中国西北部阿尔泰山永冻土区两个泥炭剖面有机质化学特征的变化

《CATENA》：Changes in organic matter chemistry of two peat profiles deposited from the permafrost regions of the Altai Mountains, northwestern China

　　**摘要要点**• 探索了阿尔泰山永冻土区泥炭有机质（OM）化学特征的变化。• 深层泥炭是主要碳库，具有更高的有机质化学抗性。• 泥炭有机质化学特征和活性有机碳（LOC）的变化可能与历史环境条件有关。• 局部条件导致不同样点之间泥炭有机质化学变化的差异。• 上部泥炭可能是永冻土泥炭地解冻后碳损失的重要驱动因素。---**引言**北方泥炭地储存了415 ± 150 Pg C的碳，其中近一半的泥炭碳（约200 Pg C）储存在北半球的永冻土区（Harris等，2023；Hugelius等，2020）。高纬度变暖引发的永冻土融化可能最终通过热喀斯特池塘、泥炭沼泽和沼地的形成重塑微地貌景观（Olefeldt等，2016；Harris等，2023），这可能会使以前冻结的泥炭暴露于微生物分解作用，从而有可能将深部泥炭中埋藏的碳转化为向大气释放二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的碳源（Miner等，2022；Heffernan等，2026）。然而，由于地貌异质性、永冻土历史和泥炭性质的差异，难以对融化泥炭地的碳相关反馈如何影响气候变暖进行大规模预测（Treat等，2016；Heffernan等，2020）。深埋沉积物中的泥炭是主要的碳库，储存着全球显著比例的碳量，在含水量饱和且无氧的环境中，其分解受到限制，若伴随低温条件，可储存碳达千年时间尺度（Yu等，2010；Loisel等，2017；Loisel和Bunsen，2020）。然而，在永冻土区，永冻土融化可能极大改变泥炭地碳循环，尤其是长期储存在深处的旧碳（Dorrepaal等，2009；Ota等，2013）。因为古老且难分解的泥炭碳库对升温更为敏感，一旦失稳，可能造成显著的碳损失并对气候变暖产生正反馈（Wilson等，2017）。永冻土泥炭地中大量深层碳损失与泥炭分解速率密切相关，而分解速率主要由发育历史对泥炭有机质性质的遗留效应、泥炭累积过程以及永冻土融化时间所控制（Treat等，2016；Treat等，2021；Heffernan等，2020；Heffernan等，2024；Heffernan等，2026）。然而，关于永冻土深层泥炭碳对分解的脆弱性仍存较大不确定性（Estop-Aragonés等，2022）。永冻土融化引起的泥炭有机质化学变化是推动碳损失的主要因素（Leifeld等，2012；Wilson等，2017；Hodgkins等，2018；Cong等，2023）。这些变化可能加剧温度升高、永冻土碳活化以及水文变化所导致的预测气候反馈（Hodgkins等，2014）。永冻土-气候反馈的程度取决于碳储量以及泥炭中先前稳定化的有机质的总体生物可用性和可降解性，这被认为与其总体化学质量和降解程度密切相关（Wilson等，2017）。一般而言，芳香族与碳水化合物比值（Arom/Carb）常用来表示泥炭腐化指数，衡量泥炭有机质的化学质量（Hodgkins等，2014；Hodgkins等，2018；Heffernan等，2020）。土壤中的活性有机碳（LOC）组成，包括溶解性有机碳（DOC）、微生物量碳（MBC）和易氧化碳（EOC）组分，具有碳稳定性差、易被氧化和矿化的特征，对环境微小变化敏感（Xu等，2015；Cui等，2021；Wang等，2022）。尽管许多研究关注了变暖、先前冻结碳的活化以及水文变化对碳损失的影响，但泥炭有机质化学稳定性对碳循环的影响，尤其是经历过不同历史的深埋旧碳的影响，仍 largely 不确定（Heffernan等，2026）。这种知识上的局限强调了评估永冻土区深层泥炭碳库内在活性和潜在分解特性的重要性（Heffernan等，2026）。中国西北部的阿尔泰山是干旱半干旱中亚山区的代表，该山区的生态系统群落结构对气候变化和环境扰动尤为敏感。海拔约2500米的间断性永冻土区泥炭沉积物储存约734.9–3585.6 t·C·hm?2，远高于其他泥炭地的碳储量，是阿尔泰山最大的碳储备（Chen等，2023）。这些泥炭地的现代微地貌涵盖从高出地面的泥炭丘，到以永冻土为核心体的闭塞型泥炭沼泽，再到无永冻土的沼地。永冻土退化引起的微地貌变化将加剧深层泥炭融化，导致泥炭有机质化学特征发生变化，进而可能对泥炭碳分解潜力产生显著影响，但这些变化的性质尚未得到评估。为填补这些知识空白，本研究从中国西北部阿尔泰山脉两处不同的永冻土泥炭地中完全解冻的样点采集了连续完整的解冻后泥炭岩心，以高分辨率研究泥炭有机质化学特征的变化。本研究的目的是：（1）识别不同样点间与不同沉积环境相关的深层泥炭有机质化学变化；（2）解释泥炭岩心中活性有机碳组成的变化，指示有机碳的生物可用性和泥炭分解效率；（3）探索泥炭有机质化学变化的主要驱动因素，并评估永冻土泥炭地的未来泥炭分解潜力。尽管我们无法通过长期变暖培养实验直接提供永冻土泥炭碳-气候变暖反馈的证据，但我们旨在增进对这些储存于深层泥炭中的旧碳的化学变化和分解潜力的理解，并从潜在视角提出对未来碳损失的启示。---**章节摘要****研究区域与采样**中国西北干旱中亚地区的阿尔泰山（46°33′35″–49°10′45″N，85°31′37″–91°01′15″E）为地堑式山脉，西北部地势较高且较宽阔，东南部相对低平。该地貌是受西北走向的大规模走滑断层控制，随后因新近纪喜马拉雅造山运动抬升形成的。阿尔泰山属温带大陆性寒冷气候，冬季漫长寒冷，夏季短暂凉爽。该地区拥有中国最低的雪线。---**两具泥炭岩心中泥炭有机质化学特征及pH值的变化**HH泥炭层的有机质含量范围为739.97至949.54 g/kg，均值为886.95 ± 31.10 g/kg（图2a）。100 cm以下的深层稳定地表现出较高的有机质含量，平均值为896.88 ± 19.88 g/kg。上部100 cm泥炭的有机质含量呈下降趋势，均值为851.19 ± 37.76 g/kg（图2a）。HH剖面中Arom/Carb比值范围为1.04至2.11，均值为1.41 ± 0.25。更高Arom/Carb比值出现在沉积于……的深层泥炭中。---**两具不同泥炭岩心中泥炭有机质化学抗性的变化**泥炭碳储存是泥炭有机质累积与分解之间不平衡的结果（Knoblauch等，2013；Liu等，2016），这与泥炭地强酸性和水饱和环境下较高的植物凋落物生产和较低的分解速率有关（Yu等，2010；Loisel和Bunsen，2020；Cong等，2023）。由于与纤维素和半纤维素相关的碳水化合物可能被优先分解，使得与……相关的抗性芳香族物质得以保留。---**结论**对中国西北部阿尔泰山不同永冻土区沉积于全新世的两个泥炭岩心进行高分辨率分析，结果表明深层旧碳是一个重要的碳库，其特征为泥炭有机质具有更高的化学抗性，含有更多抗性芳香族物质且微生物分解程度较低。两具岩心中活性有机碳组成的变化与泥炭有机质化学特征密切相关，尤其是泥炭中更多的芳香族物质可抑制分解活性。---**CRediT作者贡献声明****Zhang Yan：** 原稿撰写、验证、资源获取、项目管理、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。**Tong Yuyi：** 原稿撰写、资源获取、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。**Liu Yuangong：** 软件、方法论、调查研究。**Yang Yanli：** 方法论、调查研究、数据整理。**Gao Chuanyu：** 调查研究、形式化分析、概念构思。**Yang Ping：** 方法论、调查研究、---**利益冲突声明**作者声明不存在已知的可能影响本文研究成果的竞争性财务利益或个人关系。---**致谢**我们衷心感谢新疆阿尔泰山两河源保护区域管理当局提供的泥炭调查和采样支持。本研究得到国家自然科学基金（编号42677595）和福建省科技公益项目（编号2026R1002007）的资金支持。