《Applied Geochemistry》：The mechanisms and advances in the significant carbon sequestration potential of karst water
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碳封存与稳定机制及其调控规律是喀斯特地区内陆水体碳循环研究的关键，生物碳泵通过光合作用将碳储存时间从短时转为长时。本文系统探讨难降解溶解有机物（RDOM）的形成机制、环境影响因素及其时空分布特征，揭示水体中DIC和钙浓度对DOM组成及微生物群落结构的调控作用，发现喀斯特水体RDOM日产量（0.92-23.00 mg·m?2·d?1）显著高于南海海洋生态系统（1.55 mg·m?2·d?1），凸显其碳汇潜力。研究为喀斯特水体在全球碳循环中的贡献评估提供新视角。
夏凡|蔡冠霞|赵敏|何海波|鲁胡拉·努里|鲍倩|陈波|周永强
扬州大学环境科学与工程学院，中国扬州，225000
摘要
碳封存与稳定及其调控机制是研究内陆水碳循环的关键问题，尤其是在喀斯特地区。生物碳泵通过光合作用将碳储存的时间尺度从短期转变为长期。然而，碳封存并不等同于碳储存。关于内陆水体中难降解有机质（RDOM）的研究尚未广泛开展。本文讨论了RDOM的形成机制、环境因素、时空分布模式及其碳汇效应。我们的研究表明，水中的溶解无机碳（DIC）和钙是影响DOM组成的重要因素，它们还间接影响化学和生物群落结构，调节生物碳泵（BCP）和微生物碳泵（MCP）的强度。我们估计喀斯特水体中自生RDOM的生成速率在0.92至23.00 mg?m-2?d-1之间，这高于海洋生态系统（例如，中国南海为1.55 mg?m-2?d-1）。这表明富含DIC的喀斯特地表水有利于DOM的积累和保存。该研究为理解喀斯特水在全球碳循环中的作用提供了新的视角，并强调了微生物在内陆水体碳储存中的重要性。
引言
内陆水体通过有效吸收、处理、封存和释放碳，在维持生物圈的完整性和功能方面发挥着不可或缺的作用（Battin等人，2009；Wu等人，2013）。水生生态系统中的碳稳定性及其背后的调控机制是实现湖泊碳封存的关键因素。湖泊中的大部分碳被永久封存在沉积物中，对全球碳汇做出了重要贡献（He等人，2020）。近年来，与碳酸盐风化和水生光合作用相关的碳汇耦合将DIC转化为自生有机碳（AOC）。然后，这些AOC通过生物碳泵（BCP）效应被封存在河流、水库、湖泊和海洋中（Liu等人，2010, 2018, 2021）。Liu等人（2021）指出，由于内陆水体中自生有机碳生成（AP）的加剧，缺失的碳汇可能达到0.38至1.8 Pg yr-1。然而，关于湖泊中溶解有机碳（DOC）的命运存在不同观点。一些研究人员认为DOC进入地表水后最终会转化为CO2并释放到大气中，而另一些人则认为DOC会在地表水和海洋中长期存在（Nydahl等人，2017；Ran等人，2021；Liu等人，2021）。这些争论突显了喀斯特水生系统中碳循环过程的固有不确定性及其作为碳汇的潜力。
喀斯特水中的BCP效应同时整合了无机碳汇和有机碳汇（图1）。因此，它将与碳酸盐风化相关的碳储存时间尺度从短期转变为长期，提高了这些碳汇的碳储存能力（Wang等人，2024）。然而，碳封存并不等同于碳储存，关于内陆水生生态系统长期碳汇的研究仍然相对薄弱。海洋中的微生物碳泵（MCP）理论表明，由微生物产生的难降解有机质（RDOM）可以在海洋生态系统中保存数千年（Jiao等人，2010）。先前的研究表明，MCP原理不仅适用于海洋生态系统，也适用于陆地环境，包括土壤（Liang和Balser，2011；Liang等人，2017；Feng等人，2023）、湖泊和河流（Hulatt等人，2014；Xia等人，2023）。内陆水体中也含有大量RDOC（Li等人，2024；Shi等人，2025），占水体总DOC含量的60-80%以上（Xia等人，2022；2023；Xiao等人，2020；Zhang等人，2024）。因此，阐明喀斯特水体中DOC的变化特征和稳定机制至关重要。
因此，在喀斯特地区，识别和区分湖泊生态系统中的自生有机碳（OC）和异生有机碳（OC）是进一步探索和分析内陆水体碳汇潜力的关键步骤。尽管碳酸盐岩仅覆盖了15.2%的表面积（Ford和Williams，1989；Goldscheider等人，2020），但由碳酸盐风化形成的DIC占全球河流DIC通量的近68%（Gaillardet等人，1999）。它可以为水生植物的光合作用和RDOM的形成提供充足的无机碳来源。因此，喀斯特水体的碳固定和稳定过程对全球碳循环具有重要意义。
由于喀斯特地区侵蚀过程较为发达，湖泊的水位和流量受到季节性降雨模式和水文循环的显著影响（Ni等人，2023；Wang等人，2024）。随着全球气候变化的加剧，频繁的暴雨事件对湖泊、水库和河流等生态系统产生了深远影响。季风气候区的许多湖泊和河流受到频繁暴雨的影响，导致DOM从原始或城市化环境转移到下游湖泊（Zhou等人，2025）。这些水文特征的变化将直接影响RDOM的输入、输出和转化过程，从而为RDOM的研究带来了新的挑战和机遇。
在喀斯特水系统中，驱动水生植物光合作用的无机碳主要来源于碳酸盐岩的风化，AOC可能是一个重要但常被忽视的碳库（Liu等人，2017，2018；2021）。相反，湖泊水库中异生有机碳的封存通常被认为是与陆地植被或土壤相关的碳汇的一部分，因此不被视为缺失的碳汇。DOC通常是淡水系统中有机碳的主要库（Minor和Oyler，2023），而随时间保存下来的碳是稳定碳汇的重要组成部分（Xia等人，2022）。因此，了解控制喀斯特湖泊中有机物命运的生物地球化学过程对于提供关于碳循环背景下湖泊源-汇动态的关键理论见解至关重要。
部分摘录
溶解有机质（DOM）的稳定机制
海洋中DOM的稳定性已经得到了研究。在海洋中，由海洋初级生产产生的自生有机质通常通过Δ14CDOC技术进行分析（Jiao等人，2010）。这部分内容在RDOM研究中是一个热点问题，但也容易被忽视。根据生物可利用性，DOM可以分为三类：易降解的LDOM、缓慢降解的SLDOM和难降解的RDOM
DOM稳定性的环境调控
一般来说，生态系统中有机物的微生物降解遵循一个连续反应过程，其中生物易降解的化合物首先被降解，随后是半易降解的有机分子。这一过程导致整个水柱中有机物的生物可利用性逐渐降低，最终RDOM在水生生态系统中得到保存（Asmala等人，2018）。然而，有机物的生物可利用性不仅受其内在性质的影响
内陆水生生态系统中RDOM的时空分布
由典型BDOM化合物降解产生的RDOM，其14C年龄大于1500年，具有典型的芳香环头部和戊二烯基尾部结构特征，这些在海洋DOM中广泛存在（Arakawan等人，2017）。不同的荧光成分在原位细菌培养过程中表现出不同的荧光强度，表明有机物在培养系统中发生了积累效应（Cai等人，2019），因此
内陆水生生态系统中RDOM的碳汇效应
尽管全球碳酸盐岩的分布面积小于硅酸盐（约15.2%，Goldscheider等人，2020），但碳酸盐的风化速率高于硅酸盐（动力学特性使其在1-2小时内达到化学平衡，Dreybrodt，1988；Zeng等人，2021），因此分布范围较小的碳酸盐对全球大河流中的风化碳通量有更大的影响（Gaillerdert等人，1999；Zeng等人
结论与展望
目前，关于DOC向RDOC转化的研究主要集中在海洋环境中，关于DOC在内陆水体中转化为RDOC的研究相对较少。因此，在评估埋藏的沉积有机碳时，关注过去被忽视的MCP产物RDOC非常重要。虽然在理解喀斯特碳汇及其对气候变化的影响方面取得了显著进展，但其背后的机制仍需进一步研究
CRediT作者贡献声明
陈波：可视化、监督、方法论。蔡冠霞：方法论、数据管理。鲍倩：验证、软件、方法论、概念化。夏凡：写作——审稿与编辑、初稿写作、可视化、验证、数据管理、概念化。赵敏：写作——审稿与编辑、可视化、监督、正式分析、概念化。何海波：资源、方法论、正式分析、数据管理。鲁胡拉·努里：写作——审稿与编辑。
未引用的参考文献
Arakawa等人，2017；Del和Blough，2002；Feng和Wang，2023；Heathcote和Downing，2012；Helms等人，2008；Jiang和Yuan，1999；Lacombe和Bazinet，2021；Li等人，2017；Low-D’ecarie等人，2015；Ma等人，2022；Rowley等人，2018；Yuan和Liu，2022；Zhao等人，2017。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了贵州省科技计划项目（编号2023-254）、中国科学院“西部之光”项目（项目编号XBZG-ZDSYS-202101）、国家自然科学基金（42407119,42177248）、国家资助的博士后研究人员项目（GZC20232778）以及贵州省2021年项目的财政支持。
