通过高分辨率质谱技术揭示的降雨中溶解有机物的风暴级时间动态变化

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Storm-Scale Temporal Dynamics of Throughfall Dissolved Organic Matter Revealed by High-Resolution Mass Spectrometry

森林冠层截留雨水影响水质和化学组成，高分辨质谱分析显示暴雨期间溶解有机物（DOM）分子组成高度动态，氨基酸/肽与萜类物质呈负相关，光学指标可能不适用。

　　

摘要

森林树冠会拦截大部分降雨，这不仅改变了水文过程，也影响了到达森林地面的水的化学成分。通过降雨落到地面上的溶解有机物质（DOM）是碳和养分的重要来源；然而，关于其在单次风暴事件中的分子组成变化知之甚少。在这里，我们首次应用高分辨率质谱（HRMS）技术来研究降雨过程中溶解有机物质的动态变化。在一片混合针叶林中，我们在一次降雨事件期间收集了15个连续样本，发现溶解有机碳的含量从20.6毫克/升下降到了5.3毫克/升。分子多样性（以HRMS特征的数量来衡量）也从934个减少到了439个，表明降雨开始后其组成复杂性有所下降。生物合成途径表现出明显的反比关系：随着萜类化合物强度的增加，氨基酸/肽的强度相应降低（R2 = 0.96）。相比之下，光学指数和HRMS数据在某些情况下存在差异，尤其是在芳香性方面，这表明广泛使用的光学指数可能并不适用于它们最初开发的环境之外的情况。这些发现共同表明，降雨过程中溶解有机物质的分子组成具有高度动态性，并且对降雨有特定的响应。这种变异性表明，未来气候情景下风暴频率和强度的变化可能会显著改变树冠产生的有机物质的组成和生态作用。这些发现还强调了仔细评估方法选择的重要性，包括可能影响DOM回收效果的固相提取方法。

通俗语言总结

森林中的大部分降雨首先接触到树冠，然后以降雨的形式滴落到地面，这是将碳和养分输送到土壤的关键途径。尽管降雨对森林土壤非常重要，但其在单次风暴中的分子组成尚不明确。在这项研究中，我们使用高分辨率质谱（HRMS）技术跟踪了混合针叶林中降雨过程中溶解有机物质的分子变化。我们发现，通常用于水生系统的光学测量方法与HRMS结果并不完全一致，这表明为河流和湖泊开发的方法可能无法准确反映树冠输入的复杂性。尽管如此，仍有一些一致的模式：降雨强度与氨基酸类和萜类化合物的变化相关，表明降雨过程中的化学成分会发生变化。这些发现揭示了森林树冠中一个此前被忽视的动态特性，并表明气候变化导致的降雨模式变化可能会影响森林接收和处理有机物质的方式。

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

本研究使用的数据集包括吸光度数据、激发-发射矩阵（EEM）和高分辨率质谱（HRMS）数据。数据分析是在R语言环境中进行的（R Core Team, 2024年），使用了多个重要软件包，包括用于处理原始质谱数据的patRoon（Helmus等人，2021年）、用于将具有初步化合物鉴定的特征分类为生物合成相关类别的NPClassifier（Kim等人，2021年），以及用于数据可视化的ggplot2（Wickham，2016年）。用于重现研究结果的代码和数据可在Zenodo仓库中找到（Harrington，2025年）。