热带棕榈沼泽（Vereda）湿地地形序列中铁(Fe)和铝(Al)对矿物结合态有机碳的对比控制作用

《CATENA》：Contrasting Fe and Al controls on mineral-associated organic carbon across a tropical wetland toposequence in palm swamps (Vereda)

　　

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  在高度风化的热带Vereda湿地中，反应性铁组分向饱和土壤方向急剧下降。
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  铝-有机质结合在整个湿地地序中持续存在。
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  碳稳定化机制从铁介导转变为铝介导。
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  水文过程和氧化还原动力学控制了矿物-有机质相互作用。
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  铝可能代表了Vereda湿地中碳稳定化的持续途径。

引言

在气候危机的背景下，由于自然碳库在调节地球气候系统和缓解温室气体排放方面的作用，识别和保护这些碳库变得越来越紧迫。湿地在这方面尤为重要，因为它们在维持高碳密度的同时，还支持与水文调节和生物多样性保护相关的关键生态功能（Reddy等人，2022年）。其碳积累能力从根本上受持续过湿饱和控制，这限制了氧扩散，约束了微生物代谢，并限制了负责有机质分解的胞外酶系统活性（Limpens等人，2008年）。碳积累与水文条件之间的这种紧密耦合也构成了其脆弱性的基础。排水和土地利用变化已经导致了湿地的重大损失和长期储存碳向大气释放，使这些系统在改变条件下从净碳汇转变为潜在碳源（Temmink等人，2022年；Fluet-Chouinard等人，2023年）。

泥炭地是最突出的湿地碳库，相对于其空间范围储存了不成比例的大量土壤有机碳，因此塑造了当前对湿地碳动力学的认识（Reddy等人，2022年）。具有可比碳积累潜力的湿地也存在于热带地区，其气候条件、土壤矿物学和生物地球化学过程与温带和北方系统存在显著差异，但在湿地碳循环的更广泛综合研究中代表性仍然不足（Sj?gersten等人，2014年）。在巴西Cerrado地区，Vereda——当地定义为以Mauritia flexuosa L.为优势的棕榈沼泽湿地——构成沿浅谷发育的永久性地下水补给生态系统。这些系统的特征为水成土、泥炭质层的频繁出现，以及富有机质层与高度风化矿物基质的共存（Ramos等人，2006年；Horák-Terra等人，2022a；Horák-Terra等人，2022b）。Vereda在Cerrado景观中发挥着关键的生态和水文作用，并储存了其土壤碳的相当大比例（Beer等人，2024年）。然而，它们也受显著的水文梯度和动态氧化还原条件影响，这些条件可能强烈影响控制碳稳定化的机制。因此，这些热带湿地中长期碳持久性的控制因素仍未得到很好的约束，也不能直接从泥炭地范式推导而来。

近期土壤碳研究的进展强调矿物结合态有机质（MAOM）作为控制长期碳持久性的核心碳库（Cotrufo等人，2019年；Lavallee等人，2019年）。在这一框架中，碳持久性不仅取决于有机化合物的内在抗分解性，还取决于微生物加工过程、物理化学相互作用以及可及性和分解的局限性（Lehmann和Kleber，2015年）。与颗粒有机碳相比，MAOM通常更为稳定，主要受与反应性矿物相的相互作用控制，主要通过溶解态有机质经由配体交换和络合机制吸附到矿物表面来实现（Kaiser和Guggenberger，2003年）。在湿地土壤中，相当一部分有机碳可与弱结晶或短程有序金属相结合，特别是铁（Fe）和铝（Al）（氢）氧化物，形成有机-矿物复合物，有助于矿物层中的碳稳定化（Wagai等人，2013年；Kleber等人，2015年；Zhu等人，2023年）。

在这一框架中，泥炭地系统的研究报告了有机碳与反应性铁组分在整个土壤剖面中呈强相关，支持了一种被广泛接受的观点，即铁矿物在水饱和条件下在碳稳定化中起主要作用（Huang，2021、2023年；Feng等人，2025年；Kan等人，2025年）。然而，这种铁主导的框架在多大程度上适用于热带湿地仍不确定。Vereda存在于高度风化的热带景观中，其特征为化学贫瘠、强酸性土壤、低碱饱和度和高铝饱和度（Ramos等人，2014年；Horák-Terra等人，2022a）。这些成土特征出现在显著的水文梯度上，持续的过湿饱和可促进铁的还原、溶解和迁移，从而可能降低反应性铁相的可用性（Kappler等人，2021年）。在这样的环境中，铝在高度风化土壤中通常较为丰富，可能通过络合以及与反应性矿物相的结合，为有机质稳定化提供替代途径（K?gel-Knabner等人，2010年）。

在湿地系统中，仅生物和水文控制不足以完全解释土壤有机碳的持久性，特别是在矿物层中，物理化学稳定化机制变得越来越重要。在此背景下，巴西Cerrado的Vereda提供了一个结合强水文梯度、波动氧化还原条件和高度风化矿物基质的良好定义自然框架，为研究矿物相如何在对比性土壤区室中调节碳稳定化提供了独特机会。这些生态系统对水文干扰和土地利用变化日益脆弱，这些因素可能破坏其碳平衡，并强化了更好地理解控制碳持久性机制的需要（Wantzen等人，2012年；Horák-Terra等人，2022b；Araújo等人，2025年）。

鉴于此，本研究沿Vereda土壤地序研究了土壤有机碳与反应性铁和铝矿物组分之间的相互作用。我们假设铁在氧化和过渡环境中贡献碳稳定化，但在持续过湿饱和条件下由于氧化还原驱动的迁移而变得不那么有效，而铝在更深且更还原的土壤层中对有机碳稳定化发挥更为一致的控制作用。

章节摘要

研究区描述

本研究在巴西地理统计局生态保护区（RECOR）进行，位于巴西中部高原，距巴西利亚以南约35公里处（15°56′41″S；47°53′07″W）。研究区包含一个在Cerrado高原典型的轻微起伏地形下浅谷中发育的Vereda（地下水补给型棕榈沼泽湿地），与高度风化热带土壤相关的水成环境（Ribeiro，2011年）。研究的

Vereda地序上的物理化学结果

与上述RECOR-Vereda水文梯度一致，土壤湿度沿地序从边缘到底部增加，从约39%上升至80%（p < 0.001；η² = 0.87），而土壤pH沿下坡方向降低，从5.74降至4.43（p < 0.001；η² = 0.77）（表1）。

总有机碳浓度从边缘到底部增加（p < 0.001；η² = 0.68），从79 g kg^?1上升至370 g kg^?1，底部土壤的值明显高于边缘土壤和

Vereda地序上铁-有机碳结合的空间变异性

铁已被广泛认为是通过形成有机-矿物结合来稳定湿地土壤中有机碳的关键稳定剂，特别是在水饱和条件下。泥炭地系统的证据经常显示有机碳与反应性铁组分在整个土壤剖面中呈强相关，支持了水成环境中铁结合态有机碳的形成和保存（Mu等人，2016年；Wang等人，2021年；Huang等人，2021年；Huang等人

结论

RECOR-Vereda地序揭示了铁和铝在水文和氧化还原梯度上对矿物结合态有机碳的对比性控制作用。铁浓度向永久饱和的底部土壤急剧下降，伴随着结晶铁相的逐渐消失、沙粒含量增加、粘粒组分减少以及与有机碳结合的减弱。这些模式共同表明铁相关碳库强烈受氧化还原驱动的

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利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢巴西利亚大学（UnB）、巴西地理统计局生态保护区（RECOR-IBGE）以及所有参与野外和实验室活动的合作者。C.M.S.A. 感谢巴西高等教育人员改进协调委员会（CAPES）通过硕士奖学金提供的资金支持。

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