Photochemical mineralization of DOM in high humic tropical aquatic ecosystems: ambiguous regulation by watercolor  

高腐殖質(zhì)熱帶水生生態(tài)系統(tǒng)中溶解有機(jī)質(zhì)的光化學(xué)礦化：水色的模糊調(diào)控作用  

來(lái)源：Acta Limnologica Brasiliensia, 2024, vol. 36, e39  

《巴西湖沼學(xué)學(xué)報(bào)》2024年第36卷e39期  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：光化學(xué)礦化是水生生態(tài)系統(tǒng)中溶解有機(jī)碳（DOC）完全氧化的重要途徑。DOC濃度、水色（由腐殖質(zhì)導(dǎo)致）、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、DOC的成巖狀態(tài)和氧氣可用性是已知的調(diào)控因素。本研究首次在極端DOC濃度和水色條件下評(píng)估這些因素的重要性，目標(biāo)包括：  

優(yōu)化熱帶腐殖/超腐殖水生生態(tài)系統(tǒng)光降解研究方法；  

 

評(píng)估調(diào)控因素的相對(duì)重要性；  

 

測(cè)量20個(gè)熱帶腐殖/超腐殖沿海生態(tài)系統(tǒng)的光化學(xué)礦化速率并與全球數(shù)據(jù)比較。  

 

研究目的

優(yōu)化熱帶高腐殖水域光化學(xué)礦化的實(shí)驗(yàn)方法；  

 

量化DOC濃度、水色、輻射強(qiáng)度和氧氣可用性對(duì)礦化速率的調(diào)控作用；  

 

測(cè)定熱帶腐殖質(zhì)沿海生態(tài)系統(tǒng)的礦化速率并對(duì)比全球數(shù)據(jù)。  

 

研究思路

三類暴露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

(i) 同一樣品暴露于不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（表2-4）；  

 

 

 

(ii) 同源DOC樣品梯度稀釋后暴露（表1、5-6）；  

 

 

 

 

(iii) 20個(gè)不同特征環(huán)境樣品暴露于自然光照（表7）。  

 

方法優(yōu)化：針對(duì)高鹽度環(huán)境，驗(yàn)證氧氣消耗（O?）與無(wú)機(jī)碳生成（DIC）的1:1關(guān)系（圖1），解決高堿度水體DIC檢測(cè)難題。  

 

數(shù)據(jù)分析：通過(guò)線性回歸、方差分析比較調(diào)控因素的作用，并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)評(píng)估熱帶腐殖生態(tài)系統(tǒng)的全球意義。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

溶解氧消耗（O? consumption）與DIC產(chǎn)量（DIC production）  

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖1、表2-4（時(shí)間梯度實(shí)驗(yàn)）、表7（20個(gè)生態(tài)系統(tǒng)）  

 

意義：驗(yàn)證光化學(xué)礦化的化學(xué)計(jì)量關(guān)系（O?消耗: DIC生成 ≈ 1:1），為高鹽度湖泊提供可靠檢測(cè)方法；揭示超腐殖系統(tǒng)（如Atoleiro）中氧氣快速耗竭（4小時(shí)消耗>80%）是礦化過(guò)程的關(guān)鍵限制因素（圖3）。  

水色參數(shù)（a430，430 nm吸收系數(shù)）  

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：表1（稀釋實(shí)驗(yàn)）、表5（相關(guān)性）、表7（生態(tài)系統(tǒng)梯度）  

 

意義：量化水色對(duì)礦化的"模糊調(diào)控"作用——低色度水體中，增加水色提升礦化速率（增強(qiáng)光吸收）；高色度水體中，進(jìn)一步增加水色因自遮蔽效應(yīng)抑制礦化（圖4, 圖5）。  

 

 

 

意義：明確DOC濃度是礦化的主要驅(qū)動(dòng)因子（圖5），但超腐殖系統(tǒng)（DOC >6 mM）因自遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致單位DOC礦化效率下降（圖4）。  

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度  

數(shù)據(jù)來(lái)源：表2-4（輻射累積值）  

意義：證實(shí)輻射強(qiáng)度與礦化速率正相關(guān)，但極端高DOC下因氧氣限制和自遮蔽減弱輻射利用效率（圖2）。  

 

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

使用丹麥Unisense金微電極（連接皮安計(jì)）高精度測(cè)量溶解氧消耗，其研究意義包括：  

解決高鹽環(huán)境檢測(cè)難題：在碳酸鹽豐富的沿海潟湖中，傳統(tǒng)DIC檢測(cè)因背景值高難以捕捉微小變化。O?消耗的1:1比例關(guān)系（圖1）為這類生態(tài)系統(tǒng)提供了可靠替代方案。  

 

揭示瞬時(shí)動(dòng)態(tài)限制：電極的高時(shí)空分辨率捕捉到超腐殖系統(tǒng)（如Atoleiro）中O?濃度在4小時(shí)內(nèi)驟降>80%（圖3），證明氧氣是礦化的關(guān)鍵瞬時(shí)限制因子，這對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（暴露時(shí)間<4小時(shí)）和自然系統(tǒng)（依賴風(fēng)力復(fù)氧）有重要啟示。  

 

量化反應(yīng)效率：通過(guò)O?消耗速率直接計(jì)算礦化速率（如Preta潟湖高達(dá)147.856 μM O? 6h?1，表7），支持了"熱帶腐殖水域具有全球最高光化學(xué)礦化速率"的結(jié)論。  

結(jié)論

方法學(xué)貢獻(xiàn)：驗(yàn)證O?消耗法適用于高鹽腐殖水域，且O?:DIC轉(zhuǎn)換率為1:1（圖1）。  

 

調(diào)控機(jī)制：  

水色對(duì)礦化有雙重作用：低色度水體中增強(qiáng)礦化，高色度水體中因自遮蔽抑制礦化（圖4-5）。  

DOC濃度>6 mM時(shí)自遮蔽效應(yīng)顯著，單位DOC礦化效率降低（圖4）。  

超腐殖系統(tǒng)中氧氣是礦化的關(guān)鍵限制因子（圖3）。  

生態(tài)意義：  

熱帶腐殖質(zhì)沿海潟湖（如Preta潟湖）的光化學(xué)礦化速率達(dá)147.856 μM O? 6h?1（表7），為文獻(xiàn)記載最高值。  

熱帶生態(tài)系統(tǒng)的平均礦化速率顯著高于溫帶（圖6），凸顯其在全球碳循環(huán)中的重要性。