不同植被类型对淤泥质潮滩有机碳来源和储量的影响
——以茅埏岛为例

刘雨薇,于培松,郑旻辉,赵政嘉,张 偲,韩沉花

(自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室,自然资源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

0 引言

淤泥质潮滩是一类位于海陆交互地带,受潮汐影响的滨海湿地,其沉积物以粉砂和黏土为主,是海陆物质迁移、转化的重要场所[1]。由于特殊的水动力条件和沉积环境,淤泥质潮滩沉积物中的碳可被封存数千年,因此其具有较高的固碳潜力[2-3]。淤泥质潮滩在全球海岸带均有分布,并且绝大多数温带及亚热带区域的淤泥质潮滩还覆盖有盐生植物,其中有红树植物覆盖的潮滩称为红树林潮滩[4];除红树林外,通常把盐生植被覆盖率超过30%的淤泥质潮滩称为盐沼;盐生植被覆盖率不到30%的则称为无植被潮滩。淤泥质潮滩上的盐生植物通过光合作用固定大气二氧化碳形成有机质,同时通过厌氧作用分解植物根系或残体,将大量有机物输入到沉积物和周围水体中,促进了有机碳(total organic carbon,TOC)的累积[3-4]。极强的碳封存能力使潮滩成为全球碳库的重要组成部分,对减缓全球气候变暖起着积极的作用,因此淤泥质潮滩湿地碳循环受到国内外学者的广泛关注[5-6]。

由于植被类型、水文动力和沉积环境等的不同,红树林、盐沼和无植被潮滩等生态系统在保存和埋藏碳的能力上呈现时空异质性[5,7]。沉积物是上述生态系统碳库的主要载体,其碳储量在红树林碳储量中的占比可达50%～90%[7-8],在盐沼中的占比通常更高(>98%)[9]。有机碳是淤泥质潮滩沉积物中碳的主要存在形式,其含量水平可以反映淤泥质潮滩的储碳能力。有机碳的来源主要包括陆源、海源和本地植物源[10],不同的来源具有不同的端元特征,通过碳氮比和有机碳稳定同位素等指标可以区分并量化其来源特征[11-13]。

茅埏岛位于浙江省乐清湾中部,拥有丰富的淤泥质潮滩资源。近几十年来,茅埏岛潮滩上既有互花米草的入侵,也有红树植物的人工种植,形成了无植被潮滩、盐沼(优势植物为互花米草Spartinaalterniflora)和红树林(优势植物为秋茄KandeliaObovata)等多种生态系统类型[14],是研究不同植被类型影响沉积物储碳能力的理想天然场所。本文通过在茅埏岛东侧的红树林潮滩、无植被潮滩和盐沼(互花米草潮滩)采集沉积物柱样,分析沉积物粒度、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、有机碳稳定同位素(δ13Corg)等理化指标,探讨不同植被类型对沉积物有机碳的含量和来源的影响,为理解淤泥质潮滩生态系统碳的生物地球化学循环提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

茅埏岛隶属于浙江省台州玉环市,位于28°12′N—28°15′N,121°09′E—121°12′E,是乐清湾中的第二大岛。1999年,人们为促淤护滩在茅埏岛淤泥质潮滩引种了互花米草[15],之后互花米草群落快速扩张,成为该岛淤泥质潮滩上的优势植被。2005年,茅埏岛潮滩上首次引种了红树植物(秋茄)[16],后陆续补种,形成了不同种植年限的红树林群落。本文研究区位于茅埏岛东部沿海淤泥质潮滩,由北向南依次分布着无植被潮滩、老红树林、幼红树林和互花米草等生态类型,其中红树植物分别种植于2006年和2011年。

1.2 样品采集

2021年8月,使用无扰动沉积物柱状采样器在茅埏岛的老红树林潮滩、无植被潮滩、幼红树林潮滩和互花米草潮滩分别采集1根沉积物柱样(图1)。每根柱样长度为1 m,垂向上无明显压缩。现场记录柱状沉积物的颜色、气味等性状特征,以10 cm/层进行分样,于-20 ℃保存,带回实验室分析。

图1 采样站位Fig.1 Sampling stations

1.3 理化参数的测定与分析

沉积物样品带回实验室后进行冷冻干燥,干燥前、后分别称重以计算沉积物容重。干燥后的样品去除植物残体,分别用于粒度、TOC、TN和δ13Corg的测定。

1.3.1 粒度测定

取沉积物干样0.2 g,加入15 mL H2O2(质量分数为3%)和5 mL浓度为3 mol/L的盐酸溶液,离心并用超纯水(Milli-Q水)清洗,于超声振荡器中充分振荡30 min,利用Malvern Mastersizer 3000型激光衍射粒度仪进行测定。根据Shepard沉积物分类方法[17]计算样品中砾、砂、粉砂和黏土的粒级组成。

1.3.2 TOC和TN测定

取沉积物干样10 g,用玛瑙研钵研磨后过100目筛。取研磨后的沉积物样品0.50 g,加入1 mol/L盐酸7 mL,50 ℃水浴24 h,超纯水洗涤样品3次至pH值呈中性,烘干后使用元素分析仪(Elementar Vario MICRO cube)测定TOC和TN含量。测定时,以磺胺(Sulfanilamide)为标准物质,以近海海洋沉积物分析标准物质(GBW07314)为质控样(TOC=0.50%±0.06%)。

1.3.3 δ13Corg测定

取盐酸处理后的干燥沉积物样品(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm及70 ～80 cm层)各5.00 mg,使用Thermo Delta V Advantage型稳定同位素比质谱仪,测定沉积物的δ13Corg值,分析精度为±0.1‰。

1.4 有机碳储量计算

沉积物有机碳储量是指储存在单位面积特定深度中的有机碳含量[18-19],公式如下:

(1)

γi=mi/Vi

(2)

式中:Cstorage为0 ～100 cm深度土层单位面积碳储量;Ci为第i层沉积物有机碳百分含量;di为第i层沉积物厚度,均为10 cm;γi为第i层沉积物容重;mi为第i层沉积物干重;Vi为第i层沉积物原始体积,均为331.66 cm3;i为层序,i=1表示0 ～10 cm深度,依次类推;10为单位转换系数。

1.5 数据统计和图件绘制

采样站位图利用ArcGIS 10.8软件绘制,其他图件使用Origin 2021软件绘制,数据统计分析使用SPSS 25.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 沉积物理化特征

2.1.1 粒度特征

如图2所示,研究区域四个潮滩柱状样的沉积物组成均以粉砂和黏土为主。其中,老红树林潮滩、无植被潮滩和幼红树林潮滩的沉积物粒级组成非常接近,且在垂向分布上较为一致,沉积物类型均为黏土质粉砂(表1)。这三个潮滩的黏土平均含量分别为36.92%±2.03%、38.13%±3.90%、34.98%±2.40%;粉砂平均含量分别为58.66%±2.01%、57.89%±4.72%、60.13%±2.80%;砂含量极少,在这三个潮滩中分别仅占4.16%±0.63%、3.72%±1.42%、4.69%±1.00%。互花米草潮滩的沉积物粒度特征与其它三个潮滩差异较大,且在垂向分布上有较大变化,60 cm以浅沉积物中砂和砾占一定的比例,分别为23.19%±13.81%和6.54%±4.34%,沉积物类型为粉砂质砂和砂质粉砂;而60 cm以深沉积物中砂仅占3.28%±3.17%,砾含量为0.00%,沉积物类型为黏土质粉砂(表1)。

表1 沉积物粒度特征和沉积物分类Tab.2 Sediment grain size characteristics and sediment classification

从粒度参数来看(表1),老红树林潮滩、无植被潮滩和幼红树林潮滩的沉积物平均粒径 Φ值分别为7.38±0.12、7.44±0.19和7.26±0.13,而互花米草潮滩的沉积物平均粒径 Φ值则为5.75±1.64,明显小于另外三个潮滩,反映出互花米草潮滩的沉积物颗粒较粗。老红树林潮滩、无植被潮滩和幼红树林潮滩沉积物的分选系数变化较小,而互花米草潮滩沉积物分选系数变化较大,整个柱样均值为2.86±1.07,表明互花米草潮滩的分选性较差,水动力环境较弱,沉积物颗粒大小的均匀程度低。李家兵 等[20]对闽江河口湿地的研究也有类似的结果,互花米草潮滩的覆盖使沉积物中的砂含量显著增加。

2.1.2 总有机碳、总氮、碳氮比和同位素值特征

四个潮滩柱状沉积物中的有机碳含量整体呈现表层较高,随深度增加逐渐降低的变化趋势(图3a)。老红树林潮滩有机碳平均值为0.76%±0.16%,在20 cm以浅有机碳含量最高,达1.06%,20 cm以深有机碳含量明显降低且垂直方向上变化不大;无植被潮滩有机碳含量在垂直方向上整体较为一致,含量范围在0.66% ～0.76%,平均值为0.71%±0.03%;幼红树林潮滩有机碳均值为0.69%±0.12%,在表层含量最高,为0.99%,10 cm以深含量变化不大,均值为0.65%±0.05%;互花米草潮滩有机碳均值为0.83%±0.09%,在60 cm以浅含量整体较高,平均达0.89%±0.06%,而60 cm以深有机碳含量平均为0.74%±0.05%。四个潮滩的柱状沉积物的总氮含量较为相近,在0.07% ～0.10 %之间,在垂直方向上的变化趋势不明显(图3b)。

图3 茅埏岛柱状沉积物TOC(a)、TN(b)、C/N(c)、δ13Corg(d)、容重(e)、有机碳储量(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

四个潮滩柱状沉积物的碳氮比值(C/N)介于7.03 ～11.50之间,平均为8.56±1.12,C/N比值在垂直方向上的变化与TOC含量的变化较为一致(图3c,3a)。C/N比值在一定程度上可以反映沉积物中有机碳的来源,通常认为海源有机碳C/N比值在4 ～10之间,陆源有机碳C/N比值在20左右甚至更高[10-11]。除互花米草潮滩在40 ～60 cm间C/N比值较高外,其余沉积物C/N比值在40 cm以深均较接近且垂向变化不大,表现出有机碳来源的一致性。老红树林潮滩 C/N 比值在20 cm以浅最高,达11.47,表现出较强的陆源特征;无植被潮滩C/N比值在20 cm以浅较低,为7.22,反映出海源的贡献较大。

沉积物有机碳稳定同位素(δ13Corg值)也可以反映有机碳的来源。四个潮滩在不同深度(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm和70 ～80 cm层)的沉积物 δ13Corg值分布范围是-25.85‰ ～-22.24‰(图3d)。可以看出,在70 ～80 cm层,四个潮滩δ13Corg值非常一致,反映出在历史上有机碳来源的一致性;在30 ～40 cm 层,δ13Corg值开始出现分异;在0 ～10 cm和10 ～20 cm层,老红树林潮滩的δ13Corg值最低(-25.85‰和-25.80‰),反映出陆源贡献较大,这与C/N比值的结果一致。无植被潮滩δ13Corg值在垂直方向上的变化最小,反映出有机碳的同源性。

2.2 沉积物有机碳储量

通过沉积物中有机碳含量和沉积物容重可以得到单位面积上沉积物的有机碳储量,通常以1 m 深度计。有研究表明,沉积物的粒度和垂向上的压实作用是影响柱状沉积物容重的主要因素[21],在粒度特征基本一致的情况下,压实效应导致下层沉积物的容重比上层沉积物的容重大。四个潮滩沉积物的容重见图3e,由于上层沉积物的含水率较高和压实效应的影响,表层沉积物容重最低,随着深度增加容重逐渐增高,到达一定深度后变化趋于稳定。互花米草潮滩和无植被潮滩沉积物的有机碳储量随深度的增加而增加,高值区出现在20 cm以深(图3f),并且与沉积物容重呈显著正相关(p<0.01);老红树林和幼红树林潮滩沉积物有机碳储量随深度增加呈现小幅波动,与容重和有机碳含量的相关关系均不明显。

以1 m深度计,四个潮滩沉积物有机碳储量最高的是互花米草潮滩,为5.79 kg/m2;其次是老红树林潮滩,为5.61 kg/m2;幼红树林潮滩和无植被潮滩的有机碳储量较低,分别为4.95 kg/m2和4.84 kg/m2。如果将无植被潮滩的有机碳储量作为本底,可以看出互花米草潮滩的有机碳储量比无植被潮滩高19.63%,老红树林和幼红树林潮滩的有机碳储量分别比无植被潮滩高15.91%和2.27%。GU等[22]对茅埏岛潮滩有机碳的研究表明,红树林和互花米草潮滩的碳储量分别比无植被潮滩高18.40%和31.40%。植被的覆盖显著提高了潮滩沉积物中有机碳的储量,其中互花米草潮滩对提高沉积物有机碳储量的作用最大,这可能由于其植株密度高,明显减弱了水动力从而提高了沉积物的积聚。红树林也能明显提高沉积物的有机碳储量,但刚刚栽种的幼红树林作用有限,需成林以后才能发挥作用。

2.3 沉积物有机碳来源

沉积物中的C/N比值可以初步区分有机碳的来源。依据四个潮滩沉积物C/N比值的垂直分布,可以看出在30 cm以浅,各潮滩的C/N比值呈现明显差异,反映出不同的有机碳来源贡献。以无植被潮滩作为对照,老红树林潮滩的陆源有机碳贡献比例显著增加,幼红树林潮滩和互花米草潮滩的陆源有机碳贡献也有所增加。为进一步量化沉积物中不同有机碳的来源,利用四个潮滩实际测得的不同深度(0 ～10 cm、10 ～20 cm、30 ～40 cm和70 ～80 cm)沉积物δ13Corg值,通过IsoSource软件[13,23]计算陆地、海洋和植被三个端元对沉积物有机碳的贡献。其中,陆源和海源的端元取值分别为-26.50‰和 -20.90‰[23-24];植被端元根据各潮滩主要植被类型的碳同位素取值,在老红树林潮滩、幼红树林潮滩以及无植被潮滩取值-27.00‰(红树植物碳同位素值),互花米草潮滩取值-13.00‰(互花米草碳同位素值)[9,23]。图4为各潮滩不同深度沉积物有机碳储量及其不同来源的贡献。整体上,海源有机碳在无植被潮滩和幼红树林潮滩中的贡献最大,分别占比50.45%和61.47%,植物源有机碳在老红树林潮滩沉积物中的贡献(占比32.65%)显著高于其它三个潮滩,互花米草潮滩沉积物有机碳则主要来自陆源贡献,占比57.75%。

图4 茅埏岛潮滩沉积物不同有机碳来源的贡献Fig.4 The contribution of different organic carbon sources in sediment cores from tidal flats in Maoyan Island

无植被潮滩在20 cm以浅的有机碳储量相对较低,且不同层位的海源、植物和陆源有机碳贡献率的变化不大,其比例分别为50.45%、22.55%和27.00%。无植被潮滩中高比例的海源有机碳贡献可能与底栖微藻的生长活动有关[6,25]。底栖微藻是无植被潮滩的主要初级生产者,在淤泥含量较高的潮滩区域,往往具有较高的生物量,也成为沉积物中有机碳的重要贡献者。与无植被潮滩相比,有植被潮滩沉积物中有机碳来源更加复杂。植被除了贡献自身来源的有机碳之外,其根系和茎叶形成复杂的结构,还具有捕获和储存外源有机碳的作用,从而提高沉积物中有机碳的储量。

老红树林潮滩沉积物在20 cm以深,海源有机碳的贡献占49.70%,陆源和植物源的贡献分别为23.50%和26.80%;而在20 cm以浅,海源贡献仅占15.50%,陆源和植物源的贡献分别增加到46.00%和38.50%。与老红树林潮滩相比,幼红树林潮滩的有机碳储量上下较为一致,垂向上三种来源有机碳的贡献无明显变化。幼红树林沉积物中植被贡献的有机碳较低,占比仅为17.45%,在各层中植物源均低于海源和陆源贡献。不同林龄的红树植被对上层沉积物碳库的贡献存在显著差异[7,26],其原因可能与老红树植被残体更多有关。

互花米草潮滩在20 cm以浅的沉积物中有机碳储量相对较低,而在20 cm以深相对较高,最高可达0.69 kg/m2。在互花米草潮滩不同层位沉积物中,陆源有机碳贡献显著高于同层位其他潮滩,而植物本身的贡献较少,仅为12.25%。高比例的外源有机碳贡献可能与互花米草潮滩对外源颗粒物的拦截作用有关。互花米草植株的生长密度较高且分布紧凑[23],其对潮滩沉积环境的影响可能改变了沉积物中有机碳来源的构成。在拦截作用下,互花米草潮滩捕获并堆积下来的有机碳量可能会超过植物本身输入的有机碳量,并且使沉积物中陆源和海源有机碳储量增加。互花米草的蔓延带来了一系列负面影响的同时,也改变了原潮滩沉积物的碳分布格局。

3 结论

1)茅埏岛淤泥质潮滩中,互花米草潮滩沉积物中TOC含量最高,平均为0.83%±0.09%,其次为老红树林潮滩(0.76%±0.16%),无植被潮滩和幼红树林潮滩沉积物中TOC平均含量较低,分别为0.71%±0.03%和0.69%±0.12%。在0 ～20 cm层,有植被潮滩TOC含量显著高于无植被潮滩;而在20 cm以深,互花米草潮滩沉积物中TOC含量高于其它潮滩类型。

2)互花米草潮滩沉积物具有高的有机碳储量,达5.79 kg/m2,老红树林潮滩和幼红树林潮滩沉积物有机碳储量分别是5.61 kg/m2和4.95 kg/m2。相比于无植被潮滩沉积物有机碳储量(4.84 kg/m2),互花米草潮滩沉积物有机碳储量提高了19.63%,老红树林潮滩沉积物有机碳储量提高了15.91%,而幼红树林潮滩的提高有限,仅为2.27%。

3)四种不同类型生境沉积物有机碳来源主要为海源和陆源,并且受到不同植被类型覆盖的影响。植物的贡献在老红树林潮滩沉积物中占比较高,在其它类型潮滩中的贡献有限;幼红树林潮滩和无植被潮滩沉积物中有机碳均以海源的贡献为主;互花米草潮滩沉积物中有机碳主要为陆源,互花米草潮滩中植物本身的贡献较低。