《Water Research》：Molecular-weight-dependent mixing behavior of organic phosphorus and carbon in a subtropic river-estuary-bay continuum
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研究量化了欽江河口有機磷（OP）和有機碳（OC）在不同相態中的分布，發現DOP以膠體為主（>63%），而DOC以溶解為主（<10 kDa占優）。DOP因高生物可利用性被快速去除，OC因河流輸入和難降解成分保守。OP顆粒相比例從河流到河口減少（69%→14%），低分子量DOP增加（9%→64%），可能源于灣內生物活動。C/P比值顯示膠體有機物（COM）中P/C比更高，暗示來源自P限制的陸地系統或高度降解的陸地COM。生物選擇性去除小尺寸膠體OP進一步提高了C/P比。研究結果揭示了OP和OC在河流-河口-海灣系統中的動態轉化機制，為理解人為影響下的富營養化提供了新證據。
徐成|黃穎|楊斌|賈仁明|寧志明|楊波|謝雷|楊林|盧東亮|康振軍|郭老東
自然資源部沿海鹽沼生態系統與資源重點實驗室/江蘇海洋大學海洋生物技術重點實驗室，中國連云港222005
摘要
有機磷（OP）和有機碳（OC）是潛在生物可利用有機物質庫的重要組成部分，也是水生環境中富營養化的關鍵驅動因素。然而，它們在河流-河口連續體中的化學形態、轉化過程及其耦合機制仍不甚明了。為填補這一知識空白，我們于2023年7月量化了北部北灣秦江河口中的溶解態、膠態和顆粒態OP和OC。溶解態OP（DOP）和溶解態OC（DOC）通過配備不同分子量截留值（10 kDa、30 kDa和50 kDa）的超濾裝置進一步分成了不同的大小組分。大于10 kDa的膠態OP（COP）占DOP總量的63 ± 17%，表明大部分DOP以膠態存在；而膠態OC占DOC總量的44 ± 14%，說明DOC主要存在于<10 kDa的溶解相中。此外，DOP和DOC在河口區域的混合行為也存在差異：DOP由于具有較高的顆粒反應性和生物吸收能力而迅速被去除，而DOC則因持續的河流輸入及DOC池中難降解成分的存在而表現出相對保守的混合特性。顆粒態OP在總OP中的比例從河流水中的69%顯著下降到河口區域的14%，而<10 kDa的低分子量DOP（LMW-DOP）的比例則從9%增加到64%，這反映了從顆粒相向溶解相的動態轉移，可能與海灣中生物活動產生的生物可利用LMW-DOP有關。河流中的膠態有機物質（COM）主要由中大分子量組分構成，其C/P比值較高，表明其來源可能是磷限制的陸地/河流系統或高度降解的陸地COM。相比之下，河流來源的小分子量COM具有較低的C/P比值和更高的生物可利用性。生物對可利用的小分子量COP（10–30 kDa）的優先去除進一步增加了河口和開闊海域水中C/P比值。這些發現突顯了OP和OC以及不同膠態大小組分在調節河流-河口-海灣連續體中溶解有機物質和養分生物地球化學循環中的獨特作用。
引言
磷（P）和碳（C）是重要的生物源元素，在海洋環境的生態系統功能和生物地球化學過程中起著基礎性作用（Sardans等人，2012；Tanioka等人，2022；Liu等人，2025）。磷是海洋生態系統中初級生產力的潛在限制因素（Reinhard等人，2017；Duhamel，2025），其生物地球化學循環顯著影響養分和能量的傳輸，進而影響碳循環和氣候變化（Feng等人，2023；Xu等人，2025）。浮游植物通過光合作用將二氧化碳固定為有機物質（OM），而磷則驅動初級生產和更廣泛的生物循環（Hu等人，2022）。在河流、河口和沿海水域等水生系統中，有機磷（OP）和有機碳（OC）分別占總磷和碳庫的重要部分，為生物活動和生態系統功能提供關鍵養分（Canuel等人，2012；L?nborg等人，2024）。在某些情況下，溶解態OP（DOP）占總磷庫的相當大比例，沿海水域中約占50%，而在寡營養環流區的表層水中可高達75%–80%（Bj?rkman和Karl，2003；Sebastián等人，2004；Casey等人，2009）。同樣，OP通常是沿海濕地中的主要磷形式（例如佛羅里達沿海地區，Boyer等人，1997；Chen和Jaffé，2014），并可能支持顯著的初級生產力（Wang等人，2011）。
多項研究表明，在磷限制條件下，OP可以通過再礦化和酶促（堿性磷酸酶）水解過程成為海洋生物的重要磷來源，從而減輕營養壓力和磷缺乏（Kolowith等人，2001；Bj?rkman和Karl，2003；Lomas等人，2010；Liang等人，2022a）。然而，僅憑總OC和OP的濃度不足以評估它們的化學活性、轉化過程及在水生環境中的潛在生物可利用性（Dan等人，2020；Xu等人，2021；Huang等人，2025）。例如，海洋環境中溶解有機物質（DOM）的生物可利用性不僅取決于其濃度，還與其大小組分和相關化學組成有關（Benner和Amon，2015；Xu和Guo，2017）。此外，DOM的生物可利用性還受到陽光、溶解氧（DO）和養分水平等多種外部因素的影響（Chen等人，2023）。在天然水中，主要的總OP組分包括DOP、膠態OP（COP）和顆粒態OP（POP），這些組分根據大小或膜截留標準進行操作定義（Lin和Guo，2016；Yang等人，2021）。同樣，總OC也可以分為溶解態OC（DOC）、膠態OC（COC）和顆粒態OC（POC）（Wu等人，2007；Cai和Guo，2009）。此外，COP和COC在總DOP和DOC庫中占較大比例，并具有顯著的生物地球化學活性（Yan等人，2018）。例如，Lee等人（2017）報告稱，在亞熱帶西太平洋的寡營養表層海水中，膠態或高分子量DOP（HMW-DOP）占總DOP的約74%。海洋系統中的元素化學計量數據（C/P比值）表明，在膠態有機物質（COM）庫中磷的再礦化優先于碳，這意味著COP可能比其他磷組分更容易被生物吸收（Sannigrahi等人，2006）。
目前，除了研究總體膠態物質外，越來越多的研究開始基于大小或分子量區分DOM組分，并將其納入水生系統的生物地球化學研究中，以探索其生物地球化學行為背后的機制（Xu等人，2018a；Yang等人，2021）。操作上，總體DOM被定義為通過孔徑在0.2 μm至1 μm之間的過濾器過濾后的物質�？傮wDOM包含大量膠態物質，這些膠態物質具有高度異質性，其生物地球化學活性取決于分子大小和化學組成等因素（Guo和Santschi，2007；Stolpe等人，2010）。因此，進一步研究不同分子大小的COM和低分子量DOM（LMW-DOM）組分對于更好地理解DOM在水生環境中的行為和生態意義至關重要。例如，在Fox River-Green Bay系統中，高度降解的COP（1–10 kDa）在河流水中占主導地位，而在河口和開闊海域中則以10 kDa–0.7 μm的COP為主，反映了陸地來源的DOP向本地COP的轉化（Yang等人，2021）。然而，很少有研究同時考察了OP和OC在溶解態、膠態和顆粒態相中的耦合來源和轉化過程，特別是關于COP和COC在河流-河口連續體中的豐度和分子量分布及其對海洋碳和磷循環的影響。
河口界面是一個高度動態的區域，淡水和海水的混合導致有機物質（OM）的豐度和形態發生顯著變化（Ye等人，2018）。秦江作為新建設的平盧運河的重要組成部分，是中國首個大規模的海河運河項目，它在連接西江系統和北灣方面發揮著關鍵作用，促進航運和水文交換。茂威海是一個半封閉的淺海灣，位于欽州灣的陸側區域，受到秦江排放水和北灣潮汐流入的影響，形成了獨特的河口生態系統（Yang等人，2019a；Xie等人，2024a）。我們之前的工作量化了茂威海中不同磷形態的豐度，發現DOP比溶解無機磷（DIP）更豐富，占總溶解磷（TDP）的58%（Xu等人，2021）。流域內的人為輸入增加了DOP水平，可能加劇了富營養化（Xu等人，2021）。然而，直接證明水柱中DOP動態與富營養化之間關系的證據仍然缺乏。此外，關于OP和OC的生物地球化學循環的詳細信息，特別是總體DOM來源如何影響QRE沿河流-河口的尺寸分布、生物可利用性和轉化過程，仍十分匱乏。
在本研究中，我們在秦江河口（QRE）-北部北灣連續體的鹽度梯度上采集了表層水樣。我們的目標是：（1）量化OP和OC在溶解態、膠態和顆粒態相中的豐度、變化及其分配；（2）研究河口混合過程中不同OP和OC物種的地球化學行為；（3）通過分析不同分子量組分中COM的元素化學計量（C/P摩爾比）來闡明COM的潛在來源和分子大小轉化過程。這項研究的新結果為理解人為影響下的富營養化河口和沿海生態系統中OP和OC的動態循環途徑和機制提供了更好的理解。
研究區域
秦江流入茂威海，全長179公里，流域面積達1.8×10^6平方公里（Zhang等人，2020）。年均徑流量和懸浮沉積物負荷分別為1.16×10^9立方米和2.69×10^5噸（Yi等人，2024）。茂威海是一個典型的亞熱帶海灣（欽州灣的內灣），連接著南海的北灣（Xu等人，2020；Xie等人，2024b）（圖1）。它是一個半封閉的淺海灣，面積為135平方公里。
環境和生物地球化學參數特征
表層水的鹽度范圍從0.02到19.34（5.25 ± 5.73），從下游秦江到開闊海域逐漸增加（圖2a）。鹽度的單調增加反映了河流水和茂威海海水之間的典型河口混合現象。表層水溫度在31.1°C到32.9°C之間，平均值為32.0 ± 0.69°C（圖2b）。表層水中的溶解氧（DO）濃度在5.71到8.88 mg/L之間（6.94 ± 0.91 mg/L），最高值為
影響有機磷和碳動態的因素
QRE中的DOP和POP濃度處于全球其他河口系統的范圍內（圖8a）。與原始河流、河口和沿海地區相比，幾個富營養化河口的DOP濃度顯著更高（ANOVA，p<0.05，圖8b）。與其他富營養化系統一致，本研究區域也觀察到了較高的DOP水平，這主要歸因于人為輸入（圖8b，Lin等人，2013；Fang和Wang，2020）。結論
了解OP和OC在溶解態、膠態和顆粒態相中的來源、分配和轉化過程對于解讀河流-河口-海灣連續體中的生物源元素循環和生態功能至關重要。本研究全面評估了QRE-北部北灣系統中OP和OC物種及其動態，特別首次報告了其豐度、分子量分布和循環行為
未引用的參考文獻
Benner等人，1992；Lee和Wen，2022；Benner等人，1992；Ogawa和Ogura，1992
CRediT作者貢獻聲明
徐成：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，項目管理，方法學。黃穎：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，正式分析。楊斌：撰寫 – 審稿與編輯，監督，項目管理，方法學。賈仁明：調查，正式分析。寧志明：撰寫 – 審稿與編輯。楊波：撰寫 – 審稿與編輯。謝雷：撰寫 – 審稿與編輯。楊林：撰寫 – 審稿與編輯。盧東亮：調查。利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
我們衷心感謝北部灣大學海洋生物地球化學實驗室的同事們在野外采樣和數據收集方面的協助，以及兩位匿名審稿人的建設性意見。本研究得到了中國自然科學基金（項目編號42166002）、廣西自然科學基金（項目編號2025GXNSFAA069339）、江蘇省自然科學基金（項目編號BK20241962）等項目的支持。
