沿海濕地是地球上生產(chǎn)力最高、碳含量最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一。海岸濕地的長期碳儲量主要以土壤有機質(zhì)（SOM）的形式存在于地下。除了作為碳匯外，土壤有機質(zhì)還影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性。為了預(yù)測和減輕氣候變化的影響，有必要進一步了解環(huán)境因子如何控制濕地土壤有機質(zhì)的。因此，作者選擇了墨西哥灣北岸的跨不同氣溫帶和降雨梯度的10個河口濕地進行調(diào)查，收集了10個河口濕地不同海拔和植被梯度帶中的植物樣品和土壤樣品，綜合分析了四個環(huán)境因素（包括：氣候、植物群落、土壤母質(zhì)和地形）對濱海濕地土壤有機碳的影響。
▉? 原文信息
▉? 正文
土壤蘊藏著陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤中的碳儲量高于比全球植物和大氣中碳庫之和。作為典型的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)，紅樹林和鹽沼生存著具有高生產(chǎn)力的維管植物群落，這些植物產(chǎn)生的大量有機物由于存在限制分解的非生物條件而以土壤有機質(zhì)的形式積聚在地下。另外，由于海平面上升導(dǎo)致的濱海濕地沉積物和有機質(zhì)加速積累，為土壤有機質(zhì)的累積和埋藏提供了連續(xù)不斷的容納空間。因此，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)地下碳儲存和埋藏率是地球上眾多生態(tài)系統(tǒng)中最高的。
了解氣候變化對土壤有機質(zhì)的影響在某些生態(tài)系統(tǒng)中尤為重要，例如在濱海濕地等生態(tài)系統(tǒng)中，相對較小的氣候變化就可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)喪失或在大景觀尺度上引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。在濱海濕地中，基礎(chǔ)植物種類扮演著重要的功能性角色，如紅樹植物、鹽沼植物創(chuàng)造了生境，調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能，支持著整個生態(tài)系統(tǒng)群落；這些物種同樣也提供了整個生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品和服務(wù)。在面臨海平面上升的情況時，基礎(chǔ)植物物種通過淹沒、植物生長、土壤有機質(zhì)積累和沉積之間的生物地形學(xué)反饋，維持著濱海濕地的穩(wěn)定。然而濱海濕地基礎(chǔ)植物在面臨氣候變化引起的生態(tài)系統(tǒng)變遷時也具有脆弱性。
近年來，雖然作者對氣候控制濱海濕地植物群落和地上生態(tài)系統(tǒng)屬性的認識迅速提高，但氣候因子對土壤和地下生態(tài)系統(tǒng)屬性的影響還有待進一步研究。在圖1中，作者闡明了氣候?qū)δ鞲鐬潮辈垦睾竦刂参锶郝涞挠绊?，然而對土壤性質(zhì)的相應(yīng)影響尚未完全了解（作者在圖中用 ？表示）。在圖2中，作者提出了陸地和海岸濕地文獻中關(guān)于氣候?qū)μ枷嚓P(guān)土壤性質(zhì)影響的假設(shè)。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，年平均降水量與土壤有機碳呈正相關(guān)，年平均氣溫與土壤有機碳呈負相關(guān)。然而，在濱海濕地，關(guān)于氣候驅(qū)動因素對碳相關(guān)土壤特性的影響，有幾種不同的假設(shè)（參見圖2中的標題和虛線）?；谖墨I資料的分析表明，溫度與濱海濕地土壤碳密度或土壤碳積累之間可能沒有關(guān)系（圖2，右圖中的直線、虛線），降水量與濱海濕地地下碳儲量之間可能存在正相關(guān)。然而，跨區(qū)域氣候梯度下系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的實測數(shù)據(jù)的缺乏，阻礙了作者對這些假設(shè)的驗證和進一步了解氣候驅(qū)動因素對沿海濕地土壤碳儲存和循環(huán)的影響。
圖1 雖然氣候?qū)ρ睾竦刂脖坏挠绊懸驯涣炕ㄉ稀⒅袌D），但氣候和植被對土壤性質(zhì)的相應(yīng)影響尚未量化（見下面圖問號）。中、上圖的數(shù)據(jù)來自墨西哥灣北部濱海濕地(Gabler et al., 2017; Osland et al., 2013, 2014)圖2 關(guān)于氣候?qū)μ迹–）相關(guān)土壤性質(zhì)影響的不同假設(shè)。實線表示陸地生態(tài)系統(tǒng)中兩者的關(guān)系，虛線代表濱海濕地文獻中的假設(shè)：虛線1代表降雨量與植物覆蓋、植物生產(chǎn)力、地上部碳、地下部碳均成非線性相關(guān)性，虛線2表示溫度上升時，紅樹林濕地取代鹽沼濕地，地上部碳與地下部碳均呈現(xiàn)非線性上升狀態(tài)；虛線3表示紅樹林濕地取代鹽沼濕地，地上部碳與地下部碳均不變。基于文獻的分析，作者提出如下假設(shè)：1. 在研究區(qū)溫度對濱海濕地土壤有機碳的影響很小或無顯著影響；2. 降雨量、鹽度和植物生產(chǎn)力對土壤有機碳具有顯著的直接或間接影響；3. 由于地貌影響著淹沒、沉積物供應(yīng)和鹽度分布，而他們同樣都影響植物生產(chǎn)力，所以作者假設(shè)高程能夠顯著影響土壤有機碳含量。?
作者首先建立了一個濱海濕地通用模型，該模型是基于1941年Jenny創(chuàng)建模型的改進，并在前人模型的基礎(chǔ)上加入了如鹽分等影響濱海濕地的重要參數(shù)（圖3）。同時，作者對圖4中墨西哥灣北部的10個河口濕地中植被、土壤相關(guān)參數(shù)進行了取樣調(diào)查和測量。
圖3 分割線以上為Jenny1941年創(chuàng)建的模型（包括了氣候、生物、地貌以及母質(zhì)等因子對土壤構(gòu)成的影響），分割線以下為本研究構(gòu)建的濱海濕地通用模型。表1中描述了相關(guān)參數(shù)。
表1 本研究構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型中相關(guān)參數(shù)的描述。
圖4 研究區(qū)示意圖，包括10個墨西哥灣北部河口濕地。以星表示的河口跨越了不同的溫度和降雨梯度，平均年降水量梯度（0.7-1.7 m）、最低溫度梯度（-15.2--4.0°C）和平均年溫度梯度（19.6-23.7°C）。
圖5 氣候因子（年均降雨量和年均溫）與土壤鹽度、植物生產(chǎn)力、土壤有機質(zhì)的相關(guān)分析。圖中每個點代表每個河口濕地取樣地。圖中三個回歸線分別為：點線為R2=0.84，實線為R2=0.40，短虛線為R2=0.80。
圖6 ?環(huán)境因子控制土壤有機質(zhì)的最終結(jié)構(gòu)方程模型。路徑箭頭的厚度反映關(guān)系的強度（更厚=更強的關(guān)系）。路徑箭頭旁邊的數(shù)字表示標準化效果估計值及其關(guān)系的方向（+或-）。三個內(nèi)生變量（鹽度、植物生產(chǎn)力和土壤有機質(zhì)）的R2顯示在各自的框中。所有關(guān)系均具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著相關(guān)性（p<0.05）
▉? 主要結(jié)論
該研究結(jié)果強調(diào)了氣候-植物控制的重要性，并表明海拔高度的影響取決于尺度和位置。濱海濕地植物對氣候變化很敏感，溫度或降水的微小變化可以改變?yōu)I海濕地植物群落。在整個區(qū)域中，紅樹林和以禾本科植物為主的鹽沼中的土壤有機質(zhì)含量最高。在缺乏維管植物的鹽灘和以肉質(zhì)植物為主的鹽沼中，土壤有機質(zhì)含量較低。作者量化了降水量、鹽度、植物生產(chǎn)力和土壤有機質(zhì)之間的密切關(guān)系。低降水導(dǎo)致高鹽，這限制了植物的生產(chǎn)力，同時限制了土壤有機質(zhì)的積累。
作者認為，雖然分析的數(shù)據(jù)來自墨西哥灣北岸的河口濕地，但其結(jié)論可以與全球范圍內(nèi)的沿海濕地相關(guān)聯(lián)，并能夠為預(yù)測未來降水和淡水可用性減少的生態(tài)效應(yīng)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。濱海濕地提供了許多依賴于土壤有機質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并且極易受到氣候變化的影響。
總體而言，本研究結(jié)果表明，未來土壤有機質(zhì)和植物生產(chǎn)力的變化受降水對淡水有效性和鹽度的級聯(lián)效應(yīng)的調(diào)節(jié)，可能會影響濕地的穩(wěn)定性，并影響某些濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。
本文編輯：
管博 | 中科院煙臺海岸帶研究所，副研究員?
研究方向：氣候變化背景下水鹽環(huán)境對濱海濕地典型植被的影響；濕地植物生理生態(tài)適應(yīng)機制；退化濱海濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)
