研究背景：

泥炭地储存了全球约三分之一的土壤碳（约650 Gt C），在减缓气候变化中发挥着关键作用。溶解性有机碳（DOC）输出是泥炭地碳损失的重要途径，可占其生态系统净碳交换量的一半。因此，泥炭地DOC输出对区域碳收支及流域生物地球化学循环具有重要影响。然而，泥炭地DOC对气候变暖的响应仍不清晰，制约了学界对泥炭地气候反馈的准确预测。

文章概述：

为此，中国科学院植物研究所冯晓娟团队在世界最大的高寒泥炭地（若尔盖）利用开顶箱（OTC）建立了野外增温实验平台（图1），并通过连续5个生长季孔隙水高频监测、溶解性有机质（DOM）分子组成与¹⁴C测定，结合土壤微生物群落分析，对比了不同水文条件下（排水与淹水）泥炭地DOC输出对增温的响应。

图文导读：

图1.增温对若尔盖泥炭地孔隙水DOC浓度的影响

研究表明，增温使排水泥炭地0?50 cm孔隙水DOC浓度平均增加40%（图1）。同时，植物地上生物量和根系质量显著增加，且前者与DOC浓度显著正相关（r = 0.51；图2），表明植物输入是DOC增加的主要驱动力。DOM分子组成分析证实，增温增加了可溶性总酚、DOC/DON比值和芳香性指数（AI_mod）等表征植物源DOM的指标，且均与植物生物量正相关（图2）。而微生物生物量、胞外酶活性及微生物源DOM指标在增温与对照样地间无显著差异。因此，排水泥炭地DOC浓度上升主要归因于增温对植物输入的促进作用。

与排水泥炭地不同，淹水泥炭地中仅表层（0-10 cm）DOC浓度在增温后增加（约26%；图1）；植物生物量及植物源DOM指标均无显著变化，且与DOC浓度不相关（图2），表明植物输入并非表层DOC增加的主要原因。有意思的是，增温使DOM的碳氧化态指数（NOSC）显著降低，表明还原性脂类化合物增加，这与铁氧化物还原溶解所释放的DOM特征相似。

为了验证淹水湿地中铁还原与表层DOC增加的关联性，本研究对孔隙水中Fe²⁺及主要阳离子（包括Mn²⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺）的变化进行了连续5个生长季的监测。监测数据显示，增温使表层Fe²⁺和Mn²⁺浓度翻倍（图3），而其它阳离子无显著变化；所有阳离子中，Fe²⁺与DOC相关性最强（r = 0.57）。同时，增温后表层土壤盐酸可提取态亚铁[Fe(II)_HCl]含量升高、氧化还原电位降低（图3）。上述结果说明，增温显著增强了淹水泥炭地的铁还原强度，并由此释放了原本和铁氧化物结合的DOM。

为了探究铁还原增强的原因，本研究进一步利用16S rRNA测序技术测定了土壤铁还原菌的丰度。结果表明，增温显著提高了淹水泥炭地表层（0?10 cm）土壤铁还原菌（如Bacillus、Anaeromyxobacter、Geobacter）丰度（图3），而在10 cm以下土壤中没有显著变化，原因可能是OTC增温效果的影响深度有限，且深层土壤铁还原菌丰度较低。这一结果与增温仅加剧淹水泥炭地表层土壤铁还原及DOC释放一致。上述证据共同表明，增温通过增强微生物铁还原过程，驱动了淹水泥炭地表层DOC的释放。而这一现象在排水泥炭地中没有发生---铁还原菌丰度、Fe²⁺和Fe(II)HCl含量在增温后均无显著变化，Fe²⁺与DOC也无相关性（图3）。

图2.增温对植物、孔隙水化学组成及其关系的影响

图3.增温对孔隙水铁形态及主要阳离子、土壤Fe(II)HCl及铁还原菌丰度的影响及其与DOC的关系

由于湿地中铁结合态有机碳的年龄通常较老（Ma et al., 2024），其释放可能改变DOC的¹⁴C特征。为此，本研究测定了2020-2022与2024年生长季早期（5月）和中期（8月）DOC的¹⁴C含量。结果证实，淹水泥炭地表层DOC的现代碳分数（Fm）从0.966降至0.952，对应¹⁴C年龄从277年增至398年（图4），且DOC-Fm与Fe²⁺负相关（r = −0.66；图4），表明铁还原释放了溶解性老碳。根据贝叶斯模型估算，铁还原释放的DOC年龄约为890年（95%置信区间：283-1935年），远老于表层土壤总有机碳（Fm = 1.012 ± 0.012；属于现代碳）。与铁还原增强的深度限制一致，30和50 cm土壤中DOC-Fm未受到增温的影响（图4）。与之相反，排水泥炭地增温后DOC-Fm显著升高（更年轻），且与Fe²⁺无相关性（图4），进一步证实增温后排水泥炭地增加的DOC源于植物近期输入。

图4.增温引起的DOC的¹⁴C变化及其与Fe²⁺的关系

综上，本研究揭示了增温背景下淹水和排水泥炭地截然不同的DOC释放机制和气候反馈潜力。在排水泥炭地中，增温通过促进植物输入，加剧以芳香性组分为主的溶解性新碳释放（气候反馈贡献微弱）；而在淹水泥炭地中，增温通过增强微生物铁还原，触发以脂类组分为主的溶解性老碳释放（图5）。在厌氧条件长期封存的脂类老碳，一旦经水文输出进入下游水体，极易被微生物矿化，可能加剧气候正反馈（图5），因此代表了一条此前被忽视的老碳释放路径。

需要指出的是，本研究利用的OTC增温实验对底层泥炭的增温效果有限，老碳释放仅限于表层土壤，深层泥炭对增温的响应机制有待进一步探究。尽管如此，研究揭示了排水与淹水泥炭地DOM对气候变暖的差异化响应机制，为准确预测泥炭地的气候反馈效应提供了新视角。

图5.排水和淹水泥炭地DOC对增温的差异化响应机制

上述研究近日以“Iron-mediated release of aged dissolved organic carbon from waterlogged peatland under warming”为题在线发表于Advanced Science。中国科学院植物研究所副研究员戴国华为第一作者，冯晓娟研究员为通讯作者。植物所工程师刘宗广，副研究员贾娟、刘婷、赵云鹏，已出站特别研究助理刘程竹，博士研究生杨志颖、胡万佳、马立晓、康恩泽，已毕业博士罗万清，中国石油大学（北京）史权教授、何晨副教授，中国科学院成都生物所陈槐研究员、高永恒研究员、刘建亮副研究员，崂山实验室赵美训教授、张海龙高级工程师在该研究中做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院国际合作项目的资助。

论文信息：

Iron-Mediated Release of Aged Dissolved Organic Carbon From Waterlogged Peatland Under Warming

Guohua Dai, Zhiying Yang, Zongguang Liu, Wanjia Hu, Lixiao Ma, Enze Kang, Wanqing Luo, Yunpeng Zhao, Chengzhu Liu, Juan Jia, Ting Liu, Chen He, Quan Shi, Jianliang Liu, Yongheng Gao, Huai Chen, Hailong Zhang, Meixun Zhao, Xiaojuan Feng

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202522234

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202522234

期刊介绍：

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