评论性综述：利用溶解性有机物的光谱特性推断生态系统的功能

溶解性有机物（DOM）是连接生命形态碳和无机碳的关键纽带，参与各种生物地球化学循环过程，并在生态系统服务功能中发挥着重要的作用。目前，紫外-可见吸收光谱和荧光光谱是学界对DOM表征的两种常用方法，但有色溶解性有机物（CDOM）和荧光溶解性有机物（FDOM）只代表了DOM的小部分，仅仅利用DOM光谱特性来对生态系统的碳循环进行各种推论是否合理？为此，美国路易斯安娜大学海洋学院Juliana D’Andrilli等于2022年在《Environmental Science & Technology》上发表题为“Inferring Ecosystem Function from Dissolved Organic Matter Optical Properties: A Critical Review”的综述，从不同生态系统中DOM的表征出发，来阐述生态系统的功能和DOM光谱特性之间的关系。

受长江流域环境水科学研究公众号邀请，中国地质大学（武汉）环境学院博士生师环环对本文进行了解读。

第一部分：内容解读

摘要：过去30年，光谱特性领域的研究方向逐渐向测量天然和人工系统中的溶解性有机物（DOM）转变，而这有助于在碳循环机制的背景下进一步理解生态系统。然而，如何合理利用光谱特性来理解复杂生物地球化学系统中DOM的行为，近年来依然具有争议。这篇综述通过分类法对各圈层（大气、海洋和陆地生物圈）及其下属分支中关于DOM光谱特性的文献进行了大量的研究。在对各圈层进行细化分类的基础上，设置了如自然生产力、碳循环率、碳输入和水质等多种生态变量，从而为解释常规的DOM光谱指标（如荧光指数（FI）、腐殖化指数（HIX）和芳香化指数（SUVA254）提供了基础背景。通过对各生态系统及亚系统进行案例研究和元分析，发现FI、HIX和SUVA254的生态系统背景存在大量的重叠部分和相似的分布特征，这说明不同生态系统中的发色团和荧光团可能具有更高的相似性。这篇综述对“如果这样，就会那样”得出结论的传统方式提出了质疑，使学者在今后应用DOM光谱特征的分析结果时更加注重生态系统的连通性。

1. 研究背景

过去50年里，学者利用光谱特性（即吸光度和荧光光谱）对DOM开展了大量的表征工作。在诸如大气、海洋和陆地这些生态系统中，利用光谱特性对DOM进行表征的研究持续增长，评估DOM的物理化学性质以帮助推断碳在生态系统功能中的作用也变得越来越普遍。然而，有色溶解有机物（CDOM）和荧光溶解有机物（FDOM）只代表了DOM库的一部分，仅仅利用光谱特征的数据来对生态系统中的碳循环进行推论在一定程度上欠缺合理性。DOM在生态系统中的作用和反应性受其内部化学性和外部环境变量的双重影响，因此利用DOM光谱特性解释碳的作用以及理解生态系统的功能时，需要了解其环境背景以及不同的生产、转化、运输和储存机制。以此为背景，本文对各生态系统及其亚系统中DOM的光谱特性进行了大量的案例研究，来阐述生态系统的功能和DOM光谱特性之间的关系，从而为合理利用DOM光谱特性来理解生态系统的功能提供了可行性参考。

2. 研究方法

在大量汇总关于DOM光谱特性的文献后，利用分类法，对大气、海洋和陆地生态系统及其亚系统中的DOM光谱特性进行了对比分析（图1）。具体而言，在对生态系统进行分类的基础上，设置了自然生产力、碳循环速率及水质等生态系统变量，为解释FI、HIX及SUVA254提供了背景支撑；对生态系统变量进行描述时，采用了高、低、慢和快这类相对术语，以帮助研究人员对各生态系统中DOM的光谱特性建立联系；水质的特征也被划分为四类，分别为蓝色（低沉积物、低藻类、低DOM和/或微粒浓度），绿色（低沉积物、高藻类、高DOM和/或微粒浓度）、棕色（低沉积物、低藻类、高DOM和/或微粒浓度）和浑浊（高沉积物、低藻类、高DOM和/或微粒浓度）。

图1 碳循环角度下不同生态系统（大气、海洋和陆地）的DOM分类及其生态系统特征示意图

3. 结果与讨论

3.1．大气生态系统中DOM光谱特性的案例研究

将大气生态系统划分为两个亚类，一类为气溶胶、灰尘、云和雾，一类为降雨。研究结果表明：

（1）两个亚类FI的分布覆盖了相同的范围。但是，FI的数据分布偏向于降雨亚类的低FI区和气溶胶亚类的高FI区，这表明气溶胶亚类中的DOM受微生物的影响更大（气溶胶中的DOM也可由其他大气成分的氧化作用产生），而降雨亚类中的DOM则更多地受到陆源输入的影响。

（2）尽管案例研究中收集的降雨亚类数据量多于气溶胶亚类，但降雨亚类的HIX更低，这表明相较降雨亚类而言，气溶胶亚类可能含有更多腐殖化的DOM。

（3）迄今为止，降雨亚类尚未有SUVA254的报道。这一方面是因为大气环境通常使用较长的波长来获取吸光度数据（如≥ 300 nm），因此没有报道SUVA254；另一方面是由于样品可能在1 cm比色皿中被光学稀释，以获得比空白样品更大的吸光度。

图2 大气生态系统中溶解性有机物(DOM)的(a)荧光指数(FI)，(b)腐殖化指数(HIX)和(c)芳香化指数(SUVA254)的光谱特征箱型图（数据点的数量在每个分布(n=#)旁边表示）

3.2. 海洋生态系统中DOM光谱特性的案例研究

将海洋系统划分为三个亚类，分别为海洋的表层水域、海冰和沿海地带。其中，海洋的表层水域又可细分地表水和透光区、弱光和无光区和海底沉积物及海底冷泉四个部分。研究结果表明，海洋环境中各亚类的FI、HIX以及SUVA254分布特征存在显著差异（图3a-c），具体表现为：

（1）所有亚类的FI分布明显不同，但其平均值均接近已发布的地球化学端元边界（FI介于1.2-2.0）。地表水和沿海地带的DOM受陆源输入的影响最大，而弱光区、海底沉积物及海底冷泉则主要受到微生物的影响（图3a）。

（2）沿海地带DOM的腐殖化程度最高，HIX分布也最广（图3b）。这一方面是由于沿海地带是与陆源腐殖质相关的一个生态系统的“隔间”，另一方面是因为腐殖化也可以发生在沿海地区，因此有助于其扩展HIX的范围。所有其他子类别的HIX值都较低，表明这些环境中腐殖化并不是占据主导地位的过程。

（3）沿海地区SUVA254的分布遵循与FI和HIX相同的变化趋势，具有高度分散的特征（图3c），表明沿海地带的输入源多样。海底沉积物及海底冷泉的SUVA254分布广泛，表明其具有高浓度的碳和高芳香性。综合海底沉积物区及海底冷泉高SUVA254、低HIX和高FI的状况，认为腐殖质不增加的情况下，芳香性会增大。

图3 海洋生态系统中溶解性有机物(DOM)的(a)荧光指数(FI)，(b)腐殖化指数(HIX)和(c)芳香化指(SUVA254)的光谱特征箱型图（数据点的数量在每个分布(n=#)旁边表示）

3.3. 陆地生态中DOM光谱特性的案例研究

将陆地生态系统分为三个亚类，分别为土壤、湿地和水生生态系统（突出了受淡水影响的生态系统（不同于海洋生态系统中的沿海地带亚类））。其中，土壤生态系统又细分为人类活动影响的土壤和自然土壤两类；水生生态系统划分为冰冻圈层、季节性水域和地下水等6类。与海洋生态系统一样，陆地生态系统中的FI、HIX和SUVA254在每个亚类中的分布也相当独特（图4a-c）。具体而言：

（1）受人类活动影响的土壤亚类的FI平均值最高，其次是湖泊和池塘、湿地及冰冻圈亚类，表明这些生态系统中的微生物群落主导着碳的循环过程。其它亚类中FI的平均值接近或低于1.5，这并不能解释微生物对DOM的影响，相反却表明了生态系统中存在大量的高等植物源。

图4 海洋生态系统中溶解性有机物(DOM)的(a)荧光指数(FI)，(b)腐殖化指数(HIX)和(c)芳香化指数(SUVA254)的光谱特征箱型图（数据点的数量在每个分布(n=#)旁边表示）

（2）HIX在自然土壤、季节性水域、河流、运河及地下水亚类中的分布最广泛，然而这些生态系统中HIX的平均值却相当低，说明这些生态系统中包含种类繁多的腐殖化和非腐殖化的DOM，且DOM可能与整个流域的水文过程存在联系。

（3）湿地和溪流中SUVA254的平均值最高，表明该亚系统中具有高芳香性的DOM。尽管本研究中收集的土壤和湿地亚类的数据量最多，但相较而言，季节性水亚类中的FI、HIX及SUVA254却更高。

3.4. 利用生态系统的背景正确评估DOM的光谱特性

通过对上述三个圈层的案例研究，作者提出要利用生态系统的背景正确评估DOM光谱特性的结果。具体建议为：

（1）利用吸光度和荧光光谱对DOM进行表征时，有许多变量会改变光谱和/或淬灭信号。因此，在DOM表征时应注重环境标准化步骤及特定地点和/或生态系统的地面调查实况。例如将pH、温度、碳浓度以及生物贡献等环境因素的影响考虑在内，以减少解释的误差。

（2）使用“陆生类”、“腐殖质类”和“富有机质类”这些术语时，自然界不仅产生了不存在的化学和生态边界，而且抑制了创造性思维。因此，研究人员不仅要注重数据生成的基本原则及收集数据的环境，还要确保运用合理的光谱特性测量方法来回答特定的研究问题。

（3）当有足够高的碳浓度或足够多的样本容量时，单独利用吸光度和SUVA254来表征DOM的效果更好。然而，当其中一个变量或两个变量都受到限制时，则要利用荧光光谱、FI和HIX来表征DOM，这是由于荧光技术更加灵敏，且对样本容量的要求较低。

3.5. 利用DOM的光谱特性理解生态系统的连通性

从各圈层下属分支的角度来看，不同分支间DOM的光谱特性存在差异。但从大的圈层尺度来看，大气、海洋及陆地圈层中的DOM光谱特性并未显示出实质性的区别（图5）。Pony湖富里酸(PLFA)和Suwannee河富里酸(SRFA)在FI和HIX上差异较大，但在SUVA254中更加相似。此外，FI和HIX值的匹配结果进一步证明了DOM光谱特性的重叠（图6），不同生态系统的DOM发色团和荧光团比人们以往认知的更加相似，作者将其归因于各生态系统间的连通性。

图5.每个生态系统（大气、海洋和陆地)中溶解性有机物(DOM)的(a)荧光指数(FI)，(b)腐殖化指数(HIX)和(c)芳香化指数(SUVA254)的光谱特征箱型图（右上角的概念图描述了环境生物地球化学梯度及其随FI、HIX和SUVA254的变化，DOM在梯度上受各种环境因素的影响程度越高时，FI越低，HIX越高，SUVA254越高；典型的DOM分离物Pony湖富里酸和Suwannee河富里酸覆盖在每个分布图上。）

图6 (a)每个圈层（大气、海洋和陆地），(b)大气，(c)海洋及(d)陆地圈层的荧光指数(FI)和(b)腐殖化指数(HIX)的配对图（每个多边形代表了一个经过同行评审、耦合的FI和HIX的跨度区域）

第二部分：贡献解读

1. 背景问题：

在复杂的生物地球化学系统中，合理利用DOM的光谱特性来追踪其行为是近年来争议的热点。以往利用光谱特性对DOM表征的研究主要集中于单一的陆地或水生生态系统，很少有研究对不同生态系统中DOM的光谱特性进行对比分析，不同生态系统之间DOM的光谱特性存在哪些异同，如何从物理、化学和生态学的综合视角来理解生态系统，学界仍然缺乏相应的研究。许多研究人员在利用吸光度和荧光光谱对DOM进行表征时没有进行指标说明，CDOM和FDOM并不能保证包含和解释了完整的光谱特性。那么，需要哪些生态证据或测量方法来对DOM的光谱特性数据进行更为准确的解释，是亟待解决的问题。

2. 核心发现：

大气、海洋和陆地生态系统中DOM光谱特性的表征具有重叠部分，这表明生态系统具有连通性，进而导致DOM的光谱特性也具有连通性。因此，研究人员应将生态系统视作一个连续体，而不是相互独立的个体。利用DOM的光谱特性评价生态系统的功能时，必须将物理、化学和生物环境变量的影响纳入对DOM光谱特性结果的解释中，仅通过单个指标不足以掌握生态系统中DOM的“全貌”。

原文及图片来源： D Andrilli J, et al. Inferring Ecosystem Function from Dissolved Organic Matter Optical Properties: A Critical Review. Environmental Science & Technology, 2022, https://doi.org/10.1021/acs.est.2c04240.

本文由中国地质大学（武汉）环境学院博士生师环环解读。受作者能力所限，本文难免有不当之处，敬请各位读者谅解。如疑义、建议或其他方面的学术交流，请与杜尧研究员联系，邮箱[email protected].