化历史、评估生态风险和为区域流域管理提供科学依据至关重要。
沉积物DOM的光学性质垂直剖面不仅反映了历史输入，还反映了由氧化还原条件、微生物活动和有机物降解途径变化驱动的成岩变化（Brogi等人，2019年）。具体而言，中等分子量的碳组分与有机碳（SOC）含量呈显著正相关（Yang等人，2025年），细颗粒（< 25 μm）富含芳香性和强荧光组分（Wang等人，2016年），还原条件有利于高度氧化的DOM积累，同时选择性地消耗蛋白质类组分（Gan等人，2020年）。DOM的组成和反应性在水平和垂直（深度）梯度上可能存在显著差异。通常，表层沉积物富含来自近期初级生产的易降解蛋白质类DOM，而深层沉积物则以更具芳香性、更腐殖化和难降解的DOM为主（Liu等人，2025a）。DOM分解可释放结合态的氮和磷（Yu等人，2024年），可能降低上层水的质量。尽管已知个别环境参数（如有机碳含量、粒径或氧化还原电位）会影响DOM组成（Xu等人，2024年），但很少有研究系统探讨这些因素如何共同调节沉积物剖面中DOM的结构及相关生态风险。进一步研究有助于确定DOM行为的关键光学预测因子，并量化其对养分和有机碳稳定性的影响，从而提高湖泊管理策略的有效性，实现碳封存、缓解富营养化和降低污染风险。
为填补这些空白，本研究通过整合固相同位素证据和溶解相WEOM分析，研究了鄱阳湖沉积物中土壤/沉积物有机质（SOM）的物理化学特性、光学性质和基于EMMA的来源分配。具体而言，我们（i）评估了沉积物污染程度并表征了WEOM组成的垂直变化，（ii）量化了不同来源对SOM和WEOM的相对贡献，（iii）确定了WEOM光学特性的关键环境驱动因素及其在调节养分污染和有机碳稳定性中的作用。这一综合框架有助于理解人类和自然因素如何影响河流-湖泊过渡带中的DOM循环，为改进大型泛滥平原湖泊系统的养分管理和碳封存策略提供了科学依据。
研究区域和样品采集
鄱阳湖是中国最大的淡水湖，位于长江中下游流域，汇集了五条主要支流的径流并最终注入长江。湖泊的季节性水文变化形成了典型的过渡性湿地生态系统。湖泊的河流-湖泊过渡带包含319个碟形子湖（以下简称子湖），每个子湖的面积超过0.01平方公里，占干季面积的28.88%
沉积物的物理化学特性和风险评估
湖泊沉积物的物理和化学性质的垂直分布特征如图2所示。沉积物主要由沙子（44.7%）和淤泥（35.8%）组成，粘土仅占19.5%，各点的垂直分布趋势存在差异。GRD沉积物的平均TC和TN浓度分别为6.47 g/kg和0.58 g/kg。在空间分布方面，与子湖区域相比，沉积物中的SOC和TN含量泛滥平原湖泊沉积物中的养分积累和DOM-养分耦合
沉积物养分的垂直分布和风险评估为理解泛滥平原湖泊的生态风险和生物地球化学过程提供了重要线索。鄱阳湖的氮、磷和有机污染物水平升高（Pu等人，2020年）。特别是表面污染加剧和沉积物磷积累增加（图3），这与以往研究结果一致（Xiang和Zhou，2011年），可能与近期
结论
本研究使用双层端元混合分析框架系统地研究了河流-湖泊过渡带沉积物的深度依赖性模式和来源分配。研究发现，GRD区域的养分污染存在空间异质性，来源多样，环境驱动因素也各不相同。FF指数表明68.4%的样品相对清洁，表层沉积物（0–25 cm）的污染程度低于深层（>25 cm）。基于稳定同位素的EMMA分析显示
未引用的参考文献
(Park等人，2019)
CRediT作者贡献声明
Kaiyue Ji：撰写——初稿、可视化、方法学、调查、概念化。
Wei Ouyang：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取。
Xinyi Liu：撰写——审稿与编辑、验证、调查。
Jiamei Wang：撰写——审稿与编辑、方法学、正式分析。
Dongsheng Li：可视化、软件应用、调查。
Jiahui Xie：验证、调查、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（U23A2015）、国家自然科学基金创新研究群体基金（项目编号52221003）、北京师范大学“珠海重大科研项目补充经费”支持的ZHPT2023015项目以及中国教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM903）的财政支持。
