在不同的水分条件下，碳的可用性和氧化还原电位调控着泥炭土壤中碳的矿化过程

《Applied Soil Ecology》：Carbon availability and redox potential regulate carbon mineralization in peat soils under contrasting moisture regimes

泥炭地土壤有机碳矿化受铁浓度与水分协同调控。通过实验室培养发现，Fe(II)/WEOC阈值因持水量不同而显著差异（65% WHC时0.9–1.1，120% WHC时2.7–3.0），铁浓度与SOC矿化率呈正相关，且水分条件通过改变铁氧化还原状态调控酶活性及碳转化路径。

　　

许光远|蔡继业|王玉婷|王阳|潘俊晓|王祖成|李宏凯|董彦民|刘莎莎|刘志平|徐志伟|王胜忠

教育部长白山地理过程与生态安全重点实验室，东北师范大学地理科学学院，长春，130024，中国

摘要

泥炭地的土壤有机碳（SOC）库极易受到人为干扰和气候变化的影响。尽管土壤水分通过“酶锁”和“铁门”两种途径调节泥炭地中的碳循环，但这些机制受铁浓度影响的程度仍不明确。为了解决这一限制，研究人员进行了为期90天的实验室培养实验，使用排水后的退化泥炭土系统研究了在不同水分条件下（持水能力分别为65%和120%）铁浓度梯度对有机物矿化的影响。结果表明，土壤酶活性与Fe(II)与水提取有机碳（Fe(II)/WEOC）比值之间存在非线性关系。在持水能力为120%时，Fe(II)/WEOC比值的临界阈值（2.7–3.0）显著高于65%时的阈值（0.9–1.1）。当Fe(II)/WEOC比值超过这一阈值时，土壤β-1,4-葡聚糖酶活性持续下降，而多酚氧化酶活性先降低后略有上升。在持水能力为65%时，SOC矿化主要受WEOC的调控；而在持水能力为120%时，则受氧化还原势的调控。在持水能力为65%时，土壤中的Fe(II)/SOC比值通过促进氧化酶活性来增强SOC矿化；而在持水能力为120%时，则直接促进SOC矿化。无论水分条件如何，SOC矿化速率都与Fe(II)浓度和Fe(II)/SOC比值呈正相关。这些结果阐明了水分依赖的Fe-酶-C相互作用如何在淹水条件下控制“酶锁”机制的不完全失活，并为设计能够减少未来气候情景下泥炭地碳损失的排水-再湿润策略提供了机制基础。

引言

泥炭地仅占全球陆地表面的大约3%，但由于其持续的水淹和酸性环境，却储存了全球15–30%的土壤碳（Limpens等人，2008年；联合国环境规划署，2022年；Yu等人，2010年）。这一巨大的碳库极易受到人为干扰和气候变化的影响（Bragazza等人，2013年；Fenner和Freeman，2011年；Freeman等人，2001年），从而威胁到泥炭地作为碳汇的关键作用（Bragazza等人，2013年；Kasimir等人，2017年；Peng等人，2024年）。水文变化，特别是排水和再湿润，强烈影响泥炭地的氧化还原状态，同时也调节着关键的生物地球化学过程，包括酶活性、有机物矿化和铁的氧化还原转化（Chen等人，2018年；Zhong等人，2020年）。这些过程在控制泥炭地碳储存中起着关键作用。因此，了解不同水分条件下铁、碳和酶活性之间的相互作用对于制定有效的泥炭地管理策略以增强碳封存和减缓气候变化至关重要。

土壤氧化酶活性是泥炭地生态系统中碳循环动态的关键决定因素（Freeman等人，2001年）。在厌氧条件下，氧化酶活性的抑制会导致酚类化合物的积累。这些化合物通过众所周知的“酶锁”机制抑制水解酶活性，这是维持泥炭地土壤有机碳（SOC）保存的基本过程（Fenner和Freeman，2011年；Chen等人，2018年）。然而，最近的研究挑战了这一传统观点，表明“酶锁”对水文变化的响应并不完全。具体来说，排水后该机制可能无法激活（Wiedermann等人，2017年；Xu等人，2021年），或者再湿润后完全失活（Wang等人，2017年）。这些发现引发了关于“酶锁”机制在水饱和条件下是否能够完全关闭的疑问。这些矛盾的结果表明，除了氧气可用性外，还有其他调节因素在起作用。

越来越多的证据表明，土壤pH值的变化、底物可用性（Peng等人，2024年；Zhong等人，2020年）以及铁的氧化还原循环（Hall和Silver，2013年）调节着酶对水文变化的响应（Freeman等人，2001年）。铁与酶活性之间的相互作用似乎依赖于浓度。据报道，低浓度的Fe(II)可以刺激水解酶和氧化酶的活性（Sinsabaugh，2010年；Wen等人，2019年）。相反，高浓度的铁会产生抑制作用，这通常归因于毒性（He等人，2024年；Musarika等人，2017年；ThomasArrigo等人，2023年）。此外，Fe(II)的氧化可以通过改变土壤pH值和底物可利用性间接影响酶活性（Lalonde等人，2012年；Hall和Silver，2013年；Riedel等人，2013年）。目前，不同水分条件下调节土壤酶活性的关键因素仍不确定，特别是铁的综合调节作用。

在水位波动期间，铁的氧化还原转化是一个关键的生物地球化学过程（Liu等人，2012年）。这一过程通过作为胶结剂、吸附剂和电子转移的媒介来调控SOC的激活和稳定（Kleber等人，2015年；Melton等人，2014年；Totsche等人，2018年）。在好氧条件下，随着水位下降，Fe(II)被氧化为Fe(III)。这种氧化作用促进了铁与芳香烃及酚类化合物之间的强关联（Wan等人，2018年）。这一过程被称为“铁门”机制，在排水后的泥炭地中对SOC的稳定尤为重要（Eusterhues等人，2005年；Hu等人，2024年；Patzner等人，2022年；Ren等人，2022年）。在厌氧条件下，Fe(III)还原为Fe(II)会产生过氧化氢（H?O?），从而引发芬顿反应，产生活性氧物种，包括羟基自由基和超氧化物，加速大分子SOC的氧化分解（Pignatello等人，2006年）。矛盾的是，在厌氧条件下添加铁可以通过共沉淀作用增强Fe-SOC的形成，同时抑制葡萄糖酸的分解（ThomasArrigo等人，2023年）。此外，一项铁添加实验表明，在早期淹水阶段，“酶锁”机制占主导地位，通过抑制氧化酶起作用；而在后期阶段，“铁门”机制通过铁-碳复合起主导作用（Wen等人，2019年）。总体而言，这些相互矛盾的发现突显了铁在调控SOC循环中的复杂作用（Lan等人，2024年；Wang等人，2017年）。目前尚不清楚“铁门”机制在不同水分条件和Fe(II)浓度下的具体作用机制。

为了解决这些知识空白，本研究通过控制Fe(II)添加实验系统研究了铁在泥炭地中碳循环的调节机制。实验在两种水分条件下（持水能力分别为65%和120%）进行了90天的实验室培养，并设置了四种不同浓度的FeSO?·7H?O处理。该设计用于评估不同水分条件下Fe(II)与酶活性之间的关系、铁与有机物的相互作用以及碳矿化的时间动态。综合测量包括与Fe-碳-酶耦合相关的关键物理化学参数，如pH值、氧化还原势（ORP）、Fe(II)浓度、碳库（如SOC、铁相关土壤有机碳（Fe-SOC）和水提取有机碳（WEOC）、水解酶和氧化酶的酶活性，以及以CO?排放率表示的碳矿化速率。我们提出了三个假设：(H1) Fe(II)对酶活性的调节效应存在水分依赖的阈值；(H2) 在好氧条件下，CO?排放主要受“铁门”机制控制，而在厌氧条件下则主要受WEOC可用性的限制；(H3) 随着易变底物的消耗，这些调节机制表现出阶段依赖的行为。这些发现为了解铁在泥炭地中调节SOC周转的酶促机制提供了新的见解。

土壤采样和实验设计

泥炭样本采集自中国东北吉林省长白山地区的白江河泥炭地（42°09′45.8″–42°10′9.2″N，126°43′49.4″–126°44′5.8″E）。该地区位于温带季风气候区，年平均气温为2.8°C，年平均降水量为761.5毫米。采样区域是一个排水后的泥炭地生态系统，地表常年不积水（Xu等人，2021年）。采样点的植被以Potentilla为主

土壤物理化学性质和酶活性的变化

结果表明，持水能力（WHC）、培养阶段和Fe(II)添加对土壤pH值、ORP和Fe(II)浓度有显著影响（表1）。在持水能力为65%的条件下，土壤的pH值和Fe(II)浓度较低，但ORP较高（表1）。在65%和120%的持水能力条件下，添加Fe(II)后土壤pH值均下降（表1）。在Fe(II)添加后的第1和第2阶段，特别是120%的持水能力条件下，Fe(II)浓度略有增加。

Fe(II)/WEOC对酶活性的水分依赖性阈值

结果表明，在未添加Fe(II)的淹水条件下，“酶锁”机制并不一致地发挥作用（CK处理）。在培养初期，厌氧条件下的PPO和BG酶活性低于好氧条件（图1a，e），这与经典的“酶锁”机制一致。这种模式表明，氧气的可用性通过直接增强酶活性或间接方式刺激PPO和BG酶活性

结论

本研究表明，铁的添加对土壤酶活性和碳动态产生了浓度依赖性和水分敏感性的影响。结果表明，“酶锁”对水分条件的响应取决于铁还原和底物可用性的共同作用，这反映在Fe(II)/WEOC比值上。氧化酶和水解酶的活性在Fe(II)/WEOC阈值以上和以下表现出不同的响应

CRediT作者贡献声明

许光远：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。 蔡继业：正式分析，数据管理。 王玉婷：正式分析，数据管理。 王阳：正式分析，数据管理。 潘俊晓：概念构思。 王祖成：撰写 – 审稿与编辑。 李宏凯：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。 董彦民：调查。 刘莎莎：方法学研究。 刘志平：方法学研究，概念构思。 徐志伟：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0806900）和国家自然科学基金（32241033、32571854、42494823）的共同支持。