文章信息

第一作者：袁和忠

通訊作者：袁和忠，曾慶飛

通訊單位：南京信息工程大學，中科院南京地理與湖泊研究所

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123871

亮點

? 利用熒光光譜和FT-ICR-MS分析了溶解性有機碳的變化。

? 隨著時間的推移，可溶性有機碳引發了更高的碳埋藏率（OCBR）。

? 腐植酸類和黃腐酸類物質在有沉積物機碳組分中占主體。

? 脂質和木質素主導了可溶性有機碳的埋藏和固定。

研究進展

湖泊沉積物中穩定有機碳（OC）埋藏是大氣碳削減的重要固碳途徑。然而，在分子尺度上，沉積物中OC的保留效應和穩定機制尚不清楚。本研究測定了兩個淡水湖沉積物的年代學和OC組分；采用三維熒光和傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR MS）檢測可溶性OC（SOC）形態和分子結構的變化。結果表明，沉積物柱TOC和總氮（TN）濃度顯著升高，TOC/TN（C/N）值向上降低，表明20世紀80年代前后陸源OC和N輸入減弱。OC礦化作用降低了較深沉積物層的C埋藏。然而，在更深的深度發現了更高的SOC含量，這表明SOC可促進沉積物中OC的積累和固定，并隨著時間的推移觸發了更高的OCBR值。此外，整個沉積物巖芯均存在明顯的熒光強度，表明腐植酸類和黃腐酸類物質隨時間同步積累，是主要的有機碳組分。上層沉積物的熒光強度較高，表明有機碳以腐植酸類物質埋藏，具有較強的固存潛力。熒光信號的持續存在表明，黃腐酸類物質主導了沉積物中有機碳的固定和抗礦化作用。最后，FT-ICR MS分析表明，脂質的顯著積累歸因于木質素的分解，并主導了CHO和CHON的分子式和OC化合物。盡管礦化發生，但隨著時間的推移，豐度較高的脂質和木質素主導了有機碳的埋藏和固定。研究證明，在地質時間尺度上，脂質和木質素對湖泊沉積物中大部分腐植酸樣物質和隨后的OC保留起著重要作用。

圖1 圖文摘要

DOM熒光光譜（FruI、FreI、HIX和BIX）的顯著差異表明，不同沉積物深度存在顯著不同的有機化合物，反映了兩湖的礦化程度和碳固存潛力的變化（圖2）。腐植酸類化合物和黃腐酸類化合物在兩個湖泊沉積物巖心中普遍占主導地位，基于優勢源差異，表明了不同的分子結構和成礦潛力。在超過170 a的沉積歷史中，整個沉積物柱均存在明顯的熒光強度，表明兩湖沉積物中主要的OC組分為腐植酸和黃腐酸樣物質的同步富集。沉積物上層持續存在較強的熒光光譜，表明OC埋藏儲量以高分子量腐植酸樣物質存在并富集沉積深度越深，熒光強度越弱，提示存在腐植酸類化合物礦化。然而，熒光信號的輕微增加與黃腐酸樣物質的存在有關，表明OC在地質時間尺度上的固定。

自2000年代以來，沉積物中FruI值從約20 cm深度開始增加，表明水生和微生物源對OC的貢獻很大，以藻類和大型植物為主的太湖東部湖區，其FreI值較高，說明DOC主要來源于年齡更大、分解程度更高的有機質。這一優勢有助于將更多的C通量固存到沉積物中，這是造成太湖東部有機碳埋藏速率（OCBR）值較高的原因。此外，因為增加了陸源腐殖質混合物，較高的營養負荷導致較高的HIX值。兩個湖泊中相似的HIX值表明，由于位置鄰近，陸地源的養分排放相當。值得注意的是，HIX值從約20 cm深度開始下降，表明人為腐植酸樣化合物趨于穩定。最后， BIX值大于0.8，表明兩個湖泊的DOC以微生物來源為主。BIX值越高，表明太湖東部生物輸入越豐富。然而，BIX在整個沉積物巖芯中普遍下降，這表明熒光強度降低是由于腐植酸類化合物礦化成低分子量的黃腐酸類物質，而不是隨著時間的推移微生物輸入減少。總體而言，富里酸類化合物在沉積物中逐漸積累，并主導湖泊沉積物的OC固定。

圖2 不同深度沉積物中DOM代表性熒光光譜特征（a）和熒光指數（b）

利用FT-ICR質譜分析進一步評價了不同湖區沉積物中有機碳的分子特征和復雜性（圖3，4）。上層沉積層的H/C和O/C配對比更寬，表明外源和內生OM輸入的分子多樣性更高。較高的分子H/C比值反映了沉積物上層浮游植物和微生物DOM的貢獻高于較深層。微生物降解過程可以促進低DO條件下的DOM消耗和高DO情況下的DOM生成。這種協同作用導致上沉積層DOM的O/C比值增大。

分子式CHO和CHON分別占有機碳總分子式的50和19%以上。CHO分子主要與木質素和長鏈脂肪酸相關。CHON分子以不飽和脂肪類化合物和高度不飽和類化合物為主。較高的CHO和CHON分子表明這些有機物通過陸源和自生源輸入和積累。更豐富的蛋白質和脂質易于生物降解，而木質素和凝聚芳烴的優勢表明存在陸源和頑固性化合物。與微生物來源的物質相比，包括木質素在內的陸生有機分子具有更多共軛芳香結構。蘆葦等水生植物生物量較高，表明沉積物中含有較多木質素的大型植物碎屑。此外，分子的O/C、H/C、C原子、m/z和DBE值的定量分布總體隨深度增加而減小。上層特別是表層沉積物富含高O/C、低DBE和高H/C的化合物，并向深層逐漸減少。同樣，沉積上層的碳原子數隨著DBE的增加而增加。DBE較高的分子式中C原子序數的減少表明沉積物中有機碳的礦化程度顯著。

圖3 不同深度沉積物中DOM的分子組成（a）\DBE值（b）的變化，O/C、H/C、C原子、m/z、DBE（c）的定量分布，以及不同深度沉積物中DBE與分子C原子數（d）的關系圖

圖4 基于FT-ICRMS分析的不同深度沉積物中指定分子式和組成的相對豐度和變化

與整個沉積物巖心木質素豐度呈下降趨勢相似，與木質素相關的CHO和CHON分子式相對豐度的下降表明木質素在沉積過程中可能礦化為脂質。然而，高于30%的相對豐度表明了木質素隨時間的推移在沉積物中抗分解的穩定性。沉積物柱中脂質豐度的顯著積累歸因于木質素的分解，以及主要的CHO和CHON分子式和OC化合物。也就是說，約29.6%的脂質積累主要來源于約26.7%的木質素礦化。總體而言，在腐植酸類化合物含量較高的上層沉積層，富集程度較高的是脂質和木質素。厭氧和營養條件都會影響以腐殖質和木質素形式埋藏的高分子量OM的調節和礦化。研究證明，隨著時間的推移，湖泊沉積物中陸源輸入和自生潛力的增強，脂質和木質素促成了大部分腐植酸樣物質和隨后的OC保留。雖然氨基糖作為穩定的OC組分，在有氧條件下比木質素分解得更快。然而，在整個沉積物柱中，碳水化合物、氨基糖、蛋白質、不飽和烴、縮合芳香族結構和其他有機物的分子群的分布大致相似。這表明沉積物中這些OC分子的穩定性是埋藏期間重要的OC固定途徑。

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