土地利用对美国沿海关键带网络溶解性有机物组成的影响

《Aquatic Sciences》：Land use influences dissolved organic matter composition in the U.S. Coastal Critical Zone Network

　　

沿海流域是具有高度生产力的生物地球化学系统，支撑着稳健的沿海渔业并对海洋总初级生产通量作出重要贡献。这些生态系统由民用基础设施、农田、森林和湿地组成，其多样性反映在溶解性有机物（dissolved organic matter, DOM）的数量和质量上。本研究评估了农业对来自美国关键带网络（Critical Zone Network）六个沿海潮汐溪流地表水DOM的影响。采用电喷雾电离-傅里叶变换-离子回旋共振-质谱（electrospray ionization - Fourier transform - ion cyclotron resonance - mass spectrometry, ESI-FT-ICR-MS）进行分子指纹分析，结果显示农业影响的DOM富含含氮（N）、硫（S）和磷（P）的化合物。铵根离子浓度[NH₄⁺]与可能包含NH₃加合物的含氮分子式显著相关，表明NH₄⁺（例如来自肥料）可通过双电子化学反应途径（如Michael加成）、单电子反应（如Fenton氧化）或生物途径被整合进入DOM。这提示[NH₄⁺]测量可作为参数化农业对沿海环境影响的潜在方法。这些结果共同为美国关键带网络未来关于陆地与水体相互作用的研究奠定了基础。更广泛而言，DOM的分子指纹分析与全球观测结果一致，即农业影响的淡水DOM中N、S和P浓度升高，表明农业活动（如年度肥料施用）也能影响高盐度和高pH沿海环境中的DOM组成。

沿海流域是全球生物地球化学循环中的关键区域，其高生产力支撑着丰富的渔业资源并贡献于海洋总初级生产。然而，尽管沿海环境DOM的定量研究较为充分，但含非氧杂原子（NSP，即氮、硫、磷）的有机分子由于表征技术挑战而研究不足。这些分子作为多种宏量和微量元素的"一站式"供应源，对微生物食物网至关重要。现有研究多集中于内陆河流系统，而沿海流域因具有高pH、高离子强度等独特水化学特征，其DOM生物地球化学过程不能简单由内陆系统外推。此外，农业活动产生的NSP物种如何通过自然或人为途径进入沿海DOM，以及在高盐度条件下这些分子特征是否持续存在，尚缺乏系统认识。为此，研究人员开展了这项发表于《Aquatic Sciences》的研究，旨在揭示农业活动对美国沿海关键带网络潮汐溪流DOM分子组成的影响机制，为理解人类活动如何重塑全球生物地球化学循环提供基础。

研究人员选取了美国沿海关键带网络中特拉华州（DE）、马里兰州（MD）和弗吉尼亚州（VA）的六条潮汐溪流作为研究对象，包括成对的森林和农田样点。其中MD农田样点因2019年起逐步停止农业活动而具有独特研究价值。水样采集后经过滤、酸化处理，通过固相萃取（SPE-PPL）富集DOM，最终采用负电喷雾电离-傅里叶变换-离子回旋共振-质谱（(-)ESI-FT-ICR-MS）进行分子水平表征。水化学参数方面，同步测定了溶解有机碳（DOC）、特定紫外吸收（SUVA₂₅₄）、荧光指数（FI）、分子量分布及NH₄⁺浓度。分子数据分析运用了Kendrick质量亏损（KMD）系列分析以识别同系列化合物，并基于修改的芳香性指数（AI_MOD）对化合物进行分类。

研究首先从DOM整体特征入手。SUVA₂₅₄分析表明，VA和DE农田样点DOM芳香性低于对应森林样点，暗示农田DOM具有更高比例的微生物来源组分；而MD样点因农业活动停止，其SUVA₂₅₄值与森林样点相近。荧光指数（FI）结果进一步支持农田DOM受微生物前体物影响更大，可能源于较少遮阴导致的光漂白作用及更高微生物活性。高压尺寸排阻色谱（HPSEC）测得的数均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）在VA和DE呈现森林高于农田的趋势，但MD样点无显著差异，这与SUVA₂₅₄结果相呼应，再次印证MD农田DOM已向自然状态恢复。

分子指纹分析揭示了更为精细的差异。van Krevelen图显示六份样品均呈现典型的河流DOM envelope特征，反映陆源与海源DOM的混合。化合物分类显示羧基富集脂环分子（CRAM）占主导（65-68%），木素类化合物次之（16-23%）。值得注意的是，森林-农田比较显示农田DOM中脂类含量更高而浓缩芳香化合物减少，可能与农业区更高的土壤扰动、根系分泌物及动物粪便输入有关。MD样点的相似性则归因于农业活动的停止。

"存在-缺失"分析揭示了更显著的NSP元素分布差异。VA和DE农田DOM相比对应森林DOM分别多出707和177个CHON分子式、487和260个CHOS分子式，以及108和2个CHOP分子式；而MD样点无此差异。这表明农业影响在VA最强、DE次之，且MD农田DOM已基本恢复自然状态。

DOM施肥效应的深入分析聚焦于NSP掺入机制。对于氮元素，KMD分析识别出305-952个（12-25%）潜在NH₃加合物，其数量与[NH₄⁺]呈显著正相关（p < 0.05）。非零y截距表明 coastal 系统存在独立于NH₄⁺浓度的其他氮源。该相关性提示可通过NH₄⁺测量参数化农业对沿海DOM的影响，尽管Michael加成反应与生物固氮途径均可能解释此现象。对于硫元素，KMD分析识别出215-514个（6-13%）磺酸同系物，VA和DE农田样点多于森林样点，证明农业实践导致硫向沿海DOM掺入。对于磷元素，多数样品含磷分子式稀少（<1%），仅VA农田样点检测到113个CHOP分子式，其中49个为潜在磷酸酯，表明磷掺入存在但数据集有限。

讨论部分进一步阐释了这些发现的生物地球化学意义。研究证实农业活动不仅输入无机NSP营养盐，更通过改变DOM组成影响其反应活性。这类NSP富集DOM在高盐度、高pH沿海条件下依然稳定，可能延长NSP在生态系统中的停留时间，改变下游微生物群落结构，并通过"激发效应"加速难降解碳库的周转。潮汐溪流的独特水文条件——周期性涨落形成的振荡流增加了底物停留时间，使其成为高效的生物地球化学反应器，农业来源DOM在此持续暴露于本地微生物组而非简单冲刷。MD样点的案例显示，农业活动停止后DOM组成可在数年内恢复至自然状态，表明沿海环境具有相对快速的恢复能力，同时证明超高分辨质谱分子指纹可用于监测农业影响及恢复评估。

研究结论指出，分子指纹和整体分析揭示了森林影响与农田影响DOM具有不同分子组成。农业活动通过添加反应性NSP底物增加了CHON、CHOS和CHOP分子式的数量。有机和无机肥料来源的NSP均可通过非生物和生物途径掺入DOM。目前DOM中的有机NSP物种相对于CHO物种研究不足。环境NSP化合物通常被认为主要源自生物成因，但本研究及其他研究已证明这些官能团可通过双电子（Michael加成）和/或单电子反应（自由基过程）非生物产生。无论确切机制如何，NSP富集DOM是农业影响流域的显著特征。此外，[NH₄⁺]等简单测量可用于确定农业影响流域中的CHON丰度。关于土地利用，MD样点结果表明一旦农业活动停止，DOM组成可在相对较短时间内（数年）失去农业印记。因此，超高分辨质谱分子指纹不仅是监测农业影响DOM的有用工具，也可用于确定农业活动停止后DOM何时恢复至反映非干扰流域的状态。研究发现的各采样点差异有助于确定监测井最佳位置、设计更广泛的采样方案，并确定多学科交叉的美国沿海关键带网络项目中最适宜的DOM表征方法。更广泛而言，这些结果为该网络及其他沿海区域关于陆地/水体相互作用和农业等人类活动影响的研究奠定了基础。