在以大型水生植物为主的湖泊中，水生植物的生长和分解过程中，碳排放对水体中有机物质（DOM）特性的响应机制

《Journal of Water Process Engineering》：Response mechanisms of carbon emissions to DOM characteristics during the growth and decomposition of aquatic plants in macrophyte-dominated lakes

　　

谭静薇|杨晓松|张岚|黄伟|王雪颖|王坤|蔡青

中国环境科学研究院国家湖泊污染控制与生态修复工程技术实验室、环境标准与风险评估国家重点实验室、湖泊污染控制国家环境保护重点实验室，北京，100012，中国

摘要

水生植物通过释放溶解有机物（DOM）来驱动碳循环。本研究以白洋淀湖为例，该湖是中国典型的以大型水生植物为主的湖泊。研究在5月、7月和11月采集水样，以探讨DOM以及CO₂和CH₄浓度的时空分布特征，并阐明这些气体浓度对DOM的响应机制。结果表明，在水生植物生长和分解的不同阶段，水质和DOM特征存在显著差异。三个月的最大荧光强度（F_max）分别为3.28 ± 3.36 R.U.、2.70 ± 2.15 R.U.和2.38 ± 1.79 R.U.，各月之间存在统计学意义上的差异（p < 0.05），且5月的值显著高于7月和11月。在5月，蛋白质类成分（FC1和FC3）在多个采样点的含量较高，分别达到最大值8.74 R.U.和3.98 R.U%。CO₂和CH₄浓度表现出显著的时空变化。5月的平均CO₂浓度最高（92.49 ± 41.78 μmol/L），而平均CH₄浓度在7月最高（0.85 ± 0.57 μmol/L）。在5月和7月，CO₂浓度与类腐殖质成分FC2呈正相关（p < 0.05）。CH₄浓度在5月与蛋白质类成分FC1呈正相关，在7月与FC3呈正相关（p < 0.05）。这些发现表明，微生物（主要门类：变形菌、放线菌、蓝细菌、拟杆菌）和DOM成分共同调节了溶解CO₂和CH₄的浓度，对其变化起着关键作用。

引言

水生植物作为湖泊生态系统中的初级生产者，在连接陆地-水生物质循环以及生物元素在衰亡和分解后的再分布过程中起着关键作用[1]，[2]，[3]。它们不仅调节碳、氮和磷等营养物质的生物地球化学循环，还通过改变水体的物理化学环境和溶解有机物（DOM）的组成，间接影响温室气体排放和水生群落结构[4]，[5]。作为全球碳循环的关键组成部分，地表生态系统中溶解二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）浓度的动态不仅反映了内部生物地球化学过程的强度，还对区域乃至全球气候变化产生重要反馈。DOM作为湖泊中碳循环的核心载体，其浓度、组成和来源受多种因素的影响，从而在一定程度上调节了CO₂和CH₄的产生和排放[6]，[7]，[8]，[9]。

不同类型植物分解产生的DOM成分存在显著差异[10]。例如，浮游植物分解产生的DOM主要由易降解的蛋白质类成分（如色氨酸和酪氨酸）组成，其生物可降解有机碳（BDOC）占比为40%–60%，这些成分可在12天内被微生物迅速消耗[11]，[12]。相比之下，挺水植物（如芦苇）分解产生的DOM主要由类腐殖质成分（如富里酸和胡敏酸）组成，BDOC占比仅为10%–20%，且芳香性（SUVA₂₅₄）是藻类衍生成分的1.5–2倍[13]。先前研究对比了中国太湖中Potamogeton malaianus（大型水生植物）和蓝细菌（藻类）产生的DOM，发现藻类衍生DOM的微生物降解速率是大型水生植物衍生DOM的2–3倍，进一步证实了植物类型对DOM生物可利用性的调节作用[14]。

DOM的化学和生物特性的变化调节了地表水生生态系统中的CO?和CH?的产生和排放。Amaral等人发现，浅水河口的CO?和CH?浓度与DOM浓度和组成显著相关[6]。陆地和微生物产生的类腐殖质物质的增加（表明芳香性增强）促进了CO?的排放，而CH?浓度则与来自陆地、微生物和人为来源的类腐殖质和蛋白质类DOM更密切相关。在湖泊生态系统中，研究表明DOM中的蛋白质类成分可以促进二氧化碳的排放[15]，[16]。例如，对中国西南部64个高原湖泊的调查发现，CH?浓度与蛋白质类DOM成分及生物指标之间存在显著正相关[7]。此外，类腐殖质成分对碳排放的影响因湖泊类型而异。研究发现，草原湖泊中的温室气体排放通量与四种类腐殖质DOM成分呈负相关，表明类腐殖质物质是抑制这些湖泊中温室气体排放的主要因素[8]。研究还显示，营养水平较高或藻类大量繁殖的地区温室气体排放相对较高，因为较高的营养水平促进了CO?和CH?的产生和排放[17]。由于不同类型水生植物的物质组成存在显著差异，它们死亡后的分解过程会改变湖泊水体中的DOM结构和物理化学性质，从而在一定程度上影响CO?和CH?的产生和排放。

尽管关于湖泊中DOM和温室气体排放的研究已经很多，但仍存在一个关键的知识缺口：不同DOM成分（蛋白质类或类腐殖质类）如何机制性地调节大型水生植物主导的浅水湖泊中不同植物生长和分解阶段CO?和CH?浓度的时空变化。具体来说，尚不清楚蛋白质类DOM是否优先促进甲烷生成，而类腐殖质类DOM是否驱动好氧条件下CO?的产生，以及这些过程如何与微生物群落演替相互作用。本研究选择以白洋淀湖作为研究地点，该湖是平原地区典型的以大型水生植物为主的浅水湖泊。研究了2024年的三个关键时期：5月（Potamogeton crispus的分解期）、7月（植物生长高峰期）和11月（芦苇和其他挺水植物的分解期）。主要目标是：（1）描述这三个时期DOM成分及溶解CO?/CH?浓度的时空分布；（2）确定驱动气体浓度的关键环境因素和DOM组分；（3）阐明涉及DOM组成和微生物群落的协同调控机制。通过解决这些目标，本研究旨在揭示水生植物生长和分解过程中碳排放对DOM特征的响应机制。

节片段

研究区域和样品采集

考虑到白洋淀湖中水生植物生长和分解的周期性及季节性特征，选择了2024年5月、7月和11月这三个关键时期，对水质、有机物质存在形式以及溶解CO?和CH?浓度进行了采样调查。5月正值P. crispus的分解期，这是白洋淀湖中占主导地位的沉水大型水生植物

白洋淀湖水质和DOM成分的时空分布特征

在不同时期，白洋淀湖的主要水质指标存在显著的空间分布差异（图S2和S3）。在5月P. crispus的分解期间，白洋淀湖西部和南部的DOC浓度明显高于其他区域，尤其是地点7和10的数值较高。这可能与P. crispus等沉水植物分解过程中释放的有机物有关

DOM特征及CO?和CH?浓度对植物分解的响应

白洋淀湖中DOM的存在特征具有时空特异性。荧光强度特征表明，在5月P. crispus的分解期间，白洋淀湖中的DOM结构主要由蛋白质类物质组成。这一阶段的DOM空间分布特征如下：南部地区的F_max值较高，蛋白质类成分（FC1、FC3）的荧光强度

结论

在水生植物生长和分解的不同阶段，白洋淀湖的水质和DOM特征表现出显著变化。总体而言，研究结果表明，在植物生长期间类腐殖质物质占主导地位，而在两个植物分解阶段则蛋白质类物质占主导。在植物分解过程中，白洋淀湖的关键水质指标（如TP和TN）与DOM之间存在阶段特异性影响

CRediT作者贡献声明

谭静薇：撰写文献初稿、软件应用、方法论设计、数据整理。杨晓松：项目管理、调查工作。张岚：指导、概念构思。黄伟：撰写修订、方法论设计。王雪颖：资源协调、项目管理。王坤：撰写修订、撰写初稿、软件应用、项目管理、方法论设计、资金争取。蔡青：撰写初稿。

利益冲突声明

作者声明没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3204004）的支持。