利用基于遗传算法的脂肪酸同位素模型，量化不同反应性的不稳定河口颗粒有机物的来源

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Quantifying the origins of labile estuarine particulate organic matter of varying reactivity using a fatty acid isotope model based on a genetic algorithm

基于脂肪酸稳定碳同位素分析，建立了珠江口和湛江口悬浮颗粒有机物（POM）来源定量模型，揭示本地浮游植物（63%-99%）、分解产物和陆地输入的时空差异，证实一级动力学主导分解过程，并指出人类活动加剧的活性POM可能加剧近岸缺氧，而红树林输出的惰性POM更利于碳封存。

　　在海洋与陆地碳库之间，河口地区的颗粒有机质（POM）扮演着关键的桥梁角色。由于河口区域的水体具有高度的混合性，同时不同反应性的化合物经历了选择性分解，使得POM的分子组成和同位素特征呈现出显著的动态变化。因此，准确预测河口POM的地球化学命运，尤其是那些更容易被分解的化合物，成为一项具有挑战性的任务。本研究聚焦于中国东南沿海两个亚热带河口——珠江河口（Pearl River Estuary, PRE）和张江河口（Zhangjiang Estuary, ZJE），通过分析悬浮颗粒中脂肪酸的稳定碳同位素分布，探讨了河口POM的来源及其变化规律。

脂肪酸作为有机质的重要组成部分，其稳定碳同位素（δ13C）值的变化能够反映河口生态系统中碳的来源与转化过程。研究发现，在这两个河口系统中，三种主要的短链脂肪酸（14:0、16:0和18:0）的δ13C值沿河口方向呈现出渐进但不同的变化趋势，这与溶解无机碳（DIC）的δ13C梯度密切相关。通过这一观察，研究团队进一步构建了一个基于脂肪酸同位素质量平衡的“可分解性”模型，并利用遗传算法进行参数优化。该模型能够量化来自三种不同来源的POM：本地产生的浮游植物、分解的浮游植物以及陆源物质。模型结果表明，在浮游植物生物量较高的区域，浮游植物及其分解产物的贡献率可达63%至99%，而在上游河口及受潮汐交换影响的红树林区域，陆源输入的比重相对更高。

值得注意的是，即便来自同一来源的POM，其脂肪酸的δ13C值也会因环境条件的变化而出现显著差异。例如，在珠江河口，浮游植物POM的δ13C值范围为?28‰至?19‰，而这些差异可以归因于DIC的δ13C梯度。同样，在张江河口，短链正构脂肪酸（n-FA）的δ13C值也呈现出类似的范围（?31‰至?22‰）。然而，在同一POM样品中，三种短链脂肪酸的δ13C值可能存在高达4‰的差异，这提示除了浮游植物的生产过程外，选择性分解等其他过程也可能在调控这些易分解化合物的同位素分布中发挥重要作用。

此外，研究还发现，来自陆源植物的POM通常保留其生物来源的δ13C特征，C3植物的δ13C值约为?28‰，而C4植物的δ13C值约为?13‰。这些POM的分子组成在经历分解过程中会发生显著变化，其中更多易分解的化合物会被快速去除，而具有较高抗分解性的物质则可能保留更长时间。例如，土壤淋溶物主要由腐殖质组成，具有较强的抗分解性，这一特性已经被部分研究证实。物理混合过程进一步重塑了陆源有机质的分子组成，使其在河口区域呈现出较为均匀的分布特征。此外，季节性的水文变化和植被分布也会对河口POM的来源产生影响，增加了对POM来源的复杂性。

本研究的核心目标是通过构建脂肪酸可分解性模型，量化河口POM的来源及其反应性变化对碳通量的影响。研究团队选择了珠江河口和张江河口作为研究对象，这两个河口虽然都位于中国东南沿海，但其长度、径流量以及人类活动的影响程度存在显著差异。珠江河口作为中国南方最长的河流系统，总长度达2320公里，年平均径流量约为330×10?立方米，其中超过80%的径流量集中在每年的4月至9月的雨季。相比之下，张江河口的长度仅为66.2公里，年平均径流量约为3.37×10?立方米，且其径流量受季节性影响较小。张江河口还包含一个沿海湿地系统——云霄国家红树林自然保护区，该区域以红树林植物如Kandelia candel、Avicennia marina和Aegiceras corniculatum为主，并被盐沼植物Spartina alterniflora所环绕。在保护区与张江河口之间，潮汐沟道中存在广泛的营养物质交换，这一现象对河口POM的来源和组成具有重要影响。

为了更准确地量化河口POM的来源，研究团队采用遗传算法优化模型参数，构建了一个基于同位素质量平衡的脂肪酸可分解性模型。遗传算法通过模拟自然选择的过程，对参数空间进行随机搜索，从而找到最符合观测数据的参数组合。该方法已被成功应用于多种生物地球化学模型的参数优化，例如用于拟合BGC-Argo观测数据和现场测量的沉积物-水界面通量数据。在本研究中，遗传算法被用于优化脂肪酸可分解性模型的参数，以更精确地模拟不同来源POM的分解过程。

通过分析珠江河口和张江河口的悬浮颗粒中脂肪酸的δ13C分布，研究团队发现，浮游植物和其分解产物的贡献率在不同河口区域存在显著差异。在珠江河口，由于浮游植物生物量较高，其分解产物对POM的贡献率可达63%至99%。而在张江河口，由于上游输入的陆源物质较多，以及潮汐交换对红树林区域的影响，陆源输入的比重相对更高。研究进一步发现，浮游植物来源的POM在经历分解后，其分子组成会受到显著影响，其中更多易分解的化合物会被快速去除，而具有较高抗分解性的物质则可能保留更长时间。这种变化趋势表明，河口POM的来源和分解过程共同决定了其在沿海海洋中的命运。

此外，研究还发现，浮游植物来源的易分解POM可能加剧沿海缺氧现象，并降低其在沉积物中的埋藏效率。这一现象在人类活动频繁的河口区域尤为明显，例如珠江河口周边的中国最繁华的城市区域，过去二十年中沿海缺氧现象显著扩大。相反，来自红树林的抗分解性POM则更有利于在相邻的沿海海洋中长期保存，这一特性对于研究河口与海洋之间的碳循环具有重要意义。红树林作为重要的生态系统，不仅能够固定大量的碳，还能通过其独特的生物化学过程影响河口POM的组成和命运。

本研究的结果表明，河口POM的来源和分解过程是动态变化的，这与河口区域的环境条件密切相关。例如，水文变化、植被分布、人类活动以及潮汐交换等因素都会对POM的来源和组成产生影响。这些因素共同作用，使得河口POM的δ13C值呈现出复杂的分布特征。因此，通过构建脂肪酸可分解性模型，研究团队能够更准确地量化不同来源POM的贡献率，并揭示其在河口生态系统中的作用机制。

在模型构建过程中，研究团队采用了遗传算法进行参数优化，以提高模型的准确性和可靠性。遗传算法通过模拟自然选择的过程，对参数空间进行随机搜索，从而找到最符合观测数据的参数组合。这一方法不仅能够有效处理复杂的非线性问题，还能够适应不同环境条件下的变化。通过这种方法，研究团队能够更精确地模拟不同来源POM的分解过程，并评估其对碳通量的影响。

本研究还强调了河口POM在碳循环中的重要性。河口作为连接海洋与陆地的枢纽，其POM的来源和组成直接影响碳的输送和储存。研究团队通过分析珠江河口和张江河口的POM，发现其在不同河口区域的来源存在显著差异。这种差异不仅反映了不同生态系统的碳输入模式，还揭示了河口区域在碳循环中的关键作用。因此，理解河口POM的来源和组成对于预测沿海地区的碳通量和碳储存具有重要意义。

此外，研究还指出，随着人类活动的加剧，河口POM的来源可能会发生显著变化。例如，土地利用方式的改变、水利工程的建设、农业活动的增加以及污水排放等因素都可能对河口POM的组成产生影响。这种变化不仅会影响POM的分解过程，还可能导致碳通量的不确定性增加。因此，研究团队认为，未来需要进一步关注河口POM的来源变化及其对碳循环的影响。

本研究的成果为理解河口POM的来源和组成提供了新的视角。通过构建脂肪酸可分解性模型，研究团队能够更准确地量化不同来源POM的贡献率，并揭示其在河口生态系统中的作用机制。这一模型的建立不仅有助于提高对河口碳循环过程的理解，还为预测沿海地区的碳通量和碳储存提供了重要的理论基础。同时，研究还强调了遗传算法在生物地球化学模型参数优化中的应用价值，为未来相关研究提供了方法上的支持。

研究团队还提到，虽然本研究主要关注珠江河口和张江河口，但其方法和结论可以推广到其他河口系统。通过对不同河口系统的比较分析，可以更全面地了解POM的来源和组成变化规律，以及这些变化对碳循环的影响。此外，研究团队还指出，随着全球气候变化和人类活动的加剧，河口POM的来源和组成可能会发生进一步变化，这需要更多的研究来加以验证和预测。

在数据方面，研究团队表示，相关数据已通过Mendeley Data平台公开，以便其他研究者可以访问和使用。这一数据共享机制不仅有助于提高研究的透明度，还为未来的合作研究提供了便利。同时，研究团队还提到，虽然本研究已经取得了一定成果，但仍有一些未引用的参考文献，这些文献可能对研究的深入理解具有帮助，值得进一步关注。

综上所述，本研究通过分析珠江河口和张江河口的POM，揭示了河口POM的来源及其分解过程对碳通量的影响。研究团队构建的脂肪酸可分解性模型为量化不同来源POM的贡献率提供了重要的工具，同时也强调了遗传算法在参数优化中的应用价值。研究还指出，河口POM的来源和组成变化与环境条件密切相关，未来需要进一步关注这些变化对碳循环的影响。此外，研究团队还提到，随着人类活动的加剧，河口POM的来源可能会发生显著变化，这需要更多的研究来加以验证和预测。通过本研究，我们不仅能够更深入地理解河口生态系统的碳循环过程，还为预测沿海地区的碳通量和碳储存提供了重要的理论基础。