洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征.pdf

洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征刘渝港，贺秋芳，沈立成，范佳鑫（西南大学地理科学学院,岩溶环境重庆市重点实验室,重庆400715）摘要：溶解有机质（DOM）是岩溶碳汇的关键部分和重要的碳源，但是对于 DOM 在岩溶含水层中的性质和代谢过程的研究仍然有限。本研究以重庆雪玉洞地下河为例，对洞穴有机碳的来源、组成以及微生物作用对季节补给源变化的响应进行探讨，为进一步了解微生物介导的有机碳转化过程提供研究基础。运用三维荧光 EEM 研究水体有色溶解有机质（CDOM）的性质和组分并反演地下河水中有机质的来源和组成，结合地下河水水化学特征和 16SrDNA 细菌群落及功能多样性的季节变化特征，以了解季节性补给源的变化对洞穴地下水 DOM 输入和性质的影响。结果发现，雪玉洞地下河水以微生物内源有机质为主（61%77%），降雨是引起岩溶给地下河水中 CDOM 光谱特征变化的最重要因素，雨季外源有机质输入增加，地下河水中外源有机碳组分含量和芳香性、腐殖酸类物质增加，细菌群落多样性和代谢功能基因随之变化，洞穴中向外输出的外源有机碳增加；旱季地下河水滞留时间和蒸发作用增强，因而微生物对有机质的代谢降解过程更加充分，向洞外输出的有机碳以内源为主。本研究有助于增加对岩溶洞穴地下水系统中微生物对有机碳转化过程的理解。关键词：有色溶解有机质；三维荧光光谱；微生物；岩溶洞穴；地下水中图分类号：X143；Q938.8文献标识码：A文章编号:10014810（2023）03045616开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言溶解有机质（DOM，Dissolvedorganicmatter）是水体中可溶解的有机物质，主要由腐殖质、蛋白质等物质组成具有化学结构复杂的有机物混合体1。DOM 是水环境中有机质的主要赋存形式，700109t碳的 DOM 储存于海洋中，陆地河流向海洋输送的DOM 为 0.2109t1。岩溶洞穴中，由于缺乏阳光和植物光合作用，有机碳来源少而且含量很低，随水流输入的 DOM 是维持洞穴生态系统稳定的重要碳源23。洞穴中异养微生物将水体中可降解可溶解有机质（BODC，Biodegradabledissolvedorganicmatter）消耗殆尽，引起有机质的降解重构和转化，向难降解和腐殖化方向转变4。因而，洞穴中微生物对有机质的重构作用是影响洞穴碳循环和惰性碳汇形成的关键因素。目前，对洞穴微生物的研究大部分集中于细菌、真菌的多样性构成和分布，以及微环境中微生物对环境因子的响应，对整个洞穴中有机碳循环过程以及微生物群落的响应研究尚少。但是，了解洞穴微生物群落和代谢对外源有机质的响应，以及有机质成分变化引起的碳汇过程和效应是了解碳酸盐岩洞穴生态系统和碳循环过程的重要前提。有 色 溶 解 有 机 质（CDOM，Colored dissolvedorganicmatter）是 DOM 中可以发色的有机质基团，基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0502306)；国家自然科学基金项目(41472321)第一作者简介：刘渝港（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为岩溶作用与碳循环。E-mail：。通信作者：贺秋芳（1983），女，高级实验师。E-mail：。收稿日期：20211211第42卷第3期中国岩溶Vol.42No.32023年6月CARSOLOGICASINICAJun.2023刘渝港，贺秋芳，沈立成，等.洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征J.中国岩溶，2023，42（3）：456-471.DOI：10.11932/karst2023y23大约占淡水水体 DOM 含量的 40%60%57。降雨事件对岩溶碳汇具有激发效应，是岩溶碳循环的重要影响因子1,813。CDOMEEM 光谱特征变化是表征水体 DOM 组分、来源以及运移特征的重要方法1315。目前对洞穴地下水的研究表明，地下水中 CDOM 以类色氨酸和类酪氨酸为主，其微生物源特征强烈1617；大部分的洞穴地下河系统都受到外源输入有机质的影响911,13,18。16SrDNA 高通量测序是目前常用的非培养性微生物检测方法，可以比较全面的分析环境样品中的细菌群落多样性。Thompson 等在阿巴拉契亚岩溶洞穴与 Zhu 等在中国西南岩溶洞穴的研究表明中空气、地下水样本与岩石、沉积物样本的细菌分布存在明显的差异，变形菌在地下水和空气样本中占主导地位，而放线菌在岩石和沉积物样本中占主导地位1920。细菌功能预测表明，洞穴中存在参与碳循环的各种酶，如核糖双磷酸羧化酶、4-羟基丁基辅酶A 脱水酶等2122。但是，外源有机质含量或成分变化引起的洞穴细菌多样性以及代谢过程变化尚未可知。雪玉洞位于重庆市丰都县龙江峡谷中。CDOM光谱特征反映出旱季雪玉洞中有机质组分主要为类蛋白质色氨酸和酪氨酸组分为主，且存在十分显著的微生物作用16。但是，雨季有机质输入和水岩气作用过程发生变化时，微生物活动和有机质循环如何响应还需要进一步研究。本研究按季度采集雪玉洞最深处和洞口处的水样，分析 CDOMEEM 光谱特征和有机质含量变化，了解外源有机质的输入变化；结合洞中 16SrDNA 高通量测序结果，研究细菌群落多样性变化和代谢功能对外源有机质输入变化的响应。本研究结果对了解岩溶洞穴中碳循环的代谢过程以及有机碳汇的形成机制具有重要意义。1材料和方法1.1研究点概况雪 玉 洞(2943 20-2947 00 N，10743 0-1074713E)位于重庆市丰都县龙河下游峡谷，全长 1643.97m，洞口海拔 233m，发育在川东平行岭谷方斗山背斜北西翼的下三叠系飞仙关组(T1f)薄至中厚层灰岩中，岩层产状为 31043。洞穴顶板岩层厚 150250m，上覆植被以常绿阔叶林和灌丛为主，土壤厚度 050cm23。采样点所处的雪玉洞地下河长 1294.05m，宽 36m。雪玉洞年均温 16.5，年均降水量 1072mm，为典型亚热带湿润季风气候16。大气降水为洞内地下河唯一补给源，受西南季风和东南季风的双重影响，降水主要集中在每年的 4-10 月，雪玉洞 4-9 月降雨量占全年的比例为 85%，旱季降雨较少16,23。1.2野外采样按照降水量划分旱雨季，每年的 10 月至次年 4月为雪玉洞地区的旱季，5 月至 9 月为雨季。于2018 全年每月采集雪玉洞地下河水样，从地下河最上游处至洞口水池分布有四个采样点，分别为 R1，以及 R2，R3 和 R4，采样点分布见图 1。用酸洗聚乙烯瓶采集水样各 100mL 用于测试阴、阳离子，其中阳离子样品采集后立即加入 1：1HNO3酸化以防止阳离子吸附。用密封塑料离心管采集水样 10mL 用于检测稳定同位素，采样中排除气泡。用在 300 灼烧 3h 的棕色玻璃瓶采集水样50mL 用于测试 TOC，另外采集使用 0.22m 醋酸纤维 膜 过 滤 过 的 水 样各 50mL 用 于 测 试 DOC 和CDOM 光谱特征。使用 0.45m 无菌滤膜过滤地下河水 2L，收集滤膜用于 16SrDNA 高通量测序。滤膜冷藏转移至-20 冰箱，并于一周内送样测序。1.3野外和实验室分析检测HCO3水体的pH、水温（T）、溶解氧（DO）、电导率（SPC）、溶解性固体总量（TDS）使用德国的多参数水质分析仪（WTW3430）现场测定，精度为0.01、0.01、0.01mgL1、0.1Scm1、0.1。和 Ca2+使用德国 Merck 公司试剂盒现场测定，精度 0.1mmolL1和 2mgL1，重复滴定 23 次，平均误差5%。NO3SO24Mg2+、Na2+、K+等阳离子使用 ICP-OES（Optima2100DV，Perkin-Elmer，美国）测定；、Cl等阴 离 子 使用 Aquion 离 子 色 谱 仪 测 定，精 度 为0.01mgL1，分析误差5%；总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)使用碳氮分析仪测定（MultiN/C3100，AnalytikJenaAG，德国，精度为0.001mgL1）。以上测试工作均在西南大学地球化学与同位素实验室完成。13CDIC送样至中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室使用元素分析仪结合同位素质谱仪（EAIRMS），气体用 GasBenchII 连接 DeltaVPlus 气体稳定同位素质谱仪（Gasbench-IRMS）测试第42卷第3期刘渝港等：洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征457（分析误差小于0.15）。2H 和 18O 送样至西南大学资源与环境学院国家紫色土肥力与肥料效益检测基地，采用液态水同位素分析仪（LWIA;GLA431-TLWIA(912-0052);LosGatosReseaech,USA）分析，（VSMOW，2H 和 18O 的精度分别为0.5和0.2）2426。紫外可见光吸收光谱使用紫外可见分光光度计（UV-2450，岛津，日本），200800nm 波长区间内扫描，扫描间隔 0.5nm。三维荧光光谱采用荧光分光光度计（RF-5301PC，岛津，日本），Mill-Q 超纯水为空白，室温下荧光扫描。扫描速度设置为 Fast，激发波长（Ex）范围 220500nm，间隔 5nm；发射波长（Em）220600nm，间隔 1nm，激发及发射波长的带宽为 5nm。以上测试分析工作均在西南大学岩溶环境重庆市重点实验室完成。1.4微生物16S rDNA 测序分析16SrDNA 测序送样至上海美吉生物医药科技有限公司使用 illuminaMiseq 平台完成，引物 338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3)和806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)测定 V3-V4 区域，测序数据分析使用美吉生信云完成。最终 12 个样品获得了 578784 条序列，最大序列数为 537，最小序列数为 241，平均序列数为 440。16SrDNA高通量测序数据在上海美吉公司美吉生信云平台完成（https:/）。使用 Pecrust2 预测 16SrDNA高通量测序数据显示的微生物功能基因分析。单因素方差分析用于对比存在显著差异的 KEGG 功能丰度通路（P0.05，Turkeyb）。1.5统计分析方法水化学和光谱数据分析使用MatlabDOMFluor工具栏、SPSS22 和 Origin2018完成分析和绘图。紫外可见吸收光谱数据的计算和矫正参照 Bricaud等的研究进行27。三维荧光光谱数据运用 MATLAB软件进行平行因子分析，把测得的荧光矩阵组合导入 MATLAB 软件中，参考Stedmon等教程，运用DOMFluor工具箱对矩阵组进行平行因子分析并结合折半分析来保证分析结果的可信度3,28。紫外和荧光光谱的特征参数即含义见表 1。2结果分析2.1雪玉洞岩溶地下河氢氧稳定同位素和水化学变化特征氢氧稳定同位素检测结果表明，旱季地下河18O 加权平均值为5.93；雨季地下河18O 加权平重庆市丰都区丰都城区龙河龙河雪玉洞入口(Alt.233 m)龙河R4R3R2R1洞穴河流区域边界雪玉洞长江5 kmN10600108001100010600320032003000280028001080011000abc雪玉洞地下河图例采样点洞层流向河流地下河双开门藻类0100200 m0 150 300 m海拔高度 Alt400 m320 43T1jT1j350 m300 m250 m200 mAlt.180 m图1雪玉洞剖面和区位图及采样点分布图Fig.1ProfileandlocationofXueyuCaveandthedistributionofsamplingsites458中国岩溶2023年均值为7.45。旱季地下河D加权平均值为39.98；雨季地下河D 加权平均值为49.10。图2中全部地下河 18O、D值所形成的线性方程(SS)，均沿大气降水线分布，表明地下河水来源于大气降水补给。HCO3雪玉洞地下河水化学类型为典型的 HCO3-Ca 型，具有高 pH、高 DIC、高 Ca 的特征。实验结果表明，雪玉洞岩溶水的 pH 值平均值为 7.87，占溶解无机碳（DIC）质量浓度的 90%以上，阳离子中 Ca2+含量最高。HCO3对每个月 4 个采样点的水化学数据取均值以探究季节变化特征，如图 3 所示，降雨量的季节变化控制水岩过程，进而引起地下河水水化学特征变化。pH、13CDIC值雨季低旱季高，SPC、（DIC）、Ca2+也都呈现出雨季升高、旱季降低，主要体现岩溶动力系统中水气岩土生耦合作用的碳酸盐岩风化过程37。但是，雪玉洞水体中有机碳的含量雨季和旱季各有一个峰值，与水化学的单峰动态不同。雪玉洞地下河 TOC 质量浓度介于 1.503.67mgL1之间，DOC 质量浓度介于 1.413.46mgL1之间，DOC 质量浓度占到 TOC 质量浓度的约 89%。其中旱季DOC 浓度为1.413.46mgL1均值为2.23mgL1，雨季浓度 1.422.90mgL1均值为 2.37mgL1。2.2雪玉洞地下河水CDOM 光谱指数特征本研究采用 355nm 处的吸收系数（a(355)）来表示 CDOM 的浓度，a(355)与 DOC 含量存在显著正相关关系（图 4）（R2=0.29，P0.01），说明可以利用CDOM 对 DOC 来源和分子组成特征进行反演。吸光参数与荧光参数都表明雪玉洞地下河水中DOM 存在内源新生有机质和外源陆生有机质混合的特征，总体以小分子内源有机质为主；雨季时陆源大分子腐殖酸类物质特征增加，CDOM 芳香性和疏水 基 团 特 征 更 明 显（图 5）。S250290常 用 于 表 征CDOM 的腐殖化特征，数值与腐殖化特征呈反相关。雪玉洞地下河水中，S250290均值为旱季 0.036、雨季0.016，可见雨季地下河水腐殖化程度较高39。M 值常用于表征 CDOM 分子量，数值越小分子量相对越大33。雪玉洞地下河水M 值均值为雨季 2.35、旱季2.85，雨季 CDOM 分子量大于旱季。E253/E203值常用于指示 CDOM 含有较多的苯环上脂肪族等非极性官能团，数值越大，疏水性越弱31。雨季雪玉洞地下河水 E253/E203均值为 0.032，明显高于旱季 0.020，可见雨季水体 DOM 苯环结构取代基上羧基、羰基、氨基等极性官能团的含量增高，雨季水体有机质的疏水性有所减弱。SUVA254值常用于指示 CDOM 的芳香性，数值越大芳香性越强39。雨季 SUVA254值2.24 明显高于旱季 1.56，表明雨季水体 DOM 的芳香性上升。雪玉洞荧光参数特征也表现出相同的时间变化特征。FI 为荧光参数，主要表征水体CDOM 的来源34。雪玉洞地下河的 FI 值介于 1.581.95 之间，均值为1.73，受陆源和内源共同影响。雨季的 FI 值均值为1.66 略低于而旱季均值 1.80，说明旱季内源 CDOM成分增多。HIX 为腐殖化参数，表征水体 CDOM 的腐殖化程度35。雪玉洞地下河 HIX 值介于 1.792.37 之间，均值为 2.00，处于弱腐殖化程度区间，具有明显的近期内源有机质的特征。而雨季 HIX 值均值为 2.10 略 高 于 旱 季 均 值 1.89，说 明 雨 季 水 体DOM 的腐殖化程度增强，陆源物质输入增多。BIX表 1紫外-可见光吸收谱和三维荧光光谱参数的指示含义Table1Indicatorscalculatedfromultraviolet-visibleabsorptionspectrumand3DfluorescenceEEMsofDOM指标描述意义a355355nm处的吸光值CDOM的浓度29S250290250nm和290nm之间的吸光度斜率表征CDOM的分子量和光化学反应能力30E253/E203253nm和203nm处吸光值的比值表征DOM苯环结构上官能团的构成特征31M250nm和265nm处吸光值的比值32DOM的分子量33FI激发波长为370nm时，发射波长为470nm和520nm荧光强度的比值表征类腐殖酸物质和微生物对DOM的降解程度34HIX激发波长为254nm时，发射波长为534480nm和300346nm荧光强度的比值表征腐殖化程度35BIX激发波长为310nm时，发射波长为380nm和430nm荧光强度的比值表征内源DOM的贡献36第42卷第3期刘渝港等：洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征459值为自生源参数，反映水体 CDOM 中的自生源贡献比例36。雪玉洞地下河水 BIX 值介于 0.780.99 之间，均值为 0.84,大多分布在大于 0.8 的范围内，说明地下河 CDOM 新生内源较高。而雨季的 BIX 均值为 0.81 略低于旱季均值 0.88，说明雨季自生源特征减弱。2.3雪玉洞地下河CDOM 组分特征变化通过 PARAFAC 平 行 因 子 分 析 发 现，三 个CDOM 组分能代表 99.8%以上的 EEM 光谱数据变化（图 6，表 2），分别对应 C1（250,300/360nm）、C2（280/446nm）、C3（250/450nm）。根据文献报道，C1 组分代表来自于微生物成因的内源类色氨酸物质4043；C2 组分代表来存在微生物降解过程的类腐殖酸组分或者小分子量的富里酸物质43；C3 组分代1501530D(,V-SMOW)18O(,V-SMOW)4560759630重庆:D=8.7318O+15.73LMWI:D=8.2618O+12.05GMWI:D=818O+10GMWI:D=818O+10r=0.96,n=12,P0.01全国:D=7.918O+8.21501530D(,V-SMOW)18O(,V-SMOW)4560759630重庆:D=8.7318O+15.73LMWI:D=8.2618O+12.05r=0.96,n=12,P0.01全国:D=7.918O+8.23528214249D(,V-SMOW)18O(,V-SMOW)566370987106543SS:D=8.1018O+11.30SS:D=7.3318O+3.51LMWI:D=8.2618O+12.05旱季湿季d=20%d=10%d=0%图2丰都县当地大气降水线（LMWL）与雪玉洞干湿季地下河水 18O/D 的相关性37-38Fig.2LocalMeteoricWaterLevel(LMWL)ofFengducountyand18O/DcorrelationoftheXueyuCaveundergroundriverinthedryandwetseasons37-3801.53.08.445040035030011109906030157.730020040020002018.02 2018.04 2018.06 2018.08 2018.10 2018.121015TOCDOCCONC/mgL1DIC/mgL1DO/mgL1Ca2+/mgL1T/SPC/scm113CDIC/Rainfall/mmpH图3雪玉洞岩溶水水化学指标的变化Fig.3TemporalvariationofhydrochemicalparametersinthekarstwaterofXueyuCave54321.01.52.02.53.03.54.0DOC/mgL1a355/m1y=0.578x+1.688R2=0.29,n=60,P0.01图4DOC 与 a(355)相关性分析Fig.4CorrelationanalysisbetweenDOCanda(355)460中国岩溶2023年表来自陆源输入的类腐殖酸组分14,4344。三个组分总荧光强度为 12.42-38.81QSU，雨季高于旱季，但是 C3 组分的荧光强度随降雨变化更为显著（图 7a）。而三个组分的相对贡献在不同的时间也呈现出与荧光强度完全不同的模式（图 7b）。C1旱季的相对贡献明显高于雨季（P0.01），C3 与其相反，雨季的相对贡献高于旱季(P0.01)，C2 的相对贡献没有明显的旱雨区别。2.4微生物群落结构特征8 个雪玉洞地下河水样品中，8 个主要细菌门的丰度占 DNA 序列的 71%84%。对丰度含量前 50的细菌属聚类分析发现，旱季样品和雨季样品细菌群落结构具有较大的差别。如图 8 所示，R1 和 R2处采集样品中相同月份的样本微生物群落结构相似度最高（R1 处 12 月样本中例外）；旱季即 3 月和 12月两个采样点的微生物群落结构相似性较高。雨季样品中属于变形菌门(Proteobacteria)的 unclassified_f_Comamonadaceae Hydrogenophaga、Acidovorax、Cavicella、Pelomonas、Duganella、Malikia、Polaro-monas、Brevundimonas、Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium、Delftia、TM7a、unclassi-fied_o_Saccharimonadales、norank_f_LWQ8、norank_f_norank_o_0319-6G20、Comamonas、Sphingom-onas、norank_f_norank_o_Saccharimonadale，属于佩 斯 菌门(Pacebacteria)的 norank_f_norank_o_Candidatus_Kaiserbacteria、norank_f_norank_o_norank_c_Parcubacteria，拟 杆 菌 门(Bacteriodetes)的 norank_f_NS11-12_marine_group，纤 细 菌 门(Gracilibacteria)的 norank_f_norank_o_Candidatus_Peribacteria 属等细菌属相对丰度较高。使用 Pecrust2对洞穴细菌群落 DNA 功能进行预测（图 9），发现 365 条 KEGG 通路，69 条与碳代谢相关通路含量高于 0.01%，其中 20 条碳相关代谢通路的丰度存在显著的季节差异。雨季样品中，与碳水化合物代谢、磷脂酸代谢和外源毒性物质代谢的KEGG 通路丰度显著高于旱季样品；氯环己烷和氯苯、萘、甲苯、阿特拉津、硝基甲苯等芳香类物质的降解代谢通路在雨季样品中的丰度升高了 30%57%。3讨论3.1雪玉洞地下河水的来源季节变化及其水化学响应雨季SS线性方程（D=8.1018O+11.30）的斜率和截距与重庆大气降水 LMWL 方程（图 2），可知雨季雪玉洞地下河水直接接受降水的快速补给4950，未发生明显的蒸发或蒸发作用强度较低51。旱季SS线性方程（D=7.3318O+3.51）的斜率和截距同LMWL方程的截距和斜率存在差异（图 2），可知旱季雪玉洞地下河水存在一定的蒸发滞留作用，地下河水在岩溶含水层中的运动相对较慢，因而回归方程斜率和截距偏离大气降水的初始值。PCA 分析表明（图 10），雪玉洞地下河水中 pH、电导率、溶解氧、Ca2+和 DIC 浓度以及降雨量在PC1 上具有较高载荷；TOC 和 DOC 浓度在 PC2 上具有较高载荷。PC1 指示降雨量引起的水岩过程变化，是控制地下河水中 Ca2+和 DIC 浓度、电导率变化的主要原因；PC2 指示有机质来源变化，这种变化并不完全受降雨量变化控制52。雨季外源水快速大量补502.42.22.01.8403020100.8 1.2 1.6 2.0 2.42.02.42.83.2旱季雨季SUVA254/L(mgm)1S275-295/103 nm1芳香化程度升高分子量变小分子量变小,芳香化程度变小1.61.71.8FIMHIXBix1.92.0 0.800.901.00外源特征明显腐殖化程度弱,新生自生源特征强旱季雨季图5雪玉洞吸光参数与荧光参数的旱雨季变化特征Fig.5VariationcharacteristicsoflightabsorptionparametersandfluorescenceparametersofXueyuCaveinthedryandrainyseasons第42卷第3期刘渝港等：洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征461给地下河水的过程中，大量外源有机碳随之输入，引起了地下河水中 DOC 和 TOC 浓度的快速升高5355。旱季地下河中 DOC 和 TOC 也有升高（图 3），此时DIC、Ca2+和 DIC 浓度等没有响应的变化，可见旱季地下河水中 DOC 和 TOC 浓度的升高可能受其他因素控制。3.2雪玉洞地下河水溶解有机质来源和性质的季节变化雪玉洞地下河水的荧光参数分布与先前报道的岩溶洞穴水体56相似，地下水有机质为内源和外源混合输入，以内源性小分子物质为主，其腐殖化程度较低（HIX2.9）（图 5），内源性和新生程度较高(1.2FI2.0，0.7BIX1.0)5763。吸光度指标表明雪玉洞地下河水中 DOM 主要以芳香化程度较低，分子量较小(2.0M3.2，0.9SUVA2542.5，0.011E253/2030.045)6164。三个荧光组分中有，两个内源有机质组分 C1 和 C2 的占总荧光强度的比例为 61%71%，而外源组分 C3 占总荧光强度的比例为 29%39%。600a.550500500C1450Em./nm4504004003503503003002500.5d.0.40.3600500550C10.2Loading4500.10400350300250600b.550500500C2450Em./nm450400400350350300300250600c.550500500C3450Em./nmEx./nm450400400350350300300250ExEm0.5e.0.40.3600500550C20.2Loading4500.104003503002500.70.60.5f.0.40.3600500550C30.2Loading4500.10400Wavelength/nm350300250图6雪玉洞地下河水 CDOM 荧光组分三维荧光图及折半检验Fig.6CDOMfluorescencecomponentsandsplit-halftestintheXueyuCaveundergroundriver462中国岩溶2023年从季节变化来看，雨季地下河水中外源有机碳组分含量(34%43%)高于旱季(23%39%)，FI、BIX 等荧光指标也表明地下河水中内源程度和新生有机质含量比旱季低，芳香化程度和分子量（SUVA254、M）也高于旱季，腐殖化程度（HIX）较高（图 5，图 7）。而且，雨季期间地下河水中 C3 组分（即类腐殖酸和类富里酸等大分子有机物质），总荧光强度远高于旱季（图 7）。雨季雪玉洞地下河水有机碳的组分和性质证明，降雨带来的有机质输入以外源大分子的类腐殖质物质为主，导致地下河水中腐殖化程度的增加。与之相对的，旱季降雨量减少至雨季的十分之一，地下河水紊流较少，地表水土流失量减少，外源有机质的直接快速输入减少，因而外源组分 C3 的荧光强度明显降低（图 7）。同时，地下河水滞留时间和蒸发作用增加，增加了洞穴地下河水中微生物与有机质的接触和表 2PARAFAC 归纳的三个荧光组分特征aTable2CharacteristicsofthreefluorescentcomponentssummarizedbyPARAFAC组分Exmax/Emmaxb峰值备注C1250,300/360PeakT:275/34082C1:240(300)/33883C4:230(280)/34084类蛋白类色氨酸组分，内源45C2280/446PeakM:290310/37042082peak3:310-330/420-45585C1:230（305）/40086C1:250(310)/42287微生物源或海洋中的腐殖酸类组分46C3250/450PeakA:230260/38046082C1:250/45288C1:250/44881C1:250(345)/46089普遍存在的腐殖酸/富里酸类组分47-48注：a括号里为第二峰值的最大强度位置;bExmax/Emmax表示最大发射波长(nm)/最大激发波长(nm)。Note:(a)numericvalueinbracketsindicatesthemaximumintensitypositionofthesecondpeak;(b)Exmax/Emmaxindicatesmaximumemissionwavelength(nm)/maximumexcitationwavelength(nm).50aC1C2C3a-14030荧光强度/QSU荧光强度/QSU20201510501002 月4 月4 月6 月8 月8 月10 月12 月12 月a-2201510b-1504030102004 月 8 月12 月b-2504030102004 月 8 月12 月b-3504030102004 月 8 月12 月504 月 8 月12 月a-3201510504 月 8 月12 月100b8060贡献百分比/%贡献百分比/%402042%29%27%39%41%41%43%36%37%34%31%28%23%29%33%15%14%21%26%29%30%28%25%31%34%40%46%36%38%33%33%43%43%41%35%45%02 月4 月6 月8 月10 月12 月图7雪玉洞地下河水 CDOM 荧光组分的荧光强度的季节变化Fig.7SeasonalvariationoffluorescenceintensityofCDOMcomponentintheXueyuCaveundergroundriver第42卷第3期刘渝港等：洞穴溶解有机质组分和循环过程的季节变化特征463降解过程，微生物对有机质的改造和重构引起微生物源组分 C1 和 C2 含量占比增加，地下河有机质的内源性指标和新生程度增加。另外，蒸发作用的增强和地下河水水量降低也可能导致有机质发生浓缩，DOC 浓度升高。综上所述，雪玉洞地下河水有机质雨季受降水带来的大量外源有机质输入控制，旱季受微生物作用构控制呈现较高的内源特征。如图 10所示，PC1 解释 61.9%的有机质性质变化，是影响雪玉洞地下河水有机质性质的主要因素。除 C1、C2 荧光强度和 DOC、TOC 浓度外，其他有机质指标与 PC1 均有显著的相关关系，在 PC1 方向上旱季和雨季样品基本上完全分开。由此推测，PC1主要体现旱/雨季降雨量变化带来的有机质输入差异。PC2 的贡献率为 23.5%，DOC 和 TOC 浓度与 PC2 具有较强的正相关关系，指示了地下河水总有机质含量的变化。C1 和 C2 组分的变化在 PC1 和 PC2 上的载荷都不高，说明微生物源有机质产物受降雨的影响不大，其含量变化不是总有机碳变化的控制因素。由此可见，雪玉洞地下河中有机质的主要控制因素为降雨带来的外源有机质输入，但是微生物源有机质的变化不受降雨控制。3.3雪玉洞地下河水溶解有机质的影响因素和循环特征雪玉洞地下河水中的细菌以变形菌门（Prote-obacteria）和拟杆菌门（Bacteroides）等异养微生物为主，占洞穴细菌总量的 71%84%以上，自养微生物含量较少。由此可见，雪玉洞地下河受雨水补给，微生物对外源有机质降解和同化是洞内有机碳循环的主要过程。地下河水中，雨季相对丰度较高的细菌属与组分 C2、C3 的荧光强度以及 DIC 的浓度呈显DryWetPerlucidibacanorank_f_Deinococcaceaeunclassified_f_ComamonadaceaeHydrogenophagaAcidovoraxCavicellaPelamonasDuganellaMalikiaPolaromonasBrevundimonasAllorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobiumnorank_f_NS11-12_marine_groupDelftiaTM7aunclassified_o_Saccharimonadalesnorank_f_LWQ8norank_f_norank_o_Candidatus_Peribacterianorank_f_norank_o_0319-6G20ComamonasSphingomonasnorank_f_norank_o_Candidatus_Kaiserbacterianorank_f_norank_o_norank_c_Parcubacterianorank_f_norank_o_SaccharimonadalesBoseaMycobacteriumnorank_f_AKYH767Terrimonasnorank_f_BlastocatellacceaeThermomonasArenimonasAlkanindigesSphingorhabdusnorank_f_VicinamibacteraceaeNovasphingobiumUndibacteriumNitrospiranorank_f_norank_o_RokubacterialesAeromonasnorank_f_env.OPS_17RalstoniaMassiliaStreptococcusAquabacteriumCaulobacterAcinetobacterPseudomonasThermusFlavobacteriumParacoccuslf12 lf06lf09lf03mz06mz09mz12mz03GammaproteobacteriaDeinococciAlphaproteobacteriaBacteroidiaSaccharimonadiaGracilibacteriaOligoflexiaParcubacteriaActinobacteriaBlastocatelliaVicinamibacteriaNitrospiriaMethylomirabiliaBacilli6e+37e+28e+18e+09e11e1图8雪玉洞地下河水中属水平的细菌群落的 heatmap 图Fig.8BacteriaabundanceheatmapongenuslevelintheXueyuCaveundergroundriver464中国岩溶2023年著正相关关系（P0.05）（图 11）。雨季外源组分 C3（类腐殖酸等）含量增加，引起可降解这类物质的细菌数量增加，细菌对 C3 组分的降解同化引起 C2 组分（类腐殖酸、类富里酸）的增加，雨季合成碳水化合物和脂肪酸等的代谢途径丰度也有所增加。雨季地下河有机质芳香性增加也引起了细菌功能基因改变，降解苯、萘等芳香性物质的功能基因显著增加了30%56%。旱季，地下河中外源有机质输入减少后，微生物源有机质组分的含量和占比有所增加，C1 和C2 组分的荧光强度与旱季样品呈弱正相关关系（图 10），但微生物源小分子组分 C1 与所有高丰度细菌属都没有显著相关性。据此推测，微生物源小分子物质的生成是所有微生物碳同化的产物，没有特定的主要贡献物种。但是，旱季地下河中微生物外源有机碳源减少，可能引起洞穴环境出现碳源缺乏胁迫，可能促进了自源微生物的碳同化代谢，旱季C1 组分含量增加。综上所述，雪玉洞地下河中微生物对有机质的降解和同化作用十分显著，岩溶地下河水系统各主要向外输出内源有机碳。但是，雨季时以微生物对外源有机质的降解为主，洞穴地下河水向外输出的芳香性类腐殖质的外源有机碳占比较高；旱季时以微生物自源碳同化为主，洞穴地下河水6.0KEGG 代谢途径/lg5.55.04.54.0KEGG 代谢途径增量/%6040200旱季 雨季 旱季 雨季 旱季 雨季 ko00630ko00620ko00650ko00640ko00660ko00053ko00