海平面上升条件下，红树林沉积物中金属对植物生长的影响及其调控途径和酶促响应机制

《Journal of Environmental Sciences》：Regulatory pathways and enzymatic response mechanisms of mangrove sediment metals affecting plant growth under sea level rise

mangrove生态系统海平面上升背景下沉积物金属分布与酶活性关系研究，揭示Fe、Ti、V等10种金属与海拔负相关（R20.14-0.36），Cr微弱正相关（R20.06）。酶活性中CAT受Ti、V及pH调控，URE依赖Mg和pH。PLS模型显示金属毒性（Co、Cr等）和氧化应激（Al/Mg/Ti/Fe/V复合体）通过4条海拔介导路径影响植物生物量（Q20.89）。研究证实pH是协调金属-酶-植物互作的枢纽，维持特定盐度与pH范围可增强红树林抗逆性。

　　近年来，红树林生态系统因其独特的陆海连接特性，为沿海地区提供了多种生态服务，包括风暴潮缓解、碳封存以及水体净化等。随着全球气候变化的加剧，红树林正面临海平面上升带来的适应性挑战，同时还要应对人类活动引发的重金属污染问题。这些压力不仅影响红树林的生长和生存，还可能改变其生态功能和生物多样性。因此，深入研究红树林生态系统在这些环境变化下的响应机制，对于评估其生态风险和增强其适应能力具有重要意义。

本研究聚焦于一个经过20年恢复的红树林生态系统，通过多条样带的梯度采样方法，系统地探讨了潮间带高程变化对沉积物中重金属分布、酶活性以及红树林适应性生长之间耦合机制的影响。研究采用配对采样方法，共采集了90个样本，包括9条样带和每个样带10个采样点。研究对象涵盖总重金属（如Al、Ti、Mg、V、Fe、Co、Cr、As、Ni、Cu、Cd、Mn、Sr、Pb、Sb、Zn）、酶活性参数（如尿酶和过氧化氢酶）、关键环境变量（如氧化还原电位、pH值、盐度、有机碳含量、总氮含量、含水量和温度）以及红树林形态和功能特征（如高度、基部直径、胸高直径、枝干直径、冠基高度和生物量）。研究旨在揭示红树林沉积物中重金属的空间分布模式、环境变量对酶活性和植物生长的影响，以及重金属对红树林生长的关键作用路径。

红树林生态系统对海平面上升和重金属污染的双重压力，使其成为研究气候变化和人类活动对生态环境影响的重要对象。海平面上升会导致沉积物长期被海水覆盖，从而改变红树林的生物地球化学过程，特别是氧化还原条件和营养物质循环。这种变化不仅增加了盐度压力，还可能削弱红树林的适应能力。与此同时，工业、农业和航运活动持续向红树林湿地输入重金属污染物，如铅、汞、镉、砷等，这些污染物对植物生理功能和酶活性产生负面影响。重金属在沉积物中的积累，可能破坏红树林植物的光合作用效率和呼吸代谢，从而影响其生长和生存。

在本研究中，发现红树林沉积物中多种重金属含量与高程存在显著相关性。例如，铁（Fe）、钛（Ti）、钒（V）、镁（Mg）、砷（As）、铝（Al）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）和镉（Cd）在不同高程下表现出显著的负相关关系，其中铁、钛和钒的相关性最强。相比之下，铬（Cr）则显示出较弱但独特的高程依赖性积累模式。然而，锰（Mn）、锌（Zn）、锶（Sr）、锑（Sb）和铅（Pb）的浓度则与高程无显著关系。这些发现表明，红树林沉积物中重金属的分布受到高程变化的显著影响，但并非所有重金属都表现出一致的分布模式。

此外，红树林生长的高程变化也对沉积物的理化性质和营养水平产生影响。潮间带不同高程区域经历的潮汐淹没频率和时间不同，低高程区域频繁受到海水覆盖，而高高程区域可能仅在大潮时被淹没或暴露于空气中的时间更长。这种差异影响了沉积物的pH值、氧化还原条件、盐度和含水量等理化性质。例如，低高程区域由于频繁受到海水覆盖，盐度较高，这可能对红树林植物的生长造成压力。而高高程区域由于水分较少，pH值可能较低，这也可能影响红树林植物的生理功能。

在研究中还发现，沉积物的理化性质和营养水平能够解释酶活性变化的一定比例。例如，过氧化氢酶（CAT）的活性主要受过渡金属（如Ti和V）和pH值的影响，而尿酶（URE）则主要依赖于镁（Mg）和pH值。这些酶在红树林生态系统中扮演着重要角色，不仅参与重金属和碳氮的生物地球化学转化，还作为评估红树林在环境压力下生长和生理适应策略的敏感生物指标。因此，研究沉积物中酶活性的变化，有助于理解红树林生态系统对重金属污染和环境变化的响应机制。

研究还通过偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析了红树林生长的高程变化对植物生物量的影响路径。结果表明，存在四条由高程变化介导的路径，其中直接重金属毒性（如Co、Cr、Ni、As、Cd、Cu）和由Al/Mg/Ti/Fe/V金属簇引发的氧化应激对红树林生长的影响相对较强。此外，通过CAT和URE的酶解毒作用，可以解释38.9%的重金属胁迫对红树林的影响。这些发现进一步表明，高程变化是影响重金属生物地球化学过程的关键因素，低高程区域在海平面上升背景下可能加剧Fe、Ti和V的积累，而Cr则可能向上迁移并重新分布。

研究还强调了沉积物pH值在协调重金属、酶和植物相互作用中的关键作用。pH值的变化不仅影响重金属在沉积物中的分布，还可能影响酶活性和植物生长。因此，维持适宜的盐度和pH值范围，有助于增强红树林的适应能力。这一机制框架为预测沿海生态系统在气候变化和人为压力下的响应提供了新的视角。

综上所述，本研究通过系统的调查和分析，揭示了红树林生态系统在海平面上升和重金属污染双重压力下的响应机制。研究结果不仅有助于理解红树林沉积物中重金属的空间分布模式，还揭示了高程变化对酶活性和植物生长的影响路径。这些发现对于评估气候变化驱动的污染生态风险，以及制定有效的红树林保护和恢复策略具有重要意义。此外，研究还强调了维持适宜的环境条件，如盐度和pH值，对于增强红树林生态系统的适应性和稳定性至关重要。通过进一步的理论和实证研究，可以为沿海生态系统的可持续管理和生态安全提供科学支持。