水分饱和提升高寒草甸土壤微生物残体碳与颗粒有机碳积累及其稳定性启示

《CATENA》：Waterlogging increases microbial necromass carbon and particulate organic carbon in alpine meadow soils

本研究揭示水分饱和通过调控微生物生物量与土壤理化性质，显著增加高寒草甸-湿地连续体中表层与深层土壤的微生物残体碳（MNC）和颗粒有机碳（POC）含量，虽MNC占比稳定（约32%），但POC比例上升及真菌/细菌残体碳比（FNC/BNC）下降指示SOC稳定性降低，为湿地退化下的碳流失风险提供预警。

　　

Highlight

水分饱和显著提升了高寒草甸-湿地连续体中的土壤有机碳（SOC）封存效率：fen（沼泽湿地）的表层土壤SOC固存效率比中生草甸和湿润草甸分别高320%和280%！同时，水分饱和不仅增加了表层和深层土壤中的总微生物残体碳（MNC）、真菌残体碳（FNC）和细菌残体碳（BNC）含量，还使得MNC在SOC中的占比稳定维持在32%左右。更有趣的是，水分饱和也提高了颗粒有机碳（POC）的积累，尤其在厌氧的fen中，POC在SOC中的比例显著高于中生草甸。较低的FNC/BNC比值和较高的POC占比共同表明：在水分饱和的fen中，SOC的稳定性实际上降低了——这或许预示着随着高寒草甸湿地面积缩减，潜在的碳损失风险正在加剧。

Introduction

湿地虽仅覆盖全球陆地表面积的4–6%，却贡献了20–25%的土壤有机碳（SOC）储量，对全球碳循环和气候变化减缓具有关键作用。湿地之所以能高效固碳，源于其独特的水文条件：长期水分饱和导致氧气（O₂）受限，显著减缓SOC分解。然而，气候变化与人类活动正在改变湿地水文格局并引发生物地貌植被演替。自1850年以来，约15%的北方冻原泥炭地已退化，而温带泥炭地逐渐扩张。因此，探究水分饱和对湿地碳积累与稳定性的影响，对理解和预测碳-气候反馈至关重要。

传统湿地研究多关注土壤碳储量，且假定其以轻组分为主。近年研究发现，稳定SOC库其实主要由微生物残留物（即微生物残体碳，MNC）构成。MNC源自微生物细胞残体与代谢副产物，贡献了SOC的40–80%，是SOC积累与长期稳定的关键。相比之下，植物来源的颗粒有机碳（POC）周转较快、稳定性较低。评估SOC各组分及其稳定性在水分饱和等条件变化下的响应，因此极为重要。尽管已有大量研究关注水文变化对SOC动态的影响，但水文驱动的湿地变化对SOC组分及其占比的具体影响仍不明确。

草甸水分饱和使环境从有氧转为无氧，改变土壤理化性质及微生物组成与活性。厌氧条件下，氧气（O₂）受限降低微生物活性，限制水解酶酚和氧化酶合成，显著减少SOC矿化速率，从而促进微生物残体积累。淹水-干燥交替还通过吸附有机物或与铁（Fe）/铝（Al）氧化物共沉淀，增强铁-碳结合，促进fen中碳保存。多种机制共同驱动高寒湿地MNC积累与SOC固存。

青藏高原作为“世界屋脊”和亚洲主要水源地，是巨大的有机碳库。其升温速率约为全球平均的三倍，导致冰川退缩与地表水扩张，新生湿地形成，但同时因冻土融化某些区域水位下降，引发显著土壤水分波动，促使湿地向草甸转化。我们比较了从中生草甸到fen的高寒生物地貌演替各阶段的MNC与POC含量及其对SOC的贡献，假设水分饱和（从中生草甸到fen）通过提升植物生产力、微生物生物量及降低土壤pH，增加MNC与POC及其对SOC的贡献；另一关键机制是草甸向泥炭地生态系统的转变，无氧条件减缓了植物与微生物残体的分解。

Section snippets

Site selection and sampling

采样点选在青藏高原东北部青海省境内，地形中度起伏，丘陵与洼地相间。高地以草甸生态系统为主，洼地则以湿地为主。采样点设于玛多、称多和玉树县，彼此相距约200公里。年均温（MAT）和年均降水（MAP）分别为...

Vegetation characteristics

植被高度与盖度在中生草甸最小，在fen中最大。三处采样点平均，fen的地上生物量是中生草甸的两倍以上。除玛多点外，fen在0–20 cm的根系生物量高于中生和湿润草甸。此外，fen在20–40 cm的根系生物量最高，比中生和湿润草甸分别高670%和166%。

Waterlogging and soil organic C

fen中较高的SOC含量可归因于厌氧条件下分解速率降低。尽管fen中微生物生物量较高（图2），但水分饱和导致的O₂缺乏阻碍微生物周转并减少分解植物残体所需酶的合成。fen中POC显著增加（图4）表明...

Conclusions

沿高寒草甸-湿地连续体，总MNC、FNC和BNC含量增加，但微生物残体对SOC的贡献保持稳定。水分饱和也促进POC积累，厌氧fen中POC在SOC中的比例显著高于中生草甸。fen中较低的FNC/BNC比值和较高的POC占比表明水分饱和下SOC稳定性降低。MNC的主要决定因子随土层深度变化：表层土壤中微生物生物量和pH是关键，而深层土壤中微生物生物量、铁铝氧化物主导。因此，fen中的SOC稳定性减弱，预警了高寒草甸湿地面积缩减可能带来的碳损失风险。