解开海草Zostera marina历史碳记录的谜团：高分辨率分析、年代测定以及对深海沉积物岩心的方法学评估

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Unraveling Historical Carbon Records of Zostera marina Seagrass Meadows: High-Resolution Analysis, Dating, and Methodological Evaluation of Deep Sediment Cores

本研究首次对英国Drakes Island温带海草（Zostera marina）3米深沉积物进行高分辨率（1厘米间隔）碳分析，发现有机碳（OC）含量在0-1米深度内差异显著（0.24%-27.55%），异常高值与煤层有关。通过放射性铅（210Pb）和铯-137（137Cs）定年，估算沉积物年沉积率0.19-0.27克/平方厘米，碳年积累率0.32-0.45兆克/公顷。研究强调高分辨率多参数分析对准确量化碳储存的重要性，指出方法学差异（如采样深度、OC分析方法）可能导致碳储存估算偏差，需标准化方法以提升数据可比性。

　　本研究聚焦于温带海草床沉积物中的长期碳储存情况，旨在评估其作为“基于自然的气候解决方案”的潜力。当前，许多相关研究在方法上存在不足，例如使用浅层沉积物样本、低分辨率分析以及不一致的测量方法，这限制了对碳储存潜力的广泛推断。本研究首次对温带海草床沉积物进行高分辨率分析，深入至3米深度，并首次估算出英国亚潮间带海草床的沉积物和碳积累速率。研究地点位于英国普利茅斯港的德雷克斯岛（Drakes Island），该岛拥有连续且密集的海草床，覆盖率达到75%至100%，面积约为5.2公顷。通过高分辨率采样，每1厘米取样一次，直至1米深度，之后每5厘米取样一次，研究人员对有机碳（%OC）、碳酸钙（CaCO?）和粒度进行了详细分析，并记录了显微镜下的观察结果。

在本研究中，比较了多种%OC分析方法，并采用放射性同位素（铅-210）测年法来确定沉积物和碳的积累速率。结果表明，OC含量在不同深度和不同样本之间存在显著差异，最高可达27.55%。整体而言，0至1米深度的OC储量平均为302.34±197.44 Mg C ha?1，显示出较高的碳储量。研究还发现，某些异常高的OC峰值与沉积物中的煤层有关，这可能是影响碳储量测量的一个重要因素。OC和碳酸钙的积累速率分别估计为0.32至0.45 Mg C ha?1 yr?1和0.19至0.27 g cm?2 yr?1，表明沉积物可能具有高达1300年的历史。这些发现强调了高分辨率、多指标分析在评估长期碳储存能力中的重要性，同时也指出了方法不一致可能带来的误差。

海草床作为“蓝碳”生态系统之一，在全球气候变化缓解中具有重要潜力。然而，当前对海草床碳储量的研究仍存在许多局限性，尤其是在温带地区。早期的全球研究主要集中在地中海地区的海草床（如Posidonia oceanica）以及热带和亚热带地区，发现这些地区的碳储量较高，平均为58.0±4.8 Mg C ha?1。相比之下，温带海草床的碳储量较低，平均为27.21±9.89 Mg C ha?1。由于缺乏温带数据，全球平均碳储量估算存在偏差。近期的一项研究重新评估了数据，纳入更多温带和地理多样性数据，得出更准确的全球平均碳储量为24.2（12.4–44.9）Mg C ha?1，比之前的估算降低了27%。这种差异凸显了在温带地区进行更多区域性研究的必要性，以加深我们对海草床在长期碳储存中作用的理解。

目前，英国对海草床碳储量的研究较少，仅有少数几篇论文和两份报告涉及，其中包括南英格兰和西南英格兰的四个研究（Cornwall Council, 2024；Green et al., 2018；Laing & Hobson, 2021；Lima et al., 2022），以及苏格兰（Potouroglou et al., 2021）、威尔士（O’Neill et al., 2024）和泽西岛（Davies et al., 2024）的研究。这些研究中，OC储量估计范围在13至48 Mg C ha?1之间，与温带海草床的平均值（30.6±1.3 Mg C ha?1）基本一致。然而，有两个地点的OC储量显著高于平均水平，包括威尔士的Porthdinllaen（O’Neill et al., 2024）和英国的德雷克斯岛（Green et al., 2018）。德雷克斯岛的OC储量估计为114.02±21.45 Mg C ha?1，更接近地中海地区的平均水平。

本研究的另一个重要目标是评估沉积物和碳的积累速率，特别是在温带亚潮间带海草床中。由于现有研究较少，本研究填补了这一空白，通过高分辨率采样和分析，提供关于沉积物和碳积累速率的重要数据。此外，本研究还比较了多种分析方法，以更好地理解OC的储存机制。这些方法包括使用高分辨率采样、多种指标分析，以及补充方法来提高数据的准确性。

在采样过程中，研究人员选择了德雷克斯岛亚潮间带海草床中心的一个等深线（采集时水深为4米）进行采样，每20米设置一个采样点。采集了三根3米深、84毫米直径的沉积物振动芯样（vibrocores）。采样过程中，记录了压实情况，并计算了每个芯样的压实因子（恢复深度/穿透深度）。采样后的沉积物被切割成1米长度的样本，运输并储存在4°C的环境中，以避免进一步压实。随后，对这些样本进行纵向分割，并记录其粒度、颜色、生物体等特征，为后续分析做准备。

在样品制备过程中，每个芯样的一半被保留作为档案样本，而另一半则进行详细分析。对每个芯样进行每1厘米的采样，直到1米深度，之后每5厘米采样一次。为避免采样过程中沉积物污染，每个样本的外缘被移除。部分样本用于粒度分析，其余样本则被冻干至-55°C，持续约48小时，以进行碳分析和测年。冻干后，测量了干燥沉积物的重量，并进行了初步的显微镜观察，记录了沉积物类型、壳类含量、生物残骸、海草等信息。所有样本随后被研磨，并在分析前移除大块壳类，以确保分析的准确性。

在碳分析方面，所有样本均使用元素分析仪（EA）进行OC含量的测定。为了去除无机碳，样本被用10%的盐酸处理。处理后的样本被浸泡、搅拌，并静置约3小时，直到气泡停止。随后进行三次超纯水冲洗，确保无机碳被去除。处理后的样本被在40°C下烘干24小时，并研磨以消除烘干过程中形成的团块。烘干前后的样本重量被记录，并用于计算OC含量。EA仪器通过与醋安替林（>99.5% C）标准样品进行校准，以确保分析的准确性。每10个样本进行一次重复分析，以确保分析精度。所有结果经过校正，以反映原始干燥样本的整体OC含量，而非仅是处理后的部分。

此外，研究还比较了不同方法对OC含量的估算，包括使用LOI（Loss on Ignition）和EA（Elemental Analysis）。通过比较LOI和EA的结果，研究发现LOI方法在某些情况下可能会高估OC含量，尤其是在OC含量较低时。研究还提出了一个基于LOI的转换方程，以估算OC含量，该方程为%OC = 0.9214 × %LOI - 4.0328。通过比较这一方程与Fourqurean et al.（2012）和Green et al.（2018）的方程，研究发现不同的方程可能会导致不同的OC含量估算结果。因此，为了提高OC储量估算的准确性，建议在分析时采用多种方法，并进行充分的校准和验证。

在碳储量计算方面，研究采用国际自然保护联盟（IUCN）蓝碳手册（Howard et al., 2014）中提出的方法。OC含量的测定基于EA的结果，并计算了不同深度剖面下的平均碳储量，包括5厘米、30厘米、50厘米、100厘米和3米深度的样本。这些结果为整个海草床的碳储量提供了估算依据，并有助于更全面地理解OC储量的分布情况。

在沉积物和碳积累速率分析方面，研究使用了铅-210测年法。通过分析铅-210和铯-137的活动浓度，研究发现铅-210的活动浓度在德雷克斯岛的沉积物中较低，这可能与沉积物的高碳酸钙和有机质含量有关。尽管铅-210的活动浓度较低，但研究发现其与铯-137的活动浓度相互补充，提供了关于沉积物积累速率的估算。此外，研究还发现，煤层的存在可能对OC含量产生显著影响，这为OC储量的高估提供了可能的解释。因此，研究建议在分析时考虑煤层的影响，并采用高分辨率方法以减少误差。

在沉积物粒度分析方面，研究使用了Malvern Mastersizer 2000设备，对所有样本进行粒度测量。每个样本使用3至4克沉积物，以确保2至3次重复分析。通过湿筛（1毫米）和CEFSAS协议（Mason, 2016），对沉积物进行粒度分析。研究还进行了线性回归分析，以探讨OC含量与粒度之间的关系，以及OC含量与沉积物中<63微米的细粒含量之间的关系。这些分析结果为OC储量的估算提供了额外的依据。

在压实校正方面，所有深度剖面和储量数据均进行了校正，以确保结果的准确性。每个样本的深度区间乘以压实因子（恢复深度/穿透深度），以获得真实的深度。研究假设压实在整个芯样中是均匀的，因为无法识别不同深度的压实率。因此，压实校正对于准确估算沉积物和碳储量至关重要。

本研究还探讨了OC储量的波动性。OC含量在不同深度和不同样本之间存在显著差异，尤其是在0至1米深度范围内。研究发现，某些OC含量较高的峰值可能与煤层的存在有关，而煤层的分布则为OC储量的高估提供了可能的解释。煤层的存在可能与德雷克斯岛的历史工业活动有关，这表明在评估OC储量时，必须考虑煤层的影响。

此外，研究还探讨了沉积物和碳积累速率的估算。尽管铅-210和铯-137的活动浓度较低，但研究发现它们相互补充，提供了关于沉积物积累速率的估算。研究还发现，煤层的存在可能作为另一个测年标志，帮助估算沉积物的年代。因此，研究建议在分析时结合自然和人为的测年标志，以提高估算的准确性。

本研究的结论表明，温带海草床的OC储量存在显著的波动性，特别是在0至1米深度范围内。通过高分辨率分析，研究发现了OC含量的显著峰值，这些峰值可能与煤层的存在有关。煤层的分布为OC储量的高估提供了可能的解释，同时也表明在评估OC储量时，必须考虑煤层的影响。研究还强调了标准化方法的重要性，以减少误差并提高数据的可比性。

总体而言，本研究提供了温带海草床沉积物和碳储量的高分辨率分析，并揭示了OC储量的波动性。通过比较不同的分析方法，研究强调了标准化和高分辨率分析的重要性。此外，研究还提出了对OC储量估算的建议，包括使用EA而非LOI，分析多个重复样本以减少误差，以及在分析时考虑煤层的影响。这些方法和建议有助于提高蓝碳研究的准确性和可靠性，为未来的研究和管理提供有价值的参考。