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淹水高度增加对短叶茳芏潮汐湿地净生态系统CO₂交换量的影响

李琳, 黄佳芳, 丁中浩, 郭萍萍, 蔡芫镔, 李诗华, 李云琴, 罗敏

植物生态学报 2025, 49 (4): 526-539. DOI: 10.17521/cjpe.2024.0253

摘要（205）

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海平面上升引起的淹水高度增加将改变潮汐湿地的碳循环过程。然而, 目前的研究主要集中在淹水高度增加对土壤总碳库的影响上, 对于其如何影响碳收支的平衡尚未厘清。基于此, 该研究在闽江河口潮汐湿地搭建“沼泽管”实验平台, 并设置CK (对照)、CK + 20 cm、CK + 40 cm 3种淹水处理, 模拟当前、未来50年和100年的海平面上升情景。通过测定淹水高度增加对短叶茳芏(Cyperus malaccensis)沼泽湿地净生态系统CO₂交换量(NEE)、总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、植物生物量、植物光合特性指标和土壤理化指标的影响, 从而明晰海平面上升对潮汐湿地碳收支平衡的影响。研究结果表明: 淹水高度增加导致短叶茳芏地上生物量减少, 地下生物量增加。与CK相比, CK + 20 cm和CK + 40 cm处理中, GPP分别降低27%和32%, ER分别增加20%和58%。GPP的减少与淹水高度增加后地上生物量的减少和植物光合特性指标(净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度)的下降有关; 而ER的增加与淹水高度增加后土壤氧化还原电位和可溶性有机碳含量的增加相关。在CK、CK + 20 cm、CK + 40 cm 3种淹水处理下, NEE分别为-539.8、-102.7和185.6 g C·m^-2·a^-1。上述结果表明, 海平面上升情景下短叶茳芏沼泽湿地碳收支平衡被破坏。淹水高度增加20 cm, NEE增加, 表明短叶茳芏沼泽湿地碳吸收能力减弱; 淹水高度增加40 cm, NEE由负值转变为正值, 表明短叶茳芏沼泽湿地生态系统由碳吸收转变为碳排放。该研究为预测和应对未来海平面上升对潮汐湿地碳循环的影响提供了科学依据。

土壤理化指标 Soil physicochemical index	淹水处理 Inundation treatment
土壤理化指标 Soil physicochemical index	CK	CK + 20 cm	CK + 40 cm	F	p
pH	6.7 ± 0.2^a	6.8 ± 0.3^a	6.7 ± 1.2^a	2.398	0.172
SOC (mg·g^-1)	13.7 ± 1.3^a	11.1 ± 2.1^ab	9.4 ± 1.2^b	5.518	<0.05
C:N	11.6 ± 2.1^b	11.5 ± 0.5^b	14.9 ± 0.7^a	6.748	<0.05
SO₄^2-(mmol·L^-1)	5.2 ± 0.6^a	4.5 ± 1.0^a	4.7 ± 1.0^a	3.425	0.102
Cl^-(mmol·L^-1)	82.5 ± 25.5^a	85.6 ± 6.5^a	83.0 ± 17.5^a	1.436	0.309

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表2 不同淹水处理对闽江河口短叶茳芏沼泽湿地土壤理化指标的影响(平均值±标准差)

正文中引用本图/表的段落

不同淹水处理对土壤理化指标的影响见表2。土壤pH的变化范围为6.7 ± 0.2至6.8 ± 0.3, 不同淹水处理土壤pH无显著变化。SOC含量的变化范围为(9.4 ±1.2) mg·g-1至(13.7 ± 1.3) mg·g-1, 土壤C:N的变化范围为11.5 ± 0.5至14.9 ± 0.7。随着淹水高度增加, SOC含量逐渐降低, 在CK+40 cm处理下土壤C:N显著增加。土壤Cl-浓度的变化范围为(82.5 ± 25.5) mmol·L-1至(85.6 ± 6.5) mmol·L-1, 土壤SO₄2-浓度的变化范围为(4.5 ± 1.0) mmol·L-1至(5.2 ± 0.6) mmol·L-1。淹水高度增加对土壤Cl-和SO₄2-浓度无显著影响。

与假设(1)不一致, 研究结果表明淹水高度增加20和40 cm会增加ER (图6)。以往的研究结果表明淹水高度增加可通过增加厌氧条件抑制土壤呼吸, 或减少CO₂在沉积物-水界面的扩散, 使得生态系统呼吸减弱(Neubauer, 2013; Han et al., 2015)。造成本研究结果与以往研究结果不一致的原因, 可能是以往研究未考虑沼泽植物根际过程对ER的影响。本研究发现ER与土壤ORP和DOC浓度呈显著正相关关系(图5), 说明淹水条件下短叶茳芏可通过增加土壤ORP来增强ER。潮汐湿地的土壤长期处于水分饱和的状态, 空气很难进入深层土壤。因此, 深层土壤的ORP与沼泽植物的根系泌氧有密切关系(Wolf et al., 2007)。根系泌氧是沼泽植物为了适应淹水胁迫, 将光合作用释放的一部分O₂传输到根部的一种生理现象(Armstrong et al., 2000)。淹水高度增加后, 植物为保证根部正常呼吸从而促进根系泌氧增加, 加速根际胞外酶活性和土壤铁异化还原, 促进土壤有机碳矿化, 而增强ER (Khan et al., 2016; Hu et al., 2023)。其次, 淹水条件下短叶茳芏可通过增加土壤DOC浓度来增强ER。一方面, 淹水高度增加可促进土壤有机质的淋溶过程, 使得部分土壤中复杂的有机质被水解成为DOC (Luo et al., 2018)。另一方面, 淹水高度增加后, 短叶茳芏趋向于将光合固定的碳由地上转移至地下, 从而促进短叶茳芏向根际分泌有机碳, 促进土壤DOC累积。DOC是土壤有机碳的活性组分, 可被土壤中的微生物直接利用, 可以促进ER的增加(Setia et al., 2011; 韩广轩等, 2017)。综上, 当淹水高度增加后, 短叶茳芏为了更好地适应水淹胁迫, 可通过调节根际过程来增强ER, 增加短叶茳芏沼泽湿地生态系统碳排放。

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