碳（C）和磷（P）是地球上最关键的两种生源要素，它们在地球圈层中进行着剧烈的生物地球化学循环，对生态环境、乃至全球气候变化具有深刻影响。有机质生成时按一定的C:P比值耦合吸收C和P，但其降解过程是否按相同比例释放，长期以来存在较大争议。深入理解水生生态系统有机质降解过程中C和P活化差异特征及其作用机制，对于科学预测水体富营养化变化趋势和准确评估湖库与海洋碳源汇效应具有重要意义。
近期，中国科学院地球化学研究所陈敬安研究员团队围绕这一前沿科学问题取得重要进展。研究团队以湖泊流域广泛分布的典型陆源和内源植物有机质为研究对象，依托自主构建的有机质降解室内模拟实验平台，系统开展了不同氧气条件下的有机质降解模拟实验。研究通过连续监测有机质降解过程中有机碳（Corg）和有机磷（Porg）含量变化，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、31P核磁共振波谱（31P-NMR）和13C核磁共振波谱（13C-NMR）等先进微区分析技术，系统分析了有机质残体中Corg和Porg含量、(C:P)org比值及形态的动态变化。
图1. 陆源植物和藻类中Corg、Porg含量及(C:P)org比值的变化；(a)–(f)、(g)–(l)和(m)–(r)分别代表不同环境条件下玉米、茅草、狗牙根、水稻和马尾松的Corg和Porg含量及(C:P)org比值
研究结果显示，植物残体(C:P)org比值均表现为降解初期升高、随后下降；且缺氧条件下该比值高于富氧条件，并且在整个降解过程中始终高于初始值。这表明有机质降解过程中Porg比Corg优先活化，且这一现象在缺氧条件下更为显著。同时，在更易降解的有机质中，P的优先活化特征也更加明显。FTIR分析进一步显示，大多数归属于P–O–C和P–C伸缩振动以及O–P–O弯曲振动的特征峰在有机质降解早期迅速消失，表明这些P相关官能团的较低键能是驱动P在有机质降解初期迅速优先活化的根本原因。31P-NMR和13C-NMR结果也进一步证实，在有机质降解早期，Porg组分的活化程度明显高于Corg组分。在此基础上，研究提出随着全球变暖持续加剧以及由此引发的水体缺氧增强，Porg的优先活化效应可能进一步强化，从而加速颗粒物和沉积物中P的释放，刺激水体富营养化加剧，并深刻改变水生生态系统的结构与功能。与此同时，Porg优先活化还可能提高Corg埋藏量，进而对长期碳循环、全球气候变化及生态系统稳定性产生深远影响。
本研究的创新之处在于，基于不同环境条件下的有机质降解模拟实验，首次精细刻画了水生生态系统有机质降解过程中Corg和Porg活化行为差异，并结合多种先进微观分析手段，从分子层面揭示了P比C优先活化的根本原因。相关成果为认识全球变暖背景下富营养化持续发生的机制，以及准确评估水生生态系统碳汇—碳源动态，提供了新的科学认识。
图2. 全球变暖前后水生生态系统中Porg相对于Corg优先活化过程及其生态环境效应示意图
上述研究成果发表在地学领域顶级期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。该研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0806000）、国家自然科学基金（U2202209，42177249，42303018）以及中国科学院“西部之光”等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.04.018
（喀斯特环境室 殷超、曾艳/供稿）