灌木扩张导致湿地颗粒态和矿物结合态有机碳稳定性的同步下降

《CATENA》：Shrub expansion drives coupled declines in wetland particulate and mineral-associated organic carbon stability

　　颗粒有机碳（POC）稳定性在灌丛侵入型湿地中被进行了测量。灌丛扩张降低了整个0–45厘米土层中POC的稳定性。凋落物引起的POC化学性质变化驱动了POC稳定性的下降。POC稳定性与化学计量比和矿物结合碳（MAOC）耦合。碳库研究应同时考虑POC和MAOC的稳定性及其耦合关系。## 引言湿地储存了全球土壤有机碳（SOC）的约30%，在碳-气候反馈中发挥着关键作用（Davidson et al., 2018; Lu et al., 2021）。SOC的稳定性在很大程度上决定了湿地生态系统是充当碳源还是碳汇（Sun et al., 2025）。近期对SOC的操作性分异——将其划分为颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）——为深入理解SOC动态提供了新的视角（Lavallee et al., 2020）。POC主要来源于未完全分解的植物残体或碎屑，是湿地SOC的主要组成组分（Lavallee et al., 2020; Temmink et al., 2022; Wang et al., 2026）。由于POC缺乏矿物保护，其尤其容易受到分解的影响，因此是湿地碳排放的主要贡献者（Liu et al., 2025a; Liu et al., 2025b）。因此，POC稳定性对于理解湿地碳收支和气候反馈至关重要。POC的化学性质在很大程度上决定了其稳定性。具体而言，脂肪族碳等功能基团可增强热稳定性和疏水性，从而降低微生物的可及性（An et al., 2021; Fan et al., 2026）；而含氧功能基团（如多糖碳）则更为活泼，更易受到微生物分解（Xin et al., 2024b）。元素化学计量比也发挥着关键作用（Cheng et al., 2023）。碳氮比（C/N）较低的凋落物在化学计量上更接近微生物的需求，因此更容易被分解（Soucémarianadin et al., 2019）。POC的化学性质受到优势植物物种凋落物输入的影响。例如，互花米草入侵红树林生态系统会改变凋落物质量，导致土壤中烷基碳含量降低、氧烷基碳含量增加（Wang et al., 2024）。因此，植物群落组成的变化，特别是优势功能群的变化，可深刻影响POC的稳定性。作为MAOC的关键前体，POC是植物凋落物与MAOC形成之间的关键纽带（Angst et al., 2023; Angst et al., 2025）。来源于高质量凋落物（特征为低C/N比和简单碳结构）的POC更容易被微生物利用（Ridgeway et al., 2022）。这种增强可及性促进了微生物加工过程，增强了微生物碳泵效应，最终增加了微生物残体对MAOC的贡献（Yu et al., 2022; Zhao et al., 2025）。值得注意的是，与微生物残体相关的MAOC通常具有较低的C/N比，且稳定性不如来源于木质素酚等植物来源化合物的MAOC（Jia et al., 2025）。综上，这些观察结果表明POC和MAOC可能在稳定性和化学计量比方面表现出耦合变化。然而，POC和MAOC的耦合行为仍知之甚少，限制了对土壤碳库在植被演替下综合响应的全面理解。近几十年来，气候变暖和人为水文变化驱动了湿地植物群落的大规模演替（Ga?ka et al., 2023; Xin et al., 2024a），其中灌丛扩张尤为突出，并日益被认为是全球性生态现象（Lafitte et al., 2025; K?n?nen et al., 2026）。与禾本科植物相比，灌木通常表现出更强的氮吸收能力，产生的凋落物含氮量更高（Zhang et al., 2020）。已有研究表明，灌丛扩张加速了群落层面的凋落物分解（Dong et al., 2025），并降低了MAOC的稳定性（Xiao et al., 2026）。然而，作为连接凋落物与MAOC的关键过渡碳库的POC，其稳定性是否表现出耦合下降仍不清楚。三江平原是中国淡水湿地的主要分布区之一。近年来，在气候变化和人类活动加剧（如农业开垦和人工排水）的共同影响下，灌木已大量扩张侵入到禾草沼泽中（Zhang et al., 2021）。本研究针对往往被忽视的POC稳定性，利用热稳定性和接触角测量方法，在三个土层（0–15 cm、15–30 cm和30–45 cm）研究了灌丛扩张如何影响POC稳定性及其与MAOC的耦合关系。基于前期研究理论和初步数据，我们提出以下假设：（1）灌丛扩张降低POC稳定性；（2）凋落物引起的POC化学性质变化驱动了POC稳定性的下降；（3）POC和MAOC在稳定性和化学计量比方面表现出耦合变化。## 各章节摘要### 研究区域与采样本研究在中国东北三江平原自然保护区的湿地内开展（47°35′N, 133°31′E）。该地区地形低平（海拔56 m），属典型的温带大陆性季风气候，年均气温3°C，年均降水量560 mm。在该湿地中，生长季每年发生一次洪水，持续时间约为20–40天（Xiao et al., 2026）。狭叶苔草（覆盖率60%–95%）和湿生苔草（覆盖率5%–25%）### 热稳定性与接触角在所有土层中，TG-T??和DSC-T??均沿灌丛扩张序列显著降低（*P* < 0.05；图S1和图2a, b），而Exo?/Exo_total显著增加（*P* < 0.05；图2c）。具体而言，在灌丛扩张至矮灌丛和高灌丛后，TG-T??在0–15 cm土层分别降低了5.3°C和8.7°C，在15–30 cm土层分别降低了11.0°C和21.2°C，在30–45 cm土层分别降低了19.1°C和20.8°C（图2a）。类似地，DSC-T??在0–15 cm土层分别降低了4.0°C和6.6°C，### 灌丛扩张降低了POC稳定性与我们的第一个假设一致，POC的热稳定性沿灌丛扩张序列在所有土层中逐渐降低，且随着灌丛扩张加剧，降幅更为显著。此前研究中也观察到由禾草向木本植物转变的主导植被变化对碳热稳定性的类似效应（An et al., 2021; Gu et al., 2025）。例如，在SOC转化过程中，TG-T??逐渐降低。### 结论本研究考察了沿自然灌丛扩张序列整个0–45 cm土层中POC稳定性的变化以及POC-MAOC的协同关系。结果有力支持了我们的三个假设。具体而言，灌丛扩张降低了湿地土壤中POC的稳定性，表现为热稳定性和接触角的下降。从机制上看，沿序列含氮丰富的灌木叶凋落物比例增加，改变了化学结构和元素### CRediT作者贡献声明**张青：** 初稿撰写、可视化、调查、形式化分析、数据整理。**赵闯：** 初稿撰写、软件、方法论、调查。**王碧秀：** 软件、调查。**王艳梅：** 审阅与编辑、方法论、形式化分析。**崔茜：** 软件、资源、方法论。**毛蓉：** 审阅与编辑。**张新厚：** 审阅与编辑、验证、指导、项目管理、概念设计。## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。## 致谢本研究由**国家自然科学基金**（编号42371051和32672094）提供经费支持。---张青|赵闯|王碧秀|王艳梅|崔茜|毛蓉|张新厚