费蓓莉 解丽娜 李诗华 陈威 葛振鸣

摘要：潮沟系统是滨海湿地与外界环境之间横向碳交换的重要通道.本研究以长江口滨海湿地典型植物群落（禾本科Poaceaue和莎草科cyperaceae）为研究对象，调查了不同潮汐（小潮期与大潮期）退潮过程中潮沟水体可溶性有机碳（Doc）和颗粒态有机碳（Poc）的季节变化.结果表明，潮水向外输出的过程中，Doc和Poc从高潮滩到口外浅水光滩均逐渐变化，大潮期时不同生境潮沟的有机碳丰度一般比小潮期高.在具有较高植物生物量和土壤有机碳储量的Poaceae群落中，各季节潮沟水体Doc含量均显著高于cyperaceae生境潮沟;相反，各季节cyperaceae群落潮沟Poc含量则高于Poaceaue群落潮沟.此外，Poaceae群落潮沟在各季节均表现为Doc净输出，而Poc为净输入，各季节D0c和Poc在cyperaceae群落潮沟均呈现净输出趋势.

关键词：潮沟系统;有机碳;季节变化;植被类型;潮汐

中图分类号：P933 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2019.01.017

0引言

作为全球碳循环中“蓝色碳汇”的主要贡献者，盐沼濕地、红树林和海草床等滨海湿地生态系统的固碳减排作用近年来备受关注.然而，滨海湿地受海陆相互作用影响，各种生物、物理和化学过程变化剧烈，存在气态、固态和液态多个碳交换界面，因此碳循环过程较为复杂.一方面，高等植物通过光合作用形成较高的初级生产力以及外源沉积物中较高的碳封存速率等被认为是重要的碳汇集过程;另一方面，潮汐作用会通过水体将物质输入到湿地系统或从湿地系统输出，通过湿地水系（主要是潮沟系统）横向输出被认为是碳流失过程.

目前对于滨海湿地碳循环过程研究较多，但通过潮沟系统发生的水平方向碳输运的研究还较少涉及.一般来说，滨海湿地潮汐过程中大部分横向输运的碳组分是溶解有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）和颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）根据Odum的“Outwelling”溢出理论，滨海湿地有机碳的输运量取决于植被初级生产力和潮汐特征，同时也会受到降雨或洪水的影响.

亚热带和温带滨海湿地分布有许多耐盐植物类群，呈现出生态特征和生产力格局的空间差异性.中国长江口拥有多处淤涨型的滨海盐沼湿地，是我国滨海湿地资源的重要组成部分.长江口滨海湿地的高等植被种类多样，但主要由少数几类具有不同生态特征的群落所主导（如禾本科植物Poaceae和莎草科植物Cyperaceae）.在长江口崇明东滩湿地已开展的碳通量研究指出，横向碳输运是碳循环中的重要组分，但这部分碳过程是涡度相关技术和遥感估算较难识别的.因此，本研究选择崇明东滩湿地占优势的Poaceae和Cyperaceae群落，研究群落中潮沟水系的有机碳动态变化，初步分析有机碳组分在潮水向外输出过程中的特征.本研究结果可为评估滨海湿地系统碳收支以及湿地与邻近河口之间横向碳交换提供依据.

1.3植物和土壤样品采集

在2016年春季（3月）、夏季（7月）、秋季（10月）和冬季（12月），分别在两个潮沟邻近5 m范围内采集植物样品fPoaceae以芦苇为主，Cyperaceae以海三棱草和糙叶薹草为主）.根据0.25 mx0.25 m的随机样方采集植物的地上和地下部分，同时还在相同位置采集了土壤样品，设置4个样方的重复.地下植物体和土壤使用直径10 am的空心不锈钢采样器采集，根据梅花采样法在样方内随机掘取5个土芯，深度为50 cm.采样后以5 cm为间隔分成10段.每个样方同一层次的土壤混合在一起带回实验室.

1.4实验室分析

1.4.1DOC和POC测定及通量估算

将采集的水样用预处理过的0.45um玻璃纤维滤膜过滤.24h内进行真空抽滤，过滤后滤膜在4°C条件下冷藏备测POC.过滤后的水样储存在250ml的玻璃瓶内并在相同条件下冷藏.过滤后的水样用磷酸酸化后密封，然后根据加热催化氧化法在岛津（HTCO）TOC分析仪上测定DOC浓度，以邻苯二甲酸氢钾为标准液制作标准曲线.每个样品进行三次重复测定，其相对偏差小于2%.

在实验室的冷冻干燥机中对滤膜进行干燥并称重，从而确定未过滤物质中的总悬浮物.首先，将1/2滤膜在CHNOS元素分析仪（Elementar Vario EL III，Elementar AnalysensystemeGmbH）上测定总悬浮物中的总碳含量，将另1/2滤膜放入干燥器中先用浓盐酸熏蒸24 h以去除无机碳组分，然后再用岛津fHTCO）TOC分析仪测定总悬浮物中的POC含量.每个样品进行三次重复测定，其相对偏差小于5%.

1.4.2植物生物量和土壤有机碳测定

采集的植物样品分为地上和地下部分.地上部分用清水清洗后置于60。C烘箱内烘干至衡重，确定地上生物量.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的筛网冲洗，大部分根（包括粗的和细的）可以由网筛得到，再使用0.15 mm筛网收集冲洗水中更细的根.所有根组织置于60°C烘箱内烘干至衡重，确定地下生物量.

同时，将无根的土壤样品自然风干，然后用1 mm的筛子将其过筛后混合均匀.将混合后的土壤在60。C烘箱内烘干24 h，并用玛瑙研钵研磨到仪器可分析的细度.将土壤样品放入离心管中，用50uL 1 m01.L-1的酸盐酸化处理以去除土壤中的碳酸盐，并自然风干12 h.土壤有机碳（SOC）含量使用CHNOS元素分析仪测定.在土壤样品处理前，先用定容环刀确定5—50 am的10个土层的土壤容重，并将测得的SOC含量计算为SOC储量.SOC测定只使用了秋季（10月）的样品.

3讨论

研究滨海湿地与近岸环境之间的碳交换对于理解河口区域碳源/汇收支过程十分重要.潮沟系统是滨海湿地与外界环境之间横向碳输出或输入的重要通道.在崇明东滩湿地的研究表明，经过潮汐过程后的退潮期间（潮水向外部移动时段），Poaceae和Cyperaceae群落潮沟水体有机碳沿高程梯度均有不同程度的变化.DOC含量基本呈现从高潮滩到口外浅水光滩逐渐上升的趋势，这说明潮沟水体中不断积累DOC，并从植被覆盖区的潮沟向外部水域输出.根据Odum的“Outwelling”溢出理论，具有高生产力的滨海湿地通常向近海水域输送大量有机碳和营养物质，主要组分就是DOC.而且，植物碎屑、Chla和根际渗出的有机碳以溶解态形式会随潮水进行输出.此外，沉积物中的有机质分解过程也会产生一定量的DOC，并通过间隙水排出.Moran等估计，潮沟中大约70%的DOC来自湿地的维管植物.因此，可以初步判断，各季节Poaceae和Cyperaceae群落潮沟均表现为DOC净输出.

另外，在退潮时各季节Poaceae群落潮沟的平均DOC浓度显著高于Cyperaceae群落潮沟，这说明Poaceae群落潮沟可能会向外界输出更多的DOC.已有研究表明，不同植物对土壤有机质循环的调节作用以及在湿地环境中对DOC输出的贡献是不同的，滨海湿地生态系统中植物根系生物量和土壤碳含量密切相关.而且，间隙水排放是潮沟向外输出DOC的主要途径，距潮沟2-3m范围内的植被一般能贡献大约80%的DOC.通过对比植被生物量和SOC储量，Poaceae群落植物生物量均显著高于Cyperaceae群落，尤其是地下生物量.而且Poaceae群落具有更高的SOC储量.这说明更多的植物凋落物会转化为有机碳进入土壤层，进而转化为可溶性碳.同时，生长季期间（夏季、秋季）植被生物量最高，土壤有机质循环也较快，因此对潮沟的DOC输出量可能较春、冬季更多.研究还发现，Poaceae群落潮沟内DOC含量以及随高程梯度的变化在大潮时更高，但其在Cyperaceae群落潮沟中并不明显.除了初级生产力差异之外，DOC输出还依赖于滨海湿地的潮汐机制和地形地貌特征.大潮期间较高的水位增加了潮水在湿地系统中的停留和混合时间，这可能是潮汐影响潮沟内DOC积累和运输的重要因素之一.

颗粒态有机碳也是河口生态系统中交换最频繁的碳组分之一，退潮时滨海湿地向外界输出的POC被认为是河口附近有机物质的重要来源.我们的研究表明，Poaceae群落潮沟中POC含量随退潮过程略有减少，这表明POC在各季节涨一落潮周期后表现为净输入趋势，各季节间Poaceae群落潮沟内POC含量差异不明显.这有可能与植被带的沉积特征有关.在之前的研究中发现，Poaceae群落潮滩通常呈现泥沙淤积现象.Poaceae植被具有稠密的水平和垂直冠层结构，非常有利于对泥沙和植物碎屑的截留.在崇明东滩湿地，由于外来沉积物的作用，每年外源有机碳积累量为0.2～6.6 g.m-2左右.其中可能有较多外源POC输入并沉积在Poaceae群落潮沟.相比之下，Cyperaceae群落潮沟中的POC含量沿高程梯度逐渐增大f少数例外1.这表明，在各季节潮水会将POC从植被区携带至河口和近海.冬季Cyperaceae群落潮沟内POC含量相比其他季节最低，这可能是由于冬季大部分Cyperaceae植物地上死亡部分已經被潮水冲走，碎屑形成的POC进入水体的量也随之减少.Cyperaceae植物冠层较为低矮，形成稳定群落后植株稠密度也较低，拦截泥沙和植物碎屑的效果较高大的Poaceae植物要差.此外，Cyperaceae群落地下根系生物量较低且分布较浅，对潮沟堤岸的维持力不强，在崇明东滩湿地经常表现为轻微侵蚀状态.碳稳定同位素是识别生态系统中有机物来源的有力工具，我们初步分析了潮沟内悬浮物、植物体和潮沟边缘土壤的C同位素丰度（数据未列出），结果显示土壤有机质是潮沟中POC的主要来源.Deegan等指出，低密度的植被冠层和较稀疏的地下根系结构会显著影响潮滩地貌的稳定性，导致岸滩的侵蚀和沉积物的流失.本研究还发现大潮期过程中潮沟内POC含量高于小潮期，这可能是因为大潮期间的水动力较强，冲刷作用导致的土壤沉积物和植物凋落物流失造成了更多的POC向外输出.

4结论

本研究对比了长江口滨海湿地不同植被群落以及在不同潮汐过程中的潮沟水体有机碳的动态变化.在退潮期间，有机碳组分沿潮滩高程向口外浅水光滩区域逐渐变化.相对于小潮期，大潮期时不同群落潮沟有机碳丰度基本上呈增加态势.具有较高植物生物量和SOC储量的Poaceae群落中，各季节潮沟水体DOC含量显著高于Cyperaceae群落潮沟.相反，各季节Cyperaceae群落潮沟POC含量则高于Poaceae群落潮沟.我们初步判断，Poaceae群落潮沟表现为DOC净输出，而POC为净输入，两种有机碳组分在Cyperaceae群落潮沟均表现为净输出.

本研究目前仅考察了常规潮汐周期下的有机碳变化，并没有获得降水或风暴潮等异常条件下的信息.未来工作将进一步了解相关影响因素，并结合沉积物间隙水中的有机质转化过程、潮沟泥沙再悬浮特征和有机碳组分来源识别等，更全面地评估滨海湿地与近岸环境之间的横向碳交换特征通量.