盐度调节冰盖湖泊中溶解有机物的命运：将物理分离过程与微生物转化作用相结合

《Water Research》：Salinity Regulates the Fate of Dissolved Organic Matter in Ice-Covered Lakes: Coupling Physical Fractionation with Microbial Transformation

冷旱区湖泊冰-水界面DOM动态及其微生物耦合机制研究。通过构建盐度梯度实验平台，综合运用3DEEMs、UV-Vis和16S rRNA测序技术，揭示DOM多尺度分布规律与微生物群落响应。发现盐度显著调控DOM组分（芳香性及 humification度降低）和冰物理结构（盐通道形成），pH和冰层厚度驱动冰-水微生物群落差异（优势菌类为Proteobacteria、Actinobacteria等），二者协同影响DOM迁移与转化，为碳循环建模和生态风险评估提供理论支撑。

　　在地球的寒冷和干旱地区，湖泊不仅是重要的水体资源，同时也是全球碳循环的关键组成部分。随着全球气候变化和人类活动的影响，这些地区的湖泊正经历着日益严重的盐碱化现象，这对其生态系统和碳循环过程产生了深远的影响。为了更好地理解湖泊冰冻和融化过程中溶解有机质（DOM）的动态变化，以及盐碱化如何影响DOM的迁移和转化，本研究选取了中国内蒙古地区四个典型的冷旱湖泊作为研究对象，构建了一个盐度梯度的实验平台。通过整合三维激发-发射矩阵光谱（3DEEMs）、紫外-可见光谱（UV-Vis）以及16S rRNA测序技术，我们系统地揭示了冰水界面处DOM的多尺度分布特征及其与微生物群落的耦合关系。

研究结果表明，冰冻过程对DOM的来源具有显著的选择性作用。在冰层中，DOM表现出更高的自生性特征，而其腐殖化程度则相对较低。随着冰层深度的增加，DOM的分子量和腐殖化程度也呈现上升趋势，这揭示了DOM在垂直方向上的分异现象。此外，盐度作为关键的环境因子，对DOM的组成和分异效率起到了调节作用。在高盐度条件下，DOM的芳香性和腐殖化程度显著降低，这可能与盐度改变了冰的物理结构，从而影响了物理分异效率有关。例如，高盐度环境促进了卤水通道的形成，这种结构变化可能限制了某些DOM组分的迁移。

在冰层与水体之间，微生物群落的差异也受到盐度、pH值和冰层厚度等环境因素的显著影响。研究发现，冰层独特的环境条件塑造了以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidota）和蓝藻门（Cyanobacteria）为代表的微生物群落。这些微生物群落通过其特化的代谢过程，对DOM的组成和转化路径起到了精细调控的作用。这种微生物群落的差异不仅反映了冰层与水体之间的生态分异，也为理解DOM在冰层中的转化机制提供了新的视角。

研究还发现，DOM的迁移和转化过程在冰封期受到盐碱化现象的显著影响。盐度的升高不仅改变了冰层的物理结构，还通过影响微生物群落的组成和活性，间接调控了DOM的生物地球化学行为。在高盐度湖泊中，由于冰层物理结构的改变，DOM的迁移受到更大的限制，这可能对湖泊的碳循环产生重要影响。此外，冰层的厚度和盐度的变化也影响了DOM在冰层中的分布，进一步揭示了冰封期湖泊生态系统的复杂性。

为了更全面地理解DOM在冰封期的行为，本研究特别关注了不同湖泊类型之间的差异。通过对比不同盐度湖泊的DOM特征，我们发现低盐度湖泊中DOM的芳香性和腐殖化程度较高，而高盐度湖泊则表现出相反的趋势。这种差异可能与不同湖泊的水文条件、营养物质输入以及微生物活动有关。同时，研究还发现，DOM的分异过程不仅受到物理因素的影响，还与微生物群落的组成和功能密切相关。在冰层中，特定的微生物群落通过其代谢活动，对DOM的转化和迁移起到了关键作用。

研究的创新之处在于，它建立了一个整合“物理环境-微生物群落-DOM组成”的框架，用于解析冷旱湖泊在冰冻和融化过程中DOM的循环机制。这一框架不仅有助于揭示DOM在冰封期的动态变化，也为预测这些脆弱湖泊生态系统在全球变化背景下的碳循环响应提供了理论基础。通过这一研究，我们能够更准确地评估盐碱化对湖泊生态系统的影响，为制定相应的生态保护和管理策略提供科学依据。

本研究的发现对于理解湖泊在冰封期的碳循环过程具有重要意义。在寒冷和干旱地区，湖泊的冰封期通常长达4至6个月，这一时期对DOM的迁移和转化具有重要影响。由于冰层的存在，湖泊与大气之间的物质交换受到限制，这可能导致DOM在冰层中的积累和转化。同时，冰层的物理结构变化也可能影响DOM的分布，进而改变湖泊的碳平衡。因此，研究冰封期DOM的动态变化，不仅有助于揭示湖泊生态系统的内部机制，也为评估全球气候变化对湖泊碳循环的影响提供了新的思路。

在实际应用中，本研究的结果可以为湖泊生态系统的管理和保护提供科学支持。例如，在高盐度湖泊中，由于DOM的迁移受到限制，可能需要采取不同的管理措施来维护其生态平衡。此外，研究还表明，微生物群落的组成和功能在冰封期对DOM的转化起到了关键作用，因此，理解这些微生物群落的动态变化对于预测湖泊生态系统的长期变化至关重要。通过这些研究，我们能够更好地评估湖泊在冰封期的碳循环过程，并为全球碳循环模型的构建提供新的数据和理论支持。

本研究的结论还强调了盐碱化对湖泊生态系统的影响。随着气候变暖和人类活动的加剧，许多冷旱地区的湖泊正面临盐度上升的问题。这种变化不仅影响了湖泊的水文条件，还可能改变其生物地球化学过程。例如，高盐度条件可能导致DOM的迁移效率降低，从而影响湖泊的碳储存能力。同时，盐度的变化还可能改变微生物群落的组成，进而影响DOM的转化路径。这些变化可能会对湖泊的生态功能产生深远影响，包括水体的自净能力、生物多样性以及碳循环的稳定性。

在方法上，本研究采用了多学科交叉的技术手段，结合了DOM光谱分析和微生物群落研究，从而实现了对湖泊生态系统更全面的解析。三维激发-发射矩阵光谱（3DEEMs）能够提供DOM的结构和来源信息，而紫外-可见光谱（UV-Vis）则有助于评估DOM的化学特性。16S rRNA测序技术则能够揭示微生物群落的组成和多样性，从而为理解DOM的生物地球化学转化提供了基础。这些技术的综合应用，使得我们能够更准确地识别DOM的来源和转化路径，并揭示其与微生物群落之间的相互作用。

此外，本研究还关注了湖泊冰封期的环境驱动因素，包括盐度、pH值和冰层厚度等。这些因素不仅影响DOM的分布，还可能通过改变冰层的物理结构，进而影响DOM的迁移和转化。例如，高盐度条件可能导致冰层中卤水通道的形成，这种结构变化可能限制某些DOM组分的迁移，从而改变其在冰层中的分布。同时，pH值的变化也可能影响DOM的化学稳定性和微生物的活性，进而影响其转化过程。这些环境因素的综合作用，使得湖泊在冰封期的DOM动态变化变得复杂而多变。

在生态风险评估方面，本研究的结果也为相关领域提供了重要的参考。随着全球气候变化的加剧，许多湖泊正面临冰封期缩短、盐度上升等挑战。这些变化可能会对湖泊的生态功能产生不利影响，包括水体的自净能力、生物多样性以及碳循环的稳定性。因此，理解这些变化的机制，对于评估湖泊生态系统的脆弱性和制定相应的保护措施具有重要意义。通过本研究，我们能够更准确地预测这些变化对湖泊生态系统的影响，并为全球碳循环模型的构建提供新的数据和理论支持。

最后，本研究的成果不仅具有科学价值，还具有实际应用意义。在冷旱地区，湖泊的生态功能往往受到环境变化的显著影响，而DOM作为湖泊生态系统的重要组成部分，其动态变化直接关系到湖泊的碳循环过程。通过本研究，我们能够更全面地了解DOM在冰封期的行为，并为湖泊生态系统的管理和保护提供科学依据。这些研究成果对于应对全球气候变化、维护湖泊生态平衡以及促进可持续发展具有重要的指导意义。