泥炭地碳储存的微生物调控机制：木本植物扩张如何重塑有机质组成与碳积累动态

本研究通过多指标分析揭示亚热带泥炭地(ZGT)中全新世暖干期木本植物扩张如何通过改变微生物代谢(δ13C和δ2H同位素示踪)和泥炭有机质组成(FTIR分析)，抑制细菌异养作用并促进芳香类物质积累，最终使碳积累速率(aCAR)达到146 g C/m2/yr峰值。该发现为气候变化下泥炭地碳库稳定性提供了关键调控机制。

　　

在全球气候变化背景下，泥炭地作为仅占陆地面积3%却储存全球30%土壤碳的关键生态系统，其碳循环动态备受关注。然而，气候变暖正引发泥炭地植被组成剧变——木本植物（灌木和乔木）在干旱条件下大规模扩张，逐渐取代传统优势物种如泥炭藓(Sphagnum)和草本植物。这种生态转型对泥炭地碳储存的影响存在巨大认知空白：木本植物根系分泌物可能刺激微生物分解古老泥炭，而富含多酚的木质残体又可能抑制微生物活性。这种矛盾效应使得预测未来泥炭地碳汇功能成为重大科学挑战。

中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室的研究团队联合国际合作者，选择中国湖南的赵公亭(ZGT)亚热带泥炭地作为研究对象，通过整合植物大化石、细菌藿烷类脂、真菌脂肪酸生物标志物、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和碳氢同位素(δ¹³C, δ²H)等多指标分析，首次揭示了木本植物扩张通过"植被-有机质-微生物"三级联级反应增强碳储存的机制。这项突破性成果发表于《Nature Communications》。

研究团队运用四大关键技术：1) 植物大化石定量重建古植被组成；2) 细菌藿烷和真菌C_18:2ω6,9脂肪酸生物标志物定量微生物生物量；3) 化合物特异性同位素分析（δ¹³C_hopane和δ²H_hopane）追踪微生物代谢途径转变；4) FTIR光谱解析泥炭有机质化学组成变化。

木本植物扩张驱动植被转型
通过14,000年沉积记录发现，晚更新世至早全新世草本植物占80%，而中全新世8-6 ka期间木本植物比例骤增至90%。同位素证据（n-烷烃δ¹³C升高2‰）结合藿烷通量增加，证实这一时期伴随显著暖干化，为木本扩张创造有利条件。

微生物代谢的适应性转变
细菌藿烷δ¹³C波动达8‰，ε_hopane/bulk（藿烷与总有机碳同位素偏移）在-4‰至4‰间变化，反映碳源利用转变。更关键的是ε_hopane/water（氢同位素分馏）下降40%，表明微生物从异养向自养代谢过渡。真菌生物标志物C_18:2ω6,9脂肪酸浓度先升后降，显示初期干旱促进真菌生长，后期木质素积累抑制其活性。

泥炭有机质重构
FTIR显示木本扩张期碳水化合物比例从40%骤降至20%，而芳香类物质（木质素衍生物）显著增加。这种转变与ε_hopane/water显著负相关（r=-0.64），证实芳香类物质积累直接抑制微生物异养活性。

碳积累峰值机制
在木本扩张最盛期（7.1 ka），尽管气候暖干，碳积累速率(aCAR)却达146 g C/m²/yr峰值。全球155个泥炭地数据验证该规律：北方泥炭地木本优势期aCAR（39.1 g C/m²/yr）显著高于非木本期（28.1 g C/m²/yr），热带泥炭地差异更显著（83.1 vs 55.3 g C/m²/yr）。

这项研究首次阐明木本扩张通过三重机制保护泥炭地碳储存：1) 提高初级生产力；2) 增加芳香类物质（木质素）比例构建难降解碳库；3) 抑制微生物异养代谢。该发现挑战了"暖干气候必然导致泥炭地碳流失"的传统认知，为预测气候变化下碳循环响应提供了新范式。特别值得注意的是，当木本植物与泥炭藓共生时，能形成最佳碳封存组合——泥炭藓维持湿润环境防止过度氧化，而木本植物提供抗分解的有机质。这一发现对指导生态修复具有重要价值，提示适度木本化可能是增强泥炭地气候韧性的自然解决方案。