维管植物主导下泥炭碳转化的关键驱动因子：非生物与生物因素的作用解析

本研究针对气候变化背景下泥炭地碳汇功能退化的关键科学问题，通过创新性的原位翻转实验设计，揭示了不同植被类型（莎草、禾草与灌木）主导的泥炭地中温度、水分与基质质量对分解者（线蚓与微生物）活动及碳输出（CO2与DOC）的差异化调控机制。结果表明：莎草生境中温度是夏季CO2排放的主控因子；禾草生境的高质量基质促进线蚓活动并导致DOC大量流失；灌木生境的氧化条件则加剧CO2释放。该研究为精准预测全球变化下泥炭地碳循环命运提供了关键实验证据。

　　

随着全球气候变化加剧，北方泥炭地这一巨大碳库正面临严峻挑战。这些积累了上万年的有机碳储量约占陆地碳库的三分之一，但其碳汇功能却因温度升高、水位下降及植被组成变化而受到威胁。更令人担忧的是，维管植物（如莎草、禾草和灌木）正逐渐取代传统苔藓优势种，通过改变凋落物质量和根系分泌物输入，直接影响分解者群落活动与碳释放途径。然而，当前研究对非生物（温度、水分）与生物（植被类型、土壤生物）因素在泥炭碳转化中的相对作用仍不明确，特别是不同植被生境中碳损失途径（CO₂与溶解性有机碳DOC）的分异机制尚未系统揭示。

为解决这一难题，由西班牙维哥大学Maria J.I. Briones教授领衔的研究团队，在西班牙西北部Serra do Xistral地区选取了三种典型维管植物主导的泥炭地生境——以莎草（Eriophorum angustifolium）为主的活性毯状沼泽、以禾草（Molinia caerulea）为主的沼泽及以灌木（Erica mackayana和Calluna vulgaris）为主的大西洋湿灌丛，开展了一项创新的原位翻转实验。研究人员将原位采集的泥炭草皮（约10 cm深）上下翻转后重新埋入，从而在保持微气候梯度不变的条件下逆转基质质量梯度（即将高度腐殖化的底层泥炭暴露于表层环境）。通过对比正常与翻转处理中土壤生物（线蚓和微生物）的垂直分布、活动特征及碳输出动态，揭示了不同生境下碳损失的主导驱动因子。该研究成果发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》期刊，为理解泥炭地碳循环响应气候变化的机制提供了重要实验证据。

研究团队综合运用了多种关键技术方法：首先通过野外原位翻转实验模拟基质质量与微气候梯度的解耦；利用温度数据记录仪（HOBO UA-002-08）连续监测不同深度土壤温度动态；采用湿漏斗法提取线蚓并测定其丰度与垂直分布；运用放射性碳（¹⁴C）同位素示踪技术分析线蚓组织及土壤有机碳的年龄构成；通过氯仿熏蒸-提取法测定微生物生物量碳（MBC）；使用总有机碳分析仪（TOC-5000A）量化溶解性有机碳（DOC）浓度；并利用便携式红外气体分析仪（LI-COR 8100A）测定土壤呼吸速率。所有数据均通过重复测量方差分析（ANOVA）和最小二乘均值检验进行统计验证。

3.1. ¹⁴C泥炭剖面揭示碳积累差异

土壤放射性碳分析显示，莎草生境各深度碳库均呈前核爆时代特征（<100%现代碳），表明碳积累历史悠久；禾草生境的现代碳富集仅局限于表层3 cm，随深度急剧下降；而灌木生境则显示出更深的核爆峰渗透，说明碳周转速率较快。

3.2. 土壤非生物梯度变化

夏季升温导致所有生境土壤温度显著上升（灌木生境最高），但垂直温度梯度在夏季消失。莎草生境土壤湿度最高（84%），禾草与灌木生境均低于77%。翻转处理使莎草和禾草生境的底层水分流失，但灌木生境各层湿度反增13%。碳氮含量分析表明，莎草生境夏季碳含量显著降低，而禾草与灌木生境则升高；氮含量在禾草与灌木生境夏季显著增加。

3.3. 土壤生物梯度响应

微生物生物量（MBC）在夏季均增加，禾草生境增幅最大。线蚓密度在夏季增长显著（禾草生境增加两倍以上），且主要集中于表层。翻转处理后，莎草和禾草生境线蚓数量减少，而灌木生境个体向新表层（原底层）迁移。¹⁴C示踪显示，夏季线蚓在禾草生境中层摄取约11年老龄碳，翻转处理更导致所有生境线蚓普遍取食7-12年老碳。

3.4. 碳输出机制分异

土壤呼吸速率在夏季显著升高（灌木生境最高），但翻转处理使CO₂排放减少75-88%。DOC产量在禾草生境最高，且翻转处理使其表层DOC增加55%。pH值变化不显著，但翻转后莎草生境溶液偏碱，其他生境偏酸。

研究结论强调，泥炭地碳损失途径的驱动机制具有生境依赖性：在水分饱和的莎草生境中，温度是激发夏季CO₂产生的关键因子；禾草生境的高质量基质（低C/N比、高活性碳输入）通过促进线蚓和微生物活动导致DOC大量流失；而灌木生境的氧化条件和温暖环境则优先驱动CO₂排放。值得注意的是，CO₂与DOC的产生途径相互独立——前者受温度和氧气可用性调控，后者则主要由基质质量及植物来源的活性碳输入驱动。

该研究首次通过原位操控实验证实了植被类型通过调控分解者群落活动而决定泥炭地碳输出模式的机制，揭示了气候变化下维管植物扩张可能通过改变生物调控网络而加剧泥炭地碳流失风险。研究成果强调在未来模型预测中必须纳入生物因子的调控作用，为全球尺度泥炭地碳循环模拟提供了关键参数依据，对制定基于生态系统的气候变化应对策略具有重要科学意义。