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植被冠层动态化学转化机制研究揭示雪松、桂花、杜鹃三种植物通过酸化降水并显著富集磷（桂花达20倍）、氮通量差异（雪松最高603.46 kg/km2）及铁有机络合机制，重构降水分子指纹，提出统一模型解释冠层对水文化学的调控作用。
邵秋丽|雷宇路|高阿拉萨|陶文志|魏建|胡翔|徐慧军|王海林|姜景刚|于增良|冯慧云
中国科学技术大学，合肥230026
摘要
植被冠层是一个关键的界面，它能够主动调节大气沉降物的化学成分，然而驱动这些变化的物种特异性机制仍然知之甚少。本研究揭示了城市化后的巢湖流域三种典型物种——樟树、桂花和石南——的冠层作为动态化学反应器的功能，这些反应器从根本上重塑了降雨的分子结构。所有这些冠层都使降雨酸化，并显著增加了其中的营养物质；特别是，在桂花冠层下，溶解的总磷（DTP）浓度增加了20倍以上。来自樟树冠层的净氮通量（603.46 kg/km2）远高于桂花（152.58 kg/km2），樟树冠层还主动保留了大气中的NH?-N。关键的是，我们发现了一种新的铁（Fe）迁移机制：与被物理冲刷作用驱动的碱金属离子不同，Fe的迁移严格受特定有机配体的控制。UV???吸收值在降雨过程中增加了一个到两个数量级。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明，这些冠层分解了大气中的脂肪族化合物，并渗出了大量的植物代谢产物。高分辨率的SEC-OCD分析进一步揭示了物种特异性的分子特征：桂花和石南主要释放高分子量的腐殖质物质，而樟树则表现出双峰状的腐殖质释放模式，既释放了低分子量的易分解中性物质（<0.5 kDa），也释放了腐殖质。综合这些发现，我们提出了一个统一的腐殖质-微生物共同控制模型。该模型认为，生态系统的水化学过程是由稳定的腐殖质类成分和动态的微生物副产物类成分之间的协同作用所控制的。这项研究表明，树种的身份是影响碳和营养物质通量质量和生态功能的主要因素，为预测植被变化带来的生物地球化学后果提供了重要的机制见解。
引言
大量文献已经证明，森林冠层是一个关键的生物地球化学界面，它从根本上改变了大气沉降物的性质（Li等人，2025；Russell等人，2025；Yan等人，2025）。降雨本身的化学成分已经被很好地研究过，随后对降雨中营养物质通量的影响也得到了研究（Li等人，2025；Parker，1983；Parron等人，2011）。例如，有广泛记录表明，降雨中的总氮通量可以是降雨量的1.5到3倍，而磷通量则可能增加一个数量级，这对森林地面的营养预算有着深远的影响（Du等人，2016；Lovett和Lindberg，1993）。同样，碱金属离子（K?、Ca2?、Mg2?）的物种特异性淋溶及其对降雨pH值的影响也是已知的现象（Limi?等人，2024；Lindberg等人，1986）。
除了无机离子和营养物质外，近年来对降雨中溶解有机物质（DOM）的研究也日益受到关注。作为碳循环的关键组成部分，DOM与氮和磷也有相互作用，因此对其特征的研究对于理解生态系统输入至关重要。降雨DOM的分析主要依赖于紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱和平行因子分析（PARAFAC）等技术（Coble，1996；Fellman等人，2010；Stedmon和Bro，2008）。这些研究揭示了一个一致的分子特征：雨水DOM的特定UV吸收值（SUVA???）通常在1到3.3 L/(mg·m)之间，荧光指数（FI）通常在1.5到1.8之间，这表明其主要来源于微生物（Li等人，2020；Yang等人，2019）。此外，研究还发现大气降水中含有大量的蛋白质类成分，这反映了大气气溶胶和生物排放的贡献（Li等人，2020；Wu等人，2024）。
与大量关于降雨中无机溶质和DOM性质的研究相比（Coble，1996；Fellman等人，2010；Stedmon和Bro，2008），冠层对DOM的生物地球化学转化及其在降雨中的组成变化则相对较少被研究。毫无疑问，冠层是DOC（溶解有机碳）的主要来源，降雨中的DOM浓度从典型的0.5–2.0 mg/L增加到一个数量级，达到10–25 mg/L，某些树种（如山毛榉和云杉）在极端情况下甚至超过40 mg/L（Inamdar等人，2012；Michalzik等人，2001；Van Stan和Stubbins，2018）。这种定量变化伴随着DOM质量的显著变化，与雨水的特征形成了鲜明对比。例如，代表芳香族含量的UV???值通常增加了10到50倍（Michalzik等人，2001）。SUVA???值可靠地增加到3.5 L/(mg·m)以上，而FI值则显著降低到约1.3，这是维管植物输入的明显特征（Fellman等人，2010；Stubbins等人，2012；Van Stan和Stubbins，2018；Weishaar等人，2003）。
尽管这些总体参数有力地证实了芳香族、植物来源的有机物质的大量添加，但它们仅提供了其结构复杂性的初步了解。文献中存在一个明显的不对称性：虽然关于降雨DOM的研究越来越多，关于无机降雨化学的研究也非常丰富，但应用一系列先进分析方法对降雨DOM本身进行深入研究的研究却非常少。因此，许多基本问题仍然没有得到解答。例如，不同树种的降雨DOM的分子量分布是怎样的？哪些特定的功能基团从冠层中渗出，这种化学结构如何调节营养物质和金属的循环？缺乏这类基础数据代表了我们对植被碳和营养循环理解中的一个关键空白。
为了解决这些关键问题，本研究采用了一种多分析方法，结合了高性能的SEC-OCD和EEMs-PARAFAC技术，超越了简单的通量量化，提供了冠层处理的分子水平解析。这项工作的主要创新在于阐明了城市树木冠层如何主动“重塑”降雨的分子量特征和化学结构。具体来说，我们的目标是：（1）表征DOM释放的物种特异性异质性，评估不同的生理特征是否驱动了分子大小分布和化学组成的变化，而不仅仅是普遍的冠层冲刷作用；（2）阐明微量元素相对于碱金属离子的迁移动态，特别是研究它们的迁移是否与冠层来源DOM的特定分子量组分相关联或分离；（3）建立一个概念框架，以识别控制降雨水化学演变的主要生物和非生物因素。总体而言，预期的结果将为理解植被身份如何调节城市化湖泊流域中营养物质和阳离子的生物可利用性提供重要的机制证据。
样本地点
该研究在合肥东浦水库附近的一个面积约为2.26平方公里的科学岛上进行。从一个人迹罕至的庭院中选择了单株未遮荫的樟树（Cinnamomum camphora）、桂花（Osmanthus fragrans）和石南（Photinia serratifolia）。这三种植物的基本参数详见表S1。虽然我们承认仅选取单株样本会限制统计
冠层对降雨水文和一般化学成分的修改
降雨拦截和溶质富集因树种而异，樟树由于其特殊的冠层结构表现出最高的降雨通量（图1a，b）（Cameron，2007；Dunkerley，2020；Staelens等人，2008a）。与冠层的相互作用一致地使水酸化，并提高了所有树种的电导率（EC）（图1c，d），表明有机酸和离子溶质从叶片表面普遍渗出（Parker，1983；Sadeghi等人，2017）。降雨量显著结论
本研究表明，植被冠层不仅仅是一个被动过滤器，而是一个高度活跃且具有物种特异性的生物地球化学反应器，它从根本上重塑了大气沉降物的化学成分。我们的发现表明，当雨水通过樟树、桂花和石南的冠层时，会经历一系列同时发生的物理、化学和生物过程，从而发生深刻的变化。所有这些冠层都是关键物质的显著净来源
作者贡献声明
姜景刚：资金获取。于增良：资金获取。冯慧云：写作——审稿与编辑、调查、资金获取。邵秋丽：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理。雷宇路：数据管理。高阿拉萨：数据管理。陶文志：数据管理。魏建：数据管理。胡翔：可视化。徐慧军：调查。王海林：调查
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
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1702103、2023YFC3207503）、合肥施水河流域管理项目（ZGDJ-HFSWLHXMGS-JY-2021-04）以及CAS-Social 合作项目（2022340107000030）的财政支持。我们还要感谢中国科学院合肥物质科学研究所的黄青教授和邵长胜博士为这项研究提供的宝贵支持。
