不同植被類型對淤泥質潮灘有機碳來源和儲量的影響
——以茅埏島為例

劉雨薇,于培松,鄭旻輝,趙政嘉,張 偲,韓沉花

(自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學重點實驗室,自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

0 引言

淤泥質潮灘是一類位于海陸交互地帶,受潮汐影響的濱海濕地,其沉積物以粉砂和黏土為主,是海陸物質遷移、轉化的重要場所[1]。由于特殊的水動力條件和沉積環(huán)境,淤泥質潮灘沉積物中的碳可被封存數千年,因此其具有較高的固碳潛力[2-3]。淤泥質潮灘在全球海岸帶均有分布,并且絕大多數溫帶及亞熱帶區(qū)域的淤泥質潮灘還覆蓋有鹽生植物,其中有紅樹植物覆蓋的潮灘稱為紅樹林潮灘[4];除紅樹林外,通常把鹽生植被覆蓋率超過30%的淤泥質潮灘稱為鹽沼;鹽生植被覆蓋率不到30%的則稱為無植被潮灘。淤泥質潮灘上的鹽生植物通過光合作用固定大氣二氧化碳形成有機質,同時通過厭氧作用分解植物根系或殘體,將大量有機物輸入到沉積物和周圍水體中,促進了有機碳(total organic carbon,TOC)的累積[3-4]。極強的碳封存能力使潮灘成為全球碳庫的重要組成部分,對減緩全球氣候變暖起著積極的作用,因此淤泥質潮灘濕地碳循環(huán)受到國內外學者的廣泛關注[5-6]。

由于植被類型、水文動力和沉積環(huán)境等的不同,紅樹林、鹽沼和無植被潮灘等生態(tài)系統(tǒng)在保存和埋藏碳的能力上呈現時空異質性[5,7]。沉積物是上述生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要載體,其碳儲量在紅樹林碳儲量中的占比可達50%～90%[7-8],在鹽沼中的占比通常更高(>98%)[9]。有機碳是淤泥質潮灘沉積物中碳的主要存在形式,其含量水平可以反映淤泥質潮灘的儲碳能力。有機碳的來源主要包括陸源、海源和本地植物源[10],不同的來源具有不同的端元特征,通過碳氮比和有機碳穩(wěn)定同位素等指標可以區(qū)分并量化其來源特征[11-13]。

茅埏島位于浙江省樂清灣中部,擁有豐富的淤泥質潮灘資源。近幾十年來,茅埏島潮灘上既有互花米草的入侵,也有紅樹植物的人工種植,形成了無植被潮灘、鹽沼(優(yōu)勢植物為互花米草Spartinaalterniflora)和紅樹林(優(yōu)勢植物為秋茄KandeliaObovata)等多種生態(tài)系統(tǒng)類型[14],是研究不同植被類型影響沉積物儲碳能力的理想天然場所。本文通過在茅埏島東側的紅樹林潮灘、無植被潮灘和鹽沼(互花米草潮灘)采集沉積物柱樣,分析沉積物粒度、總有機碳(TOC)、總氮(TN)、有機碳穩(wěn)定同位素(δ13Corg)等理化指標,探討不同植被類型對沉積物有機碳的含量和來源的影響,為理解淤泥質潮灘生態(tài)系統(tǒng)碳的生物地球化學循環(huán)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

茅埏島隸屬于浙江省臺州玉環(huán)市,位于28°12′N—28°15′N,121°09′E—121°12′E,是樂清灣中的第二大島。1999年,人們?yōu)榇儆僮o灘在茅埏島淤泥質潮灘引種了互花米草[15],之后互花米草群落快速擴張,成為該島淤泥質潮灘上的優(yōu)勢植被。2005年,茅埏島潮灘上首次引種了紅樹植物(秋茄)[16],后陸續(xù)補種,形成了不同種植年限的紅樹林群落。本文研究區(qū)位于茅埏島東部沿海淤泥質潮灘,由北向南依次分布著無植被潮灘、老紅樹林、幼紅樹林和互花米草等生態(tài)類型,其中紅樹植物分別種植于2006年和2011年。

1.2 樣品采集

2021年8月,使用無擾動沉積物柱狀采樣器在茅埏島的老紅樹林潮灘、無植被潮灘、幼紅樹林潮灘和互花米草潮灘分別采集1根沉積物柱樣(圖1)。每根柱樣長度為1 m,垂向上無明顯壓縮?，F場記錄柱狀沉積物的顏色、氣味等性狀特征,以10 cm/層進行分樣,于-20 ℃保存,帶回實驗室分析。

圖1 采樣站位Fig.1 Sampling stations

1.3 理化參數的測定與分析

沉積物樣品帶回實驗室后進行冷凍干燥,干燥前、后分別稱重以計算沉積物容重。干燥后的樣品去除植物殘體,分別用于粒度、TOC、TN和δ13Corg的測定。

1.3.1 粒度測定

取沉積物干樣0.2 g,加入15 mL H2O2(質量分數為3%)和5 mL濃度為3 mol/L的鹽酸溶液,離心并用超純水(Milli-Q水)清洗,于超聲振蕩器中充分振蕩30 min,利用Malvern Mastersizer 3000型激光衍射粒度儀進行測定。根據Shepard沉積物分類方法[17]計算樣品中礫、砂、粉砂和黏土的粒級組成。

1.3.2 TOC和TN測定

取沉積物干樣10 g,用瑪瑙研缽研磨后過100目篩。取研磨后的沉積物樣品0.50 g,加入1 mol/L鹽酸7 mL,50 ℃水浴24 h,超純水洗滌樣品3次至pH值呈中性,烘干后使用元素分析儀(Elementar Vario MICRO cube)測定TOC和TN含量。測定時,以磺胺(Sulfanilamide)為標準物質,以近海海洋沉積物分析標準物質(GBW07314)為質控樣(TOC=0.50%±0.06%)。

1.3.3 δ13Corg測定

取鹽酸處理后的干燥沉積物樣品(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm及70 ～80 cm層)各5.00 mg,使用Thermo Delta V Advantage型穩(wěn)定同位素比質譜儀,測定沉積物的δ13Corg值,分析精度為±0.1‰。

1.4 有機碳儲量計算

沉積物有機碳儲量是指儲存在單位面積特定深度中的有機碳含量[18-19],公式如下:

(1)

γi=mi/Vi

(2)

式中:Cstorage為0 ～100 cm深度土層單位面積碳儲量;Ci為第i層沉積物有機碳百分含量;di為第i層沉積物厚度,均為10 cm;γi為第i層沉積物容重;mi為第i層沉積物干重;Vi為第i層沉積物原始體積,均為331.66 cm3;i為層序,i=1表示0 ～10 cm深度,依次類推;10為單位轉換系數。

1.5 數據統(tǒng)計和圖件繪制

采樣站位圖利用ArcGIS 10.8軟件繪制,其他圖件使用Origin 2021軟件繪制,數據統(tǒng)計分析使用SPSS 25.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 沉積物理化特征

2.1.1 粒度特征

如圖2所示,研究區(qū)域四個潮灘柱狀樣的沉積物組成均以粉砂和黏土為主。其中,老紅樹林潮灘、無植被潮灘和幼紅樹林潮灘的沉積物粒級組成非常接近,且在垂向分布上較為一致,沉積物類型均為黏土質粉砂(表1)。這三個潮灘的黏土平均含量分別為36.92%±2.03%、38.13%±3.90%、34.98%±2.40%;粉砂平均含量分別為58.66%±2.01%、57.89%±4.72%、60.13%±2.80%;砂含量極少,在這三個潮灘中分別僅占4.16%±0.63%、3.72%±1.42%、4.69%±1.00%?；セ撞莩睘┑某练e物粒度特征與其它三個潮灘差異較大,且在垂向分布上有較大變化,60 cm以淺沉積物中砂和礫占一定的比例,分別為23.19%±13.81%和6.54%±4.34%,沉積物類型為粉砂質砂和砂質粉砂;而60 cm以深沉積物中砂僅占3.28%±3.17%,礫含量為0.00%,沉積物類型為黏土質粉砂(表1)。

表1 沉積物粒度特征和沉積物分類Tab.2 Sediment grain size characteristics and sediment classification

從粒度參數來看(表1),老紅樹林潮灘、無植被潮灘和幼紅樹林潮灘的沉積物平均粒徑 Φ值分別為7.38±0.12、7.44±0.19和7.26±0.13,而互花米草潮灘的沉積物平均粒徑 Φ值則為5.75±1.64,明顯小于另外三個潮灘,反映出互花米草潮灘的沉積物顆粒較粗。老紅樹林潮灘、無植被潮灘和幼紅樹林潮灘沉積物的分選系數變化較小,而互花米草潮灘沉積物分選系數變化較大,整個柱樣均值為2.86±1.07,表明互花米草潮灘的分選性較差,水動力環(huán)境較弱,沉積物顆粒大小的均勻程度低。李家兵 等[20]對閩江河口濕地的研究也有類似的結果,互花米草潮灘的覆蓋使沉積物中的砂含量顯著增加。

2.1.2 總有機碳、總氮、碳氮比和同位素值特征

四個潮灘柱狀沉積物中的有機碳含量整體呈現表層較高,隨深度增加逐漸降低的變化趨勢(圖3a)。老紅樹林潮灘有機碳平均值為0.76%±0.16%,在20 cm以淺有機碳含量最高,達1.06%,20 cm以深有機碳含量明顯降低且垂直方向上變化不大;無植被潮灘有機碳含量在垂直方向上整體較為一致,含量范圍在0.66% ～0.76%,平均值為0.71%±0.03%;幼紅樹林潮灘有機碳均值為0.69%±0.12%,在表層含量最高,為0.99%,10 cm以深含量變化不大,均值為0.65%±0.05%;互花米草潮灘有機碳均值為0.83%±0.09%,在60 cm以淺含量整體較高,平均達0.89%±0.06%,而60 cm以深有機碳含量平均為0.74%±0.05%。四個潮灘的柱狀沉積物的總氮含量較為相近,在0.07% ～0.10 %之間,在垂直方向上的變化趨勢不明顯(圖3b)。

圖3 茅埏島柱狀沉積物TOC(a)、TN(b)、C/N(c)、δ13Corg(d)、容重(e)、有機碳儲量(f)的垂向分布Fig.3 Vertical distribution of TOC(a), TN(b), C/N(c), δ13Corg (d), bulk density(e) and organic carbon storage (f) from the core sediments of Maoyan Island

四個潮灘柱狀沉積物的碳氮比值(C/N)介于7.03 ～11.50之間,平均為8.56±1.12,C/N比值在垂直方向上的變化與TOC含量的變化較為一致(圖3c,3a)。C/N比值在一定程度上可以反映沉積物中有機碳的來源,通常認為海源有機碳C/N比值在4 ～10之間,陸源有機碳C/N比值在20左右甚至更高[10-11]。除互花米草潮灘在40 ～60 cm間C/N比值較高外,其余沉積物C/N比值在40 cm以深均較接近且垂向變化不大,表現出有機碳來源的一致性。老紅樹林潮灘 C/N 比值在20 cm以淺最高,達11.47,表現出較強的陸源特征;無植被潮灘C/N比值在20 cm以淺較低,為7.22,反映出海源的貢獻較大。

沉積物有機碳穩(wěn)定同位素(δ13Corg值)也可以反映有機碳的來源。四個潮灘在不同深度(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm和70 ～80 cm層)的沉積物 δ13Corg值分布范圍是-25.85‰ ～-22.24‰(圖3d)?？梢钥闯?在70 ～80 cm層,四個潮灘δ13Corg值非常一致,反映出在歷史上有機碳來源的一致性;在30 ～40 cm 層,δ13Corg值開始出現分異;在0 ～10 cm和10 ～20 cm層,老紅樹林潮灘的δ13Corg值最低(-25.85‰和-25.80‰),反映出陸源貢獻較大,這與C/N比值的結果一致。無植被潮灘δ13Corg值在垂直方向上的變化最小,反映出有機碳的同源性。

2.2 沉積物有機碳儲量

通過沉積物中有機碳含量和沉積物容重可以得到單位面積上沉積物的有機碳儲量,通常以1 m 深度計。有研究表明,沉積物的粒度和垂向上的壓實作用是影響柱狀沉積物容重的主要因素[21],在粒度特征基本一致的情況下,壓實效應導致下層沉積物的容重比上層沉積物的容重大。四個潮灘沉積物的容重見圖3e,由于上層沉積物的含水率較高和壓實效應的影響,表層沉積物容重最低,隨著深度增加容重逐漸增高,到達一定深度后變化趨于穩(wěn)定。互花米草潮灘和無植被潮灘沉積物的有機碳儲量隨深度的增加而增加,高值區(qū)出現在20 cm以深(圖3f),并且與沉積物容重呈顯著正相關(p<0.01);老紅樹林和幼紅樹林潮灘沉積物有機碳儲量隨深度增加呈現小幅波動,與容重和有機碳含量的相關關系均不明顯。

以1 m深度計,四個潮灘沉積物有機碳儲量最高的是互花米草潮灘,為5.79 kg/m2;其次是老紅樹林潮灘,為5.61 kg/m2;幼紅樹林潮灘和無植被潮灘的有機碳儲量較低,分別為4.95 kg/m2和4.84 kg/m2。如果將無植被潮灘的有機碳儲量作為本底,可以看出互花米草潮灘的有機碳儲量比無植被潮灘高19.63%,老紅樹林和幼紅樹林潮灘的有機碳儲量分別比無植被潮灘高15.91%和2.27%。GU等[22]對茅埏島潮灘有機碳的研究表明,紅樹林和互花米草潮灘的碳儲量分別比無植被潮灘高18.40%和31.40%。植被的覆蓋顯著提高了潮灘沉積物中有機碳的儲量,其中互花米草潮灘對提高沉積物有機碳儲量的作用最大,這可能由于其植株密度高,明顯減弱了水動力從而提高了沉積物的積聚。紅樹林也能明顯提高沉積物的有機碳儲量,但剛剛栽種的幼紅樹林作用有限,需成林以后才能發(fā)揮作用。

2.3 沉積物有機碳來源

沉積物中的C/N比值可以初步區(qū)分有機碳的來源。依據四個潮灘沉積物C/N比值的垂直分布,可以看出在30 cm以淺,各潮灘的C/N比值呈現明顯差異,反映出不同的有機碳來源貢獻。以無植被潮灘作為對照,老紅樹林潮灘的陸源有機碳貢獻比例顯著增加,幼紅樹林潮灘和互花米草潮灘的陸源有機碳貢獻也有所增加。為進一步量化沉積物中不同有機碳的來源,利用四個潮灘實際測得的不同深度(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm和70 ～80 cm)沉積物δ13Corg值,通過IsoSource軟件[13,23]計算陸地、海洋和植被三個端元對沉積物有機碳的貢獻。其中,陸源和海源的端元取值分別為-26.50‰和 -20.90‰[23-24];植被端元根據各潮灘主要植被類型的碳同位素取值,在老紅樹林潮灘、幼紅樹林潮灘以及無植被潮灘取值-27.00‰(紅樹植物碳同位素值),互花米草潮灘取值-13.00‰(互花米草碳同位素值)[9,23]。圖4為各潮灘不同深度沉積物有機碳儲量及其不同來源的貢獻。整體上,海源有機碳在無植被潮灘和幼紅樹林潮灘中的貢獻最大,分別占比50.45%和61.47%,植物源有機碳在老紅樹林潮灘沉積物中的貢獻(占比32.65%)顯著高于其它三個潮灘,互花米草潮灘沉積物有機碳則主要來自陸源貢獻,占比57.75%。

圖4 茅埏島潮灘沉積物不同有機碳來源的貢獻Fig.4 The contribution of different organic carbon sources in sediment cores from tidal flats in Maoyan Island

無植被潮灘在20 cm以淺的有機碳儲量相對較低,且不同層位的海源、植物和陸源有機碳貢獻率的變化不大,其比例分別為50.45%、22.55%和27.00%。無植被潮灘中高比例的海源有機碳貢獻可能與底棲微藻的生長活動有關[6,25]。底棲微藻是無植被潮灘的主要初級生產者,在淤泥含量較高的潮灘區(qū)域,往往具有較高的生物量,也成為沉積物中有機碳的重要貢獻者。與無植被潮灘相比,有植被潮灘沉積物中有機碳來源更加復雜。植被除了貢獻自身來源的有機碳之外,其根系和莖葉形成復雜的結構,還具有捕獲和儲存外源有機碳的作用,從而提高沉積物中有機碳的儲量。

老紅樹林潮灘沉積物在20 cm以深,海源有機碳的貢獻占49.70%,陸源和植物源的貢獻分別為23.50%和26.80%;而在20 cm以淺,海源貢獻僅占15.50%,陸源和植物源的貢獻分別增加到46.00%和38.50%。與老紅樹林潮灘相比,幼紅樹林潮灘的有機碳儲量上下較為一致,垂向上三種來源有機碳的貢獻無明顯變化。幼紅樹林沉積物中植被貢獻的有機碳較低,占比僅為17.45%,在各層中植物源均低于海源和陸源貢獻。不同林齡的紅樹植被對上層沉積物碳庫的貢獻存在顯著差異[7,26],其原因可能與老紅樹植被殘體更多有關。

互花米草潮灘在20 cm以淺的沉積物中有機碳儲量相對較低,而在20 cm以深相對較高,最高可達0.69 kg/m2。在互花米草潮灘不同層位沉積物中,陸源有機碳貢獻顯著高于同層位其他潮灘,而植物本身的貢獻較少,僅為12.25%。高比例的外源有機碳貢獻可能與互花米草潮灘對外源顆粒物的攔截作用有關?；セ撞葜仓甑纳L密度較高且分布緊湊[23],其對潮灘沉積環(huán)境的影響可能改變了沉積物中有機碳來源的構成。在攔截作用下,互花米草潮灘捕獲并堆積下來的有機碳量可能會超過植物本身輸入的有機碳量,并且使沉積物中陸源和海源有機碳儲量增加?；セ撞莸穆訋砹艘幌盗胸撁嬗绊懙耐瑫r,也改變了原潮灘沉積物的碳分布格局。

3 結論

1)茅埏島淤泥質潮灘中,互花米草潮灘沉積物中TOC含量最高,平均為0.83%±0.09%,其次為老紅樹林潮灘(0.76%±0.16%),無植被潮灘和幼紅樹林潮灘沉積物中TOC平均含量較低,分別為0.71%±0.03%和0.69%±0.12%。在0 ～20 cm層,有植被潮灘TOC含量顯著高于無植被潮灘;而在20 cm以深,互花米草潮灘沉積物中TOC含量高于其它潮灘類型。

2)互花米草潮灘沉積物具有高的有機碳儲量,達5.79 kg/m2,老紅樹林潮灘和幼紅樹林潮灘沉積物有機碳儲量分別是5.61 kg/m2和4.95 kg/m2。相比于無植被潮灘沉積物有機碳儲量(4.84 kg/m2),互花米草潮灘沉積物有機碳儲量提高了19.63%,老紅樹林潮灘沉積物有機碳儲量提高了15.91%,而幼紅樹林潮灘的提高有限,僅為2.27%。

3)四種不同類型生境沉積物有機碳來源主要為海源和陸源,并且受到不同植被類型覆蓋的影響。植物的貢獻在老紅樹林潮灘沉積物中占比較高,在其它類型潮灘中的貢獻有限;幼紅樹林潮灘和無植被潮灘沉積物中有機碳均以海源的貢獻為主;互花米草潮灘沉積物中有機碳主要為陸源,互花米草潮灘中植物本身的貢獻較低。