变暖条件下水淹泥炭地中铁介导的老龄溶解性有机碳释放

《Advanced Science》：Iron-Mediated Release of Aged Dissolved Organic Carbon From Waterlogged Peatland Under Warming

　　

泥炭地贡献了从陆地输送至海洋的溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）输出量的约20%。然而，变暖条件下水淹泥炭地DOC释放的潜在变化仍知之甚少。研究人员在高海拔水淹泥炭地（若尔盖）开展了原位（in situ）增温实验，将5年的野外操控与逐月/逐季孔隙水监测相结合，并进行了>100次¹⁴C测定、有机质分子表征以及微生物群落谱分析。结果表明，增温总体上提高了泥炭地孔隙水DOC浓度，但在对比鲜明的水文条件下，其机制并不相同。在排水泥炭地中，增加的DOC以现代碳为特征，且芳香性较高，这与增温促进植物输入增加有关。相反，在水淹泥炭地中，增温通过提高铁还原菌（iron-reducing bacteria）丰度、增强铁还原作用，释放出老龄的（约距今890年；95%可信区间：283–1935年）、富含脂质的DOC。上述发现强调，增温可通过增强铁还原作用，使水淹高寒泥炭地中的老龄碳失稳——这是一条此前被忽视的水生途径，可能在这些具有全球重要意义的生态系统中产生正向气候反馈。

该文发表于《Advanced Science》，聚焦气候变暖背景下泥炭地溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）的释放机制及其气候反馈意义。泥炭地储存着全球约三分之一的土壤碳，是重要的陆地碳库与气候调节系统；同时，DOC输出又是泥炭地碳损失的关键路径，并深刻影响流域碳收支、水质和生物地球化学循环。既有研究多表明，在高地生态系统和排水泥炭地中，增温常通过提高植物生产力和近期光合产物输入而增加DOC浓度，但对全球占比更高、储碳量更大的水淹泥炭地而言，增温下DOC响应及其机制长期缺乏清晰的实地证据。尤其是，水淹缺氧环境中铁（Fe）还原可能破坏铁结合有机碳（Fe-bound organic carbon）的稳定性，进而释放周转缓慢的老龄碳，这一过程若普遍存在，将意味着与传统“新近植物碳输入增加”不同的更强正反馈风险，因此有必要开展系统研究。

研究人员以青藏高原若尔盖泥炭地为对象，在相邻的排水与水淹两类生境中建立长期野外增温平台，比较不同水文条件下DOC对增温的响应差异。研究结论表明：增温在两类泥炭地中均可提高孔隙水DOC浓度，但机制存在根本分化。排水泥炭地中，DOC升高主要源于植物地上生物量和根系输入增加，所释放DOC表现为现代碳、芳香性较强；而在水淹泥炭地中，表层DOC升高并非由植物输入驱动，而是与铁还原增强、Fe²⁺升高、铁还原菌丰度增加及DOC分子中还原性脂质样组分增加密切相关，且释放出的DOC具有更老的¹⁴C年龄特征。贝叶斯分层混合模型进一步估算显示，铁介导释放的DOC年龄约为距今890年，显著老于同层位总体土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）。这一发现揭示了水淹高寒泥炭地中一个此前被忽视的“铁介导老龄DOC水路输出”机制，对理解泥炭地碳失稳和完善地球系统模型具有重要意义。

作者开展研究所采用的主要技术方法可概括如下：研究基于若尔盖高寒泥炭地原位开放顶箱（open-top chambers，OTCs）5年增温实验，在排水与水淹两类样地各设置重复小区，并对10、30、50 cm深度孔隙水进行14次逐月/逐季监测；结合DOC、Fe²⁺/Fe³⁺、主要阳离子、Cl^?等化学测定，利用加速器质谱（Accelerator Mass Spectrometer，AMS）开展DOC-¹⁴C分析，采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，FT-ICR MS）解析溶解性有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）分子组成，并通过16S rRNA基因测序与定量PCR（qPCR）分析铁还原菌丰度，同时测定植物生物量、土壤氧化还原电位和Fe(II)_HCl等指标。

2.1 Warming Increases Peatland Porewater DOC
本节首先说明增温平台及其环境背景。研究样地位于海拔3400 m的若尔盖泥炭地，两处样地相距约150 m：水淹样地生长季水位基本位于地表±5 cm范围内，植被以莎草类为主；排水样地生长季水位位于地表下34 ± 2 cm，以禾草类植物占优势。OTC处理使地表上方30 cm年均气温升高1.38°C，土壤不同深度也出现幅度较小但现实的增温效应，且冬季增温强于夏季，较好模拟了真实气候变暖的季节非对称性。

在连续5个生长季监测中，排水泥炭地10、30和50 cm深度孔隙水DOC浓度在增温下分别显著升高57 ± 10%、35 ± 7%和31 ± 6%。研究人员进一步通过植物和DOM化学特征分析表明，这一升高与植物输入增强密切相关：增温显著提高地上生物量和根系质量，尤其在40–50 cm层位根系增加明显；表层DOC与地上生物量呈显著正相关。同时，溶解酚类、DOC/溶解性有机氮（dissolved organic nitrogen，DON）比值以及修正芳香性指数（modified aromaticity index，AImod）均升高，指向植物来源DOM增加。相反，微生物生物量、酶活性及微生物来源脂肪族组分未见显著变化，因此排水泥炭地DOC上升主要归因于增温促进的植物碳输入。

与之不同，水淹泥炭地中DOC增加仅限于10 cm表层，升幅为26 ± 6%。但增温并未引起地上生物量、根系质量以及溶解酚类、DOC/DON、AImod等植物输入指标的显著变化，且DOC及这些指标均与地上生物量无显著相关性。研究人员又以Cl^?为保守示踪剂排查蒸散浓缩效应，发现DOC/Cl^?并未改变；同时，因水位无显著处理差异且DOC增加仅见于表层，也基本排除了侧向或垂向水文再分配解释。值得注意的是，表层DOM的碳名义氧化态（Nominal Oxidation State of Carbon，NOSC）显著下降，表明还原性更强、脂质样分子比例增加。结合既往关于铁矿物还原溶解释放脂质样有机质的认识，研究人员据此提出水淹泥炭地DOC升高可能与铁结合有机组分释放有关。

2.2 Warming Promotes Fe Reduction in Waterlogged Peatlands
为验证上述推断，研究人员系统测定了孔隙水中Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、Ca²⁺、Na⁺和Mg²⁺等离子，以及土壤中盐酸可提取亚铁[Fe(II)_HCl]和铁还原菌丰度。结果显示，在水淹泥炭地表层10 cm，增温使孔隙水Fe²⁺和Mn²⁺浓度约增加1倍，而其他主要阳离子基本不变，仅Na⁺略有升高。更关键的是，在所有检测阳离子中，Fe²⁺与DOC的正相关最强，说明DOC增加与铁还原释放Fe²⁺密切耦合，而不是一般性的物理解吸。与此同时，表层土壤Fe(II)_HCl含量增加、氧化还原电位下降，进一步证明增温增强了还原环境下的铁还原过程。

在微生物层面，研究人员于增温4年后通过16S rRNA基因测序鉴定潜在铁还原菌，并发现表层0–10 cm水淹土壤中Bacillus、Anaeromyxobacter、Geobacter等潜在铁还原菌丰度显著升高。该效应具有明显深度限制，10 cm以下未观察到显著变化。论文将其归因于OTC增温向深层土壤的热量传递有限，以及深层本身铁还原菌丰度较低。这与DOC增加及Fe还原增强均局限于表层的结果相一致。

相比之下，排水泥炭地在增温下并未出现铁还原菌丰度、孔隙水Fe²⁺或土壤Fe(II)_HCl的显著变化，而且其Fe²⁺基础水平明显低于水淹泥炭地。与此同时，排水泥炭地中Fe²⁺与DOC的相关性也不强于其他阳离子。综合来看，本节明确证明：增温促进了水淹泥炭地表层由微生物驱动的铁还原，并由此驱动DOC释放；这一机制并不适用于排水泥炭地。

2.3 Aged DOC Release From Warmed Waterlogged Peatlands
鉴于湿地中铁结合有机碳通常比总体SOC更古老，研究人员进一步利用DOC的放射性碳（¹⁴C）组成检验增温是否释放了老龄DOC。在水淹泥炭地10 cm表层，增温显著降低DOC的fraction modern（Fm），由0.966 ± 0.008降至0.952 ± 0.007，对应常规¹⁴C年龄由277 ± 52 yr BP升至398 ± 57 yr BP。并且，DOC-Fm与孔隙水Fe²⁺在表层和全剖面尺度上均呈显著负相关，即Fe²⁺越高，DOC越老，这直接支持了“铁还原释放老龄DOC”的核心假设。

在此基础上，研究人员假定背景DOC的Fm与对照处理相同，构建贝叶斯分层混合模型，对铁结合组分释放DOC的年龄进行反演估算。结果显示，被释放DOC的Fm为0.895，95%可信区间为0.786–0.965，对应常规¹⁴C年龄约为890 yr BP，95%可信区间为283–1935 yr BP。该年龄显著老于增温前同深度总体SOC的现代碳信号（Fm = 1.012 ± 0.012），从而有力表明增温释放的并非新近植物来源碳，而是受到铁氧化物保护、周转较慢的老龄铁结合有机碳。与表层铁还原效应一致，30和50 cm深度并未检测到显著的DOC-Fm变化。

在排水泥炭地中，结果则恰好相反。增温显著提高了10 cm与50 cm孔隙水DOC的Fm，表明释放出的DOC更偏现代；同时DOC-Fm与Fe²⁺不存在显著相关。这进一步确认，排水泥炭地DOC增加主要反映近期植物输入增强，而非老龄碳动员。

讨论与意义总结
论文讨论部分强调，本研究通过高时间分辨率、跨5个生长季的原位增温试验，揭示了泥炭地在不同水文状态下对变暖的DOC响应具有“机制二分性”。排水泥炭地释放的是由近期植物生产驱动的现代、富芳香性DOC，对长期碳-气候反馈的贡献相对有限；而水淹泥炭地则因微生物驱动的铁还原增强，释放出老龄、脂质样更强的DOC。这类DOC原本受铁氧化物保护，具有较长停留时间，一旦进入下游水体，可能进一步被矿化并以CO₂形式返回大气，从而构成此前未被充分重视的正向气候反馈途径。论文同时指出，OTC增温对深层泥炭的热穿透有限，因此本研究观察到的老龄DOC释放主要局限于表层10 cm，未来仍需全剖面增温实验检验深层储碳是否存在类似机制；此外，这一现象在不同泥炭地类型中的适用性也有待进一步验证。尽管如此，本研究已明确提出，应将铁介导的泥炭地碳循环纳入地球系统模型，以提升对广泛分布、富碳泥炭生态系统碳-气候反馈的预测能力。

研究结论部分翻译：
在若尔盖高海拔水淹泥炭地开展的原位操控实验，并结合连续5个生长季的逐月至逐季监测，研究揭示了增温条件下水淹泥炭地与排水泥炭地均表现出DOC总体增加，但其驱动机制及气候反馈潜力存在根本差异。排水泥炭地在增温下释放的是来源于植物输入增加的现代、富芳香性DOC。相比之下，水淹泥炭地则由于微生物驱动的铁还原增强，释放出带有更多脂质样组分的老龄DOC。关键在于，这类经由铁还原释放的老龄DOC原本受铁氧化物保护、停留时间较长、芳香性较低，并且在进入下游水体后可能易于被微生物矿化。因此，增温背景下这部分老龄且相对活性的DOC被动员，代表了一条此前被忽视的、可使百年尺度老碳经水生系统进入大气的途径，并可能触发正向碳-气候反馈；这与排水泥炭地中主要来源于近年大气CO₂固定的现代DOC增加形成鲜明对照。