沿海濕(shi)地(di)(di)是地(di)(di)球上生(sheng)產力最高(gao)、碳(tan)含量最豐富的生(sheng)態系(xi)(xi)統(tong)之一。海岸(an)濕(shi)地(di)(di)的長期碳(tan)儲量主要(yao)以土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)有(you)(you)機質(zhi)(zhi)(SOM)的形式(shi)存在于地(di)(di)下。除(chu)了作為(wei)碳(tan)匯外(wai),土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)有(you)(you)機質(zhi)(zhi)還影(ying)響(xiang)濕(shi)地(di)(di)生(sheng)態系(xi)(xi)統(tong)的結構、功能(neng)和(he)穩定性(xing)。為(wei)了預測(ce)和(he)減(jian)輕(qing)氣候(hou)(hou)變(bian)化的影(ying)響(xiang),有(you)(you)必要(yao)進一步了解環(huan)境因子如何控制(zhi)濕(shi)地(di)(di)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)有(you)(you)機質(zhi)(zhi)的。因此,作者選擇了墨(mo)西哥(ge)灣北岸(an)的跨不(bu)同(tong)氣溫帶和(he)降雨梯度的10個河口(kou)濕(shi)地(di)(di)進行調查,收(shou)集(ji)了10個河口(kou)濕(shi)地(di)(di)不(bu)同(tong)海拔和(he)植(zhi)被梯度帶中的植(zhi)物(wu)樣(yang)品和(he)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)樣(yang)品,綜合分析了四個環(huan)境因素(包(bao)括:氣候(hou)(hou)、植(zhi)物(wu)群落、土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)母質(zhi)(zhi)和(he)地(di)(di)形)對濱海濕(shi)地(di)(di)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)有(you)(you)機碳(tan)的影(ying)響(xiang)。
▉? 原(yuan)文(wen)信(xin)息
▉? 正文
土(tu)壤(rang)蘊藏著陸地(di)(di)生(sheng)(sheng)態系(xi)(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)最(zui)大(da)的(de)(de)(de)(de)碳庫(ku),土(tu)壤(rang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)碳儲(chu)量高于(yu)(yu)比全(quan)球植物(wu)(wu)和(he)(he)大(da)氣中(zhong)(zhong)碳庫(ku)之和(he)(he)。作為(wei)典型的(de)(de)(de)(de)濱海(hai)濕地(di)(di)生(sheng)(sheng)態系(xi)(xi)統(tong),紅樹(shu)林和(he)(he)鹽沼生(sheng)(sheng)存(cun)(cun)著具有高生(sheng)(sheng)產(chan)力的(de)(de)(de)(de)維管植物(wu)(wu)群落(luo),這些植物(wu)(wu)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)大(da)量有機物(wu)(wu)由于(yu)(yu)存(cun)(cun)在限制分解的(de)(de)(de)(de)非(fei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)條件而以土(tu)壤(rang)有機質(zhi)的(de)(de)(de)(de)形式積聚在地(di)(di)下。另外,由于(yu)(yu)海(hai)平面上(shang)升導致的(de)(de)(de)(de)濱海(hai)濕地(di)(di)沉(chen)積物(wu)(wu)和(he)(he)有機質(zhi)加速積累(lei),為(wei)土(tu)壤(rang)有機質(zhi)的(de)(de)(de)(de)累(lei)積和(he)(he)埋(mai)藏提(ti)供了連續(xu)不斷的(de)(de)(de)(de)容納空間(jian)。因此,濱海(hai)濕地(di)(di)生(sheng)(sheng)態系(xi)(xi)統(tong)地(di)(di)下碳儲(chu)存(cun)(cun)和(he)(he)埋(mai)藏率是(shi)地(di)(di)球上(shang)眾(zhong)多(duo)生(sheng)(sheng)態系(xi)(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)最(zui)高的(de)(de)(de)(de)。
了解氣候(hou)變化(hua)對土壤有(you)機(ji)質的(de)影響在(zai)(zai)某些生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中尤為重(zhong)要(yao),例如(ru)在(zai)(zai)濱海濕(shi)(shi)地等生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中,相對較小的(de)氣候(hou)變化(hua)就(jiu)可能(neng)(neng)導致生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)喪失或在(zai)(zai)大景觀尺度(du)上(shang)引發生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)結(jie)構和功能(neng)(neng)的(de)變化(hua)。在(zai)(zai)濱海濕(shi)(shi)地中,基(ji)礎植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)種(zhong)類扮(ban)演(yan)著(zhu)重(zhong)要(yao)的(de)功能(neng)(neng)性角(jiao)色(se),如(ru)紅樹(shu)植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)、鹽沼植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)創造了生(sheng)(sheng)(sheng)境,調節(jie)生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)功能(neng)(neng),支持著(zhu)整個生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)群落;這些物(wu)種(zhong)同樣也提供了整個生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)產品和服(fu)務。在(zai)(zai)面(mian)臨(lin)海平面(mian)上(shang)升(sheng)的(de)情況時(shi),基(ji)礎植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)物(wu)種(zhong)通過淹沒、植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)、土壤有(you)機(ji)質積(ji)累(lei)和沉(chen)積(ji)之(zhi)間的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)地形學反饋,維持著(zhu)濱海濕(shi)(shi)地的(de)穩定。然而濱海濕(shi)(shi)地基(ji)礎植(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)在(zai)(zai)面(mian)臨(lin)氣候(hou)變化(hua)引起的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態(tai)(tai)系(xi)統(tong)(tong)(tong)變遷時(shi)也具有(you)脆(cui)弱性。
近年(nian)(nian)來,雖(sui)然(ran)(ran)作者(zhe)對(dui)(dui)氣(qi)候控制濱(bin)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di)植(zhi)(zhi)物(wu)群落和(he)(he)地(di)上生態(tai)系(xi)統(tong)(tong)屬(shu)性(xing)(xing)的(de)(de)認識(shi)迅速提(ti)(ti)高,但氣(qi)候因子對(dui)(dui)土(tu)(tu)壤(rang)和(he)(he)地(di)下生態(tai)系(xi)統(tong)(tong)屬(shu)性(xing)(xing)的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)還有(you)(you)待(dai)進一(yi)步研究。在圖(tu)1中,作者(zhe)闡(chan)明了(le)氣(qi)候對(dui)(dui)墨(mo)西哥灣北部沿(yan)(yan)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di)植(zhi)(zhi)物(wu)群落的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang),然(ran)(ran)而(er)對(dui)(dui)土(tu)(tu)壤(rang)性(xing)(xing)質的(de)(de)相應影(ying)(ying)響(xiang)尚(shang)未完全了(le)解(jie)(作者(zhe)在圖(tu)中用 ?表(biao)示(shi))。在圖(tu)2中,作者(zhe)提(ti)(ti)出了(le)陸地(di)和(he)(he)海(hai)岸濕(shi)(shi)(shi)地(di)文(wen)獻(xian)中關(guan)于(yu)氣(qi)候對(dui)(dui)碳(tan)(tan)(tan)(tan)相關(guan)土(tu)(tu)壤(rang)性(xing)(xing)質影(ying)(ying)響(xiang)的(de)(de)假設。在陸地(di)生態(tai)系(xi)統(tong)(tong)中,年(nian)(nian)平均降(jiang)水量與土(tu)(tu)壤(rang)有(you)(you)機碳(tan)(tan)(tan)(tan)呈正(zheng)相關(guan),年(nian)(nian)平均氣(qi)溫與土(tu)(tu)壤(rang)有(you)(you)機碳(tan)(tan)(tan)(tan)呈負相關(guan)。然(ran)(ran)而(er),在濱(bin)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di),關(guan)于(yu)氣(qi)候驅(qu)(qu)動因素對(dui)(dui)碳(tan)(tan)(tan)(tan)相關(guan)土(tu)(tu)壤(rang)特性(xing)(xing)的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang),有(you)(you)幾種不同(tong)的(de)(de)假設(參(can)見圖(tu)2中的(de)(de)標題和(he)(he)虛(xu)線(xian))。基于(yu)文(wen)獻(xian)資料的(de)(de)分(fen)析表(biao)明,溫度(du)與濱(bin)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di)土(tu)(tu)壤(rang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)密度(du)或土(tu)(tu)壤(rang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)積(ji)累之間可(ke)能(neng)沒有(you)(you)關(guan)系(xi)(圖(tu)2,右圖(tu)中的(de)(de)直線(xian)、虛(xu)線(xian)),降(jiang)水量與濱(bin)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di)地(di)下碳(tan)(tan)(tan)(tan)儲量之間可(ke)能(neng)存(cun)在正(zheng)相關(guan)。然(ran)(ran)而(er),跨區域氣(qi)候梯度(du)下系(xi)統(tong)(tong)性(xing)(xing)和(he)(he)戰略性(xing)(xing)的(de)(de)實(shi)測數據的(de)(de)缺(que)乏,阻礙了(le)作者(zhe)對(dui)(dui)這(zhe)些(xie)假設的(de)(de)驗證(zheng)和(he)(he)進一(yi)步了(le)解(jie)氣(qi)候驅(qu)(qu)動因素對(dui)(dui)沿(yan)(yan)海(hai)濕(shi)(shi)(shi)地(di)土(tu)(tu)壤(rang)碳(tan)(tan)(tan)(tan)儲存(cun)和(he)(he)循環(huan)的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)。
圖(tu)1 雖然氣候對(dui)沿海濕地植被的(de)影響已被量(liang)化(hua)(上、中圖(tu)),但氣候和植被對(dui)土壤性質(zhi)的(de)相應影響尚未(wei)量(liang)化(hua)(見(jian)下面圖(tu)問號(hao))。中、上圖(tu)的(de)數據來自墨西哥灣北部濱海濕地(Gabler et al., 2017; Osland et al., 2013, 2014)圖2 關(guan)于氣候(hou)對碳(C)相關(guan)土壤性(xing)質(zhi)影響的不同假設。實線(xian)表(biao)(biao)示陸(lu)地(di)生態(tai)(tai)系統中兩者的關(guan)系,虛線(xian)代表(biao)(biao)濱海濕(shi)(shi)地(di)文獻中的假設:虛線(xian)1代表(biao)(biao)降雨量與植物(wu)覆(fu)蓋、植物(wu)生產力、地(di)上部碳、地(di)下(xia)部碳均成非線(xian)性(xing)相關(guan)性(xing),虛線(xian)2表(biao)(biao)示溫(wen)度上升(sheng)時,紅樹(shu)林(lin)濕(shi)(shi)地(di)取(qu)(qu)代鹽沼濕(shi)(shi)地(di),地(di)上部碳與地(di)下(xia)部碳均呈現非線(xian)性(xing)上升(sheng)狀態(tai)(tai);虛線(xian)3表(biao)(biao)示紅樹(shu)林(lin)濕(shi)(shi)地(di)取(qu)(qu)代鹽沼濕(shi)(shi)地(di),地(di)上部碳與地(di)下(xia)部碳均不變。基于文獻的(de)分(fen)析,作者提出如下假設:1. 在研究區溫(wen)度(du)對濱海(hai)濕地土壤有機碳(tan)的(de)影(ying)響很小或無(wu)顯著(zhu)影(ying)響;2. 降(jiang)雨量(liang)、鹽度(du)和植(zhi)物生(sheng)產力對土壤有機碳(tan)具有顯著(zhu)的(de)直接(jie)或間接(jie)影(ying)響;3. 由于地貌影(ying)響著(zhu)淹沒(mei)、沉(chen)積物供(gong)應和鹽度(du)分(fen)布(bu),而他(ta)們同樣(yang)都影(ying)響植(zhi)物生(sheng)產力,所以(yi)作者假設高程能夠顯著(zhu)影(ying)響土壤有機碳(tan)含量(liang)。?
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創建模型的改進,并在前人模型的基礎上加入了如鹽分等影響濱海濕地的重要參數(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、土壤相關參數進行了取樣調查和測量。
圖3 分割線以上為Jenny1941年創建的(de)模(mo)型(包(bao)括了氣候、生物、地貌以及(ji)母質等因子(zi)對土壤構成(cheng)的(de)影響(xiang)),分割線以下為本研究構建的(de)濱海濕地通用模(mo)型。表1中描述了相關(guan)參數。
表(biao)1 本研究(jiu)構(gou)建的結構(gou)模型(xing)中相關參數的描述。
圖4 研究區示意圖,包括10個(ge)墨西哥(ge)灣北(bei)部河口濕(shi)地(di)。以星表(biao)示的河口跨(kua)越了不同(tong)的溫度(du)(du)和降(jiang)雨梯度(du)(du),平(ping)均(jun)年降(jiang)水量梯度(du)(du)(0.7-1.7 m)、最低(di)溫度(du)(du)梯度(du)(du)(-15.2--4.0°C)和平(ping)均(jun)年溫度(du)(du)梯度(du)(du)(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、植物生產力、土壤有機質的相關分析。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 ?環境因子控制土壤有機質的最終結構方程模型。路徑箭頭的厚度反映關系的強度(更厚=更強的關系)。路徑箭頭旁邊的數字表示標準化效果估計值及其關系的方向(+或-)。三個內生變量(鹽度、植物生產力和土壤有機質)的R2顯示在各自的框中。所有關系均具有統計學上的顯著相關性(p<0.05)
▉? 主要(yao)結論(lun)
該研究結果強調了(le)氣候(hou)(hou)-植(zhi)(zhi)物(wu)控制(zhi)的(de)重要(yao)性,并表(biao)明(ming)海(hai)拔高度(du)的(de)影響(xiang)取(qu)決(jue)于尺度(du)和(he)位置。濱海(hai)濕(shi)(shi)地植(zhi)(zhi)物(wu)對氣候(hou)(hou)變化(hua)很(hen)敏感,溫度(du)或降(jiang)(jiang)水的(de)微小(xiao)變化(hua)可以改變濱海(hai)濕(shi)(shi)地植(zhi)(zhi)物(wu)群落。在整(zheng)個(ge)區域中,紅樹林(lin)和(he)以禾本科植(zhi)(zhi)物(wu)為主的(de)鹽沼中的(de)土壤(rang)(rang)有(you)機質(zhi)(zhi)(zhi)含量最高。在缺(que)乏維管植(zhi)(zhi)物(wu)的(de)鹽灘和(he)以肉質(zhi)(zhi)(zhi)植(zhi)(zhi)物(wu)為主的(de)鹽沼中,土壤(rang)(rang)有(you)機質(zhi)(zhi)(zhi)含量較低。作者量化(hua)了(le)降(jiang)(jiang)水量、鹽度(du)、植(zhi)(zhi)物(wu)生(sheng)產力(li)和(he)土壤(rang)(rang)有(you)機質(zhi)(zhi)(zhi)之間的(de)密切關系。低降(jiang)(jiang)水導致(zhi)高鹽,這限(xian)制(zhi)了(le)植(zhi)(zhi)物(wu)的(de)生(sheng)產力(li),同時限(xian)制(zhi)了(le)土壤(rang)(rang)有(you)機質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)積累(lei)。
作者認(ren)為,雖然分析的(de)數(shu)據來(lai)自(zi)墨西哥灣北岸的(de)河口濕地,但其(qi)結論可(ke)以與(yu)全球范圍內的(de)沿海濕地相關聯,并(bing)能夠為預測(ce)未來(lai)降水和淡水可(ke)用性減少的(de)生態效(xiao)應提供了科學基礎。濱海濕地提供了許(xu)多(duo)依賴于(yu)土壤有機(ji)質的(de)生態系統服務,并(bing)且極易受到氣候變化的(de)影響(xiang)。
總體(ti)而言,本研究結(jie)果表明,未來土壤有(you)機(ji)質和(he)(he)植物生(sheng)產力的(de)變化受降水對淡水有(you)效性和(he)(he)鹽(yan)度(du)的(de)級(ji)聯效應的(de)調節,可能(neng)會影響濕(shi)地(di)(di)的(de)穩定性,并影響某些濕(shi)地(di)(di)生(sheng)態系統服(fu)務功(gong)能(neng)。
文(wen)章(zhang)來源(yuan):公(gong)眾(zhong)號Wiley生態學
本(ben)文編輯:
管博 | 中科院煙臺海(hai)岸帶(dai)研究所,副研究員?
研究方向:氣候變化(hua)背景下水鹽(yan)環境對濱海濕地(di)典(dian)型植(zhi)(zhi)被的影響;濕地(di)植(zhi)(zhi)物(wu)生理生態適應(ying)機(ji)制;退(tui)化(hua)濱海濕地(di)生態修復技術