長江口濱海濕地植物群落潮溝水體有機碳動態及其影響因素

費蓓莉 解麗娜 李詩華 陳威 葛振鳴

摘要：潮溝系統是濱海濕地與外界環境之間橫向碳交換的重要通道.本研究以長江口濱海濕地典型植物群落（禾本科Poaceaue和莎草科cyperaceae）為研究對象，調查了不同潮汐（小潮期與大潮期）退潮過程中潮溝水體可溶性有機碳（Doc）和顆粒態有機碳（Poc）的季節變化.結果表明，潮水向外輸出的過程中，Doc和Poc從高潮灘到口外淺水光灘均逐漸變化，大潮期時不同生境潮溝的有機碳豐度一般比小潮期高.在具有較高植物生物量和土壤有機碳儲量的Poaceae群落中，各季節潮溝水體Doc含量均顯著高于cyperaceae生境潮溝;相反，各季節cyperaceae群落潮溝Poc含量則高于Poaceaue群落潮溝.此外，Poaceae群落潮溝在各季節均表現為Doc凈輸出，而Poc為凈輸入，各季節D0c和Poc在cyperaceae群落潮溝均呈現凈輸出趨勢.

關鍵詞：潮溝系統;有機碳;季節變化;植被類型;潮汐

中圖分類號：P933 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2019.01.017

0引言

作為全球碳循環中“藍色碳匯”的主要貢獻者，鹽沼濕地、紅樹林和海草床等濱海濕地生態系統的固碳減排作用近年來備受關注.然而，濱海濕地受海陸相互作用影響，各種生物、物理和化學過程變化劇烈，存在氣態、固態和液態多個碳交換界面，因此碳循環過程較為復雜.一方面，高等植物通過光合作用形成較高的初級生產力以及外源沉積物中較高的碳封存速率等被認為是重要的碳匯集過程;另一方面，潮汐作用會通過水體將物質輸入到濕地系統或從濕地系統輸出，通過濕地水系（主要是潮溝系統）橫向輸出被認為是碳流失過程.

目前對于濱海濕地碳循環過程研究較多，但通過潮溝系統發生的水平方向碳輸運的研究還較少涉及.一般來說，濱海濕地潮汐過程中大部分橫向輸運的碳組分是溶解有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）和顆粒有機碳（Particulate organic carbon，POC）根據Odum的“Outwelling”溢出理論，濱海濕地有機碳的輸運量取決于植被初級生產力和潮汐特征，同時也會受到降雨或洪水的影響.

亞熱帶和溫帶濱海濕地分布有許多耐鹽植物類群，呈現出生態特征和生產力格局的空間差異性.中國長江口擁有多處淤漲型的濱海鹽沼濕地，是我國濱海濕地資源的重要組成部分.長江口濱海濕地的高等植被種類多樣，但主要由少數幾類具有不同生態特征的群落所主導（如禾本科植物Poaceae和莎草科植物Cyperaceae）.在長江口崇明東灘濕地已開展的碳通量研究指出，橫向碳輸運是碳循環中的重要組分，但這部分碳過程是渦度相關技術和遙感估算較難識別的.因此，本研究選擇崇明東灘濕地占優勢的Poaceae和Cyperaceae群落，研究群落中潮溝水系的有機碳動態變化，初步分析有機碳組分在潮水向外輸出過程中的特征.本研究結果可為評估濱海濕地系統碳收支以及濕地與鄰近河口之間橫向碳交換提供依據.

1.3植物和土壤樣品采集

在2016年春季（3月）、夏季（7月）、秋季（10月）和冬季（12月），分別在兩個潮溝鄰近5 m范圍內采集植物樣品fPoaceae以蘆葦為主，Cyperaceae以海三棱草和糙葉薹草為主）.根據0.25 mx0.25 m的隨機樣方采集植物的地上和地下部分，同時還在相同位置采集了土壤樣品，設置4個樣方的重復.地下植物體和土壤使用直徑10 am的空心不銹鋼采樣器采集，根據梅花采樣法在樣方內隨機掘取5個土芯，深度為50 cm.采樣后以5 cm為間隔分成10段.每個樣方同一層次的土壤混合在一起帶回實驗室.

1.4實驗室分析

1.4.1DOC和POC測定及通量估算

將采集的水樣用預處理過的0.45um玻璃纖維濾膜過濾.24h內進行真空抽濾，過濾后濾膜在4°C條件下冷藏備測POC.過濾后的水樣儲存在250ml的玻璃瓶內并在相同條件下冷藏.過濾后的水樣用磷酸酸化后密封，然后根據加熱催化氧化法在島津（HTCO）TOC分析儀上測定DOC濃度，以鄰苯二甲酸氫鉀為標準液制作標準曲線.每個樣品進行三次重復測定，其相對偏差小于2%.

在實驗室的冷凍干燥機中對濾膜進行干燥并稱重，從而確定未過濾物質中的總懸浮物.首先，將1/2濾膜在CHNOS元素分析儀（Elementar Vario EL III，Elementar AnalysensystemeGmbH）上測定總懸浮物中的總碳含量，將另1/2濾膜放入干燥器中先用濃鹽酸熏蒸24 h以去除無機碳組分，然后再用島津fHTCO）TOC分析儀測定總懸浮物中的POC含量.每個樣品進行三次重復測定，其相對偏差小于5%.

1.4.2植物生物量和土壤有機碳測定

采集的植物樣品分為地上和地下部分.地上部分用清水清洗后置于60。C烘箱內烘干至衡重，確定地上生物量.包括地下植物部分的土壤先浸泡在水桶里12h，然后用0.28 mm的篩網沖洗，大部分根（包括粗的和細的）可以由網篩得到，再使用0.15 mm篩網收集沖洗水中更細的根.所有根組織置于60°C烘箱內烘干至衡重，確定地下生物量.

同時，將無根的土壤樣品自然風干，然后用1 mm的篩子將其過篩后混合均勻.將混合后的土壤在60。C烘箱內烘干24 h，并用瑪瑙研缽研磨到儀器可分析的細度.將土壤樣品放入離心管中，用50uL 1 m01.L-1的酸鹽酸化處理以去除土壤中的碳酸鹽，并自然風干12 h.土壤有機碳（SOC）含量使用CHNOS元素分析儀測定.在土壤樣品處理前，先用定容環刀確定5—50 am的10個土層的土壤容重，并將測得的SOC含量計算為SOC儲量.SOC測定只使用了秋季（10月）的樣品.

3討論

研究濱海濕地與近岸環境之間的碳交換對于理解河口區域碳源/匯收支過程十分重要.潮溝系統是濱海濕地與外界環境之間橫向碳輸出或輸入的重要通道.在崇明東灘濕地的研究表明，經過潮汐過程后的退潮期間（潮水向外部移動時段），Poaceae和Cyperaceae群落潮溝水體有機碳沿高程梯度均有不同程度的變化.DOC含量基本呈現從高潮灘到口外淺水光灘逐漸上升的趨勢，這說明潮溝水體中不斷積累DOC，并從植被覆蓋區的潮溝向外部水域輸出.根據Odum的“Outwelling”溢出理論，具有高生產力的濱海濕地通常向近海水域輸送大量有機碳和營養物質，主要組分就是DOC.而且，植物碎屑、Chla和根際滲出的有機碳以溶解態形式會隨潮水進行輸出.此外，沉積物中的有機質分解過程也會產生一定量的DOC，并通過間隙水排出.Moran等估計，潮溝中大約70%的DOC來自濕地的維管植物.因此，可以初步判斷，各季節Poaceae和Cyperaceae群落潮溝均表現為DOC凈輸出.

另外，在退潮時各季節Poaceae群落潮溝的平均DOC濃度顯著高于Cyperaceae群落潮溝，這說明Poaceae群落潮溝可能會向外界輸出更多的DOC.已有研究表明，不同植物對土壤有機質循環的調節作用以及在濕地環境中對DOC輸出的貢獻是不同的，濱海濕地生態系統中植物根系生物量和土壤碳含量密切相關.而且，間隙水排放是潮溝向外輸出DOC的主要途徑，距潮溝2-3m范圍內的植被一般能貢獻大約80%的DOC.通過對比植被生物量和SOC儲量，Poaceae群落植物生物量均顯著高于Cyperaceae群落，尤其是地下生物量.而且Poaceae群落具有更高的SOC儲量.這說明更多的植物凋落物會轉化為有機碳進入土壤層，進而轉化為可溶性碳.同時，生長季期間（夏季、秋季）植被生物量最高，土壤有機質循環也較快，因此對潮溝的DOC輸出量可能較春、冬季更多.研究還發現，Poaceae群落潮溝內DOC含量以及隨高程梯度的變化在大潮時更高，但其在Cyperaceae群落潮溝中并不明顯.除了初級生產力差異之外，DOC輸出還依賴于濱海濕地的潮汐機制和地形地貌特征.大潮期間較高的水位增加了潮水在濕地系統中的停留和混合時間，這可能是潮汐影響潮溝內DOC積累和運輸的重要因素之一.

顆粒態有機碳也是河口生態系統中交換最頻繁的碳組分之一，退潮時濱海濕地向外界輸出的POC被認為是河口附近有機物質的重要來源.我們的研究表明，Poaceae群落潮溝中POC含量隨退潮過程略有減少，這表明POC在各季節漲一落潮周期后表現為凈輸入趨勢，各季節間Poaceae群落潮溝內POC含量差異不明顯.這有可能與植被帶的沉積特征有關.在之前的研究中發現，Poaceae群落潮灘通常呈現泥沙淤積現象.Poaceae植被具有稠密的水平和垂直冠層結構，非常有利于對泥沙和植物碎屑的截留.在崇明東灘濕地，由于外來沉積物的作用，每年外源有機碳積累量為0.2～6.6 g.m-2左右.其中可能有較多外源POC輸入并沉積在Poaceae群落潮溝.相比之下，Cyperaceae群落潮溝中的POC含量沿高程梯度逐漸增大f少數例外1.這表明，在各季節潮水會將POC從植被區攜帶至河口和近海.冬季Cyperaceae群落潮溝內POC含量相比其他季節最低，這可能是由于冬季大部分Cyperaceae植物地上死亡部分已經被潮水沖走，碎屑形成的POC進入水體的量也隨之減少.Cyperaceae植物冠層較為低矮，形成穩定群落后植株稠密度也較低，攔截泥沙和植物碎屑的效果較高大的Poaceae植物要差.此外，Cyperaceae群落地下根系生物量較低且分布較淺，對潮溝堤岸的維持力不強，在崇明東灘濕地經常表現為輕微侵蝕狀態.碳穩定同位素是識別生態系統中有機物來源的有力工具，我們初步分析了潮溝內懸浮物、植物體和潮溝邊緣土壤的C同位素豐度（數據未列出），結果顯示土壤有機質是潮溝中POC的主要來源.Deegan等指出，低密度的植被冠層和較稀疏的地下根系結構會顯著影響潮灘地貌的穩定性，導致岸灘的侵蝕和沉積物的流失.本研究還發現大潮期過程中潮溝內POC含量高于小潮期，這可能是因為大潮期間的水動力較強，沖刷作用導致的土壤沉積物和植物凋落物流失造成了更多的POC向外輸出.

4結論

本研究對比了長江口濱海濕地不同植被群落以及在不同潮汐過程中的潮溝水體有機碳的動態變化.在退潮期間，有機碳組分沿潮灘高程向口外淺水光灘區域逐漸變化.相對于小潮期，大潮期時不同群落潮溝有機碳豐度基本上呈增加態勢.具有較高植物生物量和SOC儲量的Poaceae群落中，各季節潮溝水體DOC含量顯著高于Cyperaceae群落潮溝.相反，各季節Cyperaceae群落潮溝POC含量則高于Poaceae群落潮溝.我們初步判斷，Poaceae群落潮溝表現為DOC凈輸出，而POC為凈輸入，兩種有機碳組分在Cyperaceae群落潮溝均表現為凈輸出.

本研究目前僅考察了常規潮汐周期下的有機碳變化，并沒有獲得降水或風暴潮等異常條件下的信息.未來工作將進一步了解相關影響因素，并結合沉積物間隙水中的有機質轉化過程、潮溝泥沙再懸浮特征和有機碳組分來源識別等，更全面地評估濱海濕地與近岸環境之間的橫向碳交換特征通量.