《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Dissolved Organic Matter Composition and Mineral Characteristics Jointly Control Adsorption Processes
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溶解性有机质（DOM）在矿物表面的吸附对全球碳循环具有关键作用，影响陆地和水生生态系统中碳的稳定性与固存。目前，尚不清楚矿物性质与DOM组成在预测吸附时何者更为重要。以往研究仅单独测试了土壤颗粒或DOM对吸附的影响。研究人员量化了五种矿物材料（灰壤Bs层、农业
溶解性有机质（DOM）在矿物表面的吸附对全球碳循环具有关键作用，影响陆地和水生生态系统中碳的稳定性与固存。目前，尚不清楚矿物性质与DOM组成在预测吸附时何者更为重要。以往研究仅单独测试了土壤颗粒或DOM对吸附的影响。研究人员量化了五种矿物材料（灰壤Bs层、农业表土、冰川河流沉积物、高岭石为主的黏土、合成针铁矿）暴露于五种DOM来源（腐殖湖泊、泥炭、落叶凋落物、藻类、热解有机质）时的最大吸附容量（Qmax）。吸附特征采用修正的Langmuir模型确定。Qmax值介于31–28,630 mg C kg?1之间，超过了此前报道的范围。结果表明，DOM组成与矿物性质均强烈影响吸附容量。即使是强吸附矿物材料（如针铁矿和商业参考黏土），不同DOM来源下的Qmax差异也很大，其中泥炭最高、藻类最低。同样，不同来源的DOM对不同矿物表面的吸附亲和力也存在差异。一项处理评估了去除原有有机质的效果，结果显示DOM吸附增加，凸显了在预测Qmax时考虑矿物结合态有机质的重要性。总之，碳在矿物上的吸附同时取决于矿物与DOM两者的特性。这些发现表明，不考虑DOM特性的土壤模型在预测土壤和水生生态系统碳固存潜力时存在局限性。
**论文解读：溶解性有机质与矿物特性对吸附过程的联合控制**
**1. 研究背景与科学问题**
溶解性有机质（DOM）与矿物表面的相互作用是环境科学长期关注的核心议题。全球生物圈中大部分有机碳（约5410–6545 PgC）以水-固界面吸附形式与矿物颗粒紧密关联，吸附作用被认为是形成矿物结合态有机碳、促进碳在土壤和沉积物中长期稳定的关键机制。然而，当前对于矿物性质与DOM组成究竟谁在控制吸附过程中占据主导地位仍存在争议。已有研究往往仅聚焦单一维度：或固定DOM来源而比较不同矿物的吸附差异，或固定矿物而考察不同DOM的影响，缺乏将两者同时纳入同一实验框架的系统比较。此外，多数吸附研究局限于单一生态系统（陆地或水生），而跨生态系统边界的统一概念框架尚属空白。为此，研究人员设计了5种矿物材料×5种DOM来源的交叉矩阵，旨在揭示DOM组成与矿物特性对吸附容量的相对贡献，并评估预存矿物结合态有机质的影响。
**2. 研究设计与主要技术方法**
研究人员选取了5种矿物材料：灰壤Bs层（取自瑞典Bergslagen地区Grims?野生动物研究站）、农业表土（取自SLU L?vsta农业研究中心10–30 cm层）、冰川河流沉积物（取自Tarfala谷地Nordjokk溪流）、参考黏土（约80%高岭石）、合成针铁矿（Sigma-Aldrich产品）。5种DOM来源包括：腐殖湖泊水（Hanelundssj?n）、泥炭地渗出水（Storflaket）、落叶凋落物提取液（橡树与枫树1:1混合）、藻类提取物（两种湖泊浮游植物与培养硅藻的复合物）、热解有机质（400°C燃烧4小时的森林火烧残留物提取液）。实验通过批量吸附试验构建5点等温线，采用修正的Langmuir等温线模型拟合最大吸附容量（Qmax）、结合亲和力（k）、解吸项（b）等参数。同时，利用次氯酸钠（NaOCl）去除部分矿物的预存有机质，评估其对DOM吸附的影响。采用偏最小二乘（PLS）回归识别关键控制因子，并以线性混合效应模型检验处理效应。
**3. 研究结果**
**3.1 吸附特征**
25种组合的等温线表现出显著差异。针铁矿和参考黏土整体呈现最高吸附容量，灰壤Bs层为中等至高吸附，农业表土和冰川河流沉积物吸附最弱。农业表土和冰川沉积物在较低平衡浓度下即接近吸附饱和，表明可利用结合位点有限。泥炭、腐殖湖泊和落叶凋落物DOM对矿物亲和力较高，而藻类和热解DOM吸附较弱，其中热解DOM在灰壤Bs层、农业表土和冰川沉积物上甚至表现为解吸增加。
**3.2 最大吸附容量**
Qmax范围跨度极大（31–28,630 mg C kg
?1），超过全球建模研究中常见的范围。不存在某一种矿物或DOM来源始终呈现最高Qmax。农业表土和冰川沉积物无论与何种DOM组合均保持低Qmax（平均约147和138 mg C kg
?1）。三种强吸附矿物（针铁矿、参考黏土、灰壤Bs层）最高Qmax对应的DOM来源各不相同：参考黏土-腐殖湖泊DOM达28,630 mg C kg
?1，针铁矿-泥炭DOM为20,333 mg C kg
?1，灰壤Bs层-落叶DOM为3,145 mg C kg
?1。藻类DOM（除灰壤组合外）和热解DOM在所有矿物上均呈极低或不可检测的Qmax。两种极高Qmax（>5,000 mg C kg
?1）的等温线仍处于线性范围，实际值可能更高。RE-550指标（平衡浓度为550 mg kg
?1时的净吸附量）与Qmax结果一致，进一步证实吸附同时受DOM来源和矿物性质控制。
**3.3 预存有机质对DOM吸附的影响**
NaOCl去除预存有机质后，灰壤Bs层和农业表土的DOM净吸附量显著增加，其中灰壤Bs层变化最明显（ΔRE为183.7–343.3 mg C kg
?1，落叶DOM最高）。农业表土变化较小（最高ΔRE 71.7 mg C kg
?1，热解DOM）。冰川沉积物在去除有机质后对多数DOM的吸附反而下降，仅热解DOM略有上升（ΔRE 4.3 mg C kg
?1）。线性混合效应模型显示，处理条件、矿物类型及其交互作用均显著影响RE值（p<0.001），表明预存有机质占据或阻塞了矿物表面结合位点，抑制后续吸附。
**3.4 影响DOM吸附的关键因素**
PLS分析解释了RE-550变异的69%（R2Y=0.69，交叉验证Q2=0.38）。高影响变量（VIP≥1）包括：砂粒含量（负相关）、有效阳离子交换量（ECEC）、新鲜度指数、DOM溶液阳离子浓度、pH-DOM、SUVA（芳香性指标）、荧光指数（FI）、%Peak C、%Peak T以及阴离子浓度。ECEC高、砂粒含量低的矿物（如参考黏土和针铁矿）优先吸附芳香性高（高SUVA、高%Peak C）的DOM（泥炭、腐殖湖泊、落叶），而藻类和热解DOM因具有较高FI、新鲜度指数和%Peak T（微生物来源特征）而吸附弱。
**4. 讨论与结论**
研究表明，吸附机制涉及配体交换、阳离子桥接等多重作用。高Fe/Al含量矿物表面通过配体交换与DOM羧基、羟基结合，但灰壤Bs因本身富含有机质而占据位点，导致中等吸附能力。土壤质地（砂粒/黏粒比例）与表面面积紧密相关。溶液化学（pH、离子强度、竞争性阴离子）亦显著影响吸附。热解DOM虽然源自陆地，但其光学特征类似微生物源DOM（低芳香性），故吸附弱。预存有机质的去除实验证明矿物表面并非均匀可用的吸附库。结论强调：预测土壤和水生生态系统碳固存潜力时，必须同时考虑DOM组成与矿物特性，而不能仅依赖矿物性质或土壤质地参数。现有土壤碳模型若忽略DOM组成差异，将可能高估或低估实际吸附容量。未来研究应结合实际环境条件，采用柱实验或中宇宙实验验证跨生态系统吸附过程。
