受地下水位影响的高山泥炭地中颗粒碳和与矿物相关的有机碳的分散模式及其驱动因素

《CATENA》：Water table-driven divergent patterns and drivers of particulate and mineral-associated organic carbon in alpine peatlands

SOC组分与驱动因素研究，POC占比58.4%显著高于其他生态系统，受木质素酚、总氮及真菌残体碳影响，MAOC与矿物保护相关。水位上升增加POC及其贡献比例，水位下降则提高MAOC比例但减少总SOC储量。区域估算显示POC为37.99 Tg，MAOC为25.47 Tg，强调了恢复湿地对碳汇的重要性。

　　本研究聚焦于青藏高原东部的若尔盖高原泥炭地，探讨了土壤有机碳（SOC）在不同水位条件下如何被划分为颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）两个主要组分。泥炭地作为重要的碳库，其碳储量占全球陆地土壤碳总量的三分之一，尽管仅占陆地面积的不到3%。由于长期处于水淹和缺氧状态，泥炭地的有机质分解速率极低，有利于SOC的长期保存。然而，这些生态系统对气候变化和人类活动的敏感性使其成为全球碳循环和气候调节的关键环节。在若尔盖高原，研究团队采集了43个具有不同水位的代表性样点的表层土壤（0-20厘米深度），并结合多种分析方法，深入解析了POC和MAOC的分布规律及其驱动因素。

在若尔盖高原的泥炭地中，POC的平均浓度为131.71克/千克土壤，MAOC的平均浓度为92.75克/千克土壤。POC在SOC中占比达到58.4%，这一比例显著高于其他陆地生态系统，如森林、灌木丛、草地和农田。这一现象表明，若尔盖高原泥炭地的碳储存结构与其它生态系统存在显著差异。POC主要来源于未被微团聚体包裹或与矿物结合的半分解植物残体，因此更易被微生物分解。相比之下，MAOC则通过微生物残体或低分子量植物化合物与矿物表面的结合而形成，具有更强的抗分解能力。POC在土壤中的平均停留时间通常不超过十年，而MAOC可维持数十年甚至上百年。这种显著的差异可能解释了之前关于SOC对环境变化响应不一致的发现。

为了深入理解POC和MAOC的形成机制及其在泥炭地中的作用，研究团队采用了一种基于颗粒大小的SOC组分分离方法。该方法首先将冻干的土壤样本放入含有0.5%六偏磷酸钠溶液的样品瓶中，通过摇晃和筛分过程，将POC（>53微米）与MAOC（<53微米）分离。随后，通过元素分析仪测定POC和MAOC的浓度，并结合土壤容重、深度等参数计算其碳储量。此外，研究还分析了土壤的理化性质、微生物群落特征以及矿物保护机制对SOC组分的影响。

研究发现，POC的分布受到多种环境因素的影响，包括植物残体输入、土壤总氮含量、木质素酚类物质以及真菌残体碳等。其中，木质素酚类物质与POC之间表现出显著的正相关性，说明植物来源的有机质是POC的主要贡献者。而MAOC的形成则更依赖于矿物保护机制，如铁结合碳（Fe-C）、非晶态铁氧化物（Feo）和自由铝氧化物（Ald）等。研究还发现，土壤酶活性（如纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰葡糖胺酶）对POC有显著的正向影响，但对MAOC则无明显关联。这一现象可能与MAOC受到矿物和微团聚体的保护有关，使其不易被土壤酶分解。

通过随机森林模型，研究团队进一步预测了POC和MAOC在若尔盖高原泥炭地中的空间分布模式。结果显示，POC储量和其对SOC的贡献在东南向西北逐渐增加，而MAOC则呈现相反的趋势，其储量和贡献在东南区域较高。这一发现揭示了POC和MAOC在泥炭地中的空间异质性，表明水位变化对这两种碳组分的分布具有重要影响。研究还指出，水位升高会促进POC的积累，同时提高其对SOC的贡献比例；而水位下降则会增强MAOC对SOC的贡献，但总体SOC储量可能减少。这表明，水位变化不仅影响SOC的组成，还对整体碳储量产生深远影响。

在若尔盖高原，由于长期的水淹和低温环境，土壤微生物活动受到抑制，导致POC的积累较为显著。同时，高水分条件促进了铁的还原，进而可能释放MAOC，使其更容易流失。因此，若尔盖高原的泥炭地通常表现出较高的POC比例和较低的MAOC浓度。相比之下，其他陆地生态系统如森林、草地、农田和灌木丛由于土壤通气性较好，微生物活动更为活跃，POC的分解速率较高，MAOC的形成则更为稳定。

研究还发现，氮素的输入对SOC的组成和储量有显著影响。氮素的增加不仅提高了植物生产力，还促进了土壤微生物的活动，从而加速了新鲜有机质向POC的转化。然而，氮素的增加也可能导致土壤酸化，进而影响MAOC的形成。此外，土壤酶活性与POC之间存在显著的正向关系，而与MAOC则无明显联系。这可能是因为MAOC受到矿物和微团聚体的保护，使其不易被酶分解。

在讨论部分，研究团队指出，MAOC的形成主要依赖于矿物保护机制，而非微生物残体的直接贡献。土壤矿物通过多种机制（如配位交换、离子桥接、氢键和范德华力）与有机质结合，从而防止微生物和酶的分解。此外，土壤容重与MAOC之间存在显著的负相关关系，表明低容重土壤可能更有利于MAOC的形成，因为其结构松散，孔隙度较高，有助于有机质与粘土矿物或铁铝氧化物的相互作用。相反，高容重土壤由于排水不良和长期水淹，可能不利于MAOC的稳定。

研究还强调了水位变化对泥炭地碳储量的影响。水位的升高不仅增加了POC的储量，还提高了其对SOC的贡献比例，而水位的下降则促进了MAOC的积累，但同时导致SOC总体储量的减少。这一现象表明，水位变化是调控泥炭地碳动态的重要因素，尤其是在全球变暖和干旱等气候变化背景下。此外，若尔盖高原的泥炭地因长期排水而受到严重退化，这不仅影响了其碳储存能力，还对区域生态安全构成威胁。因此，恢复泥炭地的水位，即通过生态修复措施，对于恢复其碳汇功能具有重要意义。

最后，研究团队总结指出，若尔盖高原的泥炭地在碳储存方面具有重要作用，但其对气候变化和人类活动的敏感性也使其面临较大的风险。通过系统分析POC和MAOC的分布规律及其驱动因素，研究提供了重要的理论依据和实践指导，有助于深入理解泥炭地碳的形成、稳定性和储存能力，尤其是在未来气候变化和人类活动加剧的背景下。研究还指出，由于采样范围的限制，目前的空间预测可能存在一定的偏差，未来需要更广泛的采样和更精细的分析，以进一步揭示若尔盖高原泥炭地碳动态的复杂性。