中红外光谱技术作为监测湿地恢复过程中分子变化的工具

《Organic Geochemistry》：Mid-infrared spectroscopy as a tool to monitor molecular changes in fens upon restoration

泥炭地恢复监测中MIR光谱技术的应用研究。通过对比MIR光谱与py-GC/MS数据，评估了13个欧洲湿地样本中MIR在预测化学组分比例（R2P 0.64-0.89）、分解可预测性（R2CV 0.74）及区分排水/恢复状态（P<0.05）方面的有效性。结果显示MIR可高效监测水文恢复对有机碳稳定性的影响，为大规模泥炭地监测提供新工具。

　　

金坤培|本·阿恩纳茨|威廉-扬·埃姆森斯|朱迪思·谢莱肯斯|鲁迪·范迪格伦|卡米埃尔·阿根巴赫|埃里克·维尔布鲁根|鲍里斯·詹森|玛丽亚·J.I. 布里奥内斯|卡伦·范坎彭豪特

鲁汶大学地球与环境科学系森林、自然与景观学分部，盖尔校区，克莱因霍夫斯特拉特4号，2440盖尔，比利时

摘要

泥炭地是全球碳（C）循环的重要组成部分，但由于排水作用而遭到严重破坏。重新湿润是恢复排水泥炭地的常见方法，但其对地下土壤有机碳（SOC）动态的影响仍不确定。为了有效监测恢复效果，需要经济实惠、高效且信息丰富的工具。热解-气相色谱/质谱（py-GC/MS）技术可以提供详细的土壤有机质（SOM）特征分析，但其高昂的成本、耗时的过程和技术复杂性限制了其广泛应用。相比之下，中红外（MIR）光谱结合化学计量学方法可能是一个有前景的替代方案。本研究评估了MIR光谱在以下方面的潜力：（1）再现py-GC/MS测得的化学基团的相对贡献；（2）估算SOC的可分解性；（3）监测未排水泥炭地排水或排水泥炭地重新湿润后的地下变化。结果表明，MIR光谱能够有效识别特定化学基团（苯类R2P = 0.89、碳水化合物R2P = 0.85、含氮化合物R2P = 0.76、n-烯烃R2P = 0.74），以及对木质素R2P = 0.68和酚类R2P = 0.64的合理预测。SOC的可分解性（以单位SOC的基线呼吸速率表示）也得到了合理估计（R2CV = 0.74）。未排水和排水泥炭地的MIR光谱存在显著差异（P < 0.05），而重新湿润的泥炭地与这两种状态无显著差异（Ps > 0.05）。偏最小二乘-判别分析进一步确定了对水文变化最敏感的功能基团。总体而言，MIR光谱是一种经济高效的技术，可用于评估泥炭地中SOM的组成和碳稳定性，从而支持数据驱动的泥炭地恢复策略。

引言

尽管泥炭地仅覆盖地球陆地表面的2-3%，但据估计它们含有600-650 Gt的碳，约占全球土壤碳储量的三分之一（Yu等人，2010年；Heller等人，2015年；Kreyling等人，2021年）。原始泥炭地作为净碳汇，因为土壤有机质（SOM）的分解速率相对于光合作用产生的碳输入较慢，这主要是由于缺氧条件、低温、低pH值以及植物残余物的高抗性导致微生物活动受限（Fenner和Freeman，2011年；Pengerud等人，2013年；Dieleman等人，2015年）。

然而，尽管泥炭地在局部和全球碳封存中起着关键作用，但由于人类活动的影响，其覆盖面积在过去几个世纪里迅速减少，全球现有泥炭地面积估计减少了约80%（Joosten和Clarke，2002年；McAnallen等人，2017年；Loisel和Gallego-Sala，2022年）。导致这种加速损失的主要原因是农业或林业用途的排水以及泥炭开采（Meyer等人，2014年；Dieleman等人，2015年；Upton等人，2018年；Lehmann等人，2020年；Zak和McInnes，2022年）。排水改变了泥炭地的水文状况、通气性、植被覆盖和有机质分解速率，导致更多的碳释放到大气和水生系统中，从而使泥炭地从净碳汇转变为碳源（Morris等人，2011年；Günther等人，2020年；Dean等人，2024年）。

因此，作为生物多样性保护和《京都议定书》下的碳交易倡议的一部分，泥炭地恢复工作正在增加，特别是通过重新湿润的方式（Kitson和Bell，2020年；Loisel和Gallego-Sala，2022年）。重新湿润包括堵塞排水沟和重新调整地形以抬高水位等物理干预措施，其主要目的是恢复关键的生态功能（Zak和McInnes，2022年）。通过重新湿润恢复可以显著减少净CO?排放，在某些情况下，典型泥炭地物种可能在相对较短的时间内重新出现（Leifeld和Menichetti，2018年；Günther等人，2020年）。然而，地下生态系统的恢复，包括土壤性质、过程和生物群落，要慢得多，且重新湿润的效果也更为多变（Lai，2009年；Rodriguez等人，2021年；Gro?-Schm?lders等人，2022年；Antonijevi?等人，2023年）。SOM基质的品质及其物理化学性质在调节微生物活动和丰度方面起着关键作用，进而影响土壤有机碳（SOC）的可分解性和与碳封存及温室气体排放相关的微生物过程（Gholizadeh等人，2013年；Urbanová等人，2018年；Jamaluddin等人，2024年）。尽管有这些认识，排水和重新湿润后的碳动态仍很大程度上未知且难以评估，但这些因素可能显著影响恢复效果，并决定泥炭地对未来干扰的脆弱性（Forouzangohar等人，2015年；Heller等人，2015年；Matamala等人，2017年；Günther等人，2020年；Baysinger等人，2022年）。因此，为了评估泥炭地恢复的长期成功和可持续性，密切监测和量化地下碳动态、泥炭地的脆弱性以及恢复策略下的整体土壤功能至关重要。

热解-气相色谱/质谱（py-GC/MS）是一种可靠的技术，可以高精度地获取SOM的分子组成（Klein等人，2022年；Abdelhady等人，2024年）。该技术已被广泛用于研究泥炭地排水和重新湿润过程中的SOM分解过程和地下动态（Schellekens等人，2009年；Ninnes等人，2023年；Kim等人，2026年）。此外，还可以通过化学方法（如py-GC/MS测得的SOM分子组成）或生物方法（如实验室培养过程中的CO?-C演变）来评估泥炭地对未来损害的脆弱性（Schmidt等人，2011年）。然而，py-GC/MS和培养研究的技术要求高且成本昂贵，限制了其在大规模监测中的应用（Ng等人，2022年；Ninnes等人，2023年）。由于可处理的样本数量有限，我们对泥炭地碳动态的了解基于非常有限的调查地点，可能导致结果偏差，无法准确反映区域或景观尺度上的实际情况（Brosens等人，2021年）。因此，泥炭地碳动态研究的发展面临如何在强大的分析工具成本与设计和监测泥炭地保护和恢复工作所需的高时间和空间采样分辨率之间取得平衡的根本挑战（Ninnes等人，2023年）。

作为一种替代方法，中红外区域（4000–4000 cm?1）的傅里叶变换红外光谱（MIR光谱）是一种高通量、低成本、非破坏性和可重复的分析方法，适用于评估土壤碳储量（Forouzangohar等人，2015年；Kunarso等人，2025年）。通过分析土壤样本中特定分子键振动对应的反射波长，MIR光谱可以推断SOM的功能基团，从而为研究土壤中的分子动态提供潜在的可扩展替代方案（Peltre等人，2014年；Moinet和Millard，2020年；Ng等人，2022年）。然而，由于不同功能基团和键的振动可能在同一波数区域重叠（尤其是当样本中含有矿物质时），MIR光谱的高分辨率光谱解释较为复杂（Peltre等人，2014年）。

将MIR光谱与化学计量学方法（如多元回归和分类模型）结合使用，可以同时实现高采样分辨率和分析细节，同时解决光谱重叠问题（Rumpel等人，2001年；Aernouts等人，2020年）。这种方法已被广泛用于分析矿物土壤的多种特性（Forouzangohar等人，2015年；Ma等人，2024年）。然而，将其应用于泥炭样本的适用性仍不确定，因为泥炭的碳含量通常超过40-50%（干重基），且其化学组成独特，可能无法直接应用于现有的矿物土壤模型（Teickner和Knorr，2022年）。此外，MIR光谱在评估化学基团的相对贡献和碳稳定性方面的有效性仍不清楚，这对其作为泥炭地恢复监测工具的效率提出了质疑（Heller等人，2015年；Helfenstein等人，2021年；Martínez Cortizas等人，2021年）。因此，进一步评估MIR光谱与先进化学计量分析的结合对于其在泥炭地恢复监测中的有效应用至关重要，因为它可能提供高采样分辨率和对泥炭地脆弱性的详细分析见解（Peltre等人，2014年；Barthès和Chotte，2021年；Ng等人，2022年）。

在这项研究中，我们评估了MIR光谱结合化学计量建模作为快速可靠的泥炭地研究和监测技术的潜力。为此，我们将MIR光谱与同一样本的py-GC/MS分子数据（Kim等人，2026年）以及实验室培养得出的泥炭可分解性指标进行了比较。研究涵盖了来自欧洲13个泥炭地的未排水、排水和重新湿润样本。因此，我们评估了MIR光谱是否能够（1）评估泥炭样本中化学基团的相对贡献；（2）预测泥炭样本对分解的脆弱性，并据此推断易分解的功能基团信息；（3）检测泥炭排水或重新湿润后的地下SOM组成变化。

站点描述和泥炭采样

2017年6月，在从西欧到东欧的纵向横断面上采集了13个低地地下水补给的泥炭地样本——包括英国（安格尔西岛）、比利时（阿隆、Zwarte Beek）、荷兰（Binnenveld、Drentse Aa）、德国（Gützkow、Peene Mouth、基尔、Recknitz）和波兰（Biebrza、Rospuda、Suwalszczyzna、Mazury）——具体细节见其他文献（Emsens等人，2020年；Gro?-Schm?lders等人，2022年）。简而言之，这三个泥炭地的恢复状态不同（未排水……

中红外光谱的原始光谱

所有117个泥炭样本的MIR光谱显示出相似的吸收峰，但强度不同（图1）。根据Peltre等人（2014年）的方法对MIR光谱进行视觉评估后，发现其与大多数矿物土壤样本的信号完全不同（图1；表1）。正如预期的那样，由于泥炭含有高量的有机质，我们的样本几乎不受矿物干扰。实际上，在3620 cm?1附近的尖锐峰通常归因于粘土中O–H键的伸缩振动

模型在预测分子组成和稳定性方面的表现

以往的研究主要使用MIR光谱来推断泥炭地的总体性质，如总碳或氮含量（例如，Helfenstein等人，2021年；Kunarso等人，2025年）。Ninnes等人（2023年）通过将MIR光谱与PCA结合应用于全新世沉积物样本，成功预测了化学基团的百分比。他们的预测结果与参考数据高度吻合。在我们的研究中，我们使用PLS回归建立了……

结论

我们的研究表明，MIR光谱作为一种独立工具，在大规模监测泥炭地中SOC稳定性方面具有巨大潜力，为了解恢复过程中的水文变化下的SOC动态提供了宝贵见解。我们的结果进一步表明，重新湿润是使排水泥炭地恢复到接近原始状态的有效方法。我们的方法成功再现了py-GC/MS测得的特定化学基团的相对丰度……

CRediT作者贡献声明

金坤培：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据管理。本·阿恩纳茨：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、研究。威廉-扬·埃姆森斯：撰写——审稿与编辑、监督、研究、数据管理。朱迪思·谢莱肯斯：撰写——审稿与编辑、监督、研究。鲁迪·范迪格伦：。卡米埃尔·阿根巴赫：研究、资金获取、数据管理。埃里克·维尔布鲁根：撰写——审稿与编辑、项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Yannick Stroobandt、Lore Fondu、Kim Vekemans、Eva de Rijke、Myrthe van der Kolk、Sascha Nijdam和Michel Bechtold在样本处理程序、设备操作和培训方面的帮助，以及他们分享的专业知识对提高工作效率的贡献。本研究得到了弗兰德斯研究基金会（FWO-G060721N）的资助。样本采集得到了BiodivERsA COFUND和波兰国家科学中心（NCN）的支持