【摘要】 本研究发表于《Journal of Hydrology》（一区TOP，IF=6.3），以中国内蒙古呼伦湖流域为对象，系统探究了冰封期湖泊和河流中溶解性有机物（DOM）的组成、来源及其对温室气体（GHGs）的影响。通过EEM-PARAFAC荧光光谱、FT-ICR MS分子分析（由【科学指南针】提供技术支持）及16S rRNA高通量测序，揭示陆源DOM（以木质素和单宁类腐殖质为主）在冰下富集，促进微生物代谢，导致CO₂、CH₄、N₂O超饱和累积（饱和度达1000%-1164%）。创新点包括首次阐明冰封期外源DOM与GHGs耦合机制，以及冰融突释对区域碳排放的潜在影响。研究强调半干旱区草原-湖泊界面的碳循环重要性，为高纬度湖泊气候响应提供机制依据。

研究概述

本研究发表于《Journal of Hydrology》（一区TOP，IF=6.3），聚焦于中国内蒙古呼伦湖流域冰封期湖泊与河流中溶解性有机物（DOM）的组成、来源及其对温室气体（GHGs）产生的影响。研究通过多种先进分析技术，包括三维荧光-平行因子分析（EEM-PARAFAC）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）及16S rRNA高通量测序，揭示了陆源DOM输入在冰封环境下的转化机制与温室气体富集效应。​科学指南针为本研究提供了关键的DOM分子组成分析服务（【科学指南针·FT-ICR-MS分析】）。

 

研究区域与方法

研究区域

研究区域为内蒙古呼伦湖流域，包括呼伦湖本体、其主要入湖河流（如鄂尔逊河、新开河）及附属水体乌兰诺尔湖。采样点空间分布如图1所示，覆盖了湖泊中心、河流上游与下游等不同水文单元。

Fig. 1：采样点分布及采样现场照片

分析方法

  • ​DOM光学特性​：采用紫外-可见吸收光谱（a254, a350）与EEM-PARAFAC荧光光谱解析DOM组成与来源；

  • ​DOM分子组成​：通过科学指南针提供的FT-ICR MS服务实现DOM分子式鉴定与分类；

  • ​温室气体浓度​：测定CO₂、CH₄、N₂O的溶解浓度与饱和度；

  • ​微生物群落​：16S rRNA高通量测序分析微生物群落结构；

  • ​统计建模​：偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化DOM、微生物与GHGs的因果关系。

 

主要研究结果

1. DOM空间分布与陆源输入主导性

呼伦湖流域DOC浓度范围为5.8–33.0 mg/L，呈现东北高、西南低的空间格局（图2a）。河流下游DOC浓度显著高于上游（p < 0.05），表明陆源有机质持续输入并在下游累积。新开河22号点DOC、a254、a350均为全域最高，与上游植物残体输入密切相关。

Fig. 2：呼伦湖流域溶解有机碳（DOC）、紫外吸收系数a（254）和a（350） 的空间分布

 

2. DOM组成以陆源腐殖质为核心

EEM-PARAFAC结果显示（图3），DOM荧光组分中腐殖质类组分（C1、C2）占比超过75%，湖泊与河流DOM组成高度相似，证实陆源输入的主导地位。FT-ICR MS分子分析进一步表明，DOM分子主要集中于木质素和单宁类区域（图4），其复杂分子结构源于土壤有机质与植物残体分解。

Fig.3：呼伦湖流域溶解有机物（DOM）各组分的分布情况

Fig. 4：呼伦湖流域溶解有机物（DOM）分子的元素组成及其分布特征

3. 温室气体空间分异与超饱和现象

温室气体浓度呈现显著空间差异（图5）：

  • CO₂与CH₄浓度在湖泊中低于河流，而N₂O在湖泊中更高；

  • 冰封期GHGs饱和度极高（CO₂: 1000%; CH₄: 1164%; N₂O: 1017%），表明冰盖阻碍气体逸散并促进水下累积。

Fig. 5：呼伦湖流域温室气体的空间分布情况

4. DOM与微生物协同驱动GHGs生成

PLS-SEM模型（图6）揭示：

  • 腐殖质DOM直接促进GHGs生成（路径系数=0.247, p<0.05）；

  • 微生物群落是更主要驱动因子（路径系数=0.445, p<0.05）；

  • 冰封环境下，微生物通过呼吸、降解及硝化/反硝化作用将DOM转化为CO₂、CH₄和N₂O。

Fig. 6：展示了PLS-SEM结构方程模型对呼伦湖流域温室气体（GHGs）产生机制的分析

 

研究结论与意义

核心结论

1.冰封期呼伦湖DOM以外源输入为主，主要成分为木质素和单宁类腐殖质；

2.冰盖形成封闭系统，促使DOM富集并为微生物提供代谢底物；

3.微生物活动将DOM转化为溶解态GHGs，导致冰下超饱和积累；

4.春季冰融后GHGs突发释放，可能显著影响区域碳排评估。

 

技术贡献

本研究通过科学指南针提供的FT-ICR MS高分辨率分子分析，首次在分子层面证实冰封湖泊DOM的陆源特征及稳定性，为寒区湖泊碳循环研究提供了关键数据支持（【科学指南针·环境检测2024】）。

 

应用价值

研究结果强调了半干旱区草原-湖泊系统在全球碳循环中的重要性，为气候模型中的冬季GHGs排放评估提供了机制依据。

 

科学指南针服务声明​：本研究中的DOM分子特征数据由科学指南针平台通过FT-ICR MS技术提供支持。如需了解更多环境检测与DOM分析服务，欢迎联系科学指南针专家团队获取定制方案。