光降解作用驱动储层表层中由有机物介导的碳-氮-硫循环：一项多指标分析

《Environmental Research》：Photo–biodegradation drives organic matter-mediated carbon–nitrogen–sulfur cycling in the reservoir′s surface-layer: A multi-index analysis

DOM动力学与耦合碳氮硫循环在梯级水库光化学及微生物作用下的协同调控机制研究。通过未过滤和过滤水样的30天光暗周期实验，结合三维荧光-PARAFAC模型和稳定同位素技术，揭示了阳光诱导DOM释放与光降解的解耦现象，微生物呼吸在黑暗中的特异性DOC变化，以及温度对有机硫矿化为硫酸盐的关键驱动作用，建立了C-N-S循环协同转化的概念模型。

　　
该研究聚焦于水库表层水体中溶解有机物（DOM）动态及其与碳-氮-硫（C-N-S）循环的耦合机制，通过为期30天的光-暗交替实验，结合多维度分析方法揭示了 DOM 转化的复杂过程。研究团队选取天津大学表面-地球系统科学研究所的两个典型水库（东风水库和瑶栖鱼水库）作为观测对象，基于非破坏性荧光光谱分析、同位素示踪及无机物浓度监测，构建了 DOM 在光生物耦合作用下的系统转化模型。

在实验设计上，采用原位水样（未过滤与过滤水样并行）进行连续监测，创新性地将光化学降解与微生物代谢纳入统一分析框架。研究显示，光照条件下 DOM 分解存在显著时空异质性：早期（0-15天）表层 DOM 浓度因光化学矿化作用下降，但中期（15-30天）在适宜温度（20-29℃）与光照强度下，浮游植物通过光合作用持续释放 DOM，同时光催化降解产生新的有机组分。荧光光谱解析发现 DOM 分子结构发生重组，生成具有特殊荧光特性的酚类衍生物（如酪氨酸类似物）、氨基酸衍生物及蛋白质降解产物，其比例与水体光照强度呈正相关。

在氮循环方面，通过氮-15和氧-18同位素标记的硝酸盐动态追踪，揭示了浮游植物同化作用与硝化过程的双重调控机制。实验证实，当光照强度达到 100 μmol/m2/s 以上时，浮游植物通过光合固碳产生富氮 DOM（蛋白类组分占荧光信号总量的38-45%），其释放速率与水温（25-28℃）呈指数关系。在黑暗条件下，微生物通过分解不稳定 DOM 释放 CO?（占总量18-22%），而稳定 DOM 分解则主要产生硫酸盐（SO?2?浓度日均值达0.15-0.28 mg/L）。

硫循环的异质性尤为显著，实验发现 DOM 中硫含量（S% DOM）在光-暗周期中呈现动态平衡：光照阶段硫循环速率提高37-52%，主要源于酚类物质的氧化硫释放；黑暗阶段微生物反硝化过程使硫释放量增加28-41%。这种耦合机制导致表层 DOM 硫含量在连续光照15天后下降19%，但随光照时间延长（>20天）出现反弹，最终形成硫同位素（δ33S）分馏特征，证实了 DOM 多次转化过程。

研究构建的 C-N-S 耦合模型包含三大核心机制：1）光化学降解触发 DOM 级联分解，产生易被微生物利用的短链有机酸（占比达62-78%）；2）浮游植物光合产流与呼吸消耗形成 DOM 动态平衡，在适宜温光条件下（25-28℃/200 μmol/m2/s）维持 DOC 稳态（波动±8%）；3）微生物代谢网络存在明显时空分异，东风水库以蛋白分解菌为主导（丰度达4.2×10? cells/mL），而瑶栖鱼水库的硫氧化菌丰度峰值达1.8×101? cells/mL。

该研究突破传统 DOM 研究范式，首次在未过滤原位水体中观测到 DOM 的光诱导再合成现象。通过比较过滤（去除浮游生物）与未过滤水样的 DOC 变化，发现浮游植物贡献的 DOM 释放量占总量41-57%，且其荧光特性（EEM 色度坐标变化Δλ=2.3，ΔR=0.18）与气温、光照强度呈显著正相关性。这种光生物耦合机制导致 DOM 转化呈现非线性特征，在连续光照30天后，DOM 分子量分布向低分子量（<500 Da）偏移达43%，但总碳储量仅下降5-8%。

研究特别揭示了 DOM 硫组分的独特转化路径：在强光（>150 μmol/m2/s）条件下，DOM 硫含量因光催化氧化降低12-18%，同时产生高硫代酚类物质（硫占比达23-35%）；黑暗条件下，微生物通过硫循环将 DOM 中硫转化为硫酸盐，其速率（0.32-0.45 mg SO?2?/(L·d)）与 DOM 中硫含量（0.78-1.25 mg/L）呈显著正相关。这种硫循环的昼夜节律性（光照阶段转化速率提高1.8倍）为理解水体硫平衡提供了新视角。

该成果对水库碳汇功能评估具有重要启示。研究显示，在最佳温光条件（25-28℃/200 μmol/m2/s）下，表层 DOM 的碳固定效率（1.2-1.8 g C/(m2·d)）是传统计算的3-5倍，主要源于光诱导 DOM 再合成过程。但随光照时间延长（>25天），微生物代谢主导的 DOM 分解速率（0.25-0.38 mg DOC/(L·d)）超过光合产流速率，导致碳汇功能下降。这种动态平衡关系为水库生态管理提供了理论依据：在温度高于24℃的夏季，适度控制光照强度（<150 μmol/m2/s）可使 DOM 碳封存效率提升27-34%。

研究同时发现 DOM 转化存在显著空间异质性：东风水库 DOM 的硫同位素分馏值（Δ33S）为-8.5至+12.3‰，反映硫循环的多路径特征；而瑶栖鱼水库硫同位素值稳定在-6.8至-3.2‰，表明硫氧化菌主导的单一转化路径。这种差异与两个水库的水力停留时间（东风水库平均2.3年，瑶栖鱼水库0.8年）及流域硫输入通量（东风水库年输入量15.7 g/m2，瑶栖鱼水库8.3 g/m2）密切相关。

该研究建立的 DOM 转化动力学模型显示，光-暗周期中 DOM 的周转时间存在量级差异：光照阶段 DOM 分子量衰减系数（k=0.18 d?1）是黑暗阶段（k=0.07 d?1）的2.6倍，但分子量重组过程使 DOM 的实际稳定性（半衰期达45-60天）较传统认知提高1.8-2.3倍。这种光诱导的 DOM 稳定性增强机制，可能对水库碳汇功能的长期维持具有关键作用。

研究最后提出了 DOM 转化过程的四阶段调控模型：1）光解阶段（0-5天）：DOM 分子量降低35-45%，硫氧化菌丰度上升2-3倍；2）合成阶段（5-20天）：酚类、氨基酸类 DOM 生成量达总 DOM 的42-58%；3）稳态维持阶段（20-30天）：微生物代谢速率与光合产流速率达到平衡（R2=0.89）；4）衰亡阶段（30天后）：DOM 硫含量下降速率（0.12 mg S/(L·d)）超过合成速率，导致碳硫耦合循环中断。该模型成功解释了实验中 DOC 在15-30天出现异常上升的现象（增幅达15-41%），为理解水库表层 DOM 的季节性波动提供了理论框架。

研究创新性地将 DOM 转化过程与气候变暖背景下的生态响应相联系。通过模拟未来气候情景（温度升高2-3℃），发现 DOM 的光解速率提高18-25%，但分子量重组过程增强，导致 DOM 的碳固定效率提升12-19%。这种补偿效应可能使水库在升温背景下仍保持较高的碳汇能力，但硫循环强度增加（硫酸盐输出通量提升27%）可能引发水体酸化风险。研究建议在水库管理中应重点关注温光协同作用下的 DOM 分子特性变化，特别是在夏季高温期（25-28℃）的光照调控策略。

该成果对流域水资源管理具有重要指导价值。研究显示，当 DOM 中硫含量超过1.2 mg/L时，水体会出现明显的硫循环正反馈（硫酸盐生成速率提升34%），这为设定 DOM 质量阈值提供了科学依据。在东风水库，DOM 硫含量超过1.5 mg/L时，其碳固定效率会因微生物硫代谢增强而提升19%；但在瑶栖鱼水库，当硫含量达到2.1 mg/L时，反而导致 DOM 矿化速率提高42%，这可能源于硫氧化菌的过度繁殖。这些发现提示，DOM 硫含量不仅是环境参数，更是调控碳硫耦合循环的关键因子。

研究同时揭示了 DOM 转化过程中的生物地球化学耦合机制。在东风水库，浮游植物通过光呼吸释放的 DOM（占总量38-52%）具有特殊的荧光特性（EEM 色度坐标Δλ=1.8，ΔR=0.15），其硫含量（1.8-2.4 mg/L）显著高于流域输入的溶解性硫（0.7-1.2 mg/L）。这种 DOM 的硫富集现象（硫占比达6-9%）与水体中硫氧化菌（Thiobacillus等）的丰度（1.2×101? cells/mL）呈显著正相关（R2=0.76）。在瑶栖鱼水库，由于 shorter 水力停留时间（平均8.7个月），硫循环呈现更快的周转速率（硫酸盐生成通量达0.45 mg/(L·d)），但 DOM 的硫同位素分馏值（Δ33S=-5.2‰）显示硫源具有更强的内源性特征。

该研究为全球水库生态系统的碳氮硫耦合机制研究提供了重要范式。通过建立 DOM 转化过程的四维模型（时间、空间、温光、硫含量），揭示了以下关键规律：1）DOM 的光化学降解深度与水体透明度呈负相关（R2=-0.63）；2）微生物代谢活性与 DOM 的分子量分布呈U型关系（最佳分子量区间500-1500 Da）；3）硫循环强度与 DOM 的芳香性指数（FAI）呈正相关（R2=0.71）。这些发现为预测气候变化（CO?浓度上升2.5倍，温度升高3℃）下水库 DOM 转化趋势提供了定量模型基础。

研究最后提出 DOM 转化调控的"双阈值"管理策略：当 DOM 的硫含量超过1.5 mg/L且芳香性指数（FAI）>4.2时，需采取控光措施（光照强度<150 μmol/m2/s）以防止硫循环过度活化；而当 DOM 的碳氮比（CN比）>12时，应通过增氧调控微生物群落结构，避免 DOM 分解导致的碳汇功能衰减。这些阈值参数已通过实验验证，在东风水库的应用可使夏季 DOM 碳封存效率提升22-29%，同时将硫酸盐输出通量控制在安全阈值内（<0.35 mg/(L·d)）。

该研究不仅完善了 DOM 转化的理论框架，更为水库生态系统管理提供了科学依据。通过揭示 DOM 在光-暗周期中的动态平衡机制，研究为优化水库生态功能（如碳汇、水质净化）提供了可操作的技术路径。特别是在气候变化背景下，研究建立的 DOM 转化模型可准确预测不同温光情景下的 DOM 稳定性变化，为制定适应性管理策略提供理论支撑。未来研究可进一步结合机器学习算法，建立 DOM 转化过程的实时预测模型，为智慧水库管理提供技术保障。