农业实践重塑水生生态系统中溶解性有机物的分子指纹：以中国戴村为例

《Journal of Environmental Management》：Agricultural practices reshape molecular fingerprints of dissolved organic matter in aquatic ecosystems: A case study in China's Dai Village

　　

摘要

农业管理措施显著影响淡水生态系统中溶解性有机质（DOM）的生物地球化学循环，然而常规农业区（CFR）与有机农业区（OFR）中 DOM 的分子水平特征仍知之甚少。在此，选取了一个具有 20 年有机农业史的一个 OFR 和一个相应的 CFR，以探索不同农业管理模式下 DOM 分子特征和功能多样性的差异。我们发现，CFR 和 OFR 均以 CHO 分子为主，而 CFR 中低分子量（<300?Da）和含氮分子的相对丰度高于 OFR。CFR 中的独特分子具有较高的脂质类化合物比例，且分子量、不饱和度和氧化度显著较低，而 OFR 中的独特分子则以木质素类化合物为主，氧化度较高。CFR 中独特分子的功能分歧和离散显著高于 OFR，表明有机农业下的 DOM 功能特征更为趋同。此外，理化性质解释了 CFR 中（R²?=?0.92）DOM 分子组成中较高的方差，高于 OFR（R²?=?0.49），其中 CFR 的主要驱动因素为总氮和总磷，而 OFR 中亚硝酸盐和总有机碳的贡献最高。这些发现表明，常规农业促进了富氮、功能多样且受陆地输入和内生来源影响的 DOM 分子的积累，而有机农业导致池塘中氧化程度更高且难降解的 DOM 积累，这主要由陆地输入驱动。

引言

农业管理措施，如常规农业和有机农业，可以深刻影响陆地和水生生态系统中的生物地球化学过程（Cheng et al., 2024; Hu et al., 2022b; Wilson and Xenopoulos, 2009）。溶解性有机质（DOM）是一种由数千种个体分子组成的复杂混合物，在碳和营养盐循环中起着重要作用，并对农业活动敏感（Cui et al., 2026b; Kellerman et al., 2014; Vaughn et al., 2023）。例如，与使用化学肥料的常规农业相比，使用有机肥的有机农业可以使土壤中的 DOM 含量增加 73–163%，其特征是分子量更大，且木质素和芳香族化合物等难降解分子的丰度更高（Shi et al., 2025; Sun et al., 2025）。此外，有机农业避免使用杀虫剂等有毒物质，可能减少对周围环境的持久性有机污染物的输入。这些营养盐输入、有机质来源和污染物负荷的差异最终可能影响邻近水生生态系统中 DOM 的组成。

池塘在农业景观中广泛分布，是作物种植和水产养殖的重要基础设施。小型池塘对全球碳循环的贡献不成比例地大，尽管仅占全球湖泊面积的 8.6%，却贡献了 15.1% 的二氧化碳和 40.6% 的扩散甲烷排放（Holgerson and Raymond, 2016）。这些碳排放潜力与 DOM 组成密切相关，因为 DOM 为异养微生物提供主要能量来源，其组成决定了底物的生物有效性，可能调节微生物群落的功能以及碳周转率（Freeman et al., 2024; Wen et al., 2024）。因此，全面了解池塘中 DOM 分子组成对于阐明其生态效应和环境响应至关重要。

在农业景观中，池塘水主要来自地表径流或地下水，这些水流将具有不同农业管理模式下土壤中不同组成特征的 DOM 输送至池塘（Manninen et al., 2018）。此外，池塘中的 DOM 组成不仅受陆地输入影响，还受内生生产和微生物转化的影响（Wang et al., 2021; Williams et al., 2016）。常规农业通常导致较高的营养盐淋溶，这可能导致下游水体富营养化并增强内生 DOM 的生产（Graeber et al., 2015; Wang et al., 2024）。相比之下，有机农业旨在促进资源利用并减少环境污染，这可能减少营养盐向池塘的输入（Tiefenbacher et al., 2020; Wei et al., 2021）。然而，由于缺乏对常规和有机农业管理区池塘 DOM 的分子尺度分析，这两种不同模式下池塘 DOM 的组成和特征及其潜在驱动因素仍不清楚。

在此，我们利用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）探讨了常规农业区（CFR）和具有 20 年有机管理史的有机农业区（OFR）池塘水中 DOM 的分子特征。我们的目标是（1）评估两种管理模式下 DOM 分子组成的差异，包括质量分布和元素组合；（2）表征常规和有机农业区的独特分子并评估其功能多样性；（3）确定理化条件是否解释了常规与有机管理下 DOM 分子组成不同方差的部分。我们假设长期的常规和有机农业模式将产生不同的水生 DOM 分子指纹、功能多样性和环境控制。我们的发现为对比农业管理模式对水生 DOM 组成的不同效应提供了分子水平的证据。

章节片段

样本采集

研究在中国江苏省戴村进行（图 S1）。该村拥有 487.5 公顷耕地。年日照时长为 1850 小时，年平均气温和降水量分别为 15.4?°C 和 1106?mm。选择了两个不同的农业管理区，即常规农业区和有机农业区。CFR 施用矿物肥料和农药，而 OFR 使用醋糟、米糠和油菜籽

不同农业管理区池塘水的理化性质

常规和有机农业区池塘的理化性质存在显著差异（图 1，表 S1）。CFR 的池塘 TP 浓度显著高于 OFR（CFR: 0.12?±?0.07?mg/L, OFR: 0.08?±?0.03?mg/L; P?4-P（CFR: 0.04?±?0.02?mg/L, OFR: 0.02?±?0.01?mg/L; P?P?

农业管理对水理化性质的影响

常规农业区池塘中较高的磷浓度表明常规农业模式下的营养盐负荷增强。这与之前研究表明集约化矿物施肥下接收水体的磷浓度升高一致（Carpenter, 2005; Liu et al., 2021）。相比之下，有机农业模式排除了合成化学肥料的使用，减少了营养盐向邻近水体的转移（Krause

结论

我们的研究表明，常规和有机农业模式表现出池塘 DOM 独特的分子特征。常规农业区的池塘积累了较高的营养盐负荷和富含低分子量、含氮和脂质类分子的 DOM，具有更高的功能分歧，而有机农业区的池塘 DOM 特征为氧化程度更高、木质素类分子，具有较低的功能分歧。理化性质施加了更强的

CRediT 作者贡献声明

Yifan Cui: 撰写 - 初稿，可视化，方法论，资金获取，正式分析，数据整理。 Jinfu Liu: 可视化，调查，数据整理。 Shuailong Wen: 撰写 - 审阅与编辑，资金获取，验证。 Shaojuan Du: 调查，数据整理。 Kyoung-Soon Jang: 方法论，数据整理。 Ang Hu: 撰写 - 审阅与编辑，验证，资金获取。 Jianjun Wang: 撰写 - 审阅与编辑，验证，资源，项目管理，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

我们衷心感谢 Yafu Zhao 和 Jonathan Miles Adams 的亲切支持。我们感谢 Minglei Ren、Jiyi Wang、Chaoxuan Guo、Kan Li、Yaping Guo、Zongjun Du、Jiwen Li 和 Lei Han 的野外采样和实验室分析。这项工作得到了 国家自然科学基金 (42401135, 42307323, 42377122), 中国博士后科学基金 (2024M753322, 2025T180094), 江苏省基础研究计划 (BK20240111), 湖泊与流域科学重点实验室

Yifan Cui|Jinfu Liu|Shuailong Wen|Shaojuan Du|Kyoung-Soon Jang|Ang Hu|Jianjun Wang

中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全重点实验室，中国南京，211135