珊瑚岛生态系统土壤有机质稳定性150年衰退的分子组成解析及其气候意义

本研究针对全球气候变化背景下珊瑚岛土壤有机质(SOM)稳定性机制不明的问题，通过稳定同位素混合模型、FTIR光谱、13C NMR和热裂解分析等多技术联用，揭示了过去150年间西沙群岛SOM来源从海鸟粪向植物腐殖质的转变导致其稳定性下降，为评估珊瑚岛碳汇功能演变提供了分子水平证据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，珊瑚岛生态系统作为海洋碳汇的特殊载体正面临前所未有的挑战。这些由珊瑚残骸构成的岛屿虽然仅占海洋面积的0.2%，却孕育着超过25%的海洋生物多样性。更引人注目的是，珊瑚岛土壤在植被覆盖下展现出惊人的碳储存潜力——其土壤碳库含量可达大气碳储量的两倍。然而，这片"蓝色荒漠"中的土壤有机质（Soil Organic Matter, SOM）稳定性正随着生态系统的演替发生着微妙而深刻的变化。

中国科学院南京土壤研究所的研究团队在西沙群岛展开了一项跨越150年的时空探索。通过分析典型土壤剖面，发现随着植被覆盖率从零增至80%以上，SOM来源发生了根本性转变：早期由海鸟粪主导的输入模式逐渐被植物腐殖质取代。这种转变在分子水平上表现为羧基碳比例从14.49%降至8.30%，而烷氧基碳从43.45%升至51.90%。更令人警觉的是，热裂解指纹图谱显示表层土壤中木质素含量在0-15cm层段骤增至12.31%，标志着SOM稳定性正在持续衰退。这项发表于《CATENA》的研究首次建立了珊瑚岛生态演替与SOM分子特征变化的定量关系。

研究团队采用多尺度分析技术：通过稳定同位素（δ¹⁵N和δ¹³C）示踪SOM来源演变；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和固态¹³C核磁共振（¹³C NMR）解析官能团变化；结合热裂解气相色谱-质谱（Py-GC/MS）获取分子指纹；最终通过结构方程模型量化各因素对稳定性的贡献。所有样本均取自西沙群岛典型植被带下的土壤剖面，涵盖不同演化阶段的沉积层。

【SOM来源变化】

稳定同位素数据显示：在18cm深度界面处，δ¹³C值从-22‰突降至-27.2‰，δ¹⁵N从14‰降至9.8‰，该突变对应约1850年海鸟种群衰退事件。同位素混合模型证实现代表层SOM中植物源贡献率超过85%。

【分子组成演变】

FTIR光谱在2920cm^-1处出现显著烷基吸收峰，¹³C NMR揭示烷氧碳（Alko-C）比例上升而羧基碳下降。Py-GC/MS检测到表层特有的丁香酚和香草醛等木质素标志物，其含量与植被覆盖率呈正相关（R²=0.89）。

【稳定性驱动机制】

结构方程模型显示：海鸟粪衍生成分通过芳香化作用提升稳定性（路径系数+0.63），而植物源输入通过增加可降解组分降低稳定性（路径系数-0.41）。环境因子中，蒸发量（2400mm/年）对稳定性的负向影响最为显著。

这项研究揭示了珊瑚岛SOM稳定性衰退的分子机制：生态演替驱动的来源转变导致化学结构"去稳定化"。尽管当前西沙群岛仍是净碳汇，但其SOM稳定性已降至工业革命前水平的57%。该发现为预测全球珊瑚岛碳汇功能演变提供了新范式，对制定基于自然的气候变化解决方案具有重要指导意义。特别值得注意的是，研究提出的多技术联用框架（FTIR-¹³C NMR-PyGC/MS）为其他特殊生态系统的碳稳定性研究建立了方法学标杆。随着气候变暖持续，这项研究警示我们需要重新评估珊瑚岛从碳汇向碳源的潜在转变风险。