李志教授团队在地表水-地下水相互作用对溶解性有机物动态影响的研究中取得新进展

　　 　　

01 研究意义

溶解性有机物（DOM）是淡水生态系统碳循环中的核心组成部分，其组成与输移不仅调控微生物代谢与营养物质循环，还深刻影响污染物的迁移与转化过程。河流-地下水相互作用（Surface water-Groundwater Interactions, SGI）作为控制水量与溶质交换的重要途径，对DOM的时空格局具有决定性作用。然而，已有研究集中于局地水文情境或短期监测，往往忽视了干旱等极端事件与坝库建设等工程性扰动对SGI格局和DOM动态的影响。此外，单一指标难以全面刻画DOM的多源性及其迁移通道，限制了对复杂河流–地下水耦合系统中碳循环过程的系统解析。

基于此，本研究在渭河流域构建了三维荧光平行因子分析与水稳定同位素耦合的示踪框架，结合混合模型与结构方程模型，系统解析干旱与水库调控条件下SGI对DOM组成与输送的调控机制，旨在为流域尺度水质保护与碳循环研究提供新的认识与方法学支撑。

02 主要结果    

基于稳定同位素量化不同水文情境下地表水–地下水交换的方向与贡献率。整体上，高流量季节以地表水入渗补给地下水（SW→GW）为主导，平均贡献约为46%；地下水排泄（GW→SW）保持在较低水平。低流量季节则表现出明显转变，地下水排泄对地表水及DOM的支撑作用显著增强，贡献最高可达73%，成为维持河流水质与碳循环的重要通道（图1c）。

图1 渭河流域高水位期与低水位期地表水-地下水交换空间格局及补给来源贡献分析。（a）各监测点交换方向与强度空间分布图。（b）地下水补给与地表水入流来源分配图。（c）子流域交换比平均值分布图。

同位素—光学的联合分析，进一步明确了DOM对水文动态的响应过程。水同位素与DOC、FI、BIX显著正相关，而与HIX和C2 (类蛋白组分)呈负相关。在高流量季节，随SW→GW入渗比例增加，BIX显著下降而HIX升高，C1与C3(类腐殖质组分)占比上升，而C2占比下降。这清晰揭示了SGI通过改变补给方向与强度、进而选择性调控DOM来源与组分的机制。

图2 荧光指数（a-c）及三种组分的荧光强度（d-f）与高流量季节补给比的关系。

坝库明显扰动DOM结构。受控支流在高流量季节C2占比显著升高，这与库区水体停留时间延长、微生物作用增强以及光降解选择性作用密切相关。

图3 WRB流域PARAFAC成分(C1–C3)的时空分布模式。(a)高水位期(蓝色)与低水位期(红色)期间，I–III子流域地表水(SW)与地下水(GW)中C1–C3的荧光强度(Fmax，R.U.)及相对丰度(%)。(b)箱线图展示SW与GW中C1–C3荧光强度及相对丰度的季节变化。(c)未受水库调控的支流(UT)、受水库调控的支流(RT)及干流(MS)各季节荧光强度对比。(d)小流域及支流类型分布图

本研究系统揭示了地表水–地下水相互作用在渭河流域DOM动态中的关键作用。通过三维荧光-PARAFAC与水稳定同位素的联合示踪，厘清了高、低流量季节下DOM的数量差异与组分变化，阐明了地下水排泄与地表水入渗在碳通量维持中的互补关系，识别了大坝运行与干旱胁迫在不同情境下对DOM组成的非对称性调控。该工作不仅为理解气候变化与工程措施双重驱动下河流–地下水耦合系统中的碳循环过程提供了新认识，也为流域水质安全保障与水文连通性管理提供了科学依据与方法学参考。

图4 图文摘要

03 论文信息

相关成果近期发表在中国科学院一区Top期刊《Water Research》。博士生李书鉴为第一作者，李志教授和韩凤朋研究员为共同通讯作者。研究获得中国国家自然科学基金(42572332 和 42071043)的资助。

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 原文连接

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