暴雨引发的有机物脉冲：内陆水体碳排放的关键驱动力

为探究暴雨对内陆水体碳排放的影响，研究人员开展相关研究，发现其可致水体 pH 等变化及 CO2、CH4排放增加。

　　在地球的生态系统中，湖泊和其他内陆水体虽然占地面积不大，却在全球碳循环中扮演着举足轻重的角色。它们每年积极接收、处理和运输大量的碳，是陆地有机物转化的热点区域。然而，全球对于湖泊碳循环的认知一直在不断修正，这也意味着我们对其了解还远远不够。

在季风气候区，频繁的暴雨对众多河流和湖泊产生了深刻影响。暴雨会将溶解有机物（DOM）从原始环境或城市化区域带入下游湖泊。尤其是人为排放源中的 DOM，富含易被微生物降解的脂肪族化合物，这些化合物在水体中快速降解，不仅会消耗大量溶解氧，还可能在水底沉积物界面形成缺氧环境，进而促进微生物产生 CO₂和 CH₄ 。目前，虽然我们知道暴雨会引发河流中 DOM 浓度和通量增加，但对于 DOM 质量、微生物活动和碳排放之间的相互作用，以及它们对暴雨这类极端事件的响应机制，仍然知之甚少。此外，量化暴雨期间河流输入的 CO₂和 CH₄ ，以及陆地 DOM 在湖泊内转化对湖泊碳排放的相对重要性，也颇具挑战。

为了深入了解这些复杂的过程，中国科学院南京土壤研究所、中国科学院南京地理与湖泊研究所等单位的研究人员展开了相关研究。该研究成果发表在《The Innovation》上。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展研究。利用同位素比率（如 δ¹³C-DOC 和放射性碳 Δ¹⁴C-DOC ）以及超高分辨率质谱，详细表征 DOM 的来源和分子组成；通过稳定同位素特征（δ¹³C-CO₂和 δ¹³C-CH₄）来洞察 CO₂和 CH₄的来源；借助基于功能基因（如 mcrA 或 pmoA）的宏基因组技术和 qPCR，阐明相关微生物群落的丰度、结构和功能变化。

研究结果如下：

• 暴雨对 DOM 浓度的影响：暴雨和洪水通常会从土壤淋溶、植被腐烂以及农业和生活污水中，将大量 DOM 带入下游河流和湖泊。但暴雨期间 DOM 浓度变化复杂，高流量可能因稀释作用导致某些河流和湖泊中 DOM 浓度降低，而在一些区域则会显著增加。例如，美国东部森林降雨期间，暴雨贡献了年度 DOC（溶解有机碳，是 DOM 的重要组成部分）产量的 57%；阿拉斯加 Fish Creek 流域暴雨后，DOC 浓度从约 2mg/L 升至约 9mg/L 。
• 不同来源 DOM 对碳循环的影响：原始环境中，土壤渗滤液中的陆地 DOM 含有较高比例的芳香族和羧化脂环化合物，易发生光化学反应，其降解产物可作为碳排放（CO₂和 CH₄）的底物。而城市化区域人为废水中的 DOM 富含脂肪族成分以及含氮、硫的组合，微生物易降解这类 DOM ，其快速降解会消耗水中溶解氧，在水底形成缺氧环境，进一步促进微生物产生 CO₂和 CH₄ 。
• 暴雨对碳排放的影响：暴雨显著影响内陆水体的碳排放。暴雨期间，大量 DOM 从集水区流入湖泊，使湖泊流入区成为 CO₂和 CH₄排放的热点区域。一场暴雨后，大型水库的平均 CO₂通量从 -3.8mmol m^-2 day^-1显著增加到 13.2mmol m^-2 day^-1 ，平均 CH₄流出量从 0.06mmol m^-2 day^-1增加到 0.12mmol m^-2 day^-1 。陆地土壤 DOM 中的有机酸还会降低水库 pH，促使溶解无机碳转化为游离 CO₂，进一步增加 CO₂排放。

研究结论和讨论部分指出，暴雨期间陆地 DOM 会快速迁移和降解，导致下游湖泊 pH 和溶解氧水平显著下降，同时 CO₂和 CH₄大量产生和排放。然而，目前我们对暴雨如何改变 DOM 的组成和归宿，以及对溶解无机碳、CO₂和 CH₄气体通量和来源的后续影响，认识还十分有限。因此，持续高频监测 DOM 质量、乙酸（CH₄前体）、产甲烷菌丰度和碳排放，对于阐明暴雨期间 DOM 脉冲输入对湖泊碳排放影响的过程和机制至关重要。同时，需要进一步发展技术，结合数据驱动和基于过程的模型，来监测和预测暴雨和洪水期间生物地球化学热点区域的碳循环变化。此外，整合全球碳循环数据并运用深度学习模型，也将有助于深入了解这一复杂的生态过程。

这项研究为我们理解内陆水体在暴雨影响下的碳循环过程提供了重要依据，对全球气候变化背景下的碳循环研究具有重要意义，也为后续相关研究指明了方向。