李志教授團(tuán)隊(duì)在地表水-地下水相互作用對(duì)溶解性有機(jī)物動(dòng)態(tài)影響的研究中取得新進(jìn)展

01 研究意義

溶解性有機(jī)物（DOM）是淡水生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的核心組成部分，其組成與輸移不僅調(diào)控微生物代謝與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，還深刻影響污染物的遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程。河流-地下水相互作用（Surface water-Groundwater Interactions, SGI）作為控制水量與溶質(zhì)交換的重要途徑，對(duì)DOM的時(shí)空格局具有決定性作用。然而，已有研究集中于局地水文情境或短期監(jiān)測(cè)，往往忽視了干旱等極端事件與壩庫(kù)建設(shè)等工程性擾動(dòng)對(duì)SGI格局和DOM動(dòng)態(tài)的影響。此外，單一指標(biāo)難以全面刻畫(huà)DOM的多源性及其遷移通道，限制了對(duì)復(fù)雜河流–地下水耦合系統(tǒng)中碳循環(huán)過(guò)程的系統(tǒng)解析。

基于此，本研究在渭河流域構(gòu)建了三維熒光平行因子分析與水穩(wěn)定同位素耦合的示蹤框架，結(jié)合混合模型與結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)解析干旱與水庫(kù)調(diào)控條件下SGI對(duì)DOM組成與輸送的調(diào)控機(jī)制，旨在為流域尺度水質(zhì)保護(hù)與碳循環(huán)研究提供新的認(rèn)識(shí)與方法學(xué)支撐。

02 主要結(jié)果    

基于穩(wěn)定同位素量化不同水文情境下地表水–地下水交換的方向與貢獻(xiàn)率。整體上，高流量季節(jié)以地表水入滲補(bǔ)給地下水（SW→GW）為主導(dǎo)，平均貢獻(xiàn)約為46%；地下水排泄（GW→SW）保持在較低水平。低流量季節(jié)則表現(xiàn)出明顯轉(zhuǎn)變，地下水排泄對(duì)地表水及DOM的支撐作用顯著增強(qiáng)，貢獻(xiàn)最高可達(dá)73%，成為維持河流水質(zhì)與碳循環(huán)的重要通道（圖1c）。

圖1 渭河流域高水位期與低水位期地表水-地下水交換空間格局及補(bǔ)給來(lái)源貢獻(xiàn)分析。（a）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)交換方向與強(qiáng)度空間分布圖。（b）地下水補(bǔ)給與地表水入流來(lái)源分配圖。（c）子流域交換比平均值分布圖。

同位素—光學(xué)的聯(lián)合分析，進(jìn)一步明確了DOM對(duì)水文動(dòng)態(tài)的響應(yīng)過(guò)程。水同位素與DOC、FI、BIX顯著正相關(guān)，而與HIX和C2 (類(lèi)蛋白組分)呈負(fù)相關(guān)。在高流量季節(jié)，隨SW→GW入滲比例增加，BIX顯著下降而HIX升高，C1與C3(類(lèi)腐殖質(zhì)組分)占比上升，而C2占比下降。這清晰揭示了SGI通過(guò)改變補(bǔ)給方向與強(qiáng)度、進(jìn)而選擇性調(diào)控DOM來(lái)源與組分的機(jī)制。

圖2 熒光指數(shù)（a-c）及三種組分的熒光強(qiáng)度（d-f）與高流量季節(jié)補(bǔ)給比的關(guān)系。

壩庫(kù)明顯擾動(dòng)DOM結(jié)構(gòu)。受控支流在高流量季節(jié)C2占比顯著升高，這與庫(kù)區(qū)水體停留時(shí)間延長(zhǎng)、微生物作用增強(qiáng)以及光降解選擇性作用密切相關(guān)。

圖3 WRB流域PARAFAC成分(C1–C3)的時(shí)空分布模式。(a)高水位期(藍(lán)色)與低水位期(紅色)期間，I–III子流域地表水(SW)與地下水(GW)中C1–C3的熒光強(qiáng)度(Fmax，R.U.)及相對(duì)豐度(%)。(b)箱線圖展示SW與GW中C1–C3熒光強(qiáng)度及相對(duì)豐度的季節(jié)變化。(c)未受水庫(kù)調(diào)控的支流(UT)、受水庫(kù)調(diào)控的支流(RT)及干流(MS)各季節(jié)熒光強(qiáng)度對(duì)比。(d)小流域及支流類(lèi)型分布圖

本研究系統(tǒng)揭示了地表水–地下水相互作用在渭河流域DOM動(dòng)態(tài)中的關(guān)鍵作用。通過(guò)三維熒光-PARAFAC與水穩(wěn)定同位素的聯(lián)合示蹤，厘清了高、低流量季節(jié)下DOM的數(shù)量差異與組分變化，闡明了地下水排泄與地表水入滲在碳通量維持中的互補(bǔ)關(guān)系，識(shí)別了大壩運(yùn)行與干旱脅迫在不同情境下對(duì)DOM組成的非對(duì)稱(chēng)性調(diào)控。該工作不僅為理解氣候變化與工程措施雙重驅(qū)動(dòng)下河流–地下水耦合系統(tǒng)中的碳循環(huán)過(guò)程提供了新認(rèn)識(shí)，也為流域水質(zhì)安全保障與水文連通性管理提供了科學(xué)依據(jù)與方法學(xué)參考。

圖4 圖文摘要

03 論文信息

相關(guān)成果近期發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)Top期刊《Water Research》。博士生李書(shū)鑒為第一作者，李志教授和韓鳳朋研究員為共同通訊作者。研究獲得中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(42572332 和 42071043)的資助。

Shujian Li, Qifeng Xu, Jineng Sun, Fengpeng Han, Xuetao Guo, Zhi Li. Impacts of surface water-groundwater interactions on DOM dynamics revealed by fluorescence and isotopic tracing. Water Research, 2025, 288: 124576.

04 原文連接

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124576