摘要
青藏高原地区是中低纬度山地冰川发育最好的地区，是许多亚洲河流的发源地。近些年，随着全球气候持续变暖，青藏高原地区的冰川正经历着快速的消融退缩，冰川消融不仅会影响下游河流的水文循环，而且冰川融水中大量的溶解性有机质(Dissolved organic matter，DOM)还会对下游生态系统的生物地球化学特性产生重要影响，因此分析青藏高原地区山地冰川中DOM的化学组成、来源以及演化过程有助于评估冰川消融对下游生态系统的生物地球化学效应。 本研究以青藏高原两个典型冰川（祁连山老虎沟12号冰川39°25.7′N，96°33.4′E，4260-5483m a.s.1.和唐古拉小冬克玛底冰川33°05′N，92°04′E，5380-5926m a.s.l.)为研究区域，采集了冰川不同区域、不同类型和不同季节的样品，利用多种分析测试方法，如溶解性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)浓度分析、紫外可见光谱分析、三维荧光光谱分析和电喷雾离子化傅立叶离子回旋共振质谱分析，对冰川不同类型样品中溶解性有机质(Dissolved organic matter，DOM)的浓度、化学组成和光学特征，进行了详细的研究;讨论了从消融区表面的冰尘到消融区表面新雪、粒状冰、积累区雪坑，再到整个消融区表面的雪冰(包括:新雪、细粒雪、粗粒雪和粒状冰)演化过程中DOM的动态变化过程，最后通过对冰尘的实验室模拟培养深入分析DOM的演化过程，了解其动态变化的机制和机理，研究得出的主要结论如下: (1)祁连山老虎沟12号冰川和唐古拉小冬克玛底冰川消融区表面雪冰中DOC浓度在空间、样品类型和季节上差异较大，老虎沟消融区新雪DOC浓度（167.41-271.41μmol L-1）高于粒状冰（117.00-130.77μmol L-1），积累区雪坑中夏季样品DOC浓度(34.88-36.55μmol L-1)高于冬季雪坑样品浓度(25.79-29.44μmol L-1);唐古拉小冬克玛底冰川消融区从新雪到细粒雪，由于淋融作用，DOC浓度会降低(26.80μmol L-1降低到14.92μmol L-1)，而从细粒雪到粒状，由于微生物的富集作用，DOC浓度逐渐升高（14.92μmol L-1增加到34.36μmol L-1），说明DOC在雪冰消融过程中发生着动态的变化;通过对冰尘样品DOC浓度的分析，本研究首次得出青藏高原消融季中期冰尘中共产生DOC的量是0.23±0.10Gg，占中国西部冰川DOC年沉降率（～19.8±1.0Gg a-1）的1.20％，说明冰尘是冰川DOC的一个重要来源。 (2)消融区不同类型雪冰样品的紫外吸收图谱显示新雪样品的紫外吸光值在近紫外区(200-240nm)显著高于粒状冰的紫外吸光值，冰尘中的CDOM的紫外可见光谱在300-350nm处具有明显吸收峰，说明冰尘中的CDOM含有微生物的代谢产物类菌孢素氨基酸类化合物(mycosporine-like amino acids，MAAs);随着新雪的消融，从新雪到细粒雪，在200-400nm处的紫外吸光值明显降低，说明新雪中的CDOM含量在初次消融过程中有所损失，从细粒雪到粒状冰，紫外吸光值在250-300nm处明显增加并出现峰值，说明在雪冰的进一步消融过程中，粒状冰中的CDOM的含量增加;雪坑样品由于混合作用冬夏季雪坑样品的紫外可见吸收光谱差别不大。 (3)利用三维荧光光谱和平行因子分析法解析不同雪冰样品中CDOM的荧光组分和来源发现，冰尘中CDOM有很强的类蛋白质类峰（类色氨酸峰和类酪氨酸峰)，同时含有较弱的类腐殖质峰，说明冰尘中的CDOM主要来源于微生物，也受陆源性CDOM的影响;消融区不同类型雪冰以及积累区雪坑样品中CDOM的类蛋白质类荧光组分占总荧光强度的60％以上，说明老虎沟12号冰川和小冬克玛底冰川中CDOM的主要来源是微生物来源:在雪冰消融过程中，类蛋白质类荧光组分的相对含量也在发生明显变化，说明雪冰消融过程可以引起CDOM荧光组分的动态变化。 (4)利用电喷雾离子化傅立叶离子回旋共振质谱分析冰川中DOM的化学组成，发现冰川消融区和积累区DOM的化合物组成主要是微生物来源的脂类和蛋白质类物质，还有少量的陆源性的木质素类或多羧基的脂环烃类和单宁类物质，微量的来源于人类活动的多环芳烃类物质，说明冰川中的DOM的主要来源是微生物来源，同时也受陆源性输入的影响;DOM的分子组成主要是CHO类分子，其次是CHON类分子，还含有少量的CHN、CHOS和CHONS类分子，冰川中的DOM含有较多的CHON类分子，说明冰川中DOM具有很高的生物可利用性; 相比于积累区雪坑，消融区新雪和粒状冰中的DOM含有较少的微生物来源的DOM，较多的陆源性的DOM;雪坑样品中，夏季的雪坑样品比冬季的雪坑样品含有较多的陆源性DOM和较少的微生物来源的DOM;比较不同物理形态雪冰样品中DOM的异同，发现不同物理形态的雪冰样品中的DOM具有很高的同源性，但是从新雪到粒状冰，每类样品特有的DOM分子的比例也在逐渐增加，说明雪冰消融过程中不断有新的DOM产生，从新雪到粒状冰的过程中，每类样品特有的DOM分子中CHO类分子逐渐减少，CHON类分子逐渐增加，说明在雪冰消融过程中，雪冰中DOM的分子组成发生了明显的生物化学演化，DOM的生物可利用性显著增加。 (5)冰尘的实验室模拟培养实验设置了2组光照培养和2组黑暗培养，培养周期70天，每14天取一次冰尘水样用于DOM的浓度、光学性质和组成变化的分析;结果显示:光照培养时DOC浓度增加了5.61倍，黑暗培养时DOC浓度增加了4.05倍，说明光照培养DOC增加的速率明显高于黑暗培养;光照培养和黑暗培养时CDOM的紫外吸收均在250-300nm处出现吸收峰并不断增强，说明随着培养时间的增加冰尘中羧酸类CDOM的含量逐渐增加;光照培养后期CDOM的紫外吸收出现了MAAs的典型吸收峰(300-350nm)，说明持续光照对冰尘中微生物细胞产生了很大的影响，微生物细胞分泌MAAs使自身细胞免受强光照的伤害;三维荧光光谱结合平行因子分析得出模拟培养时冰尘中CDOM有C1和C2两个类蛋白类的荧光组分，C3和C4两个腐殖质类荧光组分，C1和C2对总荧光强度的贡献超过80％，说明冰尘培养过程中的CDOM主要是微生物来源的DOM; 冰尘培养过程中DOM的组分发生了很大变化，脂类化合物的相对含量不断降低，多肽类化合物和不饱和烃类化合物的相对含量不断增加，光照培养过程中DOM的化合物组成在14天后基本趋于稳定，在后期培养过程中变化不大，因为光照培养时自养型微生物在适应培养环境后可以产生供自身和异养型微生物生长代谢需要的DOM，从而使得光照培养的冰尘水样中DOM组成相对趋于稳定，而黑暗培养时由于自养型微生物活动受到抑制，DOM的组分持续发生变化;光照培养和黑暗培养时DOM的分子组成均表现为CHO类分子含量降低，含有杂原子的CHON、CHOS和CHONS类分子含量增加，比较各时段杂原子的含量发现，光照培养更有利于CHOS和CHONS类分子的积累，而黑暗培养更有利于CHON类分子的积累，其可能的原因主要是:光照条件下冰尘中的硫氧化细菌利用光能可以将硫化物、单质硫和硫代硫酸盐等氧化为硫酸盐，硫酸盐在微生物的同化作用下进一步转化为有机硫，使得CHOS类分子含量增加;而黑暗培养后期，随着DOM生物可利用性的不断降低，细菌、放线菌、霉菌等微生物通过同化性硝酸还原作用不断将无机氮转化成有机氮，从而使得CDON类分子含量增加。综上所述，说明冰尘中DOM的组成演化和微生物活动密切相关，而且不同的培养条件对冰尘中DOM的演化过程影响显著，光照可以明显增强冰尘中微生物的代谢活动，演化形成更多生物可利用性高杂原子含量高的DOM。 本文通过对两个典型冰川消融区冰尘、表层雪冰以及积累区雪坑中DOM的化学特征和来源分析，得出青藏高原冰川中DOM的主要组成是微生物来源的脂类和蛋白质类物质，通过分析比较不同类型雪冰中DOM组成得出雪冰消融过程中DOM的分子组成会发生明显的生物化学演化，DOM的生物可利用性高不断增高，通过冰尘的实验室模拟培养进一步证明DOM的这一演化过程。因此，随着冰川消融加剧，消融区不断扩大，冰川表面会形成并释放大量生物可利用性高的DOM，对下游生态系统的生物地球化学循环产生重大影响，从而进一步影响下游生态系统的初级生产力、次级生产力以及物种多样性。
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