植被-潮汐梯度通过微生物转化和铁介导的矿物保护调控长江口湿地沉积物有机碳稳定化

《Environmental Research》：The vegetation-tidal gradient regulate s sediment organic carbon stabilization via microbial transformation and iron-mediated mineral protection in Yangtze Estuary wetlands

　　

摘要

河口湿地是重要的"蓝碳"汇，但其碳储量表现出显著的空间异质性。植物分布和潮汐淹没如何影响沉积物有机碳（SOC）含量及其稳定机制尚不明确。在此，我们分析了SOC组分、微生物群落组成和酶活性，以阐明长江口湿地沿植被—潮汐梯度的SOC稳定机制。结果表明，从高等盐沼Phragmites australis（HTP）区域到潮间带（TF），SOC、矿物结合有机碳（MAOC）、颗粒有机碳（POC）、微生物残体碳（MNC）、铁结合有机碳（Fe-OC）、微生物生物量碳（MBC）和酶活性均呈下降趋势，而Fe-OC和MAOC对SOC的相对贡献则逐步上升。微生物群落沿该梯度从K-策略者转变为r-策略者，从铁氧化细菌（FeOB）转变为铁还原细菌（FeRB）。随机森林分析和偏最小二乘路径模型显示，POC积累主要受植物输入和微生物加工驱动，而MAOC积累与铁介导的矿物保护关系更为密切。总体而言，高等盐沼区域的碳积累主要由植物输入和微生物转化主导，而低潮间带的长期碳稳定则更依赖铁介导的矿物保护。潮汐淹没频率的增加与对矿物主导稳定的更大依赖相关联，然而植被的保存对于抵消碳损失和确保持续固碳仍然不可或缺。这些发现阐明了SOC稳定的空间格局和内在机制，为河口湿地生态系统的蓝碳保护提供了科学依据。

引言

河口湿地作为关键的"蓝碳"汇，储存和埋藏了大量有机碳（Hao et al., 2024; Peacock, 2025; Wang et al., 2025b），从而对缓解气候变化做出了显著贡献（Rosentreter et al., 2023; Wang et al., 2023）。沉积物有机碳（SOC）的稳定性是决定这些湿地碳汇潜力的关键，取决于颗粒有机碳（POC）的活跃周转与矿物结合有机碳（MAOC）的持久性之间的平衡（Li et al., 2025b; Zhou et al., 2024）。POC通常在数年至数十年内不稳定，对环境扰动尤为敏感（Wang et al., 2026），而MAOC则可持久数百年至数千年，对沉积物的长期碳封存贡献显著（Fu et al., 2024; Lugato et al., 2021）。因此，理解POC如何转化为MAOC并进一步稳定，对于评估河口湿地的长期碳封存潜力至关重要。

MAOC通过微生物对有机质的加工形成，随后通过与矿物相结合而稳定（Li et al., 2026b; Liu et al., 2025a; Xiao et al., 2023, 2025; Zhu et al., 2020）。微生物残体碳（MNC）是MAOC的关键前体，占SOC的4%–78%（Zhao et al., 2026）。铁结合有机碳（Fe-OC）通过吸附和共沉淀显著降低SOC的生物可利用性，占全球湿地SOC的22.5%（Zhao et al., 2023a），代表了关键的"锈汇"（Jia et al., 2024; Ma et al., 2025; Song et al., 2022）。然而，微生物还原铁氧化物会使有机—矿物络合物失稳，可能损害SOC的长期保存（Huang et al., 2021; Strzepek et al., 2025）。因此，阐明Fe-OC与MNC的耦合关系并量化其对SOC的相对贡献，对于理解河口湿地SOC稳定机制至关重要。

近期研究表明，植被和潮汐淹没共同与河口及沿海湿地沉积物中的有机碳稳定相关联（Tan et al., 2025）。潮汐淹没通过改变淹没频率和持续时间来调节沉积物氧化还原条件（Tan et al., 2025），从而影响铁转化以及铁矿物结合有机碳的能力（Liu et al., 2025b; Wang et al., 2025a; Zheng et al., 2025）。植被类型通过凋落物质量、酶活性和微生物群落组成影响有机碳输入的质量以及微生物转化的效率（Hao et al., 2024）。Sheng等（2022, 2023）发现矿物可以降低胞外酶活性但延长其作用时间，从而显著影响碳动态和稳定性。现有针对河口和沿海湿地的研究已提供了关于SOC储存和空间分布的初步认识（Xia et al., 2022; Yan et al., 2024）。然而，对于潮汐淹没格局、植被输入、微生物转化和铁介导的矿物保护如何共同调节碳库稳定性，沿植被—潮汐梯度的系统性认识仍然缺乏。

作为中国最大的河口湿地，长江口具有以Phragmites australis和Scirpus mariqueter为主导的明显植被—潮汐梯度。该梯度为研究潮汐和植被共同影响下的碳转化提供了理想的自然场景（Bi et al., 2024b）。此外，该地区高沉积速率和高铁氧化物输入促进了Fe-OC的积累（Bi et al., 2024c）。因此，我们研究了植被—潮汐梯度如何通过微生物转化和铁介导的矿物保护共同调节河口湿地SOC库的组成和长期稳定。我们提出以下假设：SOC稳定沿植被—潮汐梯度系统性变化：(i) 高等盐沼区域由于植物输入较强而积累更多SOC和POC，而低潮间带更多依赖矿物保护的MAOC进行长期碳储存；(ii) 微生物加工和植物输入与POC积累密切相关，而铁氧化物驱动Fe-OC和MAOC的形成；以及(iii) 沿植被—潮汐梯度的碳封存与稳定机制发生转变。

章节片段

研究地点与野外采样

长江口湿地（30°50′–31°40′ N, 121°00′–122°30′ E）位于亚热带季风气候区，年均温约15.5 °C，年降水量为900–1500 mm。该地区经历不规则半日潮，平均潮差约2.5 m，强烈影响潮汐淹没的持续时间和频率，并形成从潮间带到陆地的明显植被—潮汐梯度（图1a）。基于差异

沿植被—潮汐梯度的植被特性和沉积物物理化学特征

HTP和MTP的植株高度和地上生物量（AGB）显著大于SM，反映了植物物种组成的差异（图S1a和c; P < 0.05）。沿植被—潮汐梯度，pH从HTP到TF显著升高（图S1d; P < 0.05），而灼烧损失（LOI）和溶解性有机碳（DOC）显著下降（图S1g和j; P < 0.05）。在Phragmites australis生境（HTP和MTP）中，粘土和粉砂的比例显著高于SM

POC和MAOC积累与稳定途径的差异

在长江口湿地中，POC和MAOC的积累和稳定沿植被—潮汐梯度存在显著差异（图1c）（Yu et al., 2026）。尽管这两个碳组分遵循不同的积累途径，但它们紧密耦合，共同构成了一个协调的碳封存系统（Li et al., 2026b; Wu et al., 2025b）。POC主要由植被输入、微生物转化和快速周转所预测，因此反映了其不稳定性

结论

本研究证明，微生物转化和铁介导的矿物保护共同调节长江口湿地沿植被—潮汐梯度的沉积物有机碳积累与稳定。SOC含量从高等盐沼到低潮生境呈下降趋势，而MAOC对SOC的相对贡献沿梯度显著增加。潮汐淹没持续时间通过改变

CRediT作者贡献声明

曾今： 撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、经费获取、概念化。姬梦婷： 方法学、调查研究。王彩涛： 方法学、调查研究。杨润涵： 方法学、调查研究。肖淑文： 方法学、调查研究。张宏杰： 撰写—审阅与编辑、方法学、调查研究。赵大勇： 撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、经费获取、概念化。李环：

数据可用性

支持本研究结果的数据已提交至国家生物组学数据中心（NODE）数据库，项目编号为OEP00006965（细菌序列数据：OEX00033118）。

声明

我们声明，本稿件所述工作此前未曾发表，除非期刊投稿政策允许的形式；也未被其他期刊考虑发表。本稿件的提交和发表已获得所有作者以及适用情况下开展工作的责任机构的批准。若被接收，该稿件不会以相同形式、以英文或任何其他

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知的会影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金委员会（U23A20153、U25A20639）、江苏省碳达峰碳中和创新研究项目（BT2024012）和国家重点研发计划（2023YFF1304501）资助。

李环|张宏杰|杨润涵|肖淑文|王彩涛|姬梦婷|赵大勇|曾今

水利部水灾害防御重点实验室，河海大学，中国南京 210098