冻土缺氧环境下矿物与泥炭地有机碳的强化结合机制及其气候意义

本研究针对冻土泥炭地有机碳(OC)稳定性机制的关键科学问题，通过对比中国东北冻土与非冻土泥炭地金属结合有机碳(metal-bound OC)分布特征，结合全球1030个陆地生态系统数据综合分析，首次揭示冻土环境通过促进铁矿物保留、富集慢速生长微生物及低氮高磷条件，使缺氧层金属结合OC浓度提升4倍（34.5±2.6 g kg-1 ），为预测气候变暖背景下冻土碳库稳定性提供了新视角。

　　

北极地区被称为地球的“天然冰箱”，储存着全球约50%的土壤有机碳(OC)，其中泥炭地作为碳汇“冠军”贡献了近5000亿吨碳。然而这个“碳保险箱”正面临气候变暖的严峻挑战——冻土退化可能导致封存数万年的有机碳被微生物“大快朵颐”，释放出巨量温室气体，形成所谓的“碳炸弹”。更令人担忧的是，目前科学界对冻土碳保护机制仍存在激烈争论：究竟是低温本身还是矿物结合作用在维持碳稳定性？特别是在水分饱和的缺氧环境中，铁矿物这类“碳保镖”是否会因还原反应“罢工”？这些问题直接关系到全球碳循环模型的预测精度。

针对这些关键科学问题，中国东北的研究团队在《Environmental Research》发表的研究给出了突破性答案。通过系统分析中国东北冻土与非冻土泥炭地样本，结合全球1030个生态系统数据荟萃分析，研究人员首次揭示了冻土环境通过三重机制强化缺氧层矿物-碳结合作用：铁矿物“库存”更足、慢速生长微生物提供更多“铁亲和型”有机碳、低氮高磷的化学环境增强结合稳定性。这项发现不仅改写了传统认知中泥炭地碳储存的“植物残体主导论”，更预警了冻土退化可能通过削弱矿物保护作用引发碳库失稳的连锁反应。

关键技术方法
研究团队采用空间替代时间法，在中国东北选取12个典型泥炭地（6个冻土影响，6个非冻土）采集剖面样本，区分氧化层与缺氧层。通过连续化学提取法测定活性铁(Fe_R
)和金属结合OC，结合三维荧光光谱(EEMs)解析有机质组成，高通量测序分析微生物群落，并整合全球数据库进行跨生态系统比较。

主要研究结果

Difference in metal-bound OC associations between oxic and anoxic layer in peatlands
氧化还原条件显著调控矿物-碳结合效率。在冻土泥炭地中，氧化层金属结合OC浓度高达59.0 g kg^-1
，是缺氧层的2.6倍；但冻土缺氧层的金属结合OC仍比非冻土泥炭地高4倍（34.5 vs 8.7 g kg^-1
），OC:Fe摩尔比提升3倍，表明冻土环境能有效缓解缺氧对矿物保护的负面影响。

Protection of OC by minerals in peatlands
全球尺度对比显示，泥炭地金属结合OC浓度（21.3-59.0 g kg^-1
）远超农田、森林等系统（3.8-10.5 g kg^-1
）。冻土泥炭地特有的低氮高磷环境（C:N比>25）抑制了微生物矿化作用，而富铁矿物（Fe_R
占比>60%）与慢速生长的放线菌门（相对丰度>15%）协同促进了持久性有机碳的形成。

Conclusions
冻土环境通过物理-生物-化学耦合机制创造独特的“矿物碳库”：低温抑制铁还原菌活性，保留更多活性铁矿物；贫营养环境筛选出具有铁载体合成能力的微生物，其代谢产物更易与矿物结合；低氮高磷的化学计量特征进一步稳定矿物-有机复合体。这项研究首次量化了冻土泥炭地矿物保护效应对全球碳预算的贡献，预警当前气候模型可能低估了冻土退化导致的矿物结合碳流失风险，为“碳-气候反馈”预测提供了新的机制参数。