海南儋州灣紅樹林區(qū)沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源及碳儲(chǔ)量

褚夢(mèng)凡 , 肖曉彤 , 丁 楊 , 趙美訓(xùn)

(1. 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心和海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)海洋大學(xué), 山東青島 266100; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266237)

紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)多存在于熱帶和亞熱帶地區(qū)的潮間帶, 與海洋和陸地都有密切的有機(jī)碳交換。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的面積只占整個(gè)邊緣海的0.5%, 所輸送的有機(jī)碳占整個(gè)邊緣海體系向海洋中輸送有機(jī)碳的11%和現(xiàn)代海洋沉積物的15%, 是邊緣海碳循環(huán)不可或缺的一部分[1-2]。

紅樹林中儲(chǔ)存的有機(jī)碳通常被稱為“藍(lán)碳”, 與陸地生態(tài)系統(tǒng)所固定的“綠碳”幾乎等量[3], 能夠有效減緩大氣CO2的上升[4]。反之, 如果紅樹林生態(tài)系統(tǒng)被破壞, 其儲(chǔ)存的碳將以CO2的形式返回大氣。自1992 年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》被通過并被國(guó)際社會(huì)廣泛接受, 維護(hù)、加強(qiáng)溫室氣體的匯和庫(kù), 以及計(jì)算和通報(bào)地表有機(jī)碳儲(chǔ)量成為了熱點(diǎn)[5]。然而,目前的碳儲(chǔ)量研究大多聚焦于與陸地生態(tài)系統(tǒng)、人類活動(dòng)和大氣圈有密切聯(lián)系的碳匯, 對(duì)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)存能力的評(píng)估鮮有研究。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)存儲(chǔ)的有機(jī)碳對(duì)于邊緣海乃至全球碳循環(huán)有重要影響[1,4], 有效地衡量以紅樹林為代表的海洋濕地生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳來(lái)源, 能夠把握和預(yù)測(cè)其在氣候變化下所受的影響, 對(duì)制定生態(tài)保護(hù)措施、減少碳排放均有重要意義[4]。

紅樹林生態(tài)系統(tǒng)中的沉積有機(jī)碳主要來(lái)源可分為陸源、水源和紅樹林源。陸源有機(jī)碳主要由陸生高等植物產(chǎn)生, 由河流輸送至紅樹林濕地; 水源有機(jī)碳包括由潮汐帶來(lái)的海洋藻類、浮游植物和海草床產(chǎn)生的有機(jī)碳, 或是紅樹林水體中藻類、菌類的初級(jí)生產(chǎn)輸入; 除了這些外來(lái)有機(jī)碳以外, 紅樹植物自身也有很高的光合效率和生產(chǎn)力。由于紅樹林具有復(fù)雜的水文環(huán)境和生物特異性, 對(duì)紅樹林有機(jī)碳的研究大多需要結(jié)合水文條件和氣候條件進(jìn)行綜合的分析討論。一方面, 地形和水文因素比如河流流量、降雨、潮汐等控制了有機(jī)物的埋藏和交換的物理過程[6-7]; 另一方面, 生物因素也對(duì)紅樹林中有機(jī)碳的埋藏和遷移有重要影響[8]。亞洲地區(qū)的紅樹林在種類方面最為復(fù)雜, 樹林的物種組成能夠決定紅樹林有機(jī)碳的特征[9-10]。這些復(fù)雜的環(huán)境因素使紅樹林系統(tǒng)中的有機(jī)碳循環(huán)在時(shí)間、空間尺度上都非常多變。

總有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)、碳氮元素比(C/N)和穩(wěn)定碳同位素(δ13C)為研究沉積有機(jī)碳來(lái)源的傳統(tǒng)指標(biāo), 同樣被應(yīng)用到紅樹林有機(jī)碳來(lái)源的研究中[11-12], 但這些指標(biāo)的單獨(dú)應(yīng)用存在一定的局限性。由于紅樹植物的C/N 值與δ13C 值與陸生植物大致相同, 僅僅利用這兩種指標(biāo)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分。例如, Xue 等[13]運(yùn)用δ13C 和C/N 調(diào)查了漳江口紅樹林濕地的有機(jī)質(zhì)來(lái)源, 并指出6%～37%的沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)自紅樹林。但是, 這種計(jì)算方式并不能有效區(qū)分陸源有機(jī)碳和紅樹林源有機(jī)碳, 所得結(jié)果其實(shí)是陸生高等植物和紅樹林的混合。

類脂生物標(biāo)志物由特定的生物產(chǎn)生, 記載著相應(yīng)的母源信息, 在沉降和成巖過程中能較穩(wěn)定存在,被廣泛應(yīng)用于指示物質(zhì)來(lái)源。維管植物表皮蠟質(zhì)中的長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴(C27,29,31,33n-alkanes)是表征陸源有機(jī)碳的經(jīng)典指標(biāo)[14], 但是來(lái)源存在重疊, 例如紅樹植物和陸生植物擁有大致相同的烷烴特征[15]。目前,學(xué)界缺乏一個(gè)能夠表征所有紅樹植物的生物標(biāo)志物。紅樹屬植物(Rhizophora)葉片中大量合成的蒲公英萜醇(taraxerol), 雖然不是其所特有的脂類, 但在其葉片中的含量遠(yuǎn)高于其他高等植物(干葉中含量為15.9 mg/g[16])。因此, 蒲公英萜醇能夠更為具體地量化邊緣海系統(tǒng)中紅樹林來(lái)源有機(jī)質(zhì)的分布埋藏情況。需要指出的是, 并非廣義上的所有紅樹植物都能夠產(chǎn)生蒲公英萜醇。目前, 蒲公英萜醇僅在紅樹屬(Rhizophora)和欖李屬(Lumnitzera)兩個(gè)屬中檢出[17-18]。此外, 甾醇和烯酮等生物標(biāo)志物已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境中浮游植物群落生態(tài)結(jié)構(gòu)的重建[19], 以菜子甾醇(brassicasterol)指示硅藻的生產(chǎn)力, 甲藻甾醇(dinosterol)指示甲藻生產(chǎn)力, 長(zhǎng)鏈烯酮(C37∶3,37∶3alkenones)來(lái)指示顆石藻的生產(chǎn)力[20-22]。

目前, 很多研究聚焦紅樹林系統(tǒng)中不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)的地理分布, 但關(guān)于這些有機(jī)質(zhì)來(lái)源的量化研究相對(duì)較少。蒲公英萜醇的應(yīng)用局限于其(相對(duì))含量,并未被作為一個(gè)指標(biāo)應(yīng)用于數(shù)學(xué)混合模型量化紅樹林有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)。本文在海南省儋州灣南岸選取柱狀沉積物樣品, 測(cè)定包括長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴、甾醇的多種類脂生物標(biāo)志物, 尤其是紅樹植物特征標(biāo)志物蒲公英萜醇含量, 結(jié)合δ13C 進(jìn)行混合模型計(jì)算, 探索蒲公英萜醇作為特征生物標(biāo)志物量化紅樹林源有機(jī)質(zhì)的一種應(yīng)用; 同時(shí), 估算該地有機(jī)碳儲(chǔ)量, 為區(qū)域性的碳儲(chǔ)數(shù)據(jù)匯總提供依據(jù)。

圖1 儋州灣采樣站位示意圖Fig. 1 Sampling stations in Danzhou Bay

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

儋州灣(19°54′N, 109°57′E, 圖1)位于海南省西北部的儋州市境內(nèi), 是北部灣伸入洋浦半島構(gòu)成的半封閉內(nèi)灣, 面積約50 km2。潮型為不規(guī)則半日潮,平均潮差1.05 m, 年均氣溫23.1℃。注入儋州灣的河流有大水江與春江, 年徑流量分別為4.1×108m3和2.8×108m3[23]。儋州灣于1986 年被立為市級(jí)自然保護(hù)區(qū), 紅樹林面積約133 ha, 主要紅樹科植物包括紅海欖(Rhizophora stylosa), 木欖(Bruguiera gymnorrhiza), 欖李(Lumnitzera racemosa), 海漆(Excoecaria agallocha), 蠟燭果(Aegiceras corniculatum), 秋茄(Kandelia obovate), 海欖雌(Avicennia marina), 黃槿(Hibiscus tiliaceus), 水黃皮(Pongamia pinnata), 海芒果(Cerbera manghas)等[24-25]。儋州灣屬于夏季濕潤(rùn)、冬季干燥的季風(fēng)性氣候, 年均降雨量約為1 426 mm/a,雨季為每年5 月到10 月, 這期間的降雨約占全年平均降水量的80%。

本研究所用柱狀樣DZB14 于2016 年11 月使用universal coring system (Aquatic Research, 直徑68 mm,長(zhǎng)度120 cm), 以重力采樣法采集于春江(圖1), 春江上下游沿岸和入海處均有紅樹林分布。柱狀樣位于春江入儋州灣口, 據(jù)儋州灣口9 431 m。站位水溫21.8 ℃, 手持鹽度計(jì)WTW Multi 3420 測(cè)量鹽度8.6。柱狀樣長(zhǎng)度40 cm。本研究以2 cm 為間隔進(jìn)行樣品處理。同時(shí)在入海河流沿岸按鹽度梯度采集紅海欖葉片。

1.2 研究方法

1.2.1 粒度測(cè)定

粒度測(cè)定方法參照陶舒琴[26]的研究。粒度樣品在350℃下燒12 h 之后加入5 mL 1 mol/L 的六偏磷酸鈉溶液, 超聲30 min 以上, 之后使用Malvern 3000激光粒度儀測(cè)試。

1.2.2 總有機(jī)碳和穩(wěn)定碳同位素測(cè)定

總有機(jī)碳測(cè)定方法參照操云云等[27]的研究, 穩(wěn)定碳同位素測(cè)定方法參照陶舒琴[26]的研究。將冷凍干燥的沉積物樣品除去較大植物碎屑后研磨, 取約1 g 樣品裝入8 mL 玻璃瓶中。加入4 mol/L HCl, 去除無(wú)機(jī)碳。加入超純水洗去HCl, 直至上清液呈中性。將洗至中性的沉積物樣品在55℃下烘干(約24 h)。將烘干的沉積物樣品研磨使其均質(zhì)化。

使用CHN 元素分析儀(Thermo Flash 2000 Elemental Analyzer, EA)測(cè)定總有機(jī)碳含量。所用標(biāo)準(zhǔn)樣品為阿托品(Atropina Standard, TOC=70.56%)和標(biāo)準(zhǔn)土(Low Organic Content Soil Standard OAS, TOC=1.55%)。標(biāo)準(zhǔn)誤差為±0.02% (n=6)。使用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(Elemental Analyzer -Isotope Ratio Mass Spectrometer, EA-IRMS), 在連續(xù)流模式下測(cè)定總有機(jī)碳穩(wěn)定碳同位素組成(R=13C/12C), 根據(jù) V-PDB(Vienna Pee Dee Belemnite)標(biāo)準(zhǔn)按下式矯正: δ13C(‰)=[Rsample/Rstandard–1]×1 000。所用標(biāo)準(zhǔn)樣品為USGS-40(δ13C= –26.39‰), IAEA-600(δ13C= –27.77‰) 和 IAEACH3 (δ13C= –4.72‰)。使用IAEA-600 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量所得標(biāo)準(zhǔn)誤差為±0.06%(n= 6), 測(cè)樣精度大于±0.2‰。

1.2.3 類脂生物標(biāo)志物提取和測(cè)定

生物標(biāo)志物的提取和測(cè)定方法參照操云云等[27]的研究。將冷凍干燥的樣品研磨后稱取5 g 樣品裝入50 mL 特氟龍樣品瓶中, 加入約10 mL 二氯甲烷︰甲醇(3∶1)混合溶液, 上層液體澄清后加入n-C19醇和n-C24氘烷內(nèi)標(biāo), 振蕩將其充分混合。將混合后樣品超聲15 min, 離心(2 000 r/min, 2 min), 收集上清液。重復(fù)上述步驟3 次, 共萃取4 次。將得到的總的萃取有機(jī)質(zhì)柔和N2吹干(水浴溫度<40 ℃)。向吹干溶劑的萃取物中加入約5 mL 的6%氫氧化鉀-甲醇溶液, 堿水解8 h。用正己烷萃取、離心(2 000 r/min, 2 min), 將上層清液轉(zhuǎn)移, 重復(fù)4 次, 萃取液合并后柔和N2吹干。將該組分進(jìn)行硅膠柱層析分離, 分別用8 mL 正己烷淋洗得烷烴組分, 用12 mL 5%甲醇(二氯甲烷∶甲醇=95∶5)淋洗得醇類組分。醇類組分分為二等份,一份加入衍生化試劑(BSTFA), 70℃加熱反應(yīng)1 h, 用于甾醇和烯酮測(cè)定; 另一等份加入吡啶和乙酸酐,70℃加熱反應(yīng)30 min, 用于蒲公英萜醇測(cè)定。

經(jīng)過化學(xué)純化后的組分用氣相色譜(Agilent 7890N GC)進(jìn)行定量分析。采用PTV 進(jìn)樣口不分流進(jìn)樣, 初始溫度40 ℃, 平衡時(shí)間0.05 min; 進(jìn)樣量1 μL。色譜柱類型為VF-1ms(30 m×0.25 mm, 膜厚度0.25 μm); 載氣為氫氣, 流速1.3 mL/min; 色譜柱的升溫程序?yàn)? 80℃保持1 min, 以25 ℃/min的速度加熱到加熱到300 ℃,保持10 min, 5 ℃/min加熱到315 ℃, 保持5 min 后結(jié)束。

采用火焰離子化檢測(cè)儀(Flame Ionization Detector,FID)檢測(cè)器將有機(jī)質(zhì)燃燒產(chǎn)生的碳轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并圖像化, 檢測(cè)器溫度在整個(gè)測(cè)定過程中保持在320℃?；衔锒ㄐ灾饕ㄟ^對(duì)比已知濃度的n-C19醇和n-C24氘烷混合標(biāo)準(zhǔn)各峰的保留時(shí)間來(lái)確定; 定量采用內(nèi)標(biāo)法, 對(duì)比樣品和混合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的化合物的電信號(hào)峰面積, 根據(jù)混合標(biāo)準(zhǔn)的濃度定量估算樣品中該化合物的含量。實(shí)驗(yàn)空白加入內(nèi)標(biāo)隨著樣品一起進(jìn)行前處理, 實(shí)驗(yàn)回收率達(dá)85%以上。生物標(biāo)志物GC 定量分析過程中的分析誤差<15%。

2 研究結(jié)果

2.1 干密度、粒徑、總有機(jī)碳和δ13C

DZB14 沉積物的干密度(bulk density, BD)范圍在1.12～1.66 g/cm3(圖2), 在垂直分布上分為兩個(gè)高值區(qū)和兩個(gè)低值區(qū)(T 檢驗(yàn)P<0.05), 自下而上干密度分區(qū)分別為(1.60±0.07) g/cm3(沉積物深度33 cm 以下); (1.18±0.03) g/cm3(18～30 cm); (1.47±0.01) g/cm3(6～15 cm)和1.12 g/cm3(3 cm 以上)。沉積物粒徑總體較粗, 均值為87 μm, 范圍在66～411 μm。

圖2 干密度、粒徑、總有機(jī)碳和穩(wěn)定碳同位素垂直分布Fig. 2 Vertical distributions of the bulk density (BD), grain size, total organic carbon (TOC), and δ13C at DZB14

DZB14 總有機(jī)碳平均值為0.6±0.5%, 在表層和10 cm 處出現(xiàn)極高值, 可能是樣品中混有植物碎屑。通常來(lái)說, 粗顆粒的砂質(zhì)沉積物對(duì)有機(jī)碳的保留程度較低, 礦物粒徑也被認(rèn)為是影響有機(jī)質(zhì)埋藏量的主要因素之一[28]。因此, 總有機(jī)碳在0～12 cm 的含量較高可能是輸入和保存的共同結(jié)果。DZB14 的δ13C 值平均值為–23.7‰±1.1‰, 范圍在–22.50‰～ –26.69‰。上層數(shù)值普遍較負(fù), 與高等植物有機(jī)質(zhì)特征相吻合,受植物碎屑輸入影響。

2.2 生物標(biāo)志物含量

生物標(biāo)志物含量使用總有機(jī)碳進(jìn)行校正, 以消除礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)保存情況和非有機(jī)質(zhì)輸入的影響,表達(dá)方式為μg/g TOC, 即每克總有機(jī)質(zhì)中的生標(biāo)含量。使用長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴(C27+29+31+33n-alkanes)表征高等植物有機(jī)質(zhì)輸入, 包括紅樹植物和陸生植物; 蒲公英萜醇表征紅樹植物(包括紅樹屬和欖李屬)有機(jī)質(zhì)輸入; 甲藻甾醇+菜子甾醇+C37∶2,37∶3烯酮 (Phytoplankton Biomarkers, PB)表征海洋浮游植物有機(jī)質(zhì)輸入。DZB14 柱狀樣的長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴相對(duì)含量平均值為(95±34) μg/g TOC(圖3)。PB 在表層和26 cm 存在兩個(gè)由于低TOC 造成的極大值, 除此之外均值為(18±7) μg/g TOC。蒲公英萜醇同樣存在兩個(gè)極值, 表層為低TOC 導(dǎo)致, 10 cm 處則可能是樣品中混有新鮮紅樹植物葉片。除去極值, DZB14 的蒲公英萜醇含量為(272±149) μg/g TOC。垂直方向上, 長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴含量在該地沒有明顯隨時(shí)間變化, 蒲公英萜醇略有增加, 而PB 略有減少。

本文所采集的紅樹屬樹葉樣品中n-C31正構(gòu)烷烴是含量最高的正構(gòu)烷烴, 我們定義參數(shù)T為蒲公英萜醇與C31正構(gòu)烷烴含量的比值, 即:

以此在2.3 混合模型中表征紅樹植物有機(jī)質(zhì)輸入。除去表層和10 cm 的極大值, DZB14 的T值均值為9.5±5.6。表層和10 cm 的T極大值與δ13C 極低值吻合, 符合紅樹植物特征。

2.3 有機(jī)質(zhì)來(lái)源混合模型

雖然蒲公英萜醇在其他高等植物中也有少量存在, 但其含量遠(yuǎn)小于在紅樹植物中的含量。例如, 在Setzer 等[18]對(duì)山麻桿屬葉片的分析報(bào)告中, 蒲公英萜醇含量?jī)H為新鮮樹葉的0.000 7% 。而本文所用紅樹屬葉片中蒲公英萜醇含量均值為10 142 μg/g TOC,以樹葉總有機(jī)質(zhì)含量為50%換算, 蒲公英萜醇含量高達(dá)干葉總有機(jī)質(zhì)的2%。相反, 長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴是在所有高等植物中普遍存在的類脂生物標(biāo)志物[14]。因此, 通過引入蒲公英萜醇和長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的比值,能夠把來(lái)自紅樹植物的大量的蒲公英萜醇區(qū)分出來(lái),從而進(jìn)一步消除其他植物來(lái)源有機(jī)質(zhì)的影響。例如,Versteegh 等[16]運(yùn)用紅樹屬花粉和taraxerol/C29正構(gòu)烷烴在沉積物中識(shí)別了來(lái)自于紅樹植物的有機(jī)物質(zhì),并證明這兩個(gè)指標(biāo)有良好的相關(guān)性。

本文選用δ13C 和T值進(jìn)行混合模型計(jì)算。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn), δ13C 值能夠有效區(qū)分高等植物(包括陸生植物和紅樹植物)和水生植物來(lái)源有機(jī)質(zhì)[29-31];而T值能夠識(shí)別紅樹來(lái)源有機(jī)質(zhì), 以彌補(bǔ)傳統(tǒng)指標(biāo)δ13C 在區(qū)分陸生植物和紅樹植物方面的缺陷。紅樹屬樹葉樣品的δ13C 平均值為–(29±0.7)‰,T平均值為280±69。為了更具體地量化該地的有機(jī)質(zhì)來(lái)源, 定義δ13C = –16‰(來(lái)自中國(guó)南海北部浮游植物[32]),T= 0為水生植物端元值; δ13C = –27‰[33],T= 0.05(來(lái)自Versteegh 等[16]選取的環(huán)境本底值)為陸生植物端元值; δ13C = –29‰,T= 280 為紅樹屬端元值(樹葉樣品,n= 4)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)吳瑞等[25]的調(diào)查結(jié)果, 在采樣河流中, 欖李屬在種群中所占比例較低, 而紅樹屬在紅樹群落中的相對(duì)多度[RA(%)=(某個(gè)種在樣方中出現(xiàn)的次數(shù)/所有出現(xiàn)的次數(shù))×100%]為20.5%。我們用上述方式計(jì)算出紅樹屬的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)后, 再使用當(dāng)?shù)氐募t樹群落組成校正, 以估算全部紅樹植物對(duì)沉積物的貢獻(xiàn)。混合模型使用IsoSource 進(jìn)行計(jì)算[34],模型所采用的端元值見表1, 計(jì)算公式如下:

圖3 長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴、浮游生物標(biāo)志物PB、蒲公英萜醇和T 的垂直分布Fig. 3 Vertical distributions of the concentrations of n-C27+29+31+33 alkanes, phytoplankton biomarker (PB), and taraxerol and T value (T = taraxerol/n-C31 alkane)

其中,fterr,faq,fmang, 和fRhi.分別代表陸生、水生浮游植物、紅樹植物和紅樹屬來(lái)源有機(jī)質(zhì)的所占的比例。

表1 混合模型計(jì)算Tab. 1 Mixing model calculations

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(圖4), DZB14 處陸生植物, 水生植物和紅樹植物來(lái)源有機(jī)質(zhì)所占比例分別為(47±10)%, (36±5)%和(17±10)%。垂直分布上, DZB14的陸生植物有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)比例自下而上逐漸減小(62%～26%), 與之相對(duì)的紅樹植物有機(jī)質(zhì)逐漸增加(5%～44%)。

圖4 混合模型計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Results of the mixing model

2.4 有機(jī)碳儲(chǔ)量

本文所采用總有機(jī)碳TOC 和干密度BD 來(lái)估算沉積物的有機(jī)碳儲(chǔ)量(carbon stock)[35], 結(jié)合混合模型計(jì)算得到的fmang進(jìn)一步計(jì)算由紅樹林貢獻(xiàn)的碳儲(chǔ)量。由于干密度和總有機(jī)碳層數(shù)不對(duì)應(yīng), 而干密度總體變化較小, 在計(jì)算中將使用圖3 所示的干密度分區(qū)平均值。

Carbon stock (t/ha)= TOC(%)× BD(g/cm3)×1(cm), (6)Mangrove carbon stock(t/ha)=carbon stock(t/ha)×fmang. (7)

如圖5 所示, DZB14 單位厘米深度沉積物的碳儲(chǔ)量范圍在0.12～2.90 t/ha, 18～34 cm 之間為高值區(qū)(均值0.70 t/ha)。從總量上來(lái)看, DZB14 共40 cm 的沉積物中碳儲(chǔ)量為34.10 t/ha。按照紅樹林總面積133 ha計(jì)算, 儋州灣南岸紅樹林保護(hù)區(qū)表層40 cm 沉積物的總碳儲(chǔ)量約為4 535 t。按照混合模型計(jì)算結(jié)果,DZB14 單位厘米深度的紅樹碳儲(chǔ)量范圍為0.01～0.45 t/ha(fmang>100%或缺失的層數(shù)取上下層平均值計(jì)算),均值為0.14 t/ha。同樣, 在上述總碳儲(chǔ)高值層位中,紅樹碳儲(chǔ)量也相對(duì)較大。辛琨等[36]對(duì)紅樹林土壤碳儲(chǔ)量的調(diào)查顯示, 紅樹林根系通常在20～40 cm 的深度埋藏和降解, 是除表層凋零物之外重要的有機(jī)碳來(lái)源。因此, 圖5 中的碳儲(chǔ)量中間高值可能是由于來(lái)自紅樹林根系的有機(jī)質(zhì)輸入引起的。

圖5 單位厘米碳儲(chǔ)量垂直分布Fig. 5 Vertical distribution of the carbon stock per cm

3 討論

3.1 有機(jī)碳來(lái)源

綜合來(lái)看, 儋州灣南岸地區(qū)沉積物中以陸源有機(jī)質(zhì)為主[(47±10)%], 水源有機(jī)質(zhì)次之[(36±5)%],紅樹源有機(jī)質(zhì)比例最低[(17±10)%]。對(duì)此的解釋有:第一, 陸源有機(jī)質(zhì)在河口的沉積。DZB14 位于河流入海處, 河流攜帶的大量有機(jī)質(zhì)會(huì)在此沉積, 而紅樹植物龐大的根系能夠有效攔截這些陸源有機(jī)碳。河口的相關(guān)研究指出, 陸生高等植物產(chǎn)生的有機(jī)碳是陸源有機(jī)質(zhì)最主要的成分[37-41]。第二, 紅樹植物有機(jī)質(zhì)的輸出。高生產(chǎn)力的紅樹林會(huì)通過潮汐作用向外部水域輸出一部分通過初級(jí)生產(chǎn)所固定的碳, 幾乎占總凋零物的一半[1]。尤其是河流沿岸的紅樹林由于受單一方向的水流運(yùn)輸影響, 更傾向于輸出而非積累有機(jī)質(zhì)[9]。因此, 與紅樹林極高的凈生產(chǎn)力[12,29]不吻合的是, 紅樹林源有機(jī)碳往往不是紅樹林下沉積物中最主要的組分[42-44]。本文計(jì)算的沉積物樣品T均值(9.5)與樹葉樣品T均值(280)的比例僅為3%, 說明紅樹植物產(chǎn)生的絕大多數(shù)有機(jī)質(zhì)沒有被就近埋藏,而是被輸出或分解。但是, 紅樹林輸出的有機(jī)質(zhì)受周邊環(huán)境(狹窄河道和入?？? 珊瑚海草床等)的限制,通常不會(huì)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離[42-43]。因此, 雖然該處及河流上下游有紅樹林生長(zhǎng), 但由于紅樹植物有機(jī)質(zhì)大量和短途的輸出特點(diǎn), 該處紅樹植物有機(jī)碳的比例很可能反而低于儋州灣口無(wú)紅樹林生長(zhǎng)的、鹽度較高的位置。第三, 原位產(chǎn)生的水源有機(jī)質(zhì)。養(yǎng)殖業(yè)是本研究區(qū)域當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè), 高密度養(yǎng)殖和人工施肥會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化, 促進(jìn)水生藻類的生長(zhǎng)[45]。此外, 儋州灣部分地區(qū)的生活污水和養(yǎng)殖污水目前直排入海, 這些污水也會(huì)干擾自然濕地的有機(jī)質(zhì)循環(huán), 并使紅樹林系統(tǒng)發(fā)生退化。

3.2 有機(jī)碳埋藏速率及儲(chǔ)量

紅樹林的埋藏速率與鹽沼濕地和海草床生態(tài)系統(tǒng)相似, 但顯著高于淡水泥炭地和陸地森林生態(tài)系統(tǒng)[46]。目前, 許多研究使用210Pb 和137Cs 對(duì)紅樹林沉積物進(jìn)行定年以測(cè)定紅樹林的碳埋藏速率, Breithaupt等[47]對(duì)此進(jìn)行了總結(jié), 并估算全球紅樹林平均碳埋藏速率為163 g/(m2·a), 平均每年埋藏26.1×1012g 有機(jī)碳。據(jù)王秀君等[48]統(tǒng)計(jì), 中國(guó)紅樹林固碳效率高達(dá)200 g/(m2·a), 高于全球平均水平。對(duì)儋州灣地區(qū)的其他柱狀樣初步定年中, 在長(zhǎng)74 cm 的柱狀樣中并未觀察到210Pb 的衰減曲線和137Cs 的活度頂峰(未發(fā)表數(shù)據(jù))。因此, 本文40 cm 的沉積物實(shí)際年齡可能小于1965 年沉積。假設(shè)柱狀樣最下層自1965 年開始沉積(至采樣時(shí)間51 年), 可估算最低沉積速率0.67 t/(ha·yr), 換算單位后為67 g/(m2·a), 遠(yuǎn)低于全球平均速率。

海灘涂養(yǎng)殖業(yè)在歷史上是儋州地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。由于生態(tài)環(huán)保的需要, “退塘還濕”、保護(hù)和修復(fù)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的工作正在逐步展開, 但目前其生態(tài)環(huán)境并沒有完全恢復(fù), 且入海河流沿岸有大量人工堤壩和排污口, 這些人為因素都對(duì)有機(jī)質(zhì)的埋藏和遷移有極大影響。同時(shí), 碳埋藏量不僅取決于有機(jī)碳的初始輸入量, 也取決于這些有機(jī)碳在沉積物中的保存情況。采樣地處于河流外部, 沉積物粒徑較粗, 均值為87 μm, 屬于砂質(zhì)沉積物。粗粒徑的砂質(zhì)礦物表面積小, 對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存較差[49]; 而氧氣在粗顆粒土壤中滲透的程度更深, 也會(huì)進(jìn)一步降解有機(jī)質(zhì)[50], 故該處單位厘米有機(jī)質(zhì)含量和總碳儲(chǔ)量較其他紅樹林系統(tǒng)偏低。

3.3 研究展望

由于柱狀樣屬于淺層沉積物, 水流和生物活動(dòng)導(dǎo)致的垂直混合作用較強(qiáng), 阻礙了對(duì)當(dāng)?shù)赜袡C(jī)質(zhì)來(lái)源和碳儲(chǔ)量時(shí)間變化的深入討論。將本文的混合模型計(jì)算方法和更精確的定年數(shù)據(jù)結(jié)合, 可以進(jìn)行季節(jié)和較長(zhǎng)尺度的分析。此外, 在“真紅樹”類別中, 不同樹種的紅樹植物內(nèi)部的生物化學(xué)過程、其對(duì)環(huán)境因素的適應(yīng)程度、能夠指示有機(jī)質(zhì)的特異生物標(biāo)志物均有所不同。同樣, 紅樹林系統(tǒng)中不同植物和動(dòng)物在潮間帶的橫向(高、中、低潮位)和縱向(鹽度高低)分布也隨著不同地域的特點(diǎn)而變化。雖然蒲公英萜醇有良好的示蹤能力, 但根據(jù)目前的研究, 只有紅樹和欖李兩個(gè)屬的紅樹植物才能大量產(chǎn)生蒲公英萜醇。因此, 利用蒲公英萜醇估算有機(jī)質(zhì)來(lái)源時(shí), 當(dāng)?shù)丶t樹林的群落結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)果影響很大。未來(lái)研究應(yīng)在充分的生態(tài)學(xué)調(diào)查的基礎(chǔ)上更準(zhǔn)確地估算紅樹林對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。同時(shí), 隨著氣候變化加劇, 海平面高度、大氣CO2濃度、氣溫水溫及降雨量的變化都會(huì)對(duì)紅樹林濕地系統(tǒng)的碳埋藏能力造成影響。對(duì)于以紅樹林系統(tǒng)為代表的的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的“藍(lán)碳”碳儲(chǔ), 無(wú)論是靜態(tài)碳庫(kù)還是動(dòng)態(tài)碳通量, 目前都存在多種測(cè)量方法。在未來(lái)研究中, 建立對(duì)“藍(lán)碳”這一相對(duì)較新的概念的統(tǒng)一核算標(biāo)準(zhǔn)也有利于進(jìn)行大范圍的統(tǒng)計(jì)和分析。

4 結(jié)論

(1) 在儋州灣南岸采集的柱狀樣中高等植物生標(biāo)(長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴C27+29+31+33n-alkanes)含量為(95±34) μg/g TOC, 浮游植物生標(biāo)(甲藻甾醇、菜籽甾醇、長(zhǎng)鏈烯酮)含量為(18±7) μg/g TOC, 紅樹植物標(biāo)志物(蒲公英萜醇)含量為(272±149) μg/g TOC。混合模型表明該處陸源、水源和紅樹植物有機(jī)質(zhì)所占平均比例分別為47%, 36%和17%, 與生物標(biāo)志物含量指示相吻合。雖然儋州灣沿岸生長(zhǎng)有紅樹林, 但紅樹植物有機(jī)質(zhì)并不是沉積物中的主要成分, 相對(duì)埋藏量只有3%,這可能是由陸源有機(jī)質(zhì)的沉積和紅樹植物有機(jī)質(zhì)的大量輸出/分解造成的。

(2) 儋州灣南岸柱狀樣沉積物單位厘米深度碳儲(chǔ)量為0.12～2.90 t/ha, 40 cm 長(zhǎng)的柱狀樣總碳儲(chǔ)量約34.10 t/ha。據(jù)此估計(jì), 儋州灣南岸的紅樹林保護(hù)區(qū)表層40 cm 沉積物的總碳儲(chǔ)約4 535 t。本研究表明, 儋州灣地區(qū)沉積物中來(lái)自于紅樹林的有機(jī)質(zhì)比例不高,且其碳埋藏量低于全球平均水平。2019 年, 儋州灣濕地入選《中國(guó)沿海濕地保護(hù)綠皮書(2019)》“最值得關(guān)注的十塊濱海濕地”名單, 具有很大的生態(tài)價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。修?fù)和保護(hù)儋州灣紅樹林, 能夠有效提升濕地的碳埋藏效率、降低大氣CO2濃度, 從而減緩氣候變化對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響。

致謝:張海龍和王子成幫助采集樣品, 李莉、侯鵬飛對(duì)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行了幫助,審稿人給予了專業(yè)的修改建議, 作者對(duì)此表示誠(chéng)摯謝意。