受季风影响的沿海含水层中溶解有机物的组成差异及其生物地球化学途径：基于分子特性的研究 作者：Ashen Randika, Samadhi Athauda, Ruizhe Wang, Zhineng Hao, Yuansong Wei, Yawei Wang, Hui Zhong, Madhubhashini Makehelwala, Sujithra K. Weragoda, Rohan Weerasooriya

《Hydrology》：Divergent Compositions and Biogeochemical Pathways of Dissolved Organic Matter in a Monsoon-Affected Coastal Aquifer: Insights from Molecular Characterization Ashen Randika, Samadhi Athauda, Ruizhe Wang, Zhineng Hao, Yuansong Wei, Yawei Wang, Hui Zhong, Madhubhashini Makehelwala, Sujithra K. Weragoda and Rohan Weerasooriya

　　摘要：在季风主导的地区，沿海地下水面临着季节性水文极端事件和海水入侵（SWI）的复合威胁，然而溶解有机物质（DOM）在分子层面的响应仍知之甚少。我们在斯里兰卡的曼纳尔地区进行了两个季节的调查，结合了水化学、荧光光谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱技术，以表征浅层和深层地下水中DOM的动态变化。旱季时，氯化物浓度平均为302毫克/升（浅层水井——5至12米）和505毫克/升（管井——20至30米），而在季风补给期间下降了60-80%。尽管如此，DOM的动态变化与盐度脱钩：浅层水井在旱季显示出DOC峰值（6.64毫克/升），这主要由土壤中的浓度驱动，而管井在雨季则表现出富集现象（5.02毫克/升）。浅层含水层保持了较高的腐殖化指数（约0.70）和富含芳香族的DOM，表明有持续的土壤来源输入进行缓冲。相比之下，管井在雨季的补给似乎刺激了微生物活动，这通过蛋白质样荧光（C2: 26%至36%）和含氮化合物（CHONs: 31.4%至37.1%）的增加得到了体现。管井还积累了能量较高的DOM，其分子不稳定性指数也相应增加。矛盾的是，相关网络分析表明，这些饱和的烷烃和卤代结构在低氧、高盐度条件下由于动力学保护而得以持续存在。这些发现表明，含水层结构和氧化还原条件控制着沿海地下水系统中DOM的生物地球化学过程。在分子层面上，DOM的动态变化受到含水层深度和季节性补给的影响，导致盐度与有机物转化之间的脱钩。

1. 引言
沿海含水层支撑着超过十亿人，面临着由灌溉过度开发和热带季风系统固有的极端水文变异性共同导致的地下水下降威胁[1]。在南亚和东南亚的季风带，这种耦合创造了不稳定的水化学环境[2,3,4]。漫长的旱季会浓缩溶质并促进海水向内陆入侵（SWI），而强烈的雨季补给会突然改变氧化还原边界和盐度梯度[5]。这些复合压力因素不仅导致水位波动，还从根本上重塑了地下水化学成分和氧化还原条件，释放有机碳并改变微生物底物[6,7]。这些过程并非局限于某个区域；全球范围内的地下水系统是沿海环境中溶解有机物质（DOM）的主要来源，其通量可以显著影响生物地球化学循环和生态系统功能[8,9,10]。DOM在这种生物地球化学重构中扮演着多重角色[11,12]。作为有机化合物的异质混合物，DOM可以与金属离子结合，影响营养物质的生物可利用性，作为控制氧化还原反应的微生物底物，并在饮用水系统中促进消毒副产物的形成[13,14]。然而，对于季风主导的沿海含水层中DOM组成和反应性对季节性水文变化的敏感性仍知之甚少。雨季的补给可能引入来自地表土壤和植被的新鲜陆地有机物，而旱季的水位下降和SWI可以通过离子强度效应和氧化还原转化改变DOM的来源[6,8]。最近的研究记录了沿海土壤和水生系统中溶解有机碳（DOC）含量的盐度驱动增加，以及沿盐度梯度的DOM光学性质变化[6,8,15]。然而，这些来自温带和河口环境的整体观察结果对于受热带季风影响的地下水来说仍存在关键未解之谜。具体来说，尚不清楚季节性季风补给和SWI循环如何在分子层面上塑造DOM，DOM的转化是简单的来源混合还是由含水层特定的生物地球化学过程介导的，以及对水质的影响也不清楚。鉴于南亚和东南亚有数亿人依赖季风补给的沿海含水层，解决这些知识空白迫在眉睫[4,16]。

斯里兰卡西北部的曼纳尔地区目前正经历极端的季节性气候变异性和严重的SWI，这是由于地下水过度开发造成的[17]。这个半干旱的沿海地区面临明显的水文极端现象：旱季（5月至9月）每月降雨量少于50毫米，并经历强烈的蒸发作用，导致海水入侵深入内陆达15公里；而东北季风（10月至1月）则带来超过800毫米的累积降水量，快速补充地下水[17]。地下水抽取发生在异质的含水层框架中，包括通过扩散渗透补给的浅层非承压区和通过裂缝网络进入的深层承压石灰岩单元。这种补给途径、停留时间和盐度暴露的空间变异性为研究多种压力因素如何不同地影响DOM组成提供了自然条件[17]。更重要的是，曼纳尔被认为是斯里兰卡慢性肾病的一个地方性发病区域，其原因尚不清楚[18]，有人假设包括DOM在内的地下水质量中的微量污染物可能是致病因素之一[18]。鉴于这些复杂的健康和生态问题，表征该季风影响沿海系统中地下水DOM的组成分布、季节性生物地球化学特性和水质影响至关重要。

为了填补这些知识空白，我们在曼纳尔地区进行了两个季节的野外调查，结合了荧光激发-发射矩阵光谱（EEM）与并行因子分析（PARAFAC）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）技术来表征地下水DOM的动态变化。通过在沿海-内陆和浅层-深层含水层进行采样，本研究旨在分离季风强迫、SWI和含水层异质性的耦合效应。具体目标包括：（1）量化沿海-内陆梯度上DOM光学性质和分子组成的季节性和空间变化；（2）识别能够敏感追踪季节性水文变化和SWI强度的分子特征；（3）通过整合分子数据和水化学示踪剂来阐明主导的转化机制（来源转换、生物降解或离子强度效应）。最终，我们的发现将提供关于多种人为和气候压力因素如何与含水层空间结构相互作用，从而控制脆弱热带沿海地区DOM生物地球化学的分子层面见解。

2. 材料与方法
2.1. 研究区域和样品采集
曼纳尔地区（北纬8°52′，东经80°04′）位于斯里兰卡西北部，占地约1996平方公里，属于半干旱气候区（图1）。曼纳尔地区西侧的沿海地带海拔较低（0-16米），而中部和东部地区海拔较高，内陆地区海拔可达105米。该地区经历明显的季节性降雨变化，年平均降水量为975毫米，主要集中在东北季风期间（10月至1月），与潜在的蒸发量约2135毫米形成鲜明对比。季节性温度范围为23至35摄氏度[17]。含水层系统主要存在于中新世石灰岩地层中，地下水补给通过降水渗透、地表径流以及来自巨型水库等水体的控制性输入进行[17]。该地区人口密度较低，当地生计主要依赖于农业、渔业和畜牧业。然而，旱季的密集地下水抽取导致水位下降，加剧了沿海地区的SWI[17]。

图1. 研究区域和采样位置。蓝色三角形代表浅层水井，紫色方块代表管井。海水入侵（SWI）主要影响西部和东南部沿海地区。地下水采样分别在旱季（2022年5月）和雨季（2022年12月）进行，以捕捉不同水文条件下的DOM动态变化。共收集了112个地下水样本，来自56个空间分布的站点，包括39个浅层水井和17个管井，覆盖从近岸到内陆的区域[17]。多个参数的大范围变化反映了研究区域内地下水条件的空间异质性，因为样本代表了多个水井而非单一位置的重复测量。选定的时间段对应于该地区已建立的水文极端情况（5月：干旱高峰；12月：季风补给高峰），使我们能够捕捉DOM动态的一阶对比。根据建造深度和使用目的，水井被操作性地分类为浅层水井和管井。管井深度为20-30米，而浅层水井深度为5至12米。虽然这些深度差异可能对应于不同的水文条件，但详细的地下水位层信息（如钻孔记录、滤网间隔和隔水层特性）不可用。因此，这种分类应被视为实际区分而非严格定义的水文地质分离。站点选择优先考虑了活跃使用的家庭用水和灌溉用水井，以确保样本代表真实的地下水条件。研究区域内的所有可用水井都被纳入采样设计；然而，水井的空间分布不均匀，东部地区的水井密度较低。因此，这些区域的空间插值结果可能存在较高的不确定性，应谨慎解释。在每个站点，使用便携式多参数仪表（Eutech 01X099414，Thermo Scientific，美国沃尔瑟姆）测量原位物理化学参数，包括pH值、温度、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）和溶解氧（DO）。从每个站点采集2升地下水，直接倒入预先用10%（体积比）盐酸和去离子水预清洁的聚丙烯瓶中，并在填充前用样品水冲洗三次。样品在黑暗条件下运输，通过0.45微米玻璃纤维过滤器（Whatman GF/F）过滤，并在4°C下储存直至分析。质量控制措施包括程序空白样品和重复分析。程序空白样品未显示可检测的污染或背景干扰。重复分析显示目标化合物的分析精度，相对标准偏差在方法不确定性范围内。

2.2. 水化学和DOM总量性质分析
水化学分析在中国-斯里兰卡联合水资源技术研究和示范中心（位于Peradeniya的供水部）进行。主要阳离子使用电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES，Optima 8300，PerkinElmer，美国沃尔瑟姆）进行定量。主要阴离子通过离子色谱仪（Dionex ICS-1100，Thermo Scientific，美国）进行分析。溶解有机碳（DOC）使用TOC分析仪（MULTI N/C 2100，Analytik Jena，德国耶拿）进行分析。

2.3. 荧光光谱和PARAFAC建模
使用荧光光谱仪（F-4700，Hitachi，日本东京）获取三维EEM（3D-EEM）荧光光谱。UV254吸收值大于0.05的样品用超纯水稀释，以最小化内滤光器效应。EEM光谱在激发波长（Ex）200-400纳米和发射波长（Em）220-550纳米范围内测量，分辨率为5纳米。每天使用drEEM工具箱（v0.6.4）在MATLAB R2017a中测量超纯水空白样品，以校正拉曼和瑞利散射。从EEM强度计算荧光指数，包括腐殖化指数（HIX）、生物指数（BIX）、新鲜度指数（FreI）和荧光指数（FI），以追踪DOM的来源和成岩状态[20]。使用DOM Fluor工具箱（版本1.7）在MATLAB（Mathworks，美国纳蒂克）中进行PARAFAC建模，将重叠的荧光信号分解为统计独立的组分（表S1和S2）[21]。模型验证采用了分割一半分析和核心一致性诊断来确认组分的稳健性。使用每个组分的最大荧光强度来量化DOM荧光团组成的季节性和空间变化（图S1）。

2.4. 使用FT-ICR-MS进行分子表征
选择了32个样本子集，以详细了解完整数据集中存在的整个水化学、位置（从沿海到内陆）和深度（从浅层到管井）的变化。选择涵盖了两个季节和所有关键的水化学类型，包括9个管井和23个浅层水井。DOM使用固相萃取（SPE）在Agilent Bond Elut PPL cartridges（500毫克，6毫升，Agilent Technologies，美国圣克拉拉）上进行浓缩和脱盐，方法参照之前的研究[22,23,24]。超高分辨率质谱在配备电喷雾离子源的solariX 15T FT-ICR-MS（Bruker，德国不来梅）上获取，操作模式为负离子模式。基于高分辨率的准确质量测量，使用自动化质量分配将分子公式分配给FT-ICR-MS峰。只有信噪比大于4且质量误差低于1 ppm的峰被考虑用于公式计算。元素组成被限制在12C（1-100）、1H（1-200）、16O（0-50）、35Cl（0-4）、79Br（0-3）、127I（0-3）和13C（0-1）的定义原子范围内，并应用额外的H/C和O/C比例限制以确保化学上的合理性。当存在多个可能公式时，选择质量偏差最小的那个。使用van Krevelen图、Kendrick质量缺陷分析和修改后的芳香性指数（AI_mod）进一步评估分配的公式，以检查组成模式并将DOM化合物分类为主要结构组（表S4-S7）[22,25]。数据分析
统计分析包括平均值和标准差计算、Mann–Whitney U检验、T检验、Spearman相关性分析以及相应的图形可视化，使用的是R统计计算环境（v4.4）和Python（v3.10）[26,27]。为了可视化地下水质量参数的空间分布，我们利用ArcGIS Pro（v3.1）中的逆距离加权（IDW）算法进行了空间插值[28]。

3. 结果与讨论
3.1. 季风驱动的淡化作用使分层沿海含水层的盐度和DOM动态分离
地下水样本显示主要离子化学成分存在明显的季节性和深度相关性变化，反映了季风驱动的补给对SWI的耦合影响（表1）（图S2）。季节之间发生了约2个单位的碱度变化：旱季浅层井的pH值为6.97 ± 0.56，管井为6.48 ± 0.40；而雨季时，浅层井的pH值上升到8.84 ± 0.26，管井为8.54 ± 0.29。观察到的广泛pH范围可能反映了强烈的季节性和地球化学变异性，这与季风补给期间石灰岩的缓冲作用增强以及含水层基质中的碳酸盐风化加剧有关，同时还伴随着不同程度的海水入侵和水-岩相互作用[29,30,31]。
表1. 雨季和旱季浅层井和管井中DOM的地球化学特征。
氯化物浓度显示出最显著的季节性变化。旱季浅层井的Cl?浓度平均为302 ± 368 mg/L，管井为505 ± 431 mg/L，较高的标准差表明研究区域内的空间异质性较大，而不是单个地点的变异。这两种浓度经常超过WHO饮用水指南（250 mg/L）。相反，季风补给使雨季浅层井的Cl?浓度降至43.50 ± 70.93 mg/L，管井降至59.12 ± 26.53 mg/L，显示出明显的降低。尽管有这种显著的淡化作用，深层封闭的石灰岩含水层仍保留了持续的SWI特征。在两个季节中，管井的Cl?浓度不仅比浅层井高约60%，而且电导率（平均约2334 μS/cm）和总溶解固体（TDS）也高出约45–50%（表1）。
从空间上看，Cl?和Na+在旱季向内陆的渗透范围很广，特别是在管井中，最远可达离海岸约10公里（Na+：234 ± 157 mg/L；Cl?：505 ± 431 mg/L）。这种深度依赖的盐度持续性表明，要么是封闭含水层中的停留时间较长，要么是海水通过绕过浅层的裂缝网络优先渗透，并伴随着阳离子交换过程，其中受海水入侵影响的Na+取代了基质中的二价阳离子[17]。
与保守的盐度示踪剂不同，DOC表现出与井类型相关的季节性动态，这种动态与SWI模式完全分离。浅层井在旱季的DOC含量较高（6.64 ± 3.19 mg/L），而在雨季下降（5.31 ± 3.11 mg/L；?20%）。管井则呈现相反的趋势，雨季的DOC含量（5.02 ± 9.97 mg/L）高于旱季（3.93 ± 2.55 mg/L；+28%）。因此，DOC在两个季节之间与Cl?没有显著相关性[32]，这表明该含水层中的DOM动态不受简单淡水补给和咸水端元混合的支配。我们将这种不同的行为归因于不同的DOM来源机制。浅层井在旱季DOC含量升高可能是由于低补给期间蒸发蒸腾作用导致土壤有机质浓缩的结果。相反，管井在雨季DOC含量升高可能表明，在季风补给期间，新鲜的、易分解的有机质通过裂缝化的石灰岩路径快速渗透，暂时补充了深层含水层中的DOM池，然后才受到微生物降解和吸附的影响[33,34]。

3.2. 含水层深度决定了DOM的缓冲能力：对比的荧光特征揭示了来源连通性的分离
荧光指数追踪了不同含水层深度之间DOM动态的根本分离（表2）。在浅层井中，FI在旱季（2.35 ± 0.20）和雨季（2.38 ± 0.23）之间基本保持稳定，而FreI从0.97 ± 0.12略微下降到0.92 ± 0.09。BIX和HIX也表现出这种不变性，BIX从1.06 ± 0.14下降到1.00 ± 0.11，HIX分别保持在0.69 ± 0.20和0.70 ± 0.19，没有观察到统计学上的显著季节性差异（p > 0.05）。所有四个指数在两个季节之间的变化都小于0.06个单位，表明尽管盐度显著降低和pH值升高，DOM组成仍然非常一致。空间插值进一步证实了这一情况：在整个研究区域内，浅层井的HIX值在整个季节中始终较高（>0.5）（图2和图S3），在季风补给期间没有明显的空间重组。HIX值持续保持在0.70左右，表明有来自适度腐殖化的陆地来源的持续贡献，可能反映了与非饱和带中土壤有机物的持续平衡[21,35]。
图2. 雨季和旱季浅层井和管井中DOM的荧光成分和光学指数（FI（A）、FreI（B）、BIX（C）和HIX（D）以及HIX的空间分布（下图）。
相比之下，管井表现出高度动态的季节性行为（表2和图2）。FI从2.36 ± 0.21略微下降到2.32 ± 0.34，而FreI则相反，从0.99 ± 0.15上升到1.03 ± 0.19，但这些变化没有统计学意义（p > 0.05）。比这些微小变化更具有启示性的是BIX和HIX的变化：BIX从1.06 ± 0.17上升到1.15 ± 0.23，而HIX从0.39 ± 0.17下降到0.29 ± 0.22（p < 0.05）。雨季BIX的升高可能表明微生物活动增强[34]，而HIX的降低（<0.3）则表明相对于浅层井，腐殖化程度降低[36]。空间模式证实了这些趋势，即管井中的高BIX区域在雨季扩大，特别是在中部和南部地区，暗示了新鲜有机质通过裂缝网络渗透到封闭含水层中的局部补给热点。根据这一趋势，管井在旱季就已经较低的HIX值在季风补给期间进一步下降，最低值（<0.1）集中在南部沿海带。这种光学特征与雨季DOC的增加（5.02 mg/L）一致，表明季风补给向深处输送了成分不同的新鲜有机物质，而不仅仅是稀释现有的DOM池。
这种深度依赖的季节性响应差异反映了根本不同的来源连通性机制。浅层含水层可能与上覆土壤持续进行DOM交换，这在季节性冲洗期间减弱了组成变化，并保持了上述稳定的腐殖化特征。相比之下，深层封闭含水层仅在高强度季风事件期间接收偶尔的新鲜陆地DOM脉冲，此时水力梯度克服了封闭层的阻力[37,38,39]。管井中观察到的动态指数变化（ΔHIX = ?0.10，ΔBIX = +0.09）表明补给过程具有时间变化性，可能包括通过裂缝的途径，而不是简单的渐进混合。特别是在南部沿海管井中，最动态的荧光响应的空间集中现象尤为显著，那里的SWI渗透最深。这种空间重叠表明，长期的SWI可能为封闭含水层预准备了增强的微生物活动，可能是通过输送海洋营养物质或改变氧化还原边界来实现的，从而在新鲜季风基质输送时引发快速的DOM组成变化[40]。

3.3. 井类型在塑造地下水DOM组成方面超过了季节性因素的影响
PARAFAC建模解析了六个荧光成分，解释了超过99.8%的EEM方差（表2和图3）。该模型识别出三种类似腐殖质的成分（C1：陆地腐殖质，Ex 280/360 nm，Em 450 nm；C3：微生物腐殖质，Ex 250/330 nm，Em 390 nm；C6：低分子量腐殖质，Ex 225 nm，Em 440 nm）和三种类似蛋白质的成分（C2：色氨酸类，Ex 220 nm，Em 300 nm；C4：色氨酸类：Ex 245/280 nm，Em 350 nm；C5：酪氨酸类，Ex 230/275 nm，Em 320 nm）[41,42]。
图3. 旱季和雨季浅层井和管井中荧光成分C1、C2、C3和C5的空间和时间分布图。
成分1（C1）、成分2（C2）、成分3（C3）、成分5（C5）。空间分布使用逆距离加权（IDW）生成。数值以百分比（%）表示。井类型差异主导了组成模式，其幅度远超过季节性变化。浅层井在两个季节中保持了大致平衡的腐殖质-蛋白质组成：总的类似腐殖质的贡献（C1 + C3 + C6）占51.0%（旱季）和54.3%（雨季），而类似蛋白质的C2含量较低，分别为11.5 ± 15.5%（旱季）和12.9 ± 13.8%（雨季），没有统计学上的显著季节性差异（p > 0.05）。相比之下，管井表现出以蛋白质为主的特征。C5单独贡献了43.6 ± 22.6%（旱季）和39.2 ± 22.7%（雨季），而C2从24.6 ± 17.9%上升到35.6 ± 24.1%，增加了45%，这是所有成分中最显著的季节性变化。相反，管井中的类似腐殖质的贡献（C1 + C3）在旱季仅为15.9%，在雨季进一步下降到12.0%，约为浅层井值的30%，显著较低（p < 0.001）。这种组成差异与DOC的季节性模式相反，浅层井在旱季达到峰值（6.64 mg/L），而管井在雨季达到峰值（5.02 mg/L）。
C4（类似色氨酸）成为唯一在浅层井和管井类型中同步减少的荧光团（p < 0.05），在浅层井中从13.5%下降到10.7%，在管井中从11.9%下降到9.4%（p > 0.05）。这种同步减少可能反映了在较温暖的旱季（27.6 °C）温度依赖的微生物色氨酸生产，随后在季风补给期间被稀释[43]。相比之下，C6（低分子量腐殖质）表现出明显的井类型特异性响应：浅层井在雨季显著富集（8.4 ± 5.2% → 13.3 ± 6.9%）（p < 0.01），而管井基本保持不变（4.1% → 3.8%）（p > 0.05）。这种浅层井中C6的富集可能反映了季风渗透期间来自土壤淋溶的低分子量腐殖质物质的增强输送，这是封闭含水层难以接触的途径。
空间插值揭示了不同的季节性再分配模式，进一步强化了井类型的对比（图3）。在浅层井中，C1在整个研究区域内两个季节中都保持均匀的高值（16–40%），北部和中部区域的浓度最高。这种空间稳定性反映了HIX值的一致性（~0.70），并证实了浅层含水层DOM组成通过持续的土壤有机质交换得到缓冲。相反，管井中的C1值始终较低（<14%），在雨季进一步降低，特别是在南部沿海带，该区域的旱季SWI最为强烈。比这些腐殖质变化更引人注目的是管井中C2的空间模式。在旱季，C2值在中部和南部地区分布为26–48%。然而，雨季补给在东南部沿海区域显著增强了C2的浓度，值经常超过48%，甚至达到59%。这种C2在SWI影响最严重区域的空间集中现象支持了我们的假设，即长期的海水-含水层相互作用为封闭系统预准备了条件，使其在季风驱动的营养物质或基质输送时发生快速的DOM组成变化[44,45]。
沿着类似的轨迹，C5在南部沿海管井中的雨季值超过60%，与升高的BIX值一致。类似腐殖质和类似蛋白质成分之间的对比空间模式表明，在这种双孔隙喀斯特系统中，外来陆地输入与本土微生物生产受控于根本不同的水文途径[46]。类似腐殖质的DOM主要通过浅层区域的扩散基质补给进入，保持了空间均匀性，而类似蛋白质的DOM则主要通过裂缝介导的流动在封闭含水层中积累，从而在季风期间形成局部热点。

3.4. 季风补给期间分子组成的深度依赖性变化：FT-ICR-MS分析提供的分子证据
3.4.1. 元素组成和卤素特征
FT-ICR-MS分析每个样本检测到1021–6105个独特的分子公式，旱季样本的分子多样性显著高于雨季样本（p < 0.05）。为了评估SWI对DOM组成的潜在影响，我们分别分析了卤化和非卤化化合物。非卤化化合物显示出明显的季节性模式：旱季样本的分子公式计数显著高于雨季样本（浅层：3411 ± 417；管状：3169 ± 463 vs. 浅层：2649 ± 711；管状：2592 ± 1022）（p < 0.05）。这一下降趋势与陆地径流会增强分子多样性的预期相反，可能表明存在一种“成分重置”机制：大量结构均匀的土壤来源的有机质（DOM）的渗透暂时稀释了旱季积累的复杂、经过微生物处理的分子组合[47]。元素组成显示了与深度相关的系统性梯度。碳水化合物（CHOs）化合物几乎占据了所有样本的多数（31.9–80.5%的分子公式），尽管这些差异在统计上不显著（p > 0.05），但管状井中的CHOs含量（旱季：50.8 ± 4.2%；雨季：56.0 ± 12.0%）高于浅层井（旱季：48.6 ± 6.3%；雨季：53.3 ± 6.5%）。对于含氮化合物（CHONs + CHONSs），管状井在雨季表现出显著的富集（37.1% vs. 旱季的31.4%），而浅层井则呈现相反趋势，从旱季的36.8%下降到雨季的30.6%（p < 0.05）。管状井中氮含量的这种差异与蛋白质类荧光模式一致，其中管状井在雨季显示出BIX（1.06→1.15）和C2含量的增加（26%→36%）。分子和光学证据的趋同强烈表明，在季风补给期间，封闭含水层中本土微生物产生了更多的富氮DOM[48]，这可能是由于新鲜易分解有机物和营养物质通过裂缝石灰岩中的优先流动路径渗透所致。此外，管状井的O/C比率（0.412–0.435）和H/C比率（1.283–1.294）始终低于浅层井（O/C：0.455–0.460；H/C：1.234–1.246），表明深层含水层中选择性地富集了贫氧的烷基化合物。相反，雨季浅层井中氮含量的下降可能反映了由于强降雨事件从地表土壤中 mobilized 的贫氮陆地DOM 的稀释[49]。

卤化模式也显示出与深度相关的显著特征。互补的卤化部分（OHCs）表现出系统性的深度和季节性梯度。旱季管状井含有1242 ± 346个卤化分子公式（占总数的27.7 ± 4.2%），远高于浅层井（962 ± 362个分子公式，21.5 ± 5.2%），这对应于管状井中相对较高的卤化物含量（p < 0.05）。虽然雨季的补给减少了OHCs的总体含量，但管状井仍保留了933 ± 568个分子公式（23.2 ± 8.8%），而浅层井则急剧下降到593 ± 498个分子公式（16.3 ± 7.0%），表明在雨季存在42%的深度相关富集（p < 0.05）。这种分离的季节性响应表明，封闭含水层作为卤化DOM的持久长期储存库[50]。加权卤素含量显示，溴作为深度示踪剂比氯更敏感。旱季管状井中的溴含量（Brw：0.071 ± 0.010）比浅层井（0.050 ± 0.018）高出42%，这种富集在雨季也持续存在（管状井：0.055 ± 0.021；浅层井：0.046 ± 0.030）（p < 0.05）。氯则表现出相反的季节性模式：浅层井中的氯含量略有下降（从0.112 ± 0.028降至0.108 ± 0.031），而管状井中的氯含量从旱季的0.118 ± 0.041增加到雨季的0.147 ± 0.127。然而，变异性很高，这些差异在统计上并不显著（p > 0.05）。这种不同的行为导致Br/Cl加权比率发生了显著变化。旱季管状井中的Br/Cl比率保持在较高水平（0.61，接近海水值），而在雨季则骤降至0.37，减少了39%，主要是由于氯化化合物的增加。这种模式表明，溴在海水中的富集可能作为海洋DOM影响的潜在示踪剂，卤化化合物的积累可能是由于其较高的疏水性和抗生物降解性[42]。雨季管状井中氯化化合物的增加可能反映了季风补给期间引入的新鲜陆地有机物的氯化作用，这一过程受到封闭含水层中较高背景氯含量的促进。相比之下，浅层含水层中的有效冲洗使得卤化和氯化化合物按比例稀释，从而在整个季节中保持相对稳定的Br/Cl比率（约0.43–0.45）[22,51]。

Van Krevelen分类显示了化合物类别分布与深度的系统性变化（图4）。高度不饱和低氧（HULO）化合物在管状井中占主导地位（46.4–48.4%）[52]，显著高于浅层井（40.2–40.6%）（p < 0.05），表明封闭含水层中积累了经过微生物处理的难降解DOM[53]。相反，浅层井保留了较高的芳香族化合物含量（11.1–11.9% vs. 管状井的7.8–8.0%）（p < 0.05），并在雨季表现出高度不饱和高氧（HUHO）化合物的显著增加（31.2% vs. 旱季的26.8%），表明季风驱动了新鲜土壤来源DOM的渗透。相比之下，管状井保持了较高的肽类（6.7–8.3%）和饱和脂肪酸（4.2–4.9%）比例，这与深层封闭含水层中还原性高、离子强度高的条件下的本土微生物生产和选择性保存脂质类结构相符[13]。图4显示了旱季和雨季浅层及管状井中溶解有机质（DOM）的分子组成。上层图表显示了van Krevelen图（H/C vs. O/C）分子公式（CHOs, CHONs, CHOSs, CHONSs）。下层图表显示了（A）元素组的相对含量和（B）不同类型井和季节间的化合物类别分布。化合物类别（区域1–7）代表脂质类、蛋白质类、氨基糖类、碳水化合物类、木质素类、单宁类和缩合芳香类化合物。旱季浅层（DS）、雨季浅层（WS）、旱季管状（DT）和雨季管状（WT）。

3.4.2 热力学稳定性和机制整合
热力学性质显示了与深度相关的根本性差异。管状井中含有的还原态DOM显著更多，碳的名义氧化状态（NOSCw）平均值为?0.314 ± 0.056（旱季）至?0.373 ± 0.185（雨季），而浅层井中的氧化状态范围较窄（?0.235至?0.230）（p < 0.05）。这种更负的NOSCw伴随着较高的吉布斯自由能（GFEw），在管状井中从69.2 ± 1.6 kJ/mol-C（旱季）增加到70.9 ± 5.3 kJ/mol-C（雨季），显著高于浅层井的值（66.8–67.0 kJ/mol-C）（p < 0.05）。这些模式表明，深层含水层中的DOM具有更高的氧化热力学潜力[54]。与此还原状态一致，基于H/C比率的分子稳定性边界指数（MLBL）在管状井中显著更高（0.235 ± 0.019）（p < 0.05），而在浅层井中较低（0.206 ± 0.041）。低NOSC、高GFE和高MLBL的共存表明，在封闭含水层中选择性地积累了饱和烷基化合物（例如脂肪酸、烷烃）[55,56]。高MLBL值表明，在抽水或处理过程中当缺氧地下水暴露于氧气时，可能会促进微生物的再生，因为这些化合物更易生物利用。此外，具有较高H/C比的烷基DOM在氯化过程中通常更具反应性，可能导致消毒副产物（DBPs）的形成增加，包括三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）。还原态DOM的较高热力学潜力进一步表明，这些化合物可能在处理过程中发生氧化转化，从而在标准消毒条件下增加DBP的形成[58,59,60]。虽然这些分子在理论上是对好氧代谢而言易分解且富含能量的底物，但它们在深度处的持久性可能反映了缺氧和结构卤化带来的动力学限制。Simpson均匀性指数也支持了这一解释：管状井的均匀性指数（0.204 ± 0.031）比浅层井低41%（0.287 ± 0.043）（p < 0.05），证实深层含水层中的DOM组合主要由上述卤化烷基和饱和脂肪酸等特定化合物组成，而数百种次要成分共同贡献了整体丰富的多样性[61]。

3.5 整合光学、分子和热力学特征揭示了含水层各层间溶解有机物的生物地球化学差异
为了厘清季风水文、水文环境和DOM生物地球化学之间的复杂相互作用，我们构建了特定条件的Spearman相关矩阵，整合了批量水化学、荧光指数、PARAFAC成分和FT-ICR-MS分子描述符（图5）。结果网络揭示了浅层和深层地下水之间根本不同的耦合机制，为前文提出的不同转化机制提供了统计验证。图5显示了旱季和雨季浅层及管状井中地下水参数与DOM光谱和分子参数之间的Spearman相关系数。星号（* 和 **）表示在p < 0.05和p < 0.01的水平上具有统计显著性。HIX作为最稳健的跨尺度连接器，其行为在两种含水层类型之间有明显区分。在浅层井中，HIX与陆地腐殖质成分C1（r ≥ 0.93，p < 0.001）、芳香性指数（AI_modw，r ≈ 0.60，p < 0.01）和NOSCw（r = 0.60–0.70，p < 0.01）保持强正相关。相反，它与蛋白质类成分C5（r = ?0.92（旱季），H/C比率（r ≈ ?0.65，p < 0.01）和GFEw（r = ?0.70，p < 0.001）呈负相关。与这种腐殖质特征一致，旱季浅层井中的DOC浓度与氧化特征（HIX：r = 0.78；C1：r = 0.79）有强正相关，但与盐度示踪剂（Cl?，Na+）无关。这种独立于来源的DOC行为证实，浅层地下水DOM的动态受蒸发蒸腾浓缩和与非饱和带土壤的持续平衡驱动，而不是与咸水端元的混合[40]。在管状井中，相关结构与浅层井显著不同。HIX–分子耦合显著减弱（例如，HIX vs. NOSCw：r = 0.35（旱季），r = 0.18（雨季），表明深层地下水DOM受到多种部分独立的转化途径的影响，这些途径分离了光学和分子特征。这种统计上的解耦表明，深层含水层中的DOM对更复杂、季节性变化的驱动因素有更强的响应。蛋白质类荧光成分C2在管状井中作为微生物活动的分子尺度示踪剂比BIX更有效。C2与含氮化合物CHONs（r = 0.68（旱季），肽类化合物（r = 0.30（旱季），烷基结构（r = 0.43（旱季），r = 0.53（雨季））呈正相关。值得注意的是，这些相关性在浅层井中两个季节都几乎不存在（|r| < 0.18），证实荧光变化完全是由封闭含水层内的本土微生物产生的还原性、富氮烷基代谢物引起的[48]。C2–肽类相关性的季节性增强（从0.30增加到0.62）与季风引发的裂缝流动输送新鲜底物、刺激先前停滞的深层含水层中微生物二次生产一致[62]。

与基于保守混合的预期相反，Cl?在大多数条件下与OHCs仅表现出弱到中等的相关性，这与深层水中观察到的持续OHC富集相分离。这种缺乏即时相关性的现象可能表明，深层含水层中的卤化作用反映了累积的、长期存在的非生物反应和基质相互作用，而不是由季节性盐度波动简单驱动的混合。换句话说，封闭含水层中的卤化DOM池不是海水混合的直接产物，而是长期化学转化的累积结果[53]。除了这些个体变化外，相关网络还解决了围绕MLBL的热力学悖论。在所有条件下，MLBL与H/C比率（r = 0.65–0.85）和饱和脂肪酸（r = 0.58–0.85）强烈相关，证实了其依赖于烷基氢含量。关键的是，在管状井中，MLBL同时与OHCs（r = 0.90（旱季），肽类化合物（r = 0.84（旱季），r = 0.90（雨季）相关，这些化合物在缺氧、高离子强度条件下名义上易分解但实际上具有抗降解性。在浅层井中观察到的正MLBL–GFEw相关（r = 0.35（旱季），r = 0.75（雨季）在管状井中完全消失，数学上证明了深层地下水中预期的分子稳定性与热力学适宜性之间的耦合关系破裂[63]。这种协方差结构阐明了为什么深层管状井既表现出高MLBL又表现出低NOSC：升高的MLBL分数是由长链脂质、卤化烷基和疏水性脂肪酸的积累驱动的，这些化合物在缺氧和咸水条件下具有较高的H/C比率，从而在动力学上受到保护[64]。这些发现突出了将陆地DOM稳定性框架应用于结构分层、受海洋影响的地下水系统的关键限制，其中热力学潜力和实际生物利用性存在根本差异[4]。**结论**
这项针对受季风影响的沿海含水层的综合多代理研究揭示了，在垂直分层的地下水系统中，有机质（DOM）的生物地球化学特性主要由季节性水文条件、含水层结构以及长期的海水入侵（SWI）相互作用所决定。我们发现浅层非承压含水层具有较好的韧性，受到土壤的缓冲作用；持续的非饱和带平衡状态使得DOM免受极端水化学扰动的影响。尽管受到季风影响导致水体淡化，浅层地下水在各个季节仍保持了一致的腐殖化特征、芳香性和氧化状态。相关性分析表明，浅层井中的DOM浓度与盐度基本无关，这反映了干旱期间蒸发蒸腾作用对DOM浓度的影响。这种缓冲能力对水质具有重要意义，表明DOM的反应性更为可预测，从而可能有助于减少水处理过程中消毒副产物的产生。

相比之下，深层承压含水层中的DOM特征更具动态性，且随季节变化而变化。雨季的渗透作用引发了微生物活动的增强，表现为蛋白质样荧光的升高、氮化合物的富集以及氧化状态的降低。特别是在受海水入侵影响的区域，这种微生物激活现象尤为显著，强烈表明长期的海水-含水层相互作用为系统提供了条件，使其在季风带来的新鲜物质作用下能够表现出更强的生物活性。同时，深层地下水中积累了持久的卤代DOM，其中溴元素是海洋影响的敏感示踪剂。雨季氯化化合物的增加可能表明，在深层地下水中高氯化物背景下，季风带来的陆地DOM发生了卤化反应。

我们的分子生物学研究结果指出了传统热力学模型在预测DOM生物可利用性方面的严重局限性：深层地下水既表现出较高的理论不稳定性，又具有较高的化学势。然而，相关性分析表明这种表面上的不稳定性实际上与DOM的实际生物可利用性并无关联。这些高指标主要是由长链饱和脂肪酸和卤代烷烃的选择性积累所驱动的。尽管这些化合物在结构上不稳定，但在承压含水层的咸水和缺氧环境中，它们在动力学上受到保护，生物降解难度较大。因此，在受海洋影响的垂直分层系统中，传统的陆地物质不稳定性理论不再适用。随着气候变化加剧季风极端现象并加速沿海地区盐碱化进程，这些发现对公共卫生具有紧迫性。在那些易发地方性肾脏疾病的地区，深层含水层中积累的持久性有机卤化物和动力学上难以降解的富能DOM隐藏了潜在的水质风险，而这些风险无法通过常规的批量碳测量方法检测出来。总体而言，可持续管理热带沿海地下水必须考虑到这些由季风水文和海水入侵共同作用引起的、垂直分层的有机物质化学变化。不过，我们需要更高时间分辨率的采样数据来完全揭示季节内的变化规律。

**补充材料**
相关支持信息可下载至：
https://www.mdpi.com/article/10.3390/hydrology13050120/s1
- 文本S1：用于FT-ICR-MS样品制备的固相萃取（SPE）方法
- 表S1：通过PARAFAC分析鉴定的五种成分的光谱特征与先前已知来源的对比
- 表S2：干季和雨季浅层井及管井中DOM的荧光成分及光学指数
- 表S3：干季和雨季浅层井及管井中DOM的荧光成分及光学指数
- 表S4：干季浅层井中DOM分子组成的数量及相对强度加权参数
- 表S5：雨季浅层井中DOM分子组成的数量及相对强度加权参数
- 表S6：干季管井中DOM分子组成的数量及相对强度加权参数
- 表S7：雨季管井中DOM分子组成的数量及相对强度加权参数
- 图S1：DOM PARAFAC分析鉴定的六种成分的激发（蓝线）和发射（橙线）光谱特征
- 图S2：干季和雨季的海水入侵插值图
- 图S3：干季和雨季浅层井及管井中地下水荧光指数的空间分布图
- 生物指数（BIX）、荧光指数（Fl）、新鲜度指数（Frel）