高含沙水体中溶解性与颗粒性有机物的环境动态解析及其对碳循环的启示

本研究针对高含沙水体中溶解性有机质（DOM）与颗粒性有机质（POM）的相互作用及环境驱动机制尚不明确的问题，通过紫外-可见光谱（UV-vis）与三维荧光激发-发射矩阵（EEM-PARAFAC）技术，结合偏最小二乘路径模型（PLS-PM），揭示了黄河小浪底至开封段DOMw与DOMp的时空分异规律及氮磷营养盐、沉积物粒径的关键调控作用，为高含沙河流碳循环过程提供了重要理论依据。

　　

在广袤的地球水圈中，河流如同蜿蜒的血脉，虽仅占非冰川陆地面积的0.58%，却承担着将陆源有机与无机碳输送到海洋的关键使命，成为全球碳循环中不可或缺的桥梁。其中，溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）作为水体中有机碳的最大储库，其动态变化不仅直接影响碳的生物地球化学循环，还与污染物迁移、水生生态系统功能乃至全球气候变化密切相关。然而，在泥沙含量极高的河流中，DOM与颗粒性有机质（Particulate Organic Matter, POM）之间的相互作用及其对环境因子的响应机制仍是一团迷雾。尤其是像黄河这样的高含沙河流，其有机质的来源、组成及转化过程更具复杂性，亟待深入探索。

黄河作为中国的母亲河，其中下游地区因泥沙含量高、人类活动干扰强烈，是有机质研究的天然实验室。小浪底水库作为黄河中下游最重要的水利调控工程，通过水沙调节（Water-Sediment Regulation, WSR）显著改变了河流的水文情势和泥沙输运过程，进而影响了有机碳的迁移与转化。以往研究多关注宏观尺度的有机碳通量，而对高含沙水体中溶解态与颗粒态有机质的微观特性、环境行为及驱动机制缺乏系统解析。为此，研究人员聚焦黄河小浪底至开封段，通过多时空尺度的采样与先进的光谱分析技术，试图揭开DOM与POM的环境动态之谜。

为了全面解析高含沙水体中有机质的特性，研究人员在2022年4月至10月期间，沿黄河小浪底至开封段主干流布设了16个采样点，并在开封段（Y16）进行了月度采样。水样采集后立即避光保存，并通过0.7μm和0.22μm滤膜分级处理，分别获得溶解性有机质（DOMw）和颗粒性有机质（DOMp）样品。DOMp的提取采用碱提取法（0.1 mol·L^-1 NaOH），以模拟自然条件下颗粒有机物的溶解过程。水质参数如pH、叶绿素a（Chl-a）、悬浮固体（SS）、总氮（TN）、溶解性总氮（DTN）、总磷（TP）、溶解性总磷（DTP）及沉积物粒径（黏土、粉砂、砂）均按标准方法测定。有机碳浓度（DOCw, DOCp）使用总有机碳分析仪（TOC）定量，生物可降解有机碳（BDOC）通过28天暗培养实验评估。

关键光谱技术包括紫外-可见吸收光谱（UV-vis）和三维荧光激发-发射矩阵光谱（EEMs），结合平行因子分析（PARAFAC）解析DOM的组分特征。UV-vis参数如特定紫外吸收（SUVA₂₅₄）、光谱斜率比（S_R）、E₂/E₃比值等用于推断DOM的芳香性、分子量及来源信息。荧光指数（FI）、生物指数（BIX）和腐殖化指数（HIX）进一步辅助判别DOM的来源与转化程度。此外，研究采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）量化环境因子（水质参数、营养盐浓度、沉积物粒径）对DOM浓度、来源、组成及分子特性的直接与间接影响。

3.1. 水质特征

研究河段悬浮固体（SS）浓度变化范围大（57.6–1655.2 mg·L^-1），郑州和开封市区采样点SS浓度显著升高。总氮（TN: 3.58–4.16 mg·L^-1）和溶解性总氮（DTN: 3.33–3.44 mg·L^-1）超标（高于中国地表水V类标准），而磷污染较轻。沉积物以粉砂为主（41.45–88.40%），黏土和砂占比低。时序数据显示，6月SS浓度最高（1.94 g·L^-1），Chl-a浓度最低（1.67 μg·L^-1），反映水沙调节对水体物理化学性质的显著影响。

3.2. DOM浓度的时空变化

DOCw浓度（4.62–5.75 mg·L^-1）高于DOCp（1.29–3.07 mg·L^-1）和BDOC（1.69–3.19 mg·L^-1），整体表现为DOCw > BDOC > DOCp。空间上，伊洛河汇入后的Y5点浓度最高（DOCw: 6.73 mg·L^-1）；时间上，4月浓度最低，6月最高，与水沙调节及降雨输入密切相关。

3.3. DOM紫外光谱参数的时空变化

DOMw的a₃₅₅、S_R和E₂/E₃均高于DOMp，表明DOMw分子量较小、芳香性较低；DOMp的SUVA₂₅₄更高，提示其富含芳香族和疏水性组分。时序变化显示，6月参数值达峰值后逐渐恢复，印证水沙调节对DOM特性的短期扰动。

3.4. DOM荧光组分的时空变化

PARAFAC识别出4类荧光组分：DOMw以类腐殖质（C1w、C3w）为主（占64.34%），DOMp以类蛋白质（C2p、C3p）为主（占67.16%）。荧光指数（FI: 1.41–1.90, BIX: 0.71–0.99）表明DOM来源为陆源与内源混合。HIX值（4.23–5.61）进一步证实DOM经历了不同程度的腐殖化过程。时序上，春季（4月）BIX和FI较高，反映内源贡献优势；夏季（7月）因降雨稀释和陆源输入，自生性降低。

3.5. 环境因子对DOM组成的影响

聚类分析显示，SS、沉积物粒径（粉砂、砂）、营养盐（DTN、DTP）与DOM光学参数显著相关（p < 0.05）。PLS-PM模型表明，水质参数（Env1）和营养盐浓度（Env2）直接正向影响DOMw的浓度、来源及组成，并间接调控其分子特性；沉积物粒径（Env3）对DOMp的浓度和组成有显著正向效应，而对DOMw的分子特性呈负向影响。氮磷营养盐是驱动DOM转化的重要因素，尤其DTP与DOMp组分呈强负相关（r < -0.59），说明营养盐富集促进颗粒有机质向溶解态转化。

本研究通过多技术联用揭示了黄河高含沙水体中DOMw与DOMp的时空分异规律及环境驱动机制。DOMw以类腐殖质为主，分子量小、芳香性低；DOMp以类蛋白质为主，分子量大、芳香性高。两者来源均为陆源与内源混合，但组成差异显著。水沙调节、降雨输入及人类活动共同调控DOM的动态变化。氮磷营养盐和沉积物粒径是影响DOM浓度、来源及组成的关键因子，其中DTP对DOMp组分的负效应尤为突出。

研究意义在于：首次系统解析了高含沙河流中DOMw与DOMp的微观特性与环境行为，为理解河流碳循环提供了新视角；证实水沙调节工程对有机质迁移转化的显著影响，为水库生态调度提供了科学依据；建立的环境因子与DOM特性的定量关系模型，可用于预测人类活动和气候变化下河流有机质的响应趋势。未来需进一步结合分子生物学技术，揭示有机质转化的微生物机制，并拓展至流域尺度评估碳输运对全球碳平衡的贡献。

该成果发表于《Environmental Technology》，对水资源管理、环境污染治理及全球碳循环研究具有重要参考价值。