《Journal of Water Process Engineering》：High turbidity induced by extreme precipitation complicates the relationships between molecular and optical properties of DOM in the Yangtze River
编辑推荐：
溶解有机物（DOM）的分子组成与光学特性受湍浊度调控，高湍浊度促进芳香族和CHO化合物，低湍浊度以烷基和硫化合物为主，两者下光学代理（如a254、BIX、HIX、SUVA254、FI）与DOM定量/结构特征的相关性显著差异（p<0.05），且非线性异步趋势明显，导致光学代理表征能力弱化，极端降水加剧此效应。
作者：岳仁、杨光瑞、金佳乐、赵楚、叶志山、陈佳明、张新义、黄涛、黄长春
单位：南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，中国南京 210023
摘要
河流沉积物调节溶解有机物（DOM）的来源和转化途径，从而重塑其分子和光学特性。然而，浊度对光学替代指标表征能力的影响机制仍不明确。2020年至2022年间，我们在长江主干道采集了水样，通过紫外-可见光吸收光谱和荧光光谱分析结合分子水平研究，阐明了DOM的特性。结果表明，浊度会导致DOM成分发生显著变化：高浊度环境下芳香族和含CHO化合物占主导，而低浊度环境下则以脂肪族和含硫化合物为主。在不同浊度条件下（p < 0.05），DOM的光学和分子特性存在显著差异，不同化合物的变化趋势呈非线性且不同步。这些差异削弱了光学替代指标指示DOM定量和结构特性的能力。具体而言，吸收系数与类腐殖质荧光成分（a???、BIX、HIX、C1和C2）与DOC浓度及分子指数（AImod、DBE和DOC浓度）之间的关系表现出最强的调节效应。在低浊度条件下（33%的分子具有显著性；脂肪族化合物占44%，多环芳烃占27%），DOM分子结构与光学指数的相关性更强；而在高浊度条件下（19%的分子具有显著性；脂肪族化合物占28%，多环芳烃占17%），CHOS分子的关联性最强。此外，水体的物理化学效应进一步加剧了光学指数表征的不稳定性。我们的研究强调，极端降水引起的浊度变化通过改变特定分子和光学性质，降低了光学指数表征的稳定性。
引言
河流通过将沉积物和大量陆地碳输送到海洋，调节全球生物地球化学循环[1][2]。溶解有机物（DOM）是河流碳的主要组成部分，在碳输送中起核心作用。随着全球变暖，极端降水事件的强度和频率显著增加，这对河流沉积物的时空分布产生了重要影响[3]。人类活动和气候变化导致河流沉积物负荷增加，将大量陆地有机物带入河流，从而显著改变了DOM的组成和来源[4][5]。此外，附着在沉积物上的微生物群落及其所处光照条件的变化也影响了有机物的生物和光化学过程[6]，进而影响DOM的性质和组成。然而，DOM的光学性质和分子成分如何随沉积物动态变化以及它们之间的关联仍不明确。这种不确定性限制了光学替代指标（如腐殖化指数、芳香性指数等）在表征DOM特征方面的可靠性和适用范围。因此，明确DOM性质替代指标如何随沉积物动态变化对于提高其表征能力以及追踪陆地-海洋碳通量至关重要。
DOM具有复杂的分子组成和降解机制[7][8]。DOM的来源、组成和分子结构决定了其传输和转化过程，进而影响其结构和光学性质[9][10]。目前，基于CDOM光学性质的紫外-可见光光谱（UV–vis）和三维荧光光谱（EEM）已成为追踪天然DOM来源和结构信息最便捷有效的方法[12][13][14]。其中，254纳米处的吸收系数（a???）与芳香族物质或含有长链共轭结构的物质的浓度显著正相关[15][16]；254纳米处的特定紫外吸收（SUVA???）广泛用于表征DOM的芳香性和不饱和度[17][18]，不饱和度越高，SUVA???值也越高；荧光指数（FI）用于描述有机物的来源[19][20]；类腐殖质荧光成分用于指示陆地大分子有机物[21]。DOM的光学性质与其来源、浓度、芳香性、双键当量等结构特征密切相关。然而，现有指标主要关注单一水环境的特定空间尺度[22][23][24][25]，因此光学指数及其指示能力在河流流域内存在显著的空间差异。由于雨季降水强度增加导致水下光强度衰减和水生生物光合作用受限，内源性有机物的合成减少[26]。此外，径流量的增加将大量有机物带入河流，使得陆地有机物比例上升[27]，水体中有机碳浓度升高。陆地物质含有更多的有色溶解有机物（CDOM）[28]，荧光成分也相应增加[29]，类腐殖质物质和芳香族化合物的比例更高[30]。由此可见，干湿季节降水强度和频率的变化以及水浊度的波动直接改变了DOM的来源、浓度、光学性质和分子特性[29][31][32][33]，导致天然有机物（NOM）的分子组成、光学性质和转化机制出现显著的时空变化，使得光学指标的表征能力不稳定。因此，揭示极端降水期间沉积物对DOM的分子组成、有机来源和光学性质的影响将深化对沉积物影响的研究。
为填补这一研究空白，本项目以长江流域（YRB）作为研究区域。YRB曾多次遭受极端事件引发的洪水，其中大部分由极端降水引起[34][35]。上游到下游，降水强度逐渐增加[36]，导致水浊度升高。我们利用紫外-可见光吸收光谱、激发-发射荧光光谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱分析了DOM的光学性质和分子特性，并进行了回归分析和冗余分析（RDA），旨在实现以下目标：（1）描述极端降水影响下水浊度波动时DOM光学性质、分子结构及其变化特征；（2）揭示浊度对DOM光学性质与分子特性关系（光学指标的表征能力）的调节机制；（3）分析不同浊度条件下的水环境特征及其对DOM光学性质表征能力的影响。
研究区域和样本采集
长江是世界第三长的河流，全长约6300公里，是欧亚大陆上流量最大的河流，年径流量为1万亿立方米，流域面积为1,808,500平方公里[37]。它发源于青藏高原，向东流经11个城市后注入东海。我们在主干道上建立了多个水文站，可以获取不同河段的流量数据。
DOC浓度变化
对长江各样本的DOC浓度进行综合分析后发现，沿主干道的DOC浓度变化较大，范围为1.29至5.45 mg/L（平均值±标准差：2.14±0.59 mg/L）。在某些采样点，DOC浓度从上游到下游呈下降趋势，而在其他点则保持稳定。总体而言，上游的浊度水平低于下游。DOC浓度与浊度显著相关（p < 0.05），浊度越高，DOC浓度也越高。
浊度对芳香族和非芳香族化合物的不同非线性影响
高浊度显著增强了芳香族化合物中SUVA???值和类腐殖质荧光成分（C1、C2）的强度（图6b、c；图S6b、c、d）。这与极端降水将大量有机物从陆地带入河流的机制一致，导致DOM的吸收增强，陆地类腐殖质荧光成分含量增加，以及SUVA???值上升，表明芳香族化合物的吸收受浊度的影响更大。
结论
总体而言，本研究关注极端降水事件引起的水浊度变化，揭示了DOM特性的变化模式，并阐明了光学性质表征能力对浊度及相应环境因素的响应机制。研究发现，浊度可以重塑DOM的分子组成和结构特征，从而改变其迁移和...
< />
岳仁：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、概念构思。杨光瑞：数据收集与处理。金佳乐：软件使用、数据分析。赵楚：数据分析。叶志山：软件使用。陈佳明：数据分析。张新义：数据分析。黄涛：数据分析。黄长春：撰写 – 审稿与编辑。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT工具来审阅和优化模型代码，识别并纠正语法错误，验证参考文献的准确性和格式，提高整篇论文的语言清晰度、连贯性和精确性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U24A20577、41971286、42277214）、国家社会科学基金（项目编号：Grant22&ZD136）以及江苏省碳达峰与碳中和科技创新计划（项目编号：GrantBE2022612）的支持。
