我已经想出了自己的解决办法。我使用std::string::replace从高级std::sregex_iterator中获取第一个std::sub_match中的一对迭代器：

std::string str = "fast cast dust crust must last rust";
std::regex expr{" .(a|u)st"};
std::sregex_iterator regex_it{str.cbegin(), str.cend(), expr};

std::advance(regex_it, 2);
str.replace(regex_it->cbegin()->first, regex_it->cbegin()->second, " lol");
std::cout << str << std::endl;

如果愿意，可以添加一些额外的迭代器验证。我长话短说。
输出为：

fast cast dust crust lol last rust

然而，值得一提的是，std::regex_replace返回一个修改后的副本，而上面的解决方案在原地更改了字符串。此外，应该小心，因为一旦替换完成，sub_match es中的迭代器可能会失效。