長(zhǎng)江口濱海濕地植物群落潮溝水體有機(jī)碳動(dòng)態(tài)及其影響因素

費(fèi)蓓莉 解麗娜 李詩(shī)華 陳威 葛振鳴

摘要：潮溝系統(tǒng)是濱海濕地與外界環(huán)境之間橫向碳交換的重要通道.本研究以長(zhǎng)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(duì)象，調(diào)查了不同潮汐（小潮期與大潮期）退潮過(guò)程中潮溝水體可溶性有機(jī)碳（Doc）和顆粒態(tài)有機(jī)碳（Poc）的季節(jié)變化.結(jié)果表明，潮水向外輸出的過(guò)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(shí)不同生境潮溝的有機(jī)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(jī)碳儲(chǔ)量的Poaceae群落中，各季節(jié)潮溝水體Doc含量均顯著高于cyperaceae生境潮溝;相反，各季節(jié)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(jié)均表現(xiàn)為Doc凈輸出，而Poc為凈輸入，各季節(jié)D0c和Poc在cyperaceae群落潮溝均呈現(xiàn)凈輸出趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：潮溝系統(tǒng);有機(jī)碳;季節(jié)變化;植被類型;潮汐

中圖分類號(hào)：P933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2019.01.017

0引言

作為全球碳循環(huán)中“藍(lán)色碳匯”的主要貢獻(xiàn)者，鹽沼濕地、紅樹林和海草床等濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排作用近年來(lái)備受關(guān)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(xué)過(guò)程變化劇烈，存在氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)多個(gè)碳交換界面，因此碳循環(huán)過(guò)程較為復(fù)雜.一方面，高等植物通過(guò)光合作用形成較高的初級(jí)生產(chǎn)力以及外源沉積物中較高的碳封存速率等被認(rèn)為是重要的碳匯集過(guò)程;另一方面，潮汐作用會(huì)通過(guò)水體將物質(zhì)輸入到濕地系統(tǒng)或從濕地系統(tǒng)輸出，通過(guò)濕地水系（主要是潮溝系統(tǒng)）橫向輸出被認(rèn)為是碳流失過(guò)程.

目前對(duì)于濱海濕地碳循環(huán)過(guò)程研究較多，但通過(guò)潮溝系統(tǒng)發(fā)生的水平方向碳輸運(yùn)的研究還較少涉及.一般來(lái)說(shuō)，濱海濕地潮汐過(guò)程中大部分橫向輸運(yùn)的碳組分是溶解有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）和顆粒有機(jī)碳（Particulate organic carbon，POC）根據(jù)Odum的“Outwelling”溢出理論，濱海濕地有機(jī)碳的輸運(yùn)量取決于植被初級(jí)生產(chǎn)力和潮汐特征，同時(shí)也會(huì)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(xiàn)出生態(tài)特征和生產(chǎn)力格局的空間差異性.中國(guó)長(zhǎng)江口擁有多處淤漲型的濱海鹽沼濕地，是我國(guó)濱海濕地資源的重要組成部分.長(zhǎng)江口濱海濕地的高等植被種類多樣，但主要由少數(shù)幾類具有不同生態(tài)特征的群落所主導(dǎo)（如禾本科植物Poaceae和莎草科植物Cyperaceae）.在長(zhǎng)江口崇明東灘濕地已開展的碳通量研究指出，橫向碳輸運(yùn)是碳循環(huán)中的重要組分，但這部分碳過(guò)程是渦度相關(guān)技術(shù)和遙感估算較難識(shí)別的.因此，本研究選擇崇明東灘濕地占優(yōu)勢(shì)的Poaceae和Cyperaceae群落，研究群落中潮溝水系的有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化，初步分析有機(jī)碳組分在潮水向外輸出過(guò)程中的特征.本研究結(jié)果可為評(píng)估濱海濕地系統(tǒng)碳收支以及濕地與鄰近河口之間橫向碳交換提供依據(jù).

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(gè)潮溝鄰近5 m范圍內(nèi)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(jù)0.25 mx0.25 m的隨機(jī)樣方采集植物的地上和地下部分，同時(shí)還在相同位置采集了土壤樣品，設(shè)置4個(gè)樣方的重復(fù).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(jù)梅花采樣法在樣方內(nèi)隨機(jī)掘取5個(gè)土芯，深度為50 cm.采樣后以5 cm為間隔分成10段.每個(gè)樣方同一層次的土壤混合在一起帶回實(shí)驗(yàn)室.

1.4實(shí)驗(yàn)室分析

1.4.1DOC和POC測(cè)定及通量估算

將采集的水樣用預(yù)處理過(guò)的0.45um玻璃纖維濾膜過(guò)濾.24h內(nèi)進(jìn)行真空抽濾，過(guò)濾后濾膜在4°C條件下冷藏備測(cè)POC.過(guò)濾后的水樣儲(chǔ)存在250ml的玻璃瓶?jī)?nèi)并在相同條件下冷藏.過(guò)濾后的水樣用磷酸酸化后密封，然后根據(jù)加熱催化氧化法在島津（HTCO）TOC分析儀上測(cè)定DOC濃度，以鄰苯二甲酸氫鉀為標(biāo)準(zhǔn)液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線.每個(gè)樣品進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)定，其相對(duì)偏差小于2%.

在實(shí)驗(yàn)室的冷凍干燥機(jī)中對(duì)濾膜進(jìn)行干燥并稱重，從而確定未過(guò)濾物質(zhì)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(cè)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(wú)機(jī)碳組分，然后再用島津fHTCO）TOC分析儀測(cè)定總懸浮物中的POC含量.每個(gè)樣品進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)定，其相對(duì)偏差小于5%.

1.4.2植物生物量和土壤有機(jī)碳測(cè)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(nèi)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(wǎng)沖洗，大部分根（包括粗的和細(xì)的）可以由網(wǎng)篩得到，再使用0.15 mm篩網(wǎng)收集沖洗水中更細(xì)的根.所有根組織置于60°C烘箱內(nèi)烘干至衡重，確定地下生物量.

同時(shí)，將無(wú)根的土壤樣品自然風(fēng)干，然后用1 mm的篩子將其過(guò)篩后混合均勻.將混合后的土壤在60。C烘箱內(nèi)烘干24 h，并用瑪瑙研缽研磨到儀器可分析的細(xì)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(fēng)干12 h.土壤有機(jī)碳（SOC）含量使用CHNOS元素分析儀測(cè)定.在土壤樣品處理前，先用定容環(huán)刀確定5—50 am的10個(gè)土層的土壤容重，并將測(cè)得的SOC含量計(jì)算為SOC儲(chǔ)量.SOC測(cè)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(huán)境之間的碳交換對(duì)于理解河口區(qū)域碳源/匯收支過(guò)程十分重要.潮溝系統(tǒng)是濱海濕地與外界環(huán)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(jīng)過(guò)潮汐過(guò)程后的退潮期間（潮水向外部移動(dòng)時(shí)段），Poaceae和Cyperaceae群落潮溝水體有機(jī)碳沿高程梯度均有不同程度的變化.DOC含量基本呈現(xiàn)從高潮灘到口外淺水光灘逐漸上升的趨勢(shì)，這說(shuō)明潮溝水體中不斷積累DOC，并從植被覆蓋區(qū)的潮溝向外部水域輸出.根據(jù)Odum的“Outwelling”溢出理論，具有高生產(chǎn)力的濱海濕地通常向近海水域輸送大量有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要組分就是DOC.而且，植物碎屑、Chla和根際滲出的有機(jī)碳以溶解態(tài)形式會(huì)隨潮水進(jìn)行輸出.此外，沉積物中的有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生一定量的DOC，并通過(guò)間隙水排出.Moran等估計(jì)，潮溝中大約70%的DOC來(lái)自濕地的維管植物.因此，可以初步判斷，各季節(jié)Poaceae和Cyperaceae群落潮溝均表現(xiàn)為DOC凈輸出.

另外，在退潮時(shí)各季節(jié)Poaceae群落潮溝的平均DOC濃度顯著高于Cyperaceae群落潮溝，這說(shuō)明Poaceae群落潮溝可能會(huì)向外界輸出更多的DOC.已有研究表明，不同植物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)作用以及在濕地環(huán)境中對(duì)DOC輸出的貢獻(xiàn)是不同的，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物根系生物量和土壤碳含量密切相關(guān).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(nèi)的植被一般能貢獻(xiàn)大約80%的DOC.通過(guò)對(duì)比植被生物量和SOC儲(chǔ)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(chǔ)量.這說(shuō)明更多的植物凋落物會(huì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳進(jìn)入土壤層，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可溶性碳.同時(shí)，生長(zhǎng)季期間（夏季、秋季）植被生物量最高，土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)也較快，因此對(duì)潮溝的DOC輸出量可能較春、冬季更多.研究還發(fā)現(xiàn)，Poaceae群落潮溝內(nèi)DOC含量以及隨高程梯度的變化在大潮時(shí)更高，但其在Cyperaceae群落潮溝中并不明顯.除了初級(jí)生產(chǎn)力差異之外，DOC輸出還依賴于濱海濕地的潮汐機(jī)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(tǒng)中的停留和混合時(shí)間，這可能是潮汐影響潮溝內(nèi)DOC積累和運(yùn)輸?shù)闹匾蛩刂?

顆粒態(tài)有機(jī)碳也是河口生態(tài)系統(tǒng)中交換最頻繁的碳組分之一，退潮時(shí)濱海濕地向外界輸出的POC被認(rèn)為是河口附近有機(jī)物質(zhì)的重要來(lái)源.我們的研究表明，Poaceae群落潮溝中POC含量隨退潮過(guò)程略有減少，這表明POC在各季節(jié)漲一落潮周期后表現(xiàn)為凈輸入趨勢(shì)，各季節(jié)間Poaceae群落潮溝內(nèi)POC含量差異不明顯.這有可能與植被帶的沉積特征有關(guān).在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，Poaceae群落潮灘通常呈現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象.Poaceae植被具有稠密的水平和垂直冠層結(jié)構(gòu)，非常有利于對(duì)泥沙和植物碎屑的截留.在崇明東灘濕地，由于外來(lái)沉積物的作用，每年外源有機(jī)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(shù)例外1.這表明，在各季節(jié)潮水會(huì)將POC從植被區(qū)攜帶至河口和近海.冬季Cyperaceae群落潮溝內(nèi)POC含量相比其他季節(jié)最低，這可能是由于冬季大部分Cyperaceae植物地上死亡部分已經(jīng)被潮水沖走，碎屑形成的POC進(jìn)入水體的量也隨之減少.Cyperaceae植物冠層較為低矮，形成穩(wěn)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(duì)潮溝堤岸的維持力不強(qiáng)，在崇明東灘濕地經(jīng)常表現(xiàn)為輕微侵蝕狀態(tài).碳穩(wěn)定同位素是識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物來(lái)源的有力工具，我們初步分析了潮溝內(nèi)懸浮物、植物體和潮溝邊緣土壤的C同位素豐度（數(shù)據(jù)未列出），結(jié)果顯示土壤有機(jī)質(zhì)是潮溝中POC的主要來(lái)源.Deegan等指出，低密度的植被冠層和較稀疏的地下根系結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響潮灘地貌的穩(wěn)定性，導(dǎo)致岸灘的侵蝕和沉積物的流失.本研究還發(fā)現(xiàn)大潮期過(guò)程中潮溝內(nèi)POC含量高于小潮期，這可能是因?yàn)榇蟪逼陂g的水動(dòng)力較強(qiáng)，沖刷作用導(dǎo)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(jié)論

本研究對(duì)比了長(zhǎng)江口濱海濕地不同植被群落以及在不同潮汐過(guò)程中的潮溝水體有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化.在退潮期間，有機(jī)碳組分沿潮灘高程向口外淺水光灘區(qū)域逐漸變化.相對(duì)于小潮期，大潮期時(shí)不同群落潮溝有機(jī)碳豐度基本上呈增加態(tài)勢(shì).具有較高植物生物量和SOC儲(chǔ)量的Poaceae群落中，各季節(jié)潮溝水體DOC含量顯著高于Cyperaceae群落潮溝.相反，各季節(jié)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(xiàn)為DOC凈輸出，而POC為凈輸入，兩種有機(jī)碳組分在Cyperaceae群落潮溝均表現(xiàn)為凈輸出.

本研究目前僅考察了常規(guī)潮汐周期下的有機(jī)碳變化，并沒(méi)有獲得降水或風(fēng)暴潮等異常條件下的信息.未來(lái)工作將進(jìn)一步了解相關(guān)影響因素，并結(jié)合沉積物間隙水中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程、潮溝泥沙再懸浮特征和有機(jī)碳組分來(lái)源識(shí)別等，更全面地評(píng)估濱海濕地與近岸環(huán)境之間的橫向碳交換特征通量.