冻土侵蚀梯度下苔原池塘溶解性有机质与营养盐的迁移转化机制及其气候反馈意义

本研究针对北极冻土退化形成的冰楔多边形苔原池塘，通过连续三年采样分析溶解性有机质(DOM)和营养盐(C、N、P)的垂直分布特征，揭示侵蚀型冰楔槽塘(eIWT)底部富集DOC(+25%)、TN(+36%)和NH4+(+1164%)的规律，发现DOM主要源自土壤腐殖质(57%-75%)但会随植被定殖向蛋白类组分转化。研究成果为评估北极淡水系统在气候变暖背景下的生物地球化学循环提供了关键数据支撑。

　　

在北极广袤的冰楔多边形地貌中，永久冻土的加速融化正塑造着数以万计的浅水池塘。这些看似微小的水体却是温室气体排放的热点区域，其溶解性有机质(DOM)和营养盐的动态变化直接影响着北极碳循环。然而，这些面积不足1000平方米的水体长期被科研界忽视，特别是关于其DOM组成与冻土侵蚀程度的关系、水体分层对物质分布的影响等关键问题仍缺乏系统认知。来自加拿大国家科学研究院水环境研究中心（Institut national de la recherche scientifique, INRS）的Thomas Pacoureau团队在《Arctic Science》发表的研究，通过三年野外观测结合先进的光学分析技术，首次揭示了不同类型苔原池塘的DOM迁移规律及其气候响应机制。

研究人员采用紫外-可见光谱、三维荧光光谱结合平行因子分析(PARAFAC)等关键技术，对加拿大巴洛特岛Qarlikturvik山谷的20个池塘（分为侵蚀型冰楔槽塘eIWT、稳定型冰楔槽塘sIWT和融合多边形塘CP三类）进行分层采样，同步测定DOC、总氮(TN)、铵盐(NH₄⁺)、总磷(TP)等参数，并采集周边冻土、植被的浸出液进行DOM源解析。

3.1 DOM性质随池塘类型的演变规律

通过PARAFAC识别出8种荧光组分，包括4种腐殖质类(HT1-4)、2种微生物衍生类(HM1-2)和2种蛋白类(P1-2)。数据显示eIWT池塘底部DOC浓度比表层高25%，其DOM中土壤来源的腐殖质占比高达75%，而随着植被定殖的sIWT和CP池塘中蛋白类组分显著增加。特别值得注意的是，CP池塘因与槽塘网络隔离且光照充足，DOM呈现低芳香性(SUVA₂₅₄降低)和小分子量特征(S₂₈₅升高)。

3.2 营养盐的垂直分异现象

在分层明显的eIWT池塘中，底层水的TN、NH₄⁺和TP分别比表层高出36%、1164%和108%。这种"底部富集效应"与缺氧环境下的沉积物释放密切相关，其中NH₄⁺的剧增可能源自冻土融化释放的古老氮库。而PO₄^3-的低浓度则暗示其可能与铁氧化物(平均4.5 mg L^-1)形成络合物。

3.4 气候因子的调控作用

在温暖多雨的2019年，池塘DOC浓度较干旱年份增加26%，DOM组分中源自蓝藻垫的HT4和冻土过渡层的HM2贡献提升。这表明降雨增加会同时促进冻土DOM的侧向迁移和初级生产者的有机质输入，这种"双重来源效应"将深刻影响碳循环路径。

这项研究构建了冻土侵蚀-池塘类型-物质循环的完整认知框架：侵蚀阶段(eIWT)以土壤DOM输入为主导，稳定阶段(sIWT)出现植被调控的过渡特征，而成熟阶段(CP)则转为内源生产主导。特别重要的是，研究发现底部富集效应可使池塘碳储量被低估25%以上，这对精确评估北极淡水系统碳预算具有方法论意义。随着北极降雨量预测增加，冻土DOM输入与蓝藻生产的此消彼长将决定这些"微型反应器"是成为碳汇还是碳源。该成果为理解气候变暖背景下北极水体的生物地球化学反馈提供了关键参数，其建立的DOM光学指纹数据库还可服务于遥感监测模型的开发。