中国东北半干旱地区典型湿地中土壤有机碳与无机碳的分布特征及其相互关系

《CATENA》：Distribution characteristics and relationships of soil organic carbon and inorganic carbon in a typical wetland in semi-arid area of Northeast China

本研究以内蒙古莫莫格湿地为对象，分析不同水文连通性和植被类型下土壤有机碳（SOC）和无机碳（SIC）的分布特征及驱动机制，揭示SOC与SIC的互补关系，为半干旱湿地碳汇评估提供依据。

　　在半干旱地区，土壤有机碳（SOC）和无机碳（SIC）的分布特征及其驱动机制对于理解这些湿地的碳汇功能具有重要意义。当前，针对半干旱湿地SOC和SIC的研究仍显不足，因此，本研究以具有代表性的半干旱湿地——莫日格勒湿地（Momoge Wetland）为研究对象，重点探讨其SOC和SIC的分布模式及其变化原因。莫日格勒湿地展现了三种不同的水文连通模式：泛滥平原湿地（ET）、灌溉区湿地（ME）和孤立湿地（WT）。该湿地包含七种不同的植被类型和四种显著的盐度梯度。通过分析土壤理化性质、微生物特征、SOC和SIC之间的关系，我们识别出影响SOC和SIC分布、储量及相互作用的主要因素。研究结果表明，在0–100厘米的土壤层中，SOC和SIC的分布存在显著的空间异质性，这主要与植被类型、水文连通模式以及盐度的变化有关。莫日格勒湿地1米深度内的总SOC储量为1.06×10^7 Mg，而总SIC储量为5.93×10^6 Mg。在影响SOC和SIC含量及密度的理化土壤因子中，总氮（TN）和总钙（TCa）分别是最为重要的因素。微生物特征和土壤理化性质共同解释了SOC变化的28.5%和SIC变化的22.9%。SOC和SIC之间表现出互补关系；具体而言，水文连通模式的变化（ET→ME→WT）通过多种途径促进了SOC向SIC的转化，其转化强度存在差异。这种转化主要通过改变土壤pH和盐度条件，调节植物特性、土壤养分及微生物特征来实现。这些发现为理解半干旱湿地土壤碳转化和固存机制提供了重要依据。

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳储存形式，其储量在1米深度内估计约为2500 Pg C（Du and Gao, 2020），远高于大气碳库（760–880 Pg C）和陆地生物碳库（540–610 Pg C）（Xu et al., 2021, Naorem et al., 2022, Ma et al., 2024）。湿地作为全球最重要的土壤碳库之一，仅占全球陆地面积的6%–8%，却储存了陆地生态系统中20%–30%的土壤碳（Lal, 2008, Nahlik and Fennessy, 2016）。它们在全球碳循环平衡和缓解气候变化中发挥着关键作用（Lal, 2008, Tranvik et al., 2018）。特别是在半干旱地区，湿地对于调节陆地生态系统中的碳储存具有重要作用（Fang et al., 2018）。半干旱地区覆盖了全球陆地面积的大约15%，是全球碳汇趋势和年际变化的重要驱动力（World Health Organization., 2005, Poulter et al., 2014, Zhang et al., 2020）。因此，研究半干旱湿地土壤碳库的变化及其影响因素具有重要价值。然而，以往的研究主要集中于森林、农田和草地等生态系统中的SOC变化，以及植物对半干旱地区碳循环变化的贡献（Zhang et al., 2020, Chenchouni and Neffar, 2022, Ferreiro-Domínguez et al., 2022, Thapa et al., 2023），而对半干旱湿地土壤碳库的研究相对有限。

土壤碳库包括两个组成部分：SOC和SIC。其动态变化主要由SOC和SIC的形成与分解过程驱动（Ren et al., 2024）。因此，全面研究SOC和SIC的分布及其影响因素是必要的。SOC主要由植物残体、动物残渣和微生物活动形成，因其对气候变化和局部环境变化的高敏感性而备受关注（Zhongsheng et al., 2023）。植被、水文和土壤性质是驱动SOC动态变化的主要因素（Córdova et al., 2018, Xia et al., 2022, Mou et al., 2024, Guo et al., 2025）。植物碳输入是SOC储存的主要决定因素，但高植物生物量并不一定意味着更高的碳输入（Gao et al., 2019, Xia et al., 2022）。此外，植被类型和多样性可以通过影响碳输入的质量来调控SOC的积累（Fu et al., 2021, Mou et al., 2024）。水文连通性反映了地表水文条件，并通过影响沉积物输送和淹没时间来调控SOC的分解和储存（Doetterl et al., 2016, Blaurock et al., 2021, Zeng et al., 2022）。此外，以往研究表明，SOC的最终储存通常受到土壤理化性质的控制（Luo et al., 2017）。然而，目前大多数关于SOC的研究集中在高碳密度和单一植被类型的湿地中（Whitaker et al., 2015, Gao et al., 2019），而对半干旱地区湿地SOC的研究仍较为有限。

SIC是土壤中仅次于SOC的第二大碳库（Lal et al., 2021）。然而，与SOC的广泛研究相比，关于SIC的研究相对较少，尤其是在半干旱湿地土壤中的分布和储存情况尚未得到充分探索。这主要是由于传统观点认为SIC具有较长的周转时间，且相对稳定（Zang et al., 2018, Pan et al., 2022, Li et al., 2024a）。然而，近期研究发现，灌溉、大气氮沉降、植被类型以及土壤理化性质的变化（如pH和盐度）可以导致SIC的增加或减少（Song et al., 2022, Yang et al., 2024）。因此，研究SIC的分布和储存及其影响因素对于评估半干旱地区碳库的储存状况及其对碳循环的贡献至关重要。此外，SOC和SIC之间存在密切的相互作用和转化过程（Li et al., 2024b），这影响了土壤碳固存和结构稳定性（Ma et al., 2024）。然而，SOC与SIC之间的关系仍存在不确定性，有研究报告了正相关、负相关或无相关性（Zhao et al., 2016a, Gao et al., 2018, Zhao et al., 2019）。这种不确定性凸显了SOC与SIC转化过程中所涉及的复杂机制，这些机制受到土地利用变化、土壤性质、水文条件以及SIC和SOC来源等因素的影响，而我们对这些动态过程的理解仍较为有限（Guo et al., 2016, Lu et al., 2020, Pan et al., 2022, Ma et al., 2024）。此外，大多数研究集中在干旱和半干旱地区农田、草地和高山草甸中的SIC变化（Lu et al., 2020, Pan et al., 2022, Ma et al., 2024）。因此，SOC与SIC在半干旱湿地中的关系及其驱动因素亟需深入研究。

近年来，由于气候变化和人类活动的影响，湿地植被、水文连通性和盐度浓度发生了显著变化，导致半干旱湿地出现严重的退化和盐碱化现象（Gran et al., 2011, Neubauer, 2013, Liu et al., 2020b），这将影响SOC和SIC的储存及其相互关系。莫日格勒湿地不仅是国际重要的湿地之一，也是中国吉林省西部最大的、最具代表性的湿地保护区。该湿地位于松嫩平原西部，靠近嫩江河的东部和洮儿河的南部（45°42′25″–46°18′0″ N，123°27′0″–124°4′33″ E；见图S1）。它受温带大陆性季风气候影响，年平均气温为4.2°C。莫日格勒湿地以其多样化的水文连通模式、不同的植被类型和显著的空间盐度异质性而著称，这使其成为研究半干旱湿地SOC和SIC分布及其驱动机制的理想自然实验室。因此，本研究选择了莫日格勒湿地作为研究重点。我们分析了不同植被类型、水文连通模式和盐度梯度下的SOC和SIC含量及密度变化，识别了驱动SOC和SIC含量及密度的关键因素，并阐明了SOC与SIC之间的转化关系。我们提出了三个假设：（1）在莫日格勒湿地中，SOC储量与SIC储量相当，甚至高于SIC储量；（2）总氮（TN）、总钙（TCa）、pH值、盐度、真菌生物量和细菌生物量是影响SOC和SIC变化的关键因素；（3）SOC与SIC之间的互补关系是由水文连通模式的变化（泛滥平原湿地→灌溉区湿地→孤立湿地）驱动的，这种变化通过改变关键环境因素，如土壤pH值、盐度、植物特性及微生物群落，从而促进了SOC向SIC的转化。

在本研究中，我们展示了SOC和SIC的分布及其与环境因素的关系在空间上表现出显著的异质性。根据植被类型，SOC密度和SIC含量及密度在SR和SG湿地中分别达到最高。在三种水文连通模式下，SOC储量的顺序为ME > ET > WT。SIC含量和密度的顺序为ET < ME < WT（P < 0.05）。在盐度梯度下，SIC的分布同样受到显著影响，其含量和密度随着盐度的变化呈现出不同的趋势。此外，我们发现SOC和SIC的转化过程与水文连通模式密切相关，这种模式的变化不仅影响了土壤的物理化学性质，还对植物群落结构和微生物群落组成产生了重要影响。这些变化进一步促进了SOC向SIC的转化，从而改变了湿地土壤中的碳储存形式和动态平衡。通过深入分析这些因素，我们为理解半干旱湿地中碳的转化机制和固存潜力提供了新的视角。研究结果表明，SOC和SIC的分布及转化过程受到多种环境因素的共同调控，包括植被类型、水文连通模式和盐度条件。这些因素不仅影响SOC和SIC的含量和密度，还决定了它们之间的相互作用和转化路径。因此，未来的研究应进一步探讨这些因素在不同湿地类型和环境条件下的具体作用机制，以期为半干旱地区的碳管理提供科学依据。