骤旱促进季节性亚热带湿地土壤CO?排放与CH?吸收的脱耦：以洞庭湖为例

《Agricultural and Forest Meteorology》：Flash drought promotes decoupling of soil CO 2 emissions and CH 4 uptake in seasonal subtropical wetlands: A case study in Dongting Lake

　　

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  突发性干旱破坏了土壤二氧化碳排放量与甲烷吸收量之间的耦合关系。
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  季节差异性的土壤水分阈值控制着二氧化碳 - 甲烷通量的解耦。
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  突发性干旱通过重构微生物群落使通量解耦。

引言

越来越多的研究报告指出，在大多数陆地生态系统中，土壤二氧化碳 (CO₂) 排放量与甲烷 (CH₄) 吸收量之间存在显著的线性正相关 (Maier et al., 2021; Maier et al., 2017; Wu et al., 2024; Wu et al., 2010)。这种协同耦合意味着，以甲烷氧化菌为主导的 CH₄ 氧化过程通常与异养呼吸驱动的 CO₂ 释放过程同步发生 (Nazaries et al., 2013)。这种 CO₂-CH₄ 通量的协变关系为基于替代品的 CH₄ 估算提供了一个关键的尺度参数，使得古通量重建 (Maier et al., 2021) 和陆地 CH₄ 汇持久性的预测建模 (Wu et al., 2024) 成为可能。这种强耦合受土壤物理性质（例如，结构和水分可用性）和生物过程的控制，其中微生物群落的活动和结构决定了好氧异养作用和甲烷氧化作用的同时速率 (Maier et al., 2017)。特别是在储存着全球近三分之一土壤有机碳的湿地中 (Poulter et al., 2021; Sun et al., 2025)，这些耦合过程在调节生态系统碳平衡方面起着关键作用。然而，湿地景观固有的地貌异质性，如洪泛平原中的细尺度微地形，使其 CO₂-CH₄ 动态对变化的水文制度异常敏感 (Frei et al., 2012; Stirling et al., 2020)。

随着气候变化加剧，预计干旱等极端天气事件的频率将增加，从而改变景观尺度的水文连通性和氧化还原分区 (Qing et al., 2022)。传统上，干旱在湿地中是逐渐发展的，允许土壤水文和生物过程进行适应 (Evans and Wallenstein, 2014; Zeng et al., 2023; Zhang et al., 2025)。相比之下，突发性干旱的特点是土壤含水量迅速下降，通常由并发的热浪加速，形成热耦合复合突发性干旱 (Gu et al., 2025; Yuan et al., 2023)。与传统干旱期间的渐变不同，突发性干旱的快速发生往往超过了基于卫星的遥感和低频现场监测的检测能力。这些传统系统无法解决在可见的景观尺度退化发生之前发生的急剧地下生物地球化学变化和关键的土壤 - 微生物临界点 (Yuan et al., 2023)。虽然植被层面的影响，例如 2013 年中国南方突发性干旱期间观察到的总初级生产量 (GPP) 大幅减少 (Yuan et al., 2016; Zhang and Yuan, 2020)，已有充分记录，但关于地下响应的观测和机制差距仍然存在 (Maier et al., 2021)。目前对突发性干旱生态系统效应的理解严重依赖遥感和 FLUXNET 数据，这些数据缺乏捕获耦合的水 - 微生物动力学和触发碳通量变化的特定地下阈值的方法分辨率 (Liu et al., 2020; Yuan et al., 2023)。关键的是，现有的概念框架主要基于传统慢速干旱特有的稳态过渡，对热耦合快速干燥对 CO₂-CH₄ 耦合的影响，以及这些影响如何受不同季节基线（例如，夏季与冬季）调节，在很大程度上仍未得到解决。

目前，大多数研究忽视了急性胁迫下 CO₂ 和 CH₄ 通量之间的固有相互作用 (Maier et al., 2021)。我们假设突发性干旱的极端干燥冲击会引发碳循环过程之间的功能分歧状态。具体来说，异养分解可能会受到严重抑制，导致 CO₂ 排放量突然减少 (Kang et al., 2018)。同时，耐旱甲烷氧化菌（例如，Methylocystis，具有高亲和力和韧性特征）可能会在新的好氧条件下暂时维持 CH₄ 吸收 (Kang et al., 2022; Mo et al., 2025)，导致既定的 CO₂-CH₄ 耦合破裂。

为了解决这些多维度的差距，我们集成了高频原位监测和受控中宇宙实验，系统地评估了热耦合快速干燥和季节性如何共同重塑温室气体通量同步性和微生物群落重构。重点关注在 2022 年夏季和 2024 年冬季经历极端干旱的洞庭湖湿地，我们的研究特别针对它们的快速增强阶段，以理清突发性和慢速干旱如何改变土壤 CO₂ 排出量和 CH₄ 吸收量之间的耦合。我们提出了三个相互关联的目标：(i) 确定极端干旱是否破坏了异养呼吸和 CH₄ 氧化之间的功能同步性，触发了通量解耦；(ii) 量化季节特异性土壤水分阈值，以区分突发性干旱与逐渐干燥（慢速干旱）在通量解耦方面的影响；以及 (iii) 测试微生物功能群的快速重构如何作为热耦合复合突发性干旱下这种解耦过程中的关键生物介体。

章节摘要

研究区域描述

我们的研究在中国第二大淡水湖洞庭湖的季节性泥滩 (28°46′-29°29′N, 112°06′-113°05′E) 进行 (Fig. 1a)。这个与长江相连的洪泛平原系统表现出显著的水文季节性，年平均降水量约为 1200-1400 毫米（其中大约 60% 集中在 4 月至 8 月），在湿季通常维持约 1600 km² 的淹没面积 (Wang et al., 2023b; Yuan

二氧化碳和甲烷通量

实地调查表明，在极端夏季干旱条件下，季节性淹没泥滩景观中的 CO₂ 和 CH₄ 通量随着土壤水分的下降而显著降低 (Fig. 2a)。值得注意的是，当土壤水分高于 0.15 m³/m³ 时，两种通量表现出显著的正相关 (p < 0.006)，表明处于耦合状态；当水分降至该阈值以下时，相关性变得不显著 (p = 0.751)，确认了解耦 (Fig. 3a)。在

不同干旱动态下的微环境响应

与之前的研究一致 (Wu et al., 2024)，本研究证实，在相对稳定的土壤温度和水分条件下，土壤 CO₂ 排放量为 CH₄ 吸收量保持耦合状态 (Figs. 2, 3 and S2)，但这种耦合极易受土壤环境条件的变化影响 (Chamberlain et al., 2020; Chen et al., 2018; Stirling et al., 2020)。例如，极干或过湿的土壤水分条件会抑制土壤呼吸 (Davidson et al., 2004

结论

本研究评估了在典型的大型河流连通洪泛平原湿地中，土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量对不同干旱动态的发散响应。我们证明了突发性干旱通过触发具有不同季节性的阈值依赖解耦（夏季 0.15 m³/m³ 与冬季 0.23 m³/m³）严重破坏了两种通量的协调，而慢速干旱则通过水文缓冲和环境适应保持稳定的耦合。关键的是，快速

CRediT 作者贡献声明

Youxin Hu: 写作 – 初稿，可视化，验证，调查，正式分析，数据整理。Qi Qu: 写作 – 审阅与编辑，调查，数据整理。Zhengjie Li: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，方法学，资金获取。Jie Liang: 写作 – 审阅与编辑，调查，数据整理。Andy Smith: 写作 – 审阅与编辑。Marielle N. Smith: 写作 – 审阅与编辑。Dandan Gao: 写作 – 审阅与编辑，调查。Lei Jing:

Youxin Hu|Qi Qu|Zhengjie Li|Jie Liang|Andy Smith|Marielle N. Smith|Dandan Gao|Lei Jing|Weizhi Lu