土壤遗产对红树林湿地中土壤有机碳分配的影响：基于密度的分级方法与X射线光电子能谱研究

《Environmental Research》：Impact of soil legacy on soil organic carbon partitioning in mangrove wetlands: a density-based fractionation and X-ray photoelectron spectroscopy study

　　伊罗沙卡·格雷戈里·库雷（Iroshaka Gregory Cooray）、加雷斯·查尔默斯（Gareth Chalmers）和戴维·奇特尔伯勒（David Chittleborough）
澳大利亚阳光海岸大学科学与技术工程学院
地址：90 Sippy Downs Dr, Sippy Downs, Queensland 4556

**摘要**
红树林将大部分生态系统碳（C）以土壤有机碳（SOC）的形式储存在地下。了解红树林SOC的分布对于解释其对不同环境条件和压力因素的响应机制至关重要。我们采用基于密度的分类方法，分离了澳大利亚昆士兰州一个原始成熟红树林森林和一个处于恢复期（之前为退化农业用地）的未成熟红树林斑块中的不同SOC组分。基于密度的分类结果产生了三种不同的SOC组分：自由光照下的颗粒有机碳（POCf-LF）、遮光下的颗粒有机碳（POCo-LF）以及与矿物质结合的有机碳（MAOCHF）。成熟红树林中每种组分的单位质量碳浓度最高。在成熟和未成熟红树林中，MAOCHF都占据了主要的SOC比例。然而，成熟红树林中更高的POC:MAOC比率表明有利的生长条件促进了凋落物的积累和埋藏。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了铝和粘土介质（铝硅酸盐）在矿物-土壤界面对SOC的稳定作用。此外，通过XPS获得的有机碳物种占据的矿物表面积（MSA-OCS）可以作为理解沿海湿地SOC动态的指标。XPS估算的表面元素组成还显示，随着红树林恢复的进行，这些聚集体的稳定性得到了提高。因此，XPS可以作为一种有用的工具，有助于揭示沿海湿地中的土壤碳封存和稳定过程。

**引言**
红树林是一种沿海湿地类型，其全球覆盖面积约为137,000平方公里，分布于多个生物地理区域（Ju等人，2025年；Spalding等人，2010年）。它们提供了多种生态系统服务，包括减弱波浪冲击、控制侵蚀以及为许多物种提供栖息地和繁殖场所（Getzner和Islam，2020年；Marois和Mitsch，2015年；Mumby等人，2004年；Zhang等人，2012年）。红树林还储存了大量碳，主要储存在其土壤中的有机碳（SOC）中。土壤表层第一米内的SOC储量范围为277.4至801.8 Mg OC/公顷（Alongi，2014年；Cooray等人，2024年；Donato等人，2011年）。尽管红树林所占的土地面积比陆地森林小一个到两个数量级，但其单位面积的SOC累积速率却要高得多（陆地森林：4-5.1 g C/m2·年；红树林：226 g C/m2·年；McLeod等人，2011年）。此外，在无氧条件下，红树林中的SOC可以长期稳定储存（McKee等人，2007年）。然而，在有氧条件下，红树林凋落物（尤其是叶凋落物）可能在几年内完全分解（Liu等人，2017年；Poret等人，2007年）。理解红树林环境中SOC的保护机制对于最大化碳储存至关重要（Macreadie等人，2025年）。红树林中的SOC是一个多样化的碳库，由结构和功能不同的组分构成（Cooray等人，2025b；Lavallee等人，2020年）。这些组分主要基于限制微生物对土壤有机质（SOM）消耗的物理保护方式进行划分：颗粒有机碳（POC）和与矿物质结合的有机碳（MAOC；Lavallee等人，2020年）。通常，POC以轻质且相对未分解的有机物质片段形式存在，而MAOC则以微生物处理或植物衍生并吸附在活性矿物表面的有机分子形式存在（Cotrufo等人，2013年；Kleber等人，2021年；Lavallee等人，2020年）。根据POC是在土壤聚集体中自由存在还是被遮蔽存在，可以进一步分为两个亚组分：自由光照组分（POCf-LF）和遮光组分（POCo-LF）。由于有机-矿物相互作用阻碍了微生物的访问，MAOCHF被认为是更稳定的SOC组分（Lavallee等人，2020年；Sollins等人，1996年）。由于在土壤聚集体内的物理保护，POCo-LF比POCf-LF更不易被微生物分解（Sollins等人，1996年；Wagai等人，2009年）。因此，这些组分中SOC的分配方式对于理解红树林环境中的长期SOC稳定性至关重要。多项研究报告了红树林环境中SOC的不同组分分布（Arnaud等人，2025年；Cooray等人，2025a；Hamada等人，2024年、2025年；Wong等人，2020年；Yin等人，2025年）。然而，很少有研究探讨恢复过程中土壤遗留效应对红树林SOC组分的影响。例如，Cooray等人（2025a）提出将SOC分馏程度作为沿海湿地恢复成功的指标。此外，已有研究证实，随着恢复工作的持续进行，红树林中的SOC储量会增加（Thura等人，2023年）。然而，不同SOC组分的变化轨迹及其稳定性在红树林恢复过程中的研究仍然较为有限。此外，矿物质介导的机制对沿海湿地（包括红树林）中SOC的物理化学稳定和累积起着关键作用（Assavapanuvat等人，2025年；Cooray等人，2025a；Hamada等人，2024年；Mirabito和Chambers，2023年）。MAOCHF是一个具有空间和时间变异性的异质SOC库（Cooray等人，2025b；Neurath等人，2021年；Schweizer等人，2024年；Vogel等人，2014年）。大多数土壤化学反应发生在矿物-土壤界面（Bolt等人，2013年），因此矿物表面在控制许多土壤功能和过程（如养分和有机质吸附）中起着重要作用（Dolinar等人，2007年）。矿物表面被有机化合物饱和的程度对MAOC的形成以及土壤中的碳累积至关重要（Cotrufo等人，2015年；Mikutta等人，2019年）。但由于可用吸附位点的数量有限，MAOC的碳储存能力是有限的（Breure等人，2025年；Georgiou等人，2025年；Hassink等人，1997年；Stewart等人，2007年）。这种有限的能力通常被称为土壤的“理论矿物容量”（Breure等人，2025年）。然而，当沿海湿地受到干扰时，MAOCHF的解离和溶解可能导致碳以溶解有机碳（DOC）的形式流失（Cooray等人，2025a；Jimenez等人，2021年），从而可能使矿物表面被有机化合物饱和的程度低于理论矿物容量。因此，矿物表面被有机化合物占据的程度可以作为沿海湿地退化或恢复的指标。

**本研究方法**
我们研究了从自然恢复期的成熟红树林森林和未成熟红树林斑块中采集的土壤样本中SOC在POCf-LF、POCo-LF和MAOCHF之间的分配情况。本研究还利用X射线光电子能谱（XPS）技术估算了表面元素组成以及有机碳物种占据的矿物表面积。XPS是一种非破坏性表面分析技术，能够检测材料表面（除氢和氦外）的所有元素，通常可探测深度约为10纳米（Stevie和Donley，2020年；Yuan等人，1998年）。此外，XPS还能提供关于元素化学状态、电子状态和结合状态的定量信息（Schampera等人，2015年）。因此，XPS是理解粘土矿物表面组成及材料表面（如土壤）上有机-矿物相互作用的有效工具（Seyama等人，2006年；Woche等人，2017年）。由于XPS能够探测材料表面前10纳米的区域，它非常适合研究粘土-矿物层中的有机化合物（Song等人，2024年）。例如，许多研究已经成功利用XPS探索了有机粘土层中的阳离子交换过程（参见Schampera等人，2015年）。此外，从XPS获得的表面元素组成还可以用于研究土壤的润湿性和聚集体稳定性，从而揭示不同环境条件下SOC的持久性（Woche等人，2017年）。

**研究地点**
我们选择了位于澳大利亚昆士兰州阳光海岸马鲁奇河流域的Coolum Creek Island（CCI；约4公顷）作为参考地点（图1；海拔约0.8米，澳大利亚高度基准：AHD；阳光海岸委员会，2018年）。CCI主要由Rhizophora sp.、Bruguiera gymnorhiza和Avicennia marina等红树物种组成（Cooray等人，2026年）。未成熟红树林斑块正在通过自然引进幼苗和再生方式进行恢复（图1；图S1）。

**土壤碳组分**
成熟红树林（MM）和未成熟红树林（YM）的土壤主要由重组分（HF）构成（p < 0.05；图2；表1）。然而，YM中HF的占比显著高于MM（95.6-98.4% vs 82.0%；p = 0.004）。在分析的所有三个土壤芯样中，HF中的碳浓度最高（MAOCHF的浓度范围为YM-NC2中的10.4 mg C/g soil至CCI-C3中的41.7 mg C/g soil；p < 0.05）。自由光照组分中的碳浓度也高于其他组分。

**红树林湿地中土壤有机碳组分的动态**
从质量上看，MAOCHF在成熟和未成熟红树林湿地土壤中均占主导地位或共同占主导地位（图2；表1），这与之前的红树林环境研究结果一致（Cooray等人，2025a；Hamada等人，2024年）。这是因为红树林是沉积环境，会通过潮汐和河流过程接收矿物质沉积物（Woodroffe等人，2015年）。通常情况下，陆源矿物沉积物的碳含量低于红树林植物凋落物（Chen等人，2018年；Ono等人，2015年）。

**结论与建议**
由于多种因素，特别是沉积物供应有限和本地红树植物凋落物输出较少，成熟红树林在各个SOC组分中的碳浓度较高，这有利于有机物的积累和埋藏（图4）。过去由于排水、砍伐和甘蔗种植造成的SOC损失可能是导致POC减少（例如，由于氧化条件导致的微生物分解增加）和MAOC减少（例如，MAOC的解离和溶解）的原因。

**作者贡献声明**
伊罗沙卡·格雷戈里·库雷（Iroshaka Gregory Cooray）：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
加雷斯·查尔默斯（Gareth Chalmers）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念化。
戴维·奇特尔伯勒（David Chittleborough）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、研究、概念化。

**致谢**
本项目得到了阳光海岸大学与阳光海岸委员会之间的区域合作伙伴协议的支持。

**术语解释**
AHD：澳大利亚高度基准
CCI：Coolum Creek Island
DEM：数字高程模型
DOM：溶解有机质
f-LF：自由光照组分
GL：高斯-洛伦兹函数
HF：重组分
LST：锂杂多钨酸盐
MAOC：与矿物质结合的有机碳
MAOCHF：重组分中的与矿物质结合的有机碳
MSA-OCS：有机碳物种占据的矿物表面积
o-LF：遮光组分
POC：颗粒有机碳
POCf-LF：自由光照组分中的颗粒有机碳
POCo-LF：自由光照组分中的颗粒有机碳