北极退化帕尔萨沼泽的碳与微生物特征：揭示冻土融化下水文连通性对碳循环的影响

《ISME Communications》：Carbon and microbes in a degrading palsa mire are distinct from a peatland and a wider connected sub-Arctic fluvial system

本研究针对气候变化下北极冻土区碳循环的关键科学问题，通过整合溶解性有机物（DOM）理化特性与微生物群落数据，揭示了退化帕尔萨沼泽与泥炭地在碳输出及微生物组成上的显著差异。研究发现，帕尔萨沼泽解冻池塘具有更高浓度的芳香性DOM和独特的微生物群落（如超小型Patescibacteria优势分布），但其碳输出并未在流域下游持续显现，提示局部碳处理主导了碳归宿。该成果为理解北极水生系统碳循环对冻土退化的响应提供了新视角，发表于《ISME Communications》。

　　

北极地区被誉为地球的“冰箱”，储存着全球约415 Pg（十亿吨）的碳，其中185 Pg封存在冻土泥炭地中。然而，随着气候变暖加速，这座巨大的碳库正悄然“解冻”，冻土退化导致大量有机碳释放到水体中，可能进一步加剧温室效应。尽管北极河流网络是碳输送的关键通道，但小型溪流和池塘作为碳降解的热点区域，其碳转化机制及微生物驱动作用仍知之甚少。更棘手的是，以往研究多聚焦于大型河流，而忽略了局部水文连通性变化对碳归宿的调控作用。在这一背景下，芬兰赫尔辛基大学等机构的研究团队选择北极典型退化帕尔萨沼泽与相邻泥炭地作为天然实验室，试图解答：冻土退化如何改变流域内碳的“质”与“量”？微生物又会如何响应？

为回答这些问题，研究人员于2023年6月在芬兰拉普兰的基迪约基河流域开展了系统性采样，覆盖帕尔萨沼泽与泥炭地的池塘、溪流及主干河流。他们综合运用水体理化参数分析（如DOC浓度、CDOM光学特性）、微生物群落高通量测序（16S rRNA基因分析）以及DOM降解实验，对比了两类子流域的碳输出特征和微生物组成。

关键技术方法概述

研究通过野外采样获取水体和土壤样本，利用光谱法测定DOM光学指标（如SUVA₂₅₄、荧光指数），结合流动细胞术量化细菌丰度；采用宏基因组学分析微生物群落结构；通过室内培养实验模拟DOM降解过程，监测碳转化动态。样本来源于芬兰乌茨约基河流域的天然冻土退化区与泥炭地。

结果分析

1. 水化学特征

帕尔萨沼泽池塘的DOC浓度（最高达9330 μmol L^-1）显著高于泥炭地池塘，且其DOM具有更高芳香性（SUVA₂₅₄达16.04 L mg^-1m^-1）和分子量。主成分分析显示，帕尔萨池塘与其他站点明显分离，印证了其独特的碳化学环境。

2. 土壤性质

帕尔萨土壤呈强酸性（pH 3.75–4.10）、高有机质含量（约97%），而泥炭地土壤pH更高（5.16–5.31）、有机质含量波动大（19%–67%），暗示两者碳库稳定性差异可能影响DOM释放特性。

3. 微生物群落组成

细菌群落以Patescibacteria（占水体样本50%以上）、Proteobacteria和Bacteroidota为主；古菌则以Nanoarchaeota和Micrarchaeota为优势类群。帕尔萨池塘群落富含Acidobacteriota和Methanobacteriales，而溪流站点以Patescibacteria（如Candidatus Kaiserbacteria）为主导。主坐标分析进一步证实帕尔萨站点群落的独特性。

4. DOM降解实验

帕尔萨池塘的微生物呼吸速率和细菌增长最快，但其CDOM吸收系数变化微弱，表明微生物优先利用非显色DOM。未过滤样本中细菌生长受浮游动物抑制，凸显微生物在DOM转化中的核心作用。

5. DOC输出通量

尽管帕尔萨池塘局部碳处理活跃，其下游出口的DOC输出速率（5.48 kg C d^-1）与泥炭地（5.47 kg C d^-1）无显著差异，反映碳在源头已被大量截留降解。

结论与意义

本研究揭示，退化帕尔萨沼泽虽为碳“热点”，但其碳输出受限于水文隔离与局部微生物高效代谢，未必持续影响下游系统。超小型微生物（如Patescibacteria）的广泛分布提示其在北极碳循环中可能扮演“隐形推手”角色。成果挑战了“冻土碳必然远程输送”的传统认知，强调需关注微观生境对碳归宿的调控作用，为预测北极碳-气候反馈机制提供了关键实证依据。