原名：Overlooked dark dissolved organic matter reveals the migration and transformation of carbon exports in surface and subsurface flows from cropland during rainfall

译名：被忽略的暗溶解性有机质揭示了降雨期间农田地表径流和地下径流中碳输出的迁移与转化

期刊：Water Research

IF：12.8

发表日期：2026.5（网络首发2024.5）

第一作者：陈果 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院（王浩课题组）。

背景：

溶解性有机物（DOM）对环境的影响取决于其向水体系统的输出能力及迁移路径。傅里叶变换离子回旋共振质谱技术已被广泛应用于DOM分子组成、来源及其在水文流动路径中迁移与转化的非靶向分析。然而，以往研究主要聚焦于已确定的化学式（通常为C、H、O、N、S和P原子的组合），而关于未确定化学式的（操作上定义为“化学暗物质”）研究则极为有限，尽管这些成分在DOM分子中占比不容忽视，并参与生物地球化学循环。

科学问题：

（1）评估农田地表径流（SF）和地下径流（SSF）中DOM的含量、光学性质及分子特征，明确已分配DOM（ADOM）与化学暗物质DOM（DDOM）在不同水文流路中的迁移与转化规律；

（2）量化ADOM和DDOM的化学多样性、分子量分布及核心分子库特征，以及不同流路中细菌、真菌和原生生物等多营养级微生物群落的组成与多样性；

（3）分析调控ADOM和DDOM组合装配过程（确定性选择与随机过程）及其与多营养级微生物群落耦合关系的主要驱动因子，以约束水文流路对农田碳输出迁移转化及其生态效应的影响机制。

材料与方法：

（1）研究地点位于中国陕西省杨凌示范区渭河盆地（年均温12.9 ℃，年降水量约700 mm），土壤类型为粉砂质粘壤土（含29.47 %粘土、66.40 %粉砂和4.13 %砂），周边景观以缓坡农田为主。

（2）设置4个径流小区（3 m × 1 m × 0.45 m），包括裸地、玉米地、马铃薯地和大豆地，代表常见农田地表覆盖条件。

（3）采用向下喷洒式降雨模拟器进行模拟降雨（降雨强度20 mm/h，历时7.5 h），从地表（地表径流，SF）和0.4 m深度（地下径流，SSF）采集径流样品。共采集185个径流样品，筛选58个样品（26个地表径流和32个地下径流）用于FT-ICR MS分析和微生物测序。

（4）测定指标：DOC（总有机碳分析仪）、光学性质（UV-Vis吸收和三维荧光EEMs，计算SUVA₂₅₄和HIX）、FT-ICR MS分子组成（ADOM和DDOM的分子式组成及DBE、AImod、NOSC、H/C、O/C等参数）、微生物群落组成（细菌16S rRNA基因V4区、真核生物18S rRNA基因，Illumina NovaSeq 6000测序）、DOM组合装配过程（基于潜在转化质量差异构建分子网络并计算βNTI）、DOM-微生物耦合关系（Procrustes分析和SparCC跨域网络分析）。

图1 模拟降雨条件下，用于收集农田地表径流和地下径流的实验场地示意图。从左至右依次为裸露土地、土豆、大豆和玉米。

结果：

（1）地下流DOC浓度显著高于地表流（P < 0.001），但地表流腐殖化程度更高（HIX, P < 0.001）；地表流优先输出生物可利用的脂肪族化合物（UAC+8.9 %），地下流则输出更多难降解的腐殖化组分（HUC-16.3 %）（图2）。

图2 表层流（SF）与地下流（SSF）中溶解有机质（DOM）及指定DOM（ADOM）的浓度、光学特性及其分子组成。(a)DOM浓度及其光学特征在不同流路中的变化；(b) ADOM 的强度加权分子参数；(c) ADOM 各化合物类别的相对强度；(d) ADOM 元素组成的相对强度。数据点代表平均值，右侧标注表示差异（Δ = SF − SSF）及经FDR校正后的显著性水平；显著性水平以星号标示（* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001）

（2）DDOM化学多样性和均匀度显著高于ADOM（P < 0.01），地下流DDOM分子量更高、分布更均匀，两流径间ADOM和DDOM组成均显著分离（PERMANOVA, P=0.001）（图3）。

图3 地表径流（SF）与地下径流（SSF）中暗色溶解有机质（DDOM）及指定溶解有机质（ADOM）的分子组成与化学多样性。（a–d）各径流路径内 ADOM 与 DDOM 之间的化学多样性差异。显著性水平基于各径流路径内的Wilcoxon秩和检验（* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001）。（e–f）SF(e)与 SSF (f)中 DDOM 和 ADOM 的质量-强度分布模式。（g–h）非度量多维尺度分析（NMDS）显示不同径流路径中 DDOM (g)与 ADOM (h)的分子组成差异；阴影椭圆表示各类径流类型的95%置信区间；应力值表示排序拟合优度，Permanova检验结果(P)评估了SF与 SSF 之间组成差异的显著性

（3）地下流ADOM独特分子以木质素为主（69 %），地表流以蛋白质和木质素为主；地下流DDOM独特分子更丰富、分子量更高（HMW占68.8 %），共享分子强度分布也存在流径差异（图4）。

图4 农田地表流（SF）与地下流（SSF）中指定溶解有机质（ADOM）及暗色溶解有机质（DDOM）的核心分子特征。(a) ADOM 中独特分子与共有分子的分子组成。(b)SF与 SSF 之间 ADOM 独特分子的分子参数、元素组成及化合物分类的差异，显著性水平以星号标示。(c)SF与 SSF 之间 DDOM 独特分子的显著分子特征；(d)SF与 SSF 间 DDOM 共有分子的质量-浓度分布，垂直虚线表示各流路的加权平均m/z值；(e)不同m/z值下 DDOM 共有分子强度的差异；(f)SF与 SSF 间 DDOM 共有分子的强度分布，插图中显示基尼系数及前10%强度占比以量化分子强度分配的不均现象

（4）ADOM受异质性选择主导（地表流100 %），DDOM受随机过程控制（地下流93 %），地下流组装随机性显著强于地表流（P < 0.001）（图5）。

图5 不同流路中指定溶解有机物（ADOM）与暗色溶解有机物（DDOM）组成组装过程的β最近分类单元指数（βNTI）。(a) 各DOM池内SF与 SSF 之间的成对 βNTI 分布情况：虚线水平线表示 βNTI =±2的阈值，实线表示 βNTI =0。SF与 SSF 间的差异采用Wilcoxon秩和检验评估（*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001）。(b) 根据 βNTI 推断出的成对组装模式相对比例：成对 βNTI 被分为均质选择（βNTI <−2）、随机过程（−2 ≤ βNTI ≤ 2）或异质选择（βNTI >2），柱状图顶部标注表示样本对数量(n)

（5）ADOM与细菌耦合在地下流更强（P < 0.05），ADOM网络正向相关为主（67.1 %），DDOM正负平衡；地表流网络连通性更高，地下流模块化更强（图6-7）。

图6 地表流（SF）与地下流（SSF）中DOM与微生物群落组成之间的关联性。(a)不同流道中细菌、真菌和原生生物在门水平上的群落组成相对丰度分布。图中显示了八种最丰富的分类单元（基于所有样本的平均相对丰度），其余分类单元均归为“其他”。(b)采用Procrustes分析检验了 DDOM 或 ADOM 的分子组成与流动系统中整体微生物群落组成的吻合程度。（c-d）量化了 DDOM (c)和 ADOM (d)的分子组成与各微生物分类单元之间的关联强度，该强度以SF和 SSF 中的1−Procrustes残差值表示；SF与 SSF 间的差异采用Wilcoxon秩和检验进行评估（*P < 0.05；**P < 0.01；***P < 0.001）

图7 含暗色溶解有机质（DDOM）与指定溶解有机质（ADOM）的微生物群落跨域网络。(a) DDOM（上图）与 ADOM（下图）的跨域网络；(b)跨域网络中正向与负向DOM-微生物关联的相对比例；(c)DOM节点与微生物节点的度中心性及中介中心性；(d)与 DDOM（左图）及 ADOM（右图）相关的细菌聚类树状图；(e)不同流路中子网络指标的变化情况。SF与 SSF 之间的差异采用Wilcoxon秩和检验评估（*P < 0.05；**P < 0.01；***P < 0.001）

结论：

（1）地表流快速动员生物可利用性高的脂肪族ADOM，地下流输出更多腐殖化、难降解的ADOM以及更丰富、更均匀、更高分子量的DDOM。

（2）ADOM受异质性选择主导（确定性过程），DDOM受随机过程控制；地下流比地表流具有更强的随机组装特征。

（3）DOM组成与多营养级微生物群落显著耦合，ADOM-细菌耦合在地下流更强；ADOM网络以正向协同为主，DDOM网络正负平衡，地表流连通性更高，地下流模块化更强。

（4）忽视DDOM将导致对农田碳输出及其生态效应的不完整认知，将化学暗物质整合到碳循环框架中，有助于全面评估农业生态系统碳迁移转化过程及其对下游水体环境的影响。