北方泥炭地中，泥炭沼类型和深度控制溶解性有机质对变暖的响应

《CATENA》：Fen type and depth control dissolved organic matter responses to warming in northern peatlands

　　

•DOM对变暖的响应具有沼泽类型和深度的特异性，并受水文条件调节。
•在泥炭藓沼泽中，变暖单独驱动DOM增加及腐殖化程度升高。
•在莎草沼泽中，变暖与土壤干燥协同作用使芳构度降低。
•预测变暖的碳反馈效应时应综合考虑沼泽类型、深度和水文条件。

1. 引言
北方泥炭地储存了全球土壤有机碳库的约三分之一，尽管其仅占陆地地表面积的约3%（Hugeliu等人，2020年；Yu，2012年）。溶解性有机质（DOM）作为一种高度可移动且生物学活性强的组分，在将这一庞大的碳储库与温室气体排放（如CO?和CH?）及下游水生碳输出相联系方面发挥着重要作用，它既可作为微生物呼吸的底物，也是横向碳输送的载体（Limpens等人，2008年）。北方泥炭地对气候变暖十分脆弱，预测到本世纪末，这些高纬度地区的升温幅度可达8°C或以上（Sch?del等人，2016年）。反过来，北方泥炭地自身可能通过增强温室气体排放进一步加速这一变暖过程（Yu等人，2010年；Zhu等人，2025年）。然而，北方泥炭地中DOM的动态变化如何响应变暖尚不清楚，这限制了我们对未来碳循环反馈的预测能力以及对生态系统功能和水质级联效应的评估。

已有大量研究聚焦于泥炭地在变暖条件下的气态碳通量（CO?和CH?）（Gong等人，2021年；Hanson等人，2020年；Helbig等人，2022年；Petro等人，2023年；Rafat等人，2021年），而对这些排放的直接前体——溶解相的研究却不够充分。在已探讨DOM对变暖响应的研究中，关于DOM数量和质量的结论均存在分歧。对于DOC浓度，部分研究报告了变暖导致的增加（Dieleman等人，2015年；Kane等人，2014年），而另一些研究则未发现显著变化（Roth等人，2023年）甚至出现下降（Delarue等人，2014年）。对于DOM芳构度，不一致性更为显著：有研究报告变暖使某些系统中芳构度升高（Lou等人，2014年；Berggren等人，2024年），但也有研究报道其下降（Kane等人，2014年）。这些差异很可能源于多种相互作用的因素，而这些因素很少有被系统地综合考虑。首先，变暖效应可能受生态系统类型的调节，但大多数研究仅关注单一地点，从而忽略了不同生态系统之间的根本差异。例如，以泥炭藓为主的泥炭地通常呈酸性、养分贫乏，且植物残体高度难降解；而以莎草为主的泥炭地则呈近中性、养分丰富，并具有较高的水位和更易分解的植物残体（Webster和McLaughlin，2010年）。这些对比特征可能导致DOM对变暖的不同响应，但跨泥炭地类型的直接比较仍然稀缺。其次，土壤深度是DOM组成和微生物活动的重要调节因子（Shen等人，2023年），但在变暖实验中常被忽视。DOC浓度通常随土壤深度增加而降低，而DOM芳构度和缩合程度则增加（Kalbitz，2001年）。较深的泥炭层含有更古老、更难降解的碳，其对变暖的响应可能与表层不同（Hilasvuori等人，2013年）。忽略深度变化可能掩盖变暖诱导DOM动态的重要异质性，从而导致对泥炭地碳反馈的不完整预测。第三，变暖可同时改变水文条件（Yuan等人，2021年）和植被动态（Dieleman等人，2015年；Tian等人，2020年），二者均可改变DOM的产生和组成。在某些地区，变暖可增强植物生产力和根系分泌物（Tian等人，2020年），贡献新鲜的DOM输入，且这些输入会被快速处理。变暖还可改变植被群落组成，进一步改变DOM的分子特征（Dieleman等人，2015年）。然而，这些因素很少被整合到单一实验框架中，导致在变暖如何改变不同泥炭地类型和土壤深度中DOM动态方面存在关键知识空白。

要理解变暖如何改变DOM动态，需要明确哪些DOM特征是生态学相关的以及它们如何被量化。DOM是木质素、碳水化合物、有机酸、蛋白质和各种复杂芳香物质的混合物，在分子大小、芳构度和生物可利用性方面各有不同，主要来源于土壤有机质、植物残体、根际沉积物和微生物代谢产物（Kalbitz等人，2000年）。DOM的特征可从其光学特性和荧光指数推断。254纳米处的比紫外吸收（SUVA???）可作为DOM芳构度的代理指标（Weishaar等人，2003年）：较高值表明更大的芳构度和更高比例的难降解物质，这些物质对微生物降解相对抵抗（Kiikkil?等人，2014年），而较低值则表明更多低分子量、易被微生物代谢的活性化合物。荧光指数包括荧光指数（FI）、腐殖化指数（HIX）和生物指数（BIX），可进一步解析DOM的来源和转化过程（Derrien等人，2019年）：FI可区分来源于陆生植物的DOM（FI < 1.4）和来源于微生物的DOM（FI > 1.9）（McKnight等人，2001年），HIX反映腐殖化程度（Huguet等人，2009年），较高值表明更高的腐殖化和更大的分子量，BIX反映新产生的微生物DOM，其中>1的值表明更多近期产生的微生物物质，<0.6的值则暗示异源来源（Fellman等人，2010年）。除这些总量指数外，激发-发射矩阵荧光光谱联合平行因子分析（EEM-PARAFAC）通过将总荧光分解为单个类腐殖质和类蛋白组分，提供了DOM组成的更详细视图，可实现组成变化的定量追踪（Derrien等人，2019年）。这些区分在生态学上至关重要，因为易降解、低芳构度的DOM更易被矿化为CO?和CH?，而难降解、高芳构度的DOM则更可能向下游输出或在泥炭中储存。因此，变暖诱导的DOM质量变化，而不仅仅是数量变化，可能对泥炭地碳反馈产生重要影响。这些DOM特征正是变暖响应尚未解决的维度，凸显了在不同泥炭地类型和深度中同时追踪数量和质量的必要性。

为填补这一知识空白，需要一种明确考虑泥炭地类型、土壤深度和多因子相互作用的综合方法。对比不同泥炭地类型的变暖响应可揭示植物功能类型和微生物群落组成差异如何调节DOM动态。此外，分层采样对于阐明不同土壤深度DOM对变暖的响应至关重要。为此，我们在加拿大安大略省北部两处典型的北方泥炭地——以泥炭藓为主的沼泽和以莎草为主的沼泽——开展了一年的地面增温野外实验。我们采集了浅层和深层孔隙水，并利用DOC浓度、紫外-可见吸收和荧光指数表征DOM的数量和质量，应用EEM-PARAFAC解析DOM组成。采用多元分析和结构方程模型分析变暖、土壤湿度和地下水水位对DOM数量和质量在不同沼泽类型和深度中的相对影响。具体而言，我们旨在回答以下问题：（1）一年的温和变暖如何影响每种沼泽类型和深度中孔隙水DOC浓度及DOM光学特性；（2）两种沼泽之间以及浅层与深层之间类腐殖质组分比例的变化是否存在差异；（3）控制每种沼泽中DOM动态的主导环境驱动因子是什么——仅变暖，还是与土壤湿度和地下水水位的协同作用？通过回答这些问题，我们的研究提供了分辨沼泽类型和深度的变暖诱导DOM响应洞察，有助于更准确地预测未来气候变化下泥炭地的碳反馈效应。

2. 材料与方法

2.1. 研究地点
研究地点位于加拿大安大略省白马河附近苏必利尔湖盆地的一个817公顷子流域内（北纬48°21′，西经84°20′），是安大略省自然资源与森林部（OMNRF）长期监测的白马河实验流域研究站的一部分，包括以泥炭藓为主的沼泽和以莎草为主的沼泽（以下分别简称为泥炭藓沼泽和莎草沼泽）。两个地点共享同一个流域（相距2公里），但在植被（Lyons和Lindo，2020年）、水文（地下水水位）、养分状况、pH（Sun等人，2023年）和土壤微生物群落（Lyons和Lindo，2020年）方面存在差异。莎草沼泽比养分贫乏的泥炭藓沼泽（地下水水位平均低于地表30厘米）更富养分，且地下水位更高（位于或接近地表）。泥炭藓沼泽以泥炭藓属苔藓为优势种，草本和低矮灌木多样性较高，伴有少量莎草；而莎草沼泽的植被以莎草属莎草为优势种，伴有少量灌木，主要是香杨梅（*Myrica gale* L.）。

2.2. 野外实验设计
2015年在每个研究沼泽建立了16个实验样地（8个环境对照和8个增温处理）。为应对小规模空间因素，如微地貌、水分变率、光照强度和植被生物量及组成，这些实验样地采用区组设计排列（每个区组内包含2个环境对照样地和2个增温样地）。增温方式包括开顶箱（OTC）和主动加热系统，分别使样地增温+0.3°C（OTC为被动增温）和+4°C（主动加热系统）。2017年和2018年生长季的被动增温使平均气温平均升高1–2°C，泥炭藓沼泽和莎草沼泽的平均地表泥炭（5厘米）温度分别升高0.38°C和0.27°C（Lyons等人，2020年）。主动增温于2019年7月至9月期间实施，使用加热棒（每个样地6根）垂直插入土壤中50厘米。增温样地顶部25厘米土壤温度在泥炭藓沼泽中升高+4.5（SD ± 0.9）°C，在莎草沼泽中升高+3.8（SD ± 0.8）°C。野外实验设计的完整描述见Sun等人（2023年）。

2.3. 环境测量与DOM采样系统
自2016年以来，利用TD-Diver?和Baro-Diver?数据记录仪以15分钟间隔监测每个地点每个区组的地下水水位。我们还根据OMNRF在各地点设立的气象站记录每日降水量（mm）和气温数据。生长季期间每周使用HH2水分测定仪（Delta-T Devices，Burwell，Cambridge，英国）测量每个样地顶部10厘米的土壤含水量。为采集深层孔隙水，在每个样地中安装了特氟龙?采样井（外径5厘米，内径4厘米，长50厘米；全长开槽），井底和井顶加装密封盖以防止污染。每口井中安装了酸洗（10% v/v）的特氟龙采样管（外径6.35毫米/内径2.5毫米），使用特氟龙压缩接头固定在带通气的顶盖上，用于在50厘米深度采集深层孔隙水。MacroRhizon土壤水分采样器（长9厘米×直径4.5毫米；平均孔径0.15微米）插入每个样地的土壤中，通过特氟龙?采样管连接至采样器顶部，用于采集10厘米深度的浅层孔隙水。

2.4. 样品采集
MacroRhizon土壤水分采样器和采样井预先排气后，分别使用30毫升注射器和配有酸洗Masterflex? C-FlexUltra软管（Cole-Palmer Instrument Co.）的Geotech? GeoPump（Geotech Ltd.，North Aurora，ON，加拿大）进行采样。浅层孔隙水每周采集于预先酸洗的20毫升玻璃瓶中，深层孔隙水采集于500毫升PETG（聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯改性；Thermo Scientific? Nalgene?）瓶中。每次采样时均采集样品平行样和设备空白样。样品平行样通过随机选择一个样地并在现场同时采集两个孔隙水样品来实现。设备空白样通过直接将去离子水（18.2 MΩ cm）用酸洗的Masterflex C-FlexUltra软管泵入500毫升PETG瓶中来实现。所有孔隙水样品均在野外干净冷藏箱中保存，并在采样后四小时内运至当地野外实验室。所有深层孔隙水样品均在密闭真空过滤装置中使用0.5微米玻璃纤维滤膜过滤，分别转移至酸洗的60毫升棕色玻璃瓶和60毫升HDPE瓶中用于DOM质量和数量分析。所有浅层和深层孔隙水样品随后保存在4°C条件下以待进一步分析。所有样品平行样和设备空白样与野外样品采用相同的储存和处理方式。

2.5. 溶解性有机质表征

2.5.1. 溶解性有机质浓度分析
溶解性有机质以DOC进行定量。孔隙水DOC浓度（以mg L?1报告）使用iTOC Aurora 1030（OI Analytical，College Station，TX，美国）测定。孔隙水DOC通过过硫酸盐湿氧法氧化为CO?，随后在iTOC Aurora 1030上通过CO?的红外吸收分析CO?的含量。

每次测定开始时均设置三个校准标准以确保设备稳定，此外，每次测定还包括10%的方法空白、10%的样品平行样、5%的基质加标和10%的校准标准。方法空白通常低于1 mg L?1。样品平行样的相对标准偏差（RSD）<10%。基质加标和校准标准的回收率约为90.78 ± 7.56%。

2.5.2 EEM-PARAFAC分析

荧光激发发射矩阵（EEMs）和254 nm处的比紫外吸收（SUVA254）在1 cm2石英比色皿（4 mL容量）中通过Horiba Aqualog?荧光分光光度计（配氙灯，HORIBA Scientific, Ltd., 日本京都）进行测定。荧光EEMs的激发波长范围为245–550 nm，发射波长范围为245–650 nm，间隔为5 nm。每10个样品运行一次空白（MilliQ水样品）和一个平行样。报告的EEMs数据随后使用R软件（R Core Team, 2012）转换为光学校正指数FI、HIX和BIX。吸光度值通过除以样品DOC浓度再乘以100转换为单位为L mg C?1 m?1的SUVA254值（Weishaar et al., 2003）。每次分析中包括10%的样品平行样，所有样品平行样的RSD均小于10%。

平行因子分析（PARAFAC）是一种多维矩阵分解方法，它将复杂的EEMs数据分解为独立的荧光组分，同时有效去除拉曼和瑞利散射，从而提高光谱数据的准确性。荧光激发发射矩阵光谱结合PARAFAC（EEMs-PARAFAC）用于区分DOM中不同的荧光团（组分）群体，如类腐殖质和类蛋白质组分（Derrien et al., 2019）。EEMs-PARAFAC的详细教程和理论可参见Stedmon和Bro（2008）。荧光EEMs-PARAFAC使用Python中的EEMs-toolkit包（Shu et al., 2025）进行。EEM数据集经过预处理，包括校正系统偏差和内滤效应（IFE）。为处理IFE，应用了拉曼散射校正方法（Larsson et al., 2007）。使用每日在Ex 350 nm处的拉曼扫描将荧光强度校准至拉曼单位（R.U.），该扫描按照Lawaetz和Stedmon（2009）的方法从超纯水空白中提取。去除了一级和二级瑞利及拉曼散射，并使用插值法对一级拉曼效应进行了平滑处理。采用半分裂分析评估PARAFAC模型的稳定性和一致性，通过将数据集划分为两个独立子集来完成。每个子集分别建模以推导光谱组分，随后对两个分解模型的光谱特征（如激发/发射载荷）进行比较评估。该程序验证了模型间的一致性和结果的可靠性。使用方差解释百分比和核心一致性诊断来优化和验证PARAFAC模型。这些组分被上传至OpenFluor数据库（Murphy et al., 2014），并与具有相似Ex和Em得分（均大于0.95）的已记录荧光物质进行匹配。

2.6 统计分析

我们使用SPSS Statistics软件（IBM SPSS Inc. 24.0）通过重复测量方差分析（RM-ANOVA）检验升温对各点位每个深度处总DOC浓度和DOC质量指标（SUVA254、FI、HIX、BIX）的影响。我们分别使用RM-ANOVA比较地表孔隙水与深层孔隙水的差异以及两个点位之间的差异。所有数据在分析前均使用Levene检验和Q-Q图检查参数检验假设条件。DOM数量和质量的主成分分析（PCA）使用Origin 2024软件（OriginLab, USA）进行。我们采用从相关性分析到冗余分析（RDA）和结构方程模型（SEM）的组合统计技术来解析DOM动态的控制因素。相关性分析识别初始双变量关系，RDA可视化关键环境驱动因子（升温、土壤水分、水位和土壤深度）的多变量关联，SEM量化这些复杂路径中的直接和间接效应。相关性分析使用Origin 2024软件进行。RDA使用R 4.3.3版本（R Core Team, 2024）中的vegan包（Oksanen et al., 2022）完成，SEM使用lavaan包（Rosseel, 2012）完成。数据以均值±标准差表示。日水位数据通过平均一天内每15分钟记录的所有数据计算得出。缺失数据使用SPSS Statistics软件的多元插值法补充。

3. 结果

3.1 水位和土壤水分

Sphagnum沼地的平均水位低于Carex沼地（?19.7 ± 4.3 cm vs. ?7.5 ± 3.9 cm），且两个沼地均在七月中旬达到最低水位，这归因于降水稀少；而在六月初和九月分别因融雪和秋季降水而水位较高（图1a）。两个沼地的日水位通常与降水事件吻合。地表10 cm的平均土壤含水量在Sphagnum沼地（16.2%）也低于Carex沼地（37.4%）（图1b）。Carex沼地的土壤含水量从26.0%增至61.6%，随时间推移总体呈增加趋势，与水位波动一致。相比之下，Sphagnum沼地出现轻微下降趋势。这一模式可合理解释为水位持续低于?10 cm深度，导致上层10 cm土壤逐渐有氧干燥。升温对Sphagnum沼地的土壤水分无显著影响（F(1,11) = 0.741, p = 0.408），但使Carex沼地的土壤水分显著降低21%（F(1,12) = 6.178, p = 0.029）。

下载：下载高分辨率图片（320KB）
下载：下载全尺寸图片
图1. Sphagnum沼地和Carex沼地的a）水位和日降水量，以及b）土壤含水量。

3.2 升温对DOM数量的影响

升温显著增加了两个沼地浅层孔隙水的DOC浓度，在Sphagnum沼地增加59.80%（p = 0.011），在Carex沼地增加12.52%（p = 0.039）；而深层孔隙水DOC在两个点位均未表现出显著的升温响应（p = 0.092和p = 0.099）（图2，表1）。在所有试验小区中，Sphagnum沼地的DOC浓度均高于Carex沼地，无论浅层（2.17倍，p < 0.001）还是深层孔隙水（1.22倍，p = 0.001）；两个沼地的浅层DOC均高于深层DOC（Sphagnum沼地1.99倍，p < 0.001；Carex沼地1.11倍，p = 0.007）。季节上，Sphagnum沼地浅层DOC在八月达到峰值，而Carex沼地浅层DOC和两个沼地深层DOC则随时间增加（图2）。更多细节见补充文本。

下载：下载高分辨率图片（259KB）
下载：下载全尺寸图片
图2. Sphagnum沼地和Carex沼地(a)浅层孔隙水和(b)深层孔隙水中溶解有机碳（DOC）的浓度。每个值表示均值±标准差。

表1. 不同沼地类型和土壤深度孔隙水DOM数量和质量升温效应的总结。

| 指标 | Sphagnum沼地浅层 | Sphagnum沼地深层 | Carex沼地浅层 | Carex沼地深层 |
|------|:---:|:---:|:---:|:---:|
| DOC浓度 | ↑59.8% (p=0.011) | ns (+16.4%, p=0.092) | ↑12.5% (p=0.039) | ns (+6.8%, p=0.099) |
| SUVA??? | ns (p=0.755) | ns (p=0.249) | ↓5.4% (p=0.020) | ↓4.3% (p=0.014) |
| HIX | ↑3.4% (p=0.006) | ns (p=0.905) | ns (p=0.445) | ns (p=0.054) |
| FI | ns (p=0.193) | ns (p=0.834) | ns (p=0.214) | ↑1.95% (p=0.005) |
| BIX | ↓5.5% (p=0.002) | ns (p=0.637) | ns (p=0.315) | ↑5.7% (p<0.001) |
| %C1（类富里酸，低芳香性） | ↓ | ↓浅层 ↓深层 | – | – |
| %C2（类腐殖质，中等芳香性） | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| %C3（高分子量，高芳香性） | ↑ | ↑ | ↓ | ↓ |

注：↑=显著增加；↓=显著降低；ns=不显著。百分比表示相对于环境条件下的相对变化。对于%C1-%C3，箭头表示相对比例变化的方向；组分比例的统计显著性见补充文本。

3.3 升温对DOM质量的影响

3.3.1 芳香性和腐殖化

升温对Sphagnum沼地浅层（p = 0.755）和深层（p = 0.249）孔隙水的SUVA254均无显著影响，但显著降低了Carex沼地浅层（5.42%，p = 0.020）和深层（4.29%，p = 0.014）孔隙水的SUVA254（图3a,b；表1）。两个点位的浅层孔隙水SUVA254均持续低于深层（两者p < 0.001），且各层之间无显著的点位差异（p > 0.05）。对于HIX，升温显著增加了Sphagnum沼地浅层孔隙水HIX（3.40%，p = 0.006），但对深层HIX（p = 0.905）或Carex沼地任一层（浅层p = 0.445；深层p = 0.054）无显著影响（图3c,d；表1）。HIX在点位间和深度间均无显著差异（p > 0.05）。

下载：下载高分辨率图片（791KB）
下载：下载全尺寸图片
图3. 升温对Sphagnum沼地和Carex沼地浅层和深层孔隙水中a）254 nm比紫外吸收（SUVA254, L mg?1 m?1）、b）荧光指数（FI）、c）腐殖化指数（HIX）和d）新鲜度指数（BIX）的影响。箱线上不同字母表示处理间荧光指数存在显著差异。除SUVA254外，所有指数均无量纲。

3.3.2 DOM来源和新鲜度

FI和BIX在两个沼地的浅层和深层孔隙水中均持续表现出Carex沼地高于Sphagnum沼地（所有p < 0.001），但在两个点位内不同深度间无显著差异（p > 0.05）（图3e-h）。升温对Sphagnum沼地两层（浅层p = 0.193；深层p = 0.834）或Carex沼地浅层孔隙水（p = 0.214）的FI均无显著影响，但使Carex沼地深层孔隙水FI显著增加1.95%（p = 0.005）（表1）。对于BIX，升温显著降低了Sphagnum沼地浅层孔隙水BIX（?5.48%，p = 0.002），并显著增加了Carex沼地深层孔隙水BIX（+5.66%，p < 0.001），在其余层-点位组合中无显著影响（表1）。在Carex沼地浅层孔隙水中，升温在八月二十日前提升了BIX，此后则降低BIX。

3.3.3 荧光组分组成

EEM-PARAFAC在两个点位解析出三个陆地腐殖质类组分：C1（富里酸主导，低分子量、低芳香性）、C2（典型腐殖质类，中等分子量和芳香性）和C3（高分子量、高芳香性腐殖质类或还原醌类）（表2，图S1-S8）。C1在荧光池中占主导（40.7–58.0%），其次为C2（22.8–38.4%）和C3（16.1–25.0%）。升温不改变组分的性质，但改变了它们的相对比例（表1）。在Sphagnum沼地，升温使两层中的%C1略有降低，%C2和%C3增加。在Carex沼地，升温使两层的%C2增加，但对%C1影响相反（浅层增加，深层降低），并使两层的%C3降低。总体而言，升温持续增加了中等芳香性C2的比例，而其对低芳香性C1和高芳香性C3的影响因植物群落类型和深度而异。

表2. EEM-PARAFAC组分的特征及与先前鉴定荧光团/组分的比较。

| 点位 | 土壤深度 | 处理 | 组分 | 激发/发射峰（λex/λem）(nm) | 荧光组分比例(%)? | 描述及可能来源（参考文献） |
|------|---------|------|------|---------------------------|------------------|--------------------------|
| Sphagnum沼地 | 浅层 | 环境条件 | C1 | 245/439 | 52.43 | 富里酸富集的陆地腐殖质类物质（Bittar et al., 2016; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 360/485 | 22.76 | 陆地腐殖质类物质（Stedmon et al., 2003） |
| | | | C3 | 255(420)/518 | 24.81 | 还原醌类富集的腐殖酸富集的陆地物质（Cawley et al., 2012; Yamashita et al., 2010） |
| | | 升温 | C1 | 245/439 | 47.54 | 富里酸富集的陆地腐殖质类物质（Bittar et al., 2016; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 365/485 | 27.51 | 陆地腐殖质类物质（Stedmon et al., 2003） |
| | | | C3 | 250(430)/522 | 24.95 | 还原醌类富集的腐殖酸富集的陆地物质（Shakil et al., 2020; Yamashita et al., 2010） |
| | 深层 | 环境条件 | C1 | 245/439 | 47.00 | 富里酸富集的陆地腐殖质类组分（Lambert et al., 2017; Sadauskas-Henrique et al., 2019） |
| | | | C2 | 250(340)/457 | 34.24 | 陆地腐殖质类物质（Wunsch et al., 2018; Zhou et al., 2023） |
| | | | C3 | 270(395)/518 | 18.76 | 高分子量和高芳香性的陆地腐殖质类组分（Berggren et al., 2019; Kowalczuk et al., 2009） |
| | | 升温 | C1 | 245/425 | 40.83 | 富里酸富集的陆地腐殖质类组分（Lambert et al., 2017; Orlova et al., 2024） |
| | | | C2 | 250(340)/457 | 38.52 | 陆地腐殖质类物质（Wunsch et al., 2018; Zhou et al., 2023） |
| | | | C3 | 270(390)/518 | 20.65 | 高分子量和高芳香性的陆地腐殖质类组分（Berggren et al., 2019; Kowalczuk et al., 2009） |
| Carex沼地 | 浅层 | 环境条件 | C1 | 245/434 | 52.93 | 富里酸富集的陆地腐殖质类物质（Bittar et al., 2016; Maurischat et al., 2024; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 260(370)/476 | 24.99 | 陆地腐殖质类组分（Gao and Gueguen et al., 2021; Shakil et al., 2020） |
| | | | C3 | 245(435)/504 | 22.08 | 陆地腐殖质类组分（Bistarelli et al., 2021; Shakil et al., 2020） |
| | | 升温 | C1 | 245/425 | 53.06 | 富里酸富集的陆地腐殖质类组分（Huang et al., 2024; Maurischat et al., 2024; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 265(365)/471 | 30.80 | 腐殖酸富集的陆地腐殖质类物质（Yamashita et al., 2010） |
| | | | C3 | 280(425)/518 | 16.14 | 陆地腐殖质类物质（Bistarelli et al., 2021; Shakil et al., 2020） |
| | 深层 | 环境条件 | C1 | 245/434 | 57.99 | 富里酸富集的陆地腐殖质类物质（Huang et al., 2024; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 255(365)/490 | 27.30 | 腐殖酸富集的陆地腐殖质类物质（Peleato et al., 2017; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C3 | 290(440)/518 | 14.71 | 陆地腐殖质类物质（Bistarelli et al., 2021; Shakil et al., 2020） |
| | | 升温 | C1 | 245/425 | 56.06 | 富里酸富集的陆地腐殖质类组分（Huang et al., 2024; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C2 | 255(365)/485 | 29.26 | 还原醌类富集的腐殖酸富集的陆地物质（Peleato et al., 2017; Yamashita et al., 2010） |
| | | | C3 | 290(445)/518 | 14.69 | 陆地腐殖质类物质（Bistarelli et al., 2021; Shakil et al., 2020） |

?荧光组分比例根据各组分荧光强度占总荧光强度的比值计算得出。

3.4

综合响应与环境驱动因素

主成分分析（PCA）在两个样地的PC1上均区分了浅层与深层孔隙水，浅层样本与较高的Fmax相关联，深层样本与较高的SUVA254相关联；PC2反映了从HIX到BIX/FI的梯度（图4）。相关性分析、冗余分析（RDA）和结构方程模型（SEM）一致识别出两种沼泽泥炭地在DOM动态控制方面的差异（图5；表3；表S1）。在泥炭藓沼泽中，增温是主要驱动因素，解释了RDA1上90.93%的受约束变异；增温增加了DOC并降低了%C1，而土壤水分和水位作用较小（图5c；表3）。在羊茅沼泽中，DOM动态受两个独立梯度的控制，解释了98.35%的受约束变异：一个水文-温度协同梯度（RDA1：62.60%），沿此梯度增温、土壤水分和水位共同增加DOC，同时降低SUVA254和HIX；另一个梯度（RDA2，35.8%）将增温与土壤水分对立，与BIX和FI相关联（图5b,d；表3）。SEM证实，在羊茅沼泽中，土壤水分对DOC的直接正效应最强（路径系数=+0.3553），其次是增温（+0.2972）和水位（+0.2413），而增温显著增加了%C2（+0.633）和荧光指数（+0.2037），并略微降低了SUVA254（?0.0719）。相比之下，土壤水分和水位对DOM质量表现出相反的影响，土壤水分增加SUVA254（+0.1683），水位降低SUVA254（?0.1198）（表3）。

下载：下载高分辨率图片（463KB）
下载：下载全尺寸图片
图4. a) 泥炭藓沼泽和 b) 羊茅沼泽中DOC数量与质量的主成分分析（PCA）。

下载：下载高分分辨率图片（470KB）
下载：下载全尺寸图片
图5. 通过冗余分析和相关分析揭示的DOM浓度和特征与环境变量之间的关系，分别在 a) 和 c) 泥炭藓沼泽以及 b) 和 d) 羊茅沼泽中。

表3. a) 泥炭藓沼泽和 b) 羊茅沼泽中DOM动态控制的结构方程模型（SEM）。

| | 泥炭藓沼泽 | | | | 羊茅沼泽 | | | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| | 增温 | 土壤水分 | 水位 | 土壤深度 | 增温 | 土壤水分 | 水位 | 土壤深度 |
| 土壤水分 | | ?0.1914 | | | | | ?0.3284 | | |
| %C1 | ?0.4187 | 0.1867 | ?0.0434 | ?0.5042 | ?0.1798 | ?0.0566 | ?0.0874 | 0.7329 |
| %C2 | 0.0581 | 0.0500 | ?0.0387 | 0.5098 | 0.6330 | 0.0201 | 0.1082 | 0.5303 |
| %C3 | ?0.1065 | ?0.0918 | 0.0710 | ?0.9354 | ?0.5073 | ?0.0161 | ?0.0867 | ?0.4250 |
| SUVA254 | ?0.0427 | ?0.0580 | ?0.0933 | 0.8059 | ?0.0719 | 0.1683 | ?0.1198 | 0.8287 |
| 荧光指数 | ?0.2185 | 0.2062 | 0.1425 | 0.0983 | 0.2037 | ?0.2239 | ?0.1753 | ?0.0472 |
| DOC浓度 | 0.2915 | ?0.1513 | ?0.0262 | ?0.6202 | 0.2972 | 0.3553 | 0.2413 | ?0.2499 |

4. 讨论

气候增温已知会影响DOM浓度，主要通过三种主要机制：1) 通过刺激微生物代谢直接热增强SOM和凋落物分解（Davidson和Janssens, 2006; Kalbitz等, 2000）；2) 分解者群落结构和功能的长期变化（Aerts, 2006; Kalbitz等, 2000）；3) 植被介导的反馈，包括植物生物量及其种群的长期变化（Aerts, 2006）。在本研究中，增温下观测到的孔隙水DOC浓度增加与热刺激的SOM和凋落物微生物分解一致（Huang等, 2021; Xu等, 2023），而非植被介导的反馈作为DOC数量的主要驱动因素。两个结果支持这一观点：DOC在浅层孔隙水中显著增加，并在深层孔隙水中表现出一致但不显著的增幅，然而深层很少接收新鲜植物来源的碳，使得仅植物输入不太可能是深层DOC增加的解释；增温没有显著改变泥炭藓主导沼泽中的土壤水分，排除了水分介导的分解增强作为主要原因。尽管两个生长季的被动增温使泥炭藓沼泽中的苔藓丰度降低，但使羊茅沼泽中的地上生物量增加（Lyons等, 2020），与现存巨大的泥炭碳库相比，新鲜植物来源DOC的贡献可能很小，尤其是在深层。羊茅沼泽中DOC的增加也可能因中度土壤干燥而增强，土壤干燥可刺激维管植物根系和凋落物的微生物分解（Bragazza等, 2013）。我们的结果与Delarue等（2014）的结果不同，他们在法国的泥炭藓主导沼泽中发现增温降低了DOC浓度。这种差异可能源于Delarue等（2014）仅使用空气增温而没有显著的土壤增温，导致DOC产生被原位矿化所抵消。先前的研究还表明，增温对DOC浓度的影响可能需要较长时间，这是由于生物响应滞后和DOC释放的丰度/动力学（Wilson等, 2016），以及DOC较低的Q10温度系数（衡量化学反应或生物过程温度敏感性的指标；DOC：约1.6，CO2：约1.98，CH4：约5.63）（Gill等, 2017）。尽管Q10相对较低，我们研究中各层和样地的DOC一致增加表明温度是北方泥炭地DOC浓度的关键驱动因素，土壤水分起次要作用。这得到了中型生态系统实验的支持，显示净DOC产生的温度敏感性取决于水分，在饱和条件下Q10从1.84增加到水位下降时的3.53（Clark等, 2009）。

荧光指数为DOM质量和转化提供了重要见解（Cao等, 2024）。在泥炭藓沼泽中，增温下浅层孔隙水HIX增加和BIX降低表明腐殖化增强和新鲜的微生物来源DOM减少。一种可能的机制是热刺激的微生物加工优先消耗了不稳定化合物，导致浅层孔隙水中相对富集了更复杂的腐殖化DOM（Li等, 2023）。然而，该样地观测到的增温导致的泥炭藓丰度下降（Lyons等, 2020）可能通过减少新鲜泥炭藓来源DOM输入和削弱泥炭藓介导的微生物分解抑制而产生类似模式（Freeman等, 2004）。深层孔隙水DOM质量在增温下基本不变，这可能是由于抗性老化碳的主导地位，其对短期温度升高不敏感（Giadrina和Ryan, 2000）。Dieleman等（2016）报告DOM芳香性仅在+8°C增温下显著下降，而他们的+4°C处理没有显著变化。Kane等（2014）在三年后观察到中度增温（1.4–1.9°C）下SUVA254降低，这归因于生态系统总生产力和植物-微生物互作增强，增加了根系分泌物等芳香性较低的不稳定DOM输入以及微生物活动。因此，我们实验中SUVA254的无响应可能反映了相对适中的增温幅度（约+4°C）和短期实验持续时间（一年），两者都可能不足以引起该泥炭藓沼泽中DOM芳香性的可测量变化。

在羊茅沼泽中，增温下SUVA254降低表明DOM芳香性净减少。两种机制可能解释这种模式：(1) 增温增强了高芳香性、高分子量DOM的微生物降解（Li等, 2023）；(2) 新鲜低芳香性有机质（如根系分泌物或微生物代谢产物）的输入超过了芳香腐殖质的形成，稀释了整体芳香性。与在其他生态系统（如亚热带湿地（Wang等, 2014）、森林土壤（Yoshida等, 2018; O'Donnell等, 2016）、北极土壤（Chen等, 2018）和若尔盖泥炭地（Lou等, 2014））中增温增加芳香组分形成对比的响应，可能源于植物功能类型、水文regime、土壤pH和实验条件的差异。首先，植物功能类型是DOM质量和数量的重要调节因素（Han等, 2023; Mao等, 2018）。羊茅沼泽以维管型禾草为主导，其根系分泌物和凋落物与森林和泥炭藓主导泥炭地相比具有较低的C/N比和较低的木质素含量，导致产生芳香性较低的DOM（Del Giudice和Lindo, 2017; Palozzi和Lindo, 2017; Mastny等, 2018; Strack等, 2015）。其次，我们羊茅沼泽中增温下的土壤水分显著减少可能增强了氧气可用性，促进了芳香DOM的好氧微生物降解。第三，羊茅沼泽的近中性pH（5–7）与泥炭藓泥炭地和许多森林土壤的酸性条件（pH 3–5）相比，可能有利于具有更高芳香化合物降解能力的细菌群落（Roth等, 2015）。第四，实验持续时间和增温幅度的差异也会影响DOM的芳香性。Wang等（2014）的长期增温处理（4.5年）可能导致抗性芳香化合物的积累，而我们的一年增温实验可能主要捕捉到不稳定低芳香性DOM的瞬时脉冲，而非长期的腐殖化变化。这一解释得到了我们研究中荧光指数的支持。增温显著增加了深层孔隙水的BIX和FI，表明具有更强微生物特征（较高BIX和FI）且腐殖化程度较低的DOM的积累。浅层孔隙水的BIX或FI总体变化不显著，但表现出清晰的季节模式，与新鲜不稳定输入（如根系分泌物）的早期脉冲随后是微生物净消耗一致。综合这些趋势表明，这是微生物来源的非腐殖DOM的瞬时脉冲，而非持续向更大腐殖化转变。

在两个沼泽中识别出的所有荧光组分（C1、C2、C3）均被表征为类腐殖质物质，基于以下标准：激发波长>380 nm的组分通常为具有多环芳香结构的类腐殖质物质，而激发波长<380 nm的组分通常为具有羟基和氨基的蛋白质类物质（Bai等, 2017; Li等, 2014）。这与先前研究表明泥炭地DOM通常具有高芳香性和高分子量的结果一致（Prijac等, 2022; Tfaily等, 2013; Tfaily等, 2015）。在三个组分中，C1（λem 425–440 nm）富含类腐殖酸组分，分子量相对较低，腐殖化程度较低（Bittar等, 2016; Yamashita等, 2010）。C2（λem 450–490 nm）代表中等至高分子量和强芳香性的陆源类腐殖质组分，通常与来自土壤和植被输入的腐殖化有机物相关联（Stedmon等, 2003）。C3（λem >500 nm）是高度腐殖化、高分子量的类腐殖质或还原醌类物质，指示抗性老化有机质（Cawley等, 2012; Yamashita等, 2010）。增温没有改变任何组分的激发/发射峰位，但以沼泽特异方式改变了其相对比例。两个沼泽中增温下C2相对比例的一致增加表明DOM池向中等腐殖化、中等分子量C2组分贡献增加的方向转变，但由于这些是相对比例，这不必然意味着C2的净产生。在泥炭藓沼泽中，%C2的增加与类腐殖酸的C1下降同时发生，与不稳定组分的优先微生物降解一致。在羊茅沼泽中，%C2的增加伴随着高度腐殖化的%C3下降。这与不稳定DOM优先降解的预期并不矛盾；相反，它表明增温下荧光组分间的相对平衡取决于样地特异的微生物和氧化还原条件。在羊茅沼泽中，细菌主导的群落和增温引起的土壤水分降低可能增强了氧气可用性并促进了芳香化合物的氧化降解，与该沼泽中增温下较低的SUVA254和较高的FI/BIX一致。在泥炭藓沼泽中，增温没有改变土壤水分，%C3的相对增加可能反映了相对于不稳定组分的抗性转化产物的更大贡献。泥炭藓沼泽中较大的增温幅度（4.5°C）和羊茅沼泽中较为适中的增温（3.8°C）加上土壤干燥可能进一步导致了这些对比模式。此外，其他因素，如与对比植被类型相关的差异根系分泌剖面（Song等, 2025）、氧化还原界面处铁和锰介导的DOM氧化（Einarsdóttir等, 2020）以及地下水温度的差异可能也起作用。未来的研究需要使用化合物特异性分析（如FT-ICR MS），并结合Fe/Mn形态、氧化还原电位和水位停留时间在不同样地的测量，以直接追踪增温下这些类腐殖质组分间的转化途径。

PCA、RDA、相关分析和SEM一致识别出增温是泥炭藓沼泽中DOM动态的主要驱动因素，土壤水分有次要贡献。DOC浓度与增温之间的正相关，以及DOC与土壤水分之间的负相关，表明各因素之间存在复杂的相互作用。然而，由于增温在该沼泽中没有显著改变土壤水分，增温下DOC的增加不能归因于水分减少。相反，很可能是增温直接刺激了微生物活性和SOM的酶促分解，导致孔隙水中DOC释放增加。

高分子量腐殖质样成分（C2和C3）比例的同步增加进一步表明，升温促进了更多腐殖化、复杂DOM的积累，这可能是因为微生物优先消耗了活性组分。在莎草沼泽中，升温与土壤水分和地下水位协同作用，驱动DOM向更易生物利用的状态转变，微生物影响更大，如下降的SUVA???和增加的深层孔隙水BIX和FI所指示。与泥炭藓沼泽不同，升温显著降低了莎草沼泽的土壤水分，这可能增强了氧气可用性，促进了芳香族DOM化合物的氧化降解（Li et al., 2022）。在升温条件下HIX没有变化，表明腐殖化总体程度保持稳定。相反，芳香性的下降是由向微生物特征更强的低芳香度成分转变所驱动（如BIX和FI增加），而非腐殖化物质的净损失。此外，升温增加了该莎草沼泽中莎草属物种的丰度（Lyons et al., 2020），可能通过根系分泌物增强了活性碳的输入。禾本科莎草的根系分泌物以低分子量有机酸和糖类为主（Kruger et al., 2026; Mollenkopf et al., 2026），而泥炭藓来源的DOM以更高的芳香性、更高的分子量和更大的酚类含量为特征（Hodgkins et al., 2016）。在泥炭地中，禾本科莎草的根系分泌物通常比泥炭藓贡献更多的活性土壤DOM（Edwards et al., 2018），提供了一种在数量上具有显著意义的活性碳源，为微生物活动提供燃料，并作为低芳香性DOM生成的前体。莎草沼泽中的微生物群落以细菌为主（Lyons and Lindo, 2020），而泥炭藓沼泽中的微生物群落以真菌为主。细菌代谢通常产生低芳香性、更易生物利用的有机化合物（Ma et al., 2023），这与深层孔隙水中BIX和FI的增加一致。莎草沼泽的水位高于泥炭藓沼泽，这可能进一步促进了深层营养物质和DOM的输送，维持微生物活动。总之，干燥条件下的氧化降解、维管植物提供的活性碳输入以及以细菌为主的微生物群落，解释了为什么升温使莎草沼泽的DOM向低芳香度状态转变，这与泥炭藓沼泽中以腐殖化为主导的响应形成对比。

总的来说，升温对DOM动态的影响是复杂的且依赖于情境的，在泥炭藓沼泽和莎草沼泽之间、以及在浅层和深层之间差异显著。在环境条件下，两种沼泽的浅层孔隙水均表现出比深层孔隙水更高的DOC浓度和更强的荧光强度，而深层孔隙水具有显著更高的SUVA???，表明深层含有更高比例的芳香族、难降解DOM。这种模式与深层泥炭层中化学"老化"的概念一致（Belyea, 1996; Hogg et al., 1992）。升温以依赖沼泽类型的方式改变了这些深度模式。在两种沼泽中，升温显著增加了浅层孔隙水DOC，并使深层孔隙水DOC出现中等程度、不显著的增加，表明升温对深层DOM的影响比浅层更弱且更不稳定。泥炭藓沼泽更大的升温幅度（+4.5 °C vs. +3.8 °C）可能刺激了更强的微生物分解，进一步增加了DOC释放，而较深的泥炭（更难降解且通常缺氧）可能对短期升温响应较慢（Wilson et al., 2016）。浅层和深层孔隙水之间对比鲜明的DOM特性部分可归因于氧化还原条件的差异：浅层富氧条件支持好氧微生物群落，而地下水位波动在深层产生厌氧条件，塑造了独特的微生物群落组成、结构和丰度（Han et al., 2023）。北方泥炭地中微生物群落按氧化还原条件垂直分层的现象已被直接证实，在不同氧化还原界面、浅层泥炭和深层泥炭区之间，微生物群落组成和代谢潜力存在显著差异（Wang et al., 2024）。相关性分析进一步证实，随着土壤深度增加，SUVA???和中度腐殖化C2成分的比例增加，而活性腐殖酸样C1的行为在两种沼泽间有所不同：在泥炭藓沼泽中C1随深度增加而减少，而在莎草沼泽中深层孔隙水的C1略高于浅层孔隙水。这可能是因为维管植物根系能够穿透缺氧泥炭层并引入氧气（Armstrong et al., 2000），支持相对新鲜的C1即使存在于较深层。因此，在预测气候变化对湿地碳循环的影响时，有必要考虑优势植被类型、土壤层次、土壤水分和地下水位。

泥炭藓沼泽的DOC浓度显著高于莎草沼泽，与之前的泥炭地研究一致（Mettrop et al., 2014; Webster and McLaughlin, 2010）。几种机制可能解释这种模式：1）泥炭藓凋落物抗分解，而维管植物凋落物更易于生物降解且具有活性（Del Giudice and Lindo, 2017; Mastny et al., 2018）；2）泥炭藓释放细胞壁多糖（泥炭多糖）和多酚类化合物，抑制微生物酶活性（Freeman et al., 2004; Hajek et al., 2011）。泥炭多糖是一种泥炭藓特有的类果胶多糖，已被证明在酸性条件下能强烈抑制水解酶活性（Hajek and Urbanova, 2024）。这些抑制性物质促进了泥炭藓沼泽中分解减少和DOM积累（Chanton et al., 2008）；3）莎草沼泽表现出高养分周转和水文连通性，这可能增强了DOC的导出和矿化，而泥炭藓沼泽水文连通性差，有利于DOC保留；4）莎草凋落物碳氮比更低，因此比苔藓凋落物更易于分解（Hobbie, 1996; Lyons and Lindo, 2020），考虑到在泥炭地中氮通常是限制微生物活性的营养元素（Manzoni et al., 2010, Parton et al., 2007）。莎草沼泽中较高的FI和BIX表明DOM组成受微生物影响更大。相比之下，泥炭藓沼泽中高腐殖化、高分子量C3成分的比例更高，支持了泥炭藓来源DOM比莎草来源DOM更难降解、更芳香的发现（Moore et al., 2007）。虽然这些机制与植被驱动的凋落物质量差异和微生物抑制一致，但莎草沼泽更高的水位和更强的水文连通性可能独立地增强了DOC导出和矿化，使得在本研究中难以将植被效应与场地效应区分开来。

5. 结论

本研究揭示了泥炭地DOM对实验性升温的优势植被类型主导作用和深度特异性响应。升温持续增加了两种沼泽浅层孔隙水的DOC，其中泥炭藓沼泽的效应强于莎草沼泽，而深层DOC仅出现微小、不显著的增加。在泥炭藓沼泽中，升温作为主导驱动力，增加了两个层次中腐殖化指数（HIX）以及中等到高芳香度腐殖质样成分C2和C3的比例，而未改变芳香性（SUVA???）。在莎草沼泽中，升温与土壤干燥协同作用，降低了两个层次中的SUVA???，并增加了深层孔隙水中的BIX和FI，表明微生物影响更大。升温还提高了中等芳香度C2成分的比例，同时降低了高芳香度C3成分的比例，尤其是在深层孔隙水中。这些对比模式凸显了预测升温条件下DOM质量变化方向和幅度需要考虑升温幅度、沼泽类型、土壤深度和水文条件。

CRediT作者贡献声明

Ting Sun：写作-审阅与编辑，写作-原稿撰写，可视化，形式化分析，数据管理，概念构思。Brian A. Branfireun：写作-审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。Zoe Lindo：写作-审阅与编辑，项目管理，方法论，调查。Lihui Huang：写作-审阅与编辑，写作-原稿撰写，可视化，软件。

Ting Sun | Brian A. Branfireun | Zoe Lindo | Lihui Huang