有机碳浓度对河流溶解性有机质分子特性与组装机制的影响

本研究针对自然和人为因素导致的有机碳浓度变化如何影响河流溶解性有机质（DOM）分子组装机制这一科学问题，通过整合七条河流地表水与孔隙水的FT-ICR MS分子表征与地球化学分析，发现中等NPOC条件下DOM分子具有更高热力学效率，揭示了碳浓度驱动DOM分子架构的确定性/随机性组装规律，为河流碳封存和全球碳循环模型优化提供理论支撑。

　　

河流作为连接陆地与海洋的"碳传输动脉"，其溶解性有机质（DOM）的动态变化深刻影响着全球碳循环。然而，在冰川融化、污水处理厂排放等自然与人为因素交织影响下，有机碳浓度波动如何塑造DOM分子特性与组装机制，始终是学界未解的"黑箱"。传统体相分析方法难以捕捉分子层面的微妙变化，而现有研究又缺乏多扰动因子的整合分析，导致碳命运预测存在巨大不确定性。

中国科学院的科研团队在《Water Research》发表的最新研究，通过分析全球动态河流水文生物地球化学观测网络（WHONDRS）提供的七条典型河流样本，首次系统揭示了有机碳浓度梯度对DOM分子架构的调控规律。研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）进行分子水平表征，结合α多样性分析和零模型等生态学方法，解析了不同非可吹扫有机碳（NPOC）条件下DOM的组装机制。

关键技术包括：1）采集受冰川融雪、潮汐等不同干扰的河流地表水/孔隙水样本；2）FT-ICR MS高分辨率分子表征；3）基于分子式计算的Gibbs自由能预测热力学效率；4）通过分子生态学网络分析区分确定性/随机性组装过程。

【Geochemistry of the sampling sites】
地球化学分析显示七条河流具有显著差异：Altamaha河受潮汐铁浓度主导，Elkhorn河呈现农业灌溉特征，Columbia河受大坝调控，而Lena河则体现冰川融水影响。这种环境异质性为研究碳浓度-DOM关系提供了理想梯度。

【Conclusions】
核心发现表明：中等NPOC组（5-15 mg/L）的DOM分子具有最高热力学效率（ΔG_cox<-600 kJ/mol）和生物活性；低NPOC组（<5 mg/L）多环缩合芳烃和糖类物质增加，分子覆盖度降低40%；高NPOC组（>15 mg/L）呈现随机性组装特征，而低NPOC组表现为确定性选择。这证实碳浓度通过调控分子热力学属性，成为DOM组装过程的"分子筛"。

该研究突破性地建立了"碳浓度-分子特性-组装机制"的定量关系框架，为理解河流碳汇功能提供了分子尺度新视角。特别是发现中等碳浓度最有利于活性DOM积累，这一非线性关系对流域碳管理具有重要指导意义。研究提出的"碳浓度阈值效应"概念，或将改写传统河流碳循环模型参数，为应对气候变化下的碳收支核算提供理论依据。