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        互花米草生物量變化對鹽沼沉積物有機(jī)碳的影響

        2015-03-13 01:27:46馮振興高建華汪亞平高建慧白鳳龍
        生態(tài)學(xué)報(bào) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:鹽沼草灘互花

        馮振興,高建華,2,*,陳 蓮,汪亞平,高建慧,白鳳龍

        1 南京大學(xué), 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210093 2 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266061 3 鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 鹽城 224051 4 國土資源部海洋油氣與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島海洋地質(zhì)研究所, 青島 266071

        互花米草生物量變化對鹽沼沉積物有機(jī)碳的影響

        馮振興1,高建華1,2,*,陳 蓮1,汪亞平1,高建慧3,白鳳龍4

        1 南京大學(xué), 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210093 2 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266061 3 鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 鹽城 224051 4 國土資源部海洋油氣與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島海洋地質(zhì)研究所, 青島 266071

        以江蘇王港典型互花米草(Spartinaalterniflora)鹽沼濕地為研究對象,分析光灘及互花米草灘沉積物中有機(jī)碳的水平和垂向分布特征,了解互花米草生物量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化,探討二者之間的相互關(guān)系,在此基礎(chǔ)上研究互花米草生物量分布和季節(jié)變化對沉積物中有機(jī)碳(TOC)含量的影響。結(jié)果表明,互花米草枯落物中的有機(jī)碳數(shù)量在兩個(gè)月內(nèi)衰減了40%,而表層沉積物中TOC含量及其中互花米草來源TOC所占比例的變化,均與互花米草地表枯落物量的季節(jié)變化存在兩個(gè)月的“相位差”,這與枯落物快速分解時(shí)間大致吻合,說明枯落物是表層沉積物中TOC的重要來源。高達(dá)60%的互花米草地下生物量分布在0—20cm深度內(nèi),該深度范圍內(nèi)沉積物中TOC含量較高,且TOC主要來源于互花米草。此外,不同深度TOC含量與地下生物量之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系,說明地下生物量是影響沉積物TOC含量的重要因子。研究區(qū)互花米草年固碳能力為2274g m-2a-1,鹽沼沉積物中TOC埋藏速率達(dá)到了470 g m-2a-1,是地表一個(gè)重要的碳匯;同時(shí)研究區(qū)每年向近岸水域輸出大量的TOC,是近岸海域生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要碳源。

        有機(jī)碳;互花米草;生物量;季節(jié)動(dòng)態(tài)

        The response of organic carbon content to biomass dynamics inSpartina

        濕地是地球上生物多樣性最豐富、生產(chǎn)力最高、生態(tài)功能最齊全的生態(tài)系統(tǒng),具有極高的初級生產(chǎn)力和強(qiáng)大的固碳能力[1]。盡管濕地面積僅占全球陸地面積的4%—5%,但其碳儲(chǔ)量可達(dá)陸地生態(tài)系統(tǒng)總量的35%,是地球上最大的碳庫之一[2]。鹽沼濕地是一種重要的濕地類型,大量的外來有機(jī)質(zhì)在此積聚,加之本地較高的初級生產(chǎn)力、持續(xù)的沉積物堆積和較低的腐化分解速率,使得鹽沼濕地有著很高的碳沉積速率和固碳能力[3- 5]。然而,由于受到自然變化和人類活動(dòng)的影響,特別是生物入侵導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變,鹽沼濕地碳循環(huán)又具有明顯的時(shí)空變化特征,從而導(dǎo)致碳儲(chǔ)量存在很大的不確定性。有機(jī)碳作為鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵成分,是維持濕地生態(tài)系統(tǒng)高生產(chǎn)力和高生物量的基礎(chǔ),因而揭示鹽沼濕地有機(jī)碳存儲(chǔ)變化,對全球碳收支及與之有關(guān)的全球氣候變化研究有著重要意義。

        互花米草(SpartinaalternifloraLoisel)于1982年被引種到江蘇沿海[6],憑借極強(qiáng)的適應(yīng)性和繁殖能力,逐漸取代堿蓬(Suaedasalsa)成為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢物種,形成大面積的互花米草鹽沼濕地,并對鹽沼生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響[7- 10]。植被種群的改變勢必會(huì)引起鹽沼土壤有機(jī)碳庫的變化,互花米草引種改變了鹽沼有機(jī)碳輸入模式,極大地增加了鹽沼有機(jī)碳的累積,對此已有很多研究報(bào)道[11- 15]。然而,關(guān)于互花米草鹽沼有機(jī)碳的累積機(jī)制,尤其是根、莖、葉及枯落物等不同植物組織,在鹽沼有機(jī)碳埋藏和分解中的作用,尚缺乏深入研究。本文選擇小區(qū)域的鹽沼濕地作為研究對象,通過分析鹽沼沉積物和植被中的TOC含量及其季節(jié)變化規(guī)律,探討互花米草對鹽沼濕地有機(jī)碳含量動(dòng)態(tài)變化的影響,并初步估算蘇北互花米草鹽沼濕地的固碳能力。

        1 研究地區(qū)與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于江蘇海岸帶中部王港河口潮灘濕地(33°11.2′N,120°45.5′E),受東海前進(jìn)潮波和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的控制,以潮汐作用為主,為典型半日潮,平均潮差為3.68m,波浪作用小,發(fā)育典型的淤泥質(zhì)潮灘[16](圖1)。該地處于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季盛行東南風(fēng),冬季盛行偏北風(fēng),年平均氣溫12.6℃,年均降水量1040mm。王港河河口段受潮汐作用影響強(qiáng)烈,采樣點(diǎn)位于口門上游5km處,兩岸自河向陸依次分布光灘和互花米草灘。由于圍墾后大片土地被開發(fā)為魚塘,河堤被人為填高,蘆葦灘(Phragmitesaustralis)只在河堤地勢較高處留有斑點(diǎn)狀殘余。

        圖1 研究區(qū)和采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of study area and sampling sites

        1.2 研究方法

        1.2.1 數(shù)據(jù)采集

        自2012年8月至2013年6月(每兩個(gè)月1次,分6次),在研究區(qū)采集沉積物表層樣(圖1)。共4條斷面,每條斷面每次分別在光灘和互花米草灘定點(diǎn)采集表層2cm樣品各1個(gè),共8個(gè)。沉積物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,立即冷凍保存?;セ撞葜脖簧锪空{(diào)查:在采集沉積物的同時(shí),每次隨機(jī)選擇3個(gè)1m×1m的樣方,采用收割法獲取地上莖葉樣品,作為地上生物量;在樣方內(nèi),收集所有的互花米草地表凋落物,作為樣方的互花米草枯落物量;同時(shí)挖取部分地下根系。2013年6月于河口段20km內(nèi)均勻設(shè)置6個(gè)點(diǎn),分別采集漲潮、落潮水樣,現(xiàn)場過濾后冷凍保存,帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

        由于潮灘工作環(huán)境艱難復(fù)雜,且相對地上部分,地下生物量年內(nèi)變化不大[17],因此本文使用8月份數(shù)據(jù)代表年平均地下生物量。2012年8月,在采集地上生物量的樣方點(diǎn),按照1m×1m×1m規(guī)格,采集地下五層根系(0—20,20—40,40—60,60—80和80—100cm),獲取地下生物量的分布特征。采用Wider和Lang提出的“Litterbag method”[18]測量植物殘?bào)w腐爛分解速率:將死亡的地下根裝入尼龍袋,袋子大小為20cm×20cm,網(wǎng)眼為100目,每袋裝入15g(干重),共6袋,2012年8月將尼龍袋埋于鹽沼濕地表層,以后每兩個(gè)月取出1袋,帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

        為了調(diào)查灘面沉積物的垂向變化規(guī)律,于2012年8月采集了4根柱狀樣(WG1—WG4),其中WG1—WG3分別位于斷面01—03的互花米草灘,柱長為93、103cm和97cm;WG4位于斷面04的光灘,柱長82cm。沉積速率采用“雙樁法”[19]測得,具體操作即在潮灘上插入兩根細(xì)木樁,間距1m,兩樁均高出灘面相同高度,測量時(shí)在兩樁上架一根橫梁,測量橫梁中心點(diǎn)到灘面的垂直距離,該距離的變化即可記錄灘面的沉積速率。

        1.2.2 樣品處理

        植物樣品在50℃下烘干至恒重,稱重法測定互花米草生物量,植物根、莖、葉、枯落物于ALPHA2124型冷凍干燥機(jī)凍干后,分別用球磨儀(RestchRM200)研磨過100目篩,測定有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN)含量。此外,植株根、莖、葉同時(shí)測定同位素碳(δ13C)含量。自尼龍袋中取出的死亡根和其他植物樣品一樣,先稱得質(zhì)量變化后,再測試TOC含量。

        沉積物樣品,先用10%的稀鹽酸去除樣品中的碳酸鹽,再用去離子水反復(fù)洗致中性后凍干。取適量樣品,研磨至100目以下,立即上機(jī)測定TOC、TN和δ13C含量。水樣同上。

        實(shí)驗(yàn)中TOC、TN含量采用Leeman CE440元素分析儀測定,測試精度為0.1%。同位素δ13C采用DELTAplus Advantage同位素質(zhì)譜儀測定,分析精度為0.1‰。沉積物粒度數(shù)據(jù)則由英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀測得。

        1.2.3 不同來源有機(jī)碳計(jì)算

        鹽沼沉積物中的有機(jī)碳除了受到本地互花米草生長的影響,還與外源有機(jī)碳輸入有關(guān)。由于所有外源有機(jī)碳均是潮水漲落所帶來的,因此本文假定,以水樣中顆粒態(tài)有機(jī)碳δ13C值(≈-27.97‰)作為外源有機(jī)碳代表值,以根、莖、葉中δ13C平均值-13.55‰作為δ13Cspar代表值。依據(jù)端元線性混合模型[20- 21](式1),可計(jì)算出鹽沼沉積物中互花米草來源TOC含量及相對比例:

        δ13Csedi=f×δ13Cspar+(1-f)×δ13Cwater

        (1)

        式中,δ13Csedi和δ13Cwater分別代表樣品和外源有機(jī)碳的δ13C值,f為互花米草來源有機(jī)碳所占比例。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 互花米草生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

        圖2 互花米草地上生物量季節(jié)分配Fig.2 Seasonal variation of the aboveground biomass allocation of S. alterniflora (Mean ± SD)

        夏季互花米草生長旺盛,地上生物量不斷增大,至10月達(dá)到2596g/m2,為全年最高(圖2)。此后逐漸下降,來年4月降至全年最低值,為1442g/m2。4—6月氣溫回升,新生互花米草快速生長,地上生物量又開始增大。從植株不同部位數(shù)據(jù)來看,莖、葉也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。8—12月地表枯落物量逐漸下降,12月份為全年最低,2月份植株已全部枯黃,但仍然挺立,枯落物量與12月份基本相當(dāng),約170g/m2(圖3)。此后枯立物開始大量凋落,到6月份達(dá)到最大值,是12月份的1.25倍。

        互花米草具有發(fā)達(dá)的地下根系,地下生物量隨著深度的增加呈指數(shù)衰減(圖3),其中0—20cm和20—40cm深度內(nèi)的生物量分別占地下生物量的60%和33%,依次達(dá)到2896g/m2和1312g/m2。由此可見,地下生物量主要分布在表層40cm深度內(nèi),尤其是0—20cm。

        2.2 互花米草枯落物有機(jī)碳衰減規(guī)律

        分解實(shí)驗(yàn)表明,枯落物中剩余有機(jī)碳數(shù)量與分解時(shí)間存在較好的指數(shù)衰減關(guān)系(圖4)。最初的2個(gè)月內(nèi)(8—10月),埋藏地下根莖體內(nèi)有機(jī)碳數(shù)量減少了40%。此后,隨著時(shí)間的逐漸延長,有機(jī)碳數(shù)量緩慢減少,基本保持穩(wěn)定。

        圖3 地表枯落物量季節(jié)分配與地下生物量分布Fig.3 Seasonal variation of surface litter mass of S. alterniflora and Distribution of root biomass within a depth of 100cm for S. alterniflora

        圖4 有機(jī)碳分解曲線和不同深度生物量與有機(jī)碳含量的關(guān)系Fig.4 The content of TOC loss for litter bags and Relationship between belowground biomass and the content of TOC in different depth

        2.3 表層沉積物有機(jī)碳季節(jié)變化及其與枯落物的關(guān)系

        2.3.1 表層沉積物中TOC含量的季節(jié)變化

        互花米草灘和光灘不同月份表層沉積物中TOC含量表明,兩者均存在明顯的季節(jié)變化(表1)。

        表1 光灘和互花米草灘表層沉積物有機(jī)碳含量季節(jié)動(dòng)態(tài)/%Table 1 Seasonal variation of the content of Total Organic Carbon (TOC) in the surface sediments of the bare and S.alterniflora flat

        其中,互花米草灘TOC最大含量出現(xiàn)在8月份,平均值為1.31%,2月份TOC含量出現(xiàn)最小值,其他時(shí)間內(nèi)含量變化不大。光灘TOC在6月份含量最高,平均含量為0.66%,12月份含量較低?;セ撞轂㏕OC含量在各個(gè)月份均高于光灘,年平均含量為1.08%,為光灘的2.19倍。

        2.3.2 表層沉積物中TOC含量與枯落物量的關(guān)系

        圖5 地表枯落物、表層沉積物有機(jī)碳含量及其中互花米草貢獻(xiàn)比例三者的對照Fig.5 Comparison between surface litter mass, the content of TOC in surface sediments and the percentage of TOC derived from S. alterniflora

        植物枯落物及其分解是維持鹽沼生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)的重要環(huán)節(jié),也是沉積物中有機(jī)碳最重要的來源之一[22]。前人研究表明,濕地枯落物的分解最初是可溶性成分的淋溶過程,碳和氮在數(shù)周內(nèi)即可大量損失[23- 24]。而本文的研究結(jié)果也表明,研究區(qū)互花米草枯落物的質(zhì)量在兩個(gè)月內(nèi)即減少了44%,有機(jī)碳數(shù)量衰減了40%。因此,對短時(shí)間尺度而言,枯落物快速分解釋放的有機(jī)碳,必然會(huì)引起表層沉積物中TOC含量的變化。本文研究發(fā)現(xiàn),互花米草灘表層沉積物中TOC含量與地表枯落物量季節(jié)變化之間呈現(xiàn)出較好的一致性,但二者存在明顯的“相位差”(圖5)。4—8月地表枯落物量較高,而TOC含量相對較高的時(shí)間是6—10月,其中6月枯落物量達(dá)到最大,但表層沉積物中TOC含量最高值出現(xiàn)在8月,TOC含量變化比枯落物量變化延遲兩個(gè)月,這恰好與枯落物快速分解時(shí)間一致。說明枯落物量的變化,顯著地影響了表層沉積物TOC含量。此外,研究區(qū)表層沉積物粒度季節(jié)變化不大,且與TOC含量之間無明顯線性關(guān)系(P>0.05)。另外,光灘表層TOC含量季節(jié)變化與互花米草灘明顯不同,表明了由枯落物引起的有機(jī)碳來源變化是導(dǎo)致互花米草灘表層TOC含量變化的主要原因。同時(shí),表層沉積物中互花米草來源TOC所占比例,其全年變化曲線與枯落物量變化走向一致,但同樣存在兩個(gè)月的時(shí)間滯后現(xiàn)象。說明枯落物是表層沉積物有機(jī)碳的重要來源,其分解產(chǎn)生的有機(jī)碳輸入,是影響表層沉積物中TOC含量的重要因子。

        2.4 沉積物有機(jī)碳的垂向分布及其與地下生物量的關(guān)系

        2.4.1 沉積物中TOC、TN和δ13C的垂向分布特征

        柱樣WG1—WG4中的TOC和TN含量,以及C/N、δ13C、平均粒徑和互花米草來源有機(jī)碳所占比例的垂向變化如圖6所示。其中WG1—WG3柱樣各指標(biāo)數(shù)值差異不大,TOC含量依次介于0.12%—1.70%、0.09%—1.76%和0.09%—1.56%,TN含量分別為0.014%—0.148%、0.011%—0.157%和0.012—0.129%。TOC和TN含量的峰值一般出現(xiàn)在亞表層(2.5—5cm)處,亞表層向下至20cm深度內(nèi)TOC和TN含量下降較快,20cm深度以下,TOC和TN含量較低且變化較小。光灘柱樣WG4的TOC和TN含量表現(xiàn)出了與互花米草灘不同的垂向變化特征:自表層至30cm,TOC和TN含量大致穩(wěn)定,平均值分別為0.49%和0.058%,但從30cm向下,TOC和TN含量逐漸降低。另外,柱樣WG1—WG3的C/N值也呈現(xiàn)出沿深度先減小后穩(wěn)定的趨勢,WG4柱樣C/N值自上而下變化不大,基本維持在8.37左右。

        柱樣WG1—WG3的δ13C值分別為-24.23‰—-18.03‰、-23.12‰—-18.36‰和-23.85‰—-18.42‰,δ13C值大致隨深度呈減小趨勢,主要集中在0—20cm深度內(nèi),20cm以下,除去個(gè)別波動(dòng),基本穩(wěn)定在平均值-22.02‰左右。WG4整柱δ13C值變化不大,平均值為-23.54‰。

        互花米草灘表層沉積物有粗化現(xiàn)象,WG1柱在5—40cm深度內(nèi)變化不大,40cm以深逐漸變粗。WG2整柱波動(dòng)較大,在30cm和60cm上下較小范圍內(nèi)有明顯細(xì)化的波動(dòng),10cm以下總體呈現(xiàn)變粗趨勢。WG3柱15cm以下大致逐漸變粗。WG4粒徑波動(dòng)主要集中在表層20cm內(nèi),下部變化不大。相比互花米草灘,光灘沉積物更細(xì)。

        2.4.2 沉積物TOC垂向分布與互花米草地下生物量的關(guān)系

        沉積物中TOC含量是有機(jī)碳輸入與微生物分解輸出相平衡的結(jié)果,有機(jī)碳的輸入是影響TOC含量垂向變化的主要因素之一。地表枯落物量相對地下生物量小很多,且主要影響表層沉積物,因此沉積物TOC含量垂向變化更多地取決于互花米草地下生物量的分布。本文互花米草灘沉積物中TOC含量與互花米草地下生物量垂向分布的相互關(guān)系可以看出:首先,二者在變化形態(tài)上表現(xiàn)出了良好的一致性(圖3,圖6);其次,0—20cm深度內(nèi)TOC含量較高,且隨著深度的減小,互花米草來源TOC含量不斷增大,互花米草來源TOC的貢獻(xiàn)逐漸提高;第三,對不同深度地下生物量與沉積物中TOC含量的回歸分析也表明,二者存在顯著正相關(guān)(圖4)。由此可見,地下生物量對沉積物TOC含量變化有著重要影響。

        圖6 柱狀WG1—WG4中有機(jī)碳含量、總氮、碳氮比、碳同位素值、平均粒徑和比例(互花米草來源有機(jī)碳所占比例)的垂向變化Fig.6 Vertical variations in TOC,TN content, C/N ratio,δ13C value, mean grain size and proportion (the proportion of TOC derived from S. alterniflora) in the cores WG1—WG4

        另外,沉積物中的δ13C和C/N值的垂向變化也表明了互花米草對沉積物有機(jī)碳的巨大貢獻(xiàn)。C/N可用來判斷沉積物有機(jī)質(zhì)來源變化,通常認(rèn)為陸源有機(jī)質(zhì)的C/N>12,而海源的為6—9[25]?;セ撞轂┲鶚?—20cm深度內(nèi)C/N介于9.30—12.56,來源顯著偏向于陸地高等植物。且相應(yīng)柱樣中的δ13C值分布也表明,δ13C值主要在0—20cm范圍內(nèi)迅速減小,之后基本保持穩(wěn)定。本研究測得互花米草根、莖、葉中的δ13C值介于-13.89‰—-13.27‰,而0—20cm內(nèi)的δ13C平均值為-19.90‰,顯著偏重,明顯受到互花米草地下根莖的影響。因此,互花米草是沉積物有機(jī)碳最主要的來源。

        除了有機(jī)質(zhì)來源的影響外,沉積物TOC含量還受到粒度控制作用[20,26]。與開敞潮灘沉積環(huán)境不同,本地區(qū)光灘相對較窄,且受到互花米草對粗顆粒物質(zhì)截留作用,光灘沉積物主要來自于退潮時(shí)的灘面細(xì)流,因此光灘有著比互花米草灘更細(xì)的沉積物富集[27- 28]。但是,0—20cm深度內(nèi)光灘沉積物TOC含量顯著低于互花米草灘。說明??匦?yīng)不是本研究區(qū)的主要控制因子,沉積物TOC含量更多的受到互花米草來源有機(jī)碳的影響。

        2.5 互花米草鹽沼有機(jī)碳儲(chǔ)量變化及固碳能力

        由于互花米草各部位生物量和TOC含量的季節(jié)動(dòng)態(tài),單位面積互花米草植被有機(jī)碳儲(chǔ)量全年變化顯著(表2)。其中,10月生物量最大時(shí),有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到峰值,為1140g/m2。地下部分4月儲(chǔ)量最低,2月儲(chǔ)量最高,其他時(shí)間變化不明顯,且地下儲(chǔ)量可達(dá)地上部分的1.71—2.74倍。

        表2 互花米草不同部位有機(jī)碳儲(chǔ)量的季節(jié)動(dòng)態(tài)/(g/m2)Table 2 Seasonal variation of organic carbon storage in different parts of S. alterniflora

        對濕地植物的研究發(fā)現(xiàn),植物體內(nèi)的氮、磷等元素具有隨季節(jié)而向上輸送蓄積或向下回流的特點(diǎn)[29- 31],本文研究表明,有機(jī)碳也存在著類似的運(yùn)移規(guī)律。從春季生長期開始,地上部分有機(jī)碳儲(chǔ)量增長較快,而地下部分略有下降。4月生長初期,光合作用器官不發(fā)達(dá),主要依靠吸收地下根莖中儲(chǔ)藏的養(yǎng)分,有機(jī)碳轉(zhuǎn)移至莖葉中,導(dǎo)致了4月份地下部分有機(jī)碳儲(chǔ)量為全年最低。此后,為維系地上部分的快速生長,地下部分生長緩慢或略有下降。10月以后地上儲(chǔ)量開始下降,向地下轉(zhuǎn)移積聚,使得地下有機(jī)碳儲(chǔ)量持續(xù)增長,且地上部分減少的儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于地下增加的儲(chǔ)量。

        互花米草鹽沼濕地的固碳作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面,濕地植物通過自身生長固定了大量的有機(jī)碳?;セ撞莸叵赂o為多年生,年更新率約為0.57[32],用“最大現(xiàn)存法”估算互花米草群落年凈初級生產(chǎn)力,依據(jù)光合作用反應(yīng)方程推算,互花米草年固碳能力為2274g m-2a-1,是中國植被平均固碳能力(494 g m-2a-1)的4.60倍[33];另一方面,茂盛的植物可以捕獲更多的沉積物,提高了沉積物有機(jī)碳埋藏速率[34]。根據(jù)沉積物TOC含量和沉積速率,估算出當(dāng)?shù)佧}沼有機(jī)碳埋藏速率為470 g m-2a-1,遠(yuǎn)高于中國內(nèi)陸鹽沼(67g m-2a-1)和沿海灘涂濕地有機(jī)碳埋藏速率的平均值(236 g m-2a-1)[35]。本文中,互花米草生物量最大和最小時(shí)期有機(jī)碳儲(chǔ)量的差值為655g/m2,而通過礦化作用埋藏到沉積物中的有機(jī)碳為470 g/m2,其余部分有機(jī)碳則以不同的形態(tài)和枯落物的形式被潮水帶走進(jìn)入沿岸水體[36- 37]。由此可見,互花米草不但在鹽沼濕地沉積物有機(jī)碳累積中發(fā)揮重要作用,對沿岸水體的生態(tài)系統(tǒng)也有著重要影響。

        3 結(jié)論

        (1)互花米草的地上生物量、枯落物量以及表層沉積物中的TOC含量有著明顯的季節(jié)變化?;セ撞菘萋湮锼p實(shí)驗(yàn)表明,枯落物的質(zhì)量在兩個(gè)月內(nèi)即減少了44%,有機(jī)碳數(shù)量衰減了40%。

        (2)互花米草灘表層沉積物TOC含量及其中互花米草來源TOC所占比例,均與地表枯落物量之間呈現(xiàn)出相似的季節(jié)變化趨勢,但存在兩個(gè)月的“相位差”。這與枯落物分解的時(shí)間相吻合,表明枯落物分解釋放的有機(jī)碳,是影響表層沉積物TOC含量變化的重要因素。

        (3)地下生物量隨著深度的增加呈指數(shù)衰減,超過50%的互花米草地下生物量分布在0—20cm深度內(nèi),該深度范圍內(nèi)的沉積物TOC含量較高,且TOC主要來源于互花米草。此外,研究發(fā)現(xiàn)垂向TOC含量與地下生物量間存在較好的正相關(guān)關(guān)系,說明地下生物量對沉積物TOC含量變化有著重要影響。

        (4)研究區(qū)互花米草年固碳能力為2274g m-2a-1,而互花米草鹽沼濕地沉積物中的TOC埋藏速率達(dá)到了470 g m-2a-1。除此之外,互花米草鹽沼濕地還向近岸水域輸出了大量有機(jī)碳,對沿岸生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響。

        致謝:朱慶光、徐夏楠、徐粲、吳丹丹參與野外數(shù)據(jù)采集工作,趙秧秧、倪文斐、石勇幫助寫作,特此致謝。

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        alternifloramarsh

        FENG Zhenxing1, GAO Jianhua1,2,*, CHEN Lian1, WANG Yaping1, GAO Jianhui3, BAI Fenglong4

        1KeyLaboratoryofCoastandIslandDevelopment,MinistryofEducation,NanjingUniversity,Nanjing210093,China2KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China3SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China4TheKeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResourcesQingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China

        Spartinaalterniflora(C4) was introduced to the coastal region of Jiangsu Province as an exotic species in 1982. This perennial grass then gradually invaded regions previously occupied by native C3plants. Much research has focused on variation of the ecosystem carbon cycle and has demonstrated that thisS.alterniflorainvasion has increased the carbon accumulation rate. However, the impact of plant biomass (both aboveground and belowground) on the organic carbon content of salt marsh sediments requires further study. To explore the response of organic carbon content to the biomass dynamics in anS.alternifloramarsh, the contents of total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), and stable carbon isotope composition (δ13C) of sediments, in anS.alternifloramarsh as well as the bare flat, were investigated by analysis of coral and surface sediments, together with the biomass variations ofS.alterniflora. The sediment water content, grain size, andδ13C of coastal water andS.alterniflorawere also determined. The Litterbag method was used to measure theS.alternifloralitter decomposition rate. The results indicate that the organic carbon of newer litter rapidly decomposed in the first 2 months, and then remained stable. The seasonal variation of the TOC content of surface sediments in theS.alternifloramarsh was significant, and a 2-month phase shift was not only observed in the TOC content variations and surface litter mass but was also recorded for the proportion of organic carbon derived fromS.alternifloraand surface litter mass. However, this phase-shift phenomenon did not exist on the bare flat, indicating that the litter is a dominant source of the organic carbon in surface sediments. The results show that 60% and 33% of belowground biomass was observed in the top 20 cm and at 20—40 cm depths, respectively. Compared with the bare flat, the vertical changes of TOC content in theS.alternifloramarsh showed a different distribution pattern. That is to say, the TOC content of sediments at depths < 20 cm was significantly higher than those at depths > 20 cm, and had an increasing trend from depth 20 cm to the surface. A similar variation was observed for the proportion of organic carbon derived fromS.alterniflorain the top 20 cm of sediments. Furthermore, there was a remarkably positive relationship between the belowground biomass ofS.alternifloraand TOC content. This suggests that belowground biomass plays an important role in TOC variation along the profiles. The greatest and least plant organic carbon storages in theS.alternifloramarsh were observed in October and April, respectively. The average carbon fixation ofS.alterniflora, with quantity 2274 g·m-2·a-1, was 460% that of terrestrial vegetation in China. Similarly, the burial rate of organic carbon ofS.alternifloramarsh sediments, with quantity 470 g·m-2·a-1, was significantly greater than the average value of coastal salt marshes in China. Thus, theS.alterniflorasalt marsh fixed large amounts of carbon dioxide from the air, and enhanced the organic carbon accumulation of the sediment.

        organic carbon;Spartinaalterniflora; biomass; dynamics

        江蘇省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專項(xiàng)(BK2011012);海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2010418006);海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(MASEG201205);國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(MRE201408)

        2014- 04- 09;

        2014- 11- 21

        10.5846/stxb201404090685

        *通訊作者Corresponding author.E-mail: jhgao@nju.edu.cn

        馮振興,高建華,陳蓮,汪亞平,高建慧,白鳳龍.互花米草生物量變化對鹽沼沉積物有機(jī)碳的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(7):2038- 2047.

        Feng Z X, Gao J H, Chen L, Wang Y P, Gao J H, Bai F L.The response of organic carbon content to biomass dynamics inSpartinaalternifloramarsh.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2038- 2047.

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