正构烷烃记录揭示热喀斯特湖陆地化过程中藓地至泥炭地演替与泥炭碳稳定性的增强

《Quaternary Science Reviews》：n-Alkane records reveal fen-to-bog succession with increasing peat carbon stability during thermokarst lake terrestrialization

　　

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  沼泽-泥炭地演替特征刻画了热融湖岸泥炭地的发育过程。
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  正构烷烃生物标志物揭示了20世纪50年代以来泥炭藓属和灌木的扩张。
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  植被演替表现出显著的空间异质性，与地形密切相关。
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  碳稳定性随着泥炭藓属和灌木的扩张以及养分限制而增强。

引言

北方泥炭地储存了全球土壤碳储量的近30%（Gorham, 1991；Yu等, 2010）。北方泥炭地中约有一半分布于中高纬度的冻土区，包括连续冻土区、不连续冻土区和岛状冻土区（Hugelius等, 2020；Olefeldt等, 2021）。泥炭地积累和保存碳的能力受环境条件强烈影响，尤其是温度和水分条件（Kayranli等, 2010）。其下伏的多年冻土有助于维持较低的地温并限制排水，形成冷湿环境，有利于泥炭的积累和保存（Walvoord和Kurylyk, 2016）。

北半球冻土区对全球气候变暖尤为敏感（Schuur等, 2015；Swindles等, 2015）。气候变暖导致富含冰的多年冻土融化，形成热喀斯特地貌，如热融湖（Sannel和Kuhry, 2011；Vonk等, 2015；Olefeldd等, 2016）。热融湖的形成可显著改变冻土景观的局部地形和水文条件（Grosse等, 2013）。湖泊形成后，浅盆往往逐渐被沉积物和泥炭填充，导致陆地化过程并促进沿湖岸泥炭地的发育（Olefeldt等, 2016, 2021；Gao等, 2025）。

随着湖岸泥炭地的发育，持续的泥炭积累以及与富矿质水源水文的逐步隔离，使局部水文条件和养分状态逐步改变（Laine等, 2021）。植被演替是这些变化环境条件的关键生态响应（V?liranta等, 2017；Laine等, 2021）。早期阶段的泥炭地通常在矿营养条件下由莎草科等湿生植物主导，而持续的泥炭积累和地表抬升则有利于在日益增强的寡营养条件下泥炭藓属苔藓和灌木的扩张，标志着从沼泽向泥炭地的过渡（Loisel和Bunsen, 2020；Errington等, 2024；Juselius-Rajam?ki等, 2025）。植被演替改变凋落物组成，而水文条件调控分解过程，二者共同影响泥炭碳的化学组成和稳定性（Hutchings等, 2019；Heffernan等, 2026）。

植物来源的正构烷烃广泛保存于泥炭沉积中，其碳链长度分布保留了成泥炭植被的组成信息（Bush和McInerney, 2013；Naafs等, 2019；Zhang等, 2022）。泥炭藓属苔藓通常以中链长正构-C₂₃和正构-C₂₅同系物的高丰度为特征，而陆地维管植物则通常含有较长链正构烷烃的高丰度（Bingham等, 2010；Bush和McInerney, 2013）。因此，正构-C₂₃/正构-C₂₉比值被广泛用于追踪泥炭地中泥炭藓属和维管植物相对贡献的变化（Nichols等, 2006；Andersson等, 2011）。其他正构烷烃指数，包括ACL和Paq，提供了有关植被来源及相关水文条件的互补信息（Ficken等, 2000；Andersson等, 2011；Zhang等, 2022）。综合这些正构烷烃特征，可为重建泥炭地发育过程中的植被演替提供有用的依据。

大兴安岭北部位于一个对气候变化高度敏感的冻土区内，近几十年来经历了显著增暖（Wang等, 2024）。这种增暖促进了广泛的多年冻土退化、热融湖形成以及沿湖岸泥炭地的发育（Gao等, 2025）。Gao等（2025）建立了这些湖岸泥炭地的年代学和发育历史，并记录了总氮和泥炭碳组成的变化。然而，泥炭地发育过程中植被演替的格局和时序，及其与水文变率和泥炭碳组成的联系，仍知之甚少。本文利用相同泥炭柱的正构烷烃生物标志物重建植被演替，并使用线性混合效应模型评估其与泥炭碳组成的关系，旨在（1）重建植被演替的时空历史；（2）考察植被演替的时间节点与当地地形和区域干旱事件的关系；（3）定量评估植被阶段、总氮和正构-C₂₃/正构-C₂₉比值对泥炭芳构度变化的相对贡献。

章节摘要

研究区概况

大兴安岭位于中国东北部。年平均气温为-4.5°C，年降水量为550毫米。研究区位于大兴安岭北部（52°55′44″ N, 122°45′22″ E），热融湖和泥炭地的海拔范围为451至477米，湖周未观察到排水通道或水系网络（图1）。从四个现代地表植被群落中采集了七根泥炭柱

奇数碳正构烷烃的分布特征

在七根泥炭柱中，从正构-C₂₃到正构-C₃₃的奇数碳正构烷烃相对丰度表现出显著的时间变率，且各柱之间呈现明显的分布格局差异。在热融湖北岸，三根泥炭柱均观察到正构烷烃组成的显著变化，主要转变的发生时间集中在1950年代至1970年代之间。在N1柱中，1955年之后，正构-C₂₇的相对丰度从约23%增加到32%，而

植被演替和水文变化的历史

利用现代植物和表土泥炭的正构烷烃分布，结合已发表的参考数据，重建了成泥炭植被演替（表1）。由于泥炭地植被与水文条件密切相关，植物来源正构烷烃的变化也可以指示过去的水文变率（Lamentowicz等, 2019；Weltzin等, 2003；Robroek等, 2007；Breeuwer等, 2009）。本研究中，正构烷烃代用指标表明，早期阶段

结论

本研究揭示了大兴安岭北部热融湖岸泥炭地发育过程中从沼泽向泥炭地的演替轨迹。北岸正构烷烃的主要变化主要发生在1950年代至1970年代，与有记录的区域干旱条件相吻合，植被阶段转变发生在20世纪60年代末至1990年代。相比之下，南岸低处植被阶段的转变主要发生在2000年代之后。这种空间差异

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国科学院东北地理与农业生态研究所分析测试中心提供的协助。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：42494822、42301120、42330509）和长春师范大学自然科学基金（CSJJ2024002GZR）的资助。

Jiangtao Gao|Chuanyu Gao|Dongxue Han|Jinxin Cong|Yunlong Gao|Guangxin Li|Guoping Wang|Ming Jiang