通过双碳同位素技术揭示了红树林沼泽孔隙水中溶解有机碳的来源及其输出机制

《CATENA》：The sources and export mechanisms of dissolved organic carbon in pore water of a mangrove swamp revealed by dual carbon isotopes

红树林 DOC 源解析与潮汐驱动机制：基于碳同位素示踪的三维沉积核心研究揭示根分泌物（δ13C=-30.9±0.6‰）贡献率最高（57±13%），渗入海水（Δ1?C=-176±3‰，1500年前）次之（14±6%），潮汐水力梯度显著调控 DOC 运输，生物扰动（如蟹洞）维持垂直 DOC 均质化。

　　

中国自然资源部第一海洋研究所，青岛 266061

摘要

通过孔隙水交换输出的溶解有机碳（DOC）在红树林生态系统的碳循环中起着关键作用。然而，关于DOC的来源和年龄组成知之甚少，这直接限制了对其生物可利用性和循环效率的评估。本研究分析了在中国南部红树林沼泽中沿潮汐高度梯度采集的三个沉积物岩芯中的DOC浓度、沉积有机碳（SOC）含量及其双重碳同位素（δ¹³C和Δ¹⁴C）。结果表明，DOC浓度和SOC含量分别介于4439 μM至31551 μM（平均值±标准差：9527 ± 5999 μM）和1.4–2.3%（平均值±标准差：1.8 ± 0.3%）之间。δ¹³C_DOC值（?28.3 ± 1.5 ‰）显著低于δ¹³C_SOC值（?26.2 ± 0.5 ‰），证实了存在更多的¹³C贫化来源（即根系分泌物，δ¹³C为?30.9 ± 0.6 ‰）。Δ¹⁴C_DOC值范围从?40 ‰（265年前）到23 ‰，显示出比相应的Δ¹⁴C_SOC值（13–206 ‰，炸弹¹⁴C信号）更显著的¹⁴C贫化，表明有较老的海水渗入（δ¹⁴C为?176 ± 3 ‰，1500 ± 20年前）。基于三端元混合模型计算得出，孔隙水中DOC的相对来源为：57 ± 13%来自根系分泌物，28 ± 10%来自SOC分解产物，14 ± 6%来自渗入的海水。上层（0–20厘米）和高潮滩地区的DOC浓度较低，且¹⁴C贫化程度更高，表明潮汐驱动的水力梯度是DOC输出的关键因素。有趣的是，海水对DOC的垂直贡献分布没有显著变化，这表明生物活动（如蟹穴）具有显著影响。这些发现将显著提高我们对红树林生态系统中DOC生物可利用性和循环效率的理解。

引言

红树林是热带地区碳含量最丰富的生态系统之一。它们的碳封存和储量被认为是长期的蓝色碳汇（Bouillon等人，2008年；Liu等人，2025年）。由于持续输入颗粒有机物，大量碳（净初级生产量的8–12%）长期储存在沉积物中（Alongi，2014年；Sanders等人，2016年；Zhang等人，2024年）。虽然红树林沉积物是重要的碳汇，但最近的研究表明，大约10%的净初级生产量从系统中输出（Maher等人，2013年；Jupin等人，2024年）。这种输出与大量的孔隙水交换通量密切相关（Tait等人，2016年；Maher等人，2017年；Xiao等人，2023年），强调了红树林在碳储存和输出方面的双重作用。 红树林输出的碳主要以溶解有机碳（DOC）的形式存在，主要来自孔隙水（Maher等人，2013年；Taillardat等人，2018年；Cabral等人，2024年）。该系统中的碳动态主要由潮汐泵送驱动，表现为涨潮时海水渗入沉积物，退潮时通过平流作用排出孔隙水（Kim和Hwang，2002年；Taillardat等人，2018年）。螃蟹的挖掘活动可深入沉积物30厘米，为深层孔隙水排入潮汐溪流提供了通道（Tait等人，2016年；Pardo等人，2020年）。在连续的潮汐周期中，不同红树林溪流中的DOC浓度随水位变化而波动，在低潮时达到峰值（Kristensen和Suraswadi，2002年；Bouillon等人，2007年；Taillardat等人，2018年）。尽管全球DOC输出通量已经确定（Alongi，2014年），但关于DOC的来源和年龄组成的知识仍存在空白（Ray等人，2021年）。 放射性碳（Δ¹⁴C）已被广泛用于研究沿海碳循环的各个方面，包括陆海碳交换、碳封存过程和空气-海水CO₂交换动态（Raymond和Bauer，2001年；Choi和Wang，2004年；Sweeney等人，2007年）。值得注意的是，Δ¹⁴C值已被用于追踪从小型亚热带红树林溪流输出的溶解无机碳的年龄，为通过退潮期间的孔隙水交换实现的百年尺度碳封存提供了新的视角（Maher等人，2017年）。虽然结合δ¹³C和Δ¹⁴C可以有力地追踪从流域输出的碳的来源和年龄，但这种双重同位素示踪方法尚未充分应用于红树林系统，尤其是在DOC特性和潜在输出机制方面。这一限制显著阻碍了对红树林碳循环中DOC生物可利用性和循环效率的进一步评估。 我们假设最近固定的和来自红树林的有机碳以DOC的形式从沉积物中浸出到孔隙水中，随后被输出。为了验证这一假设，我们分析了从中国南部红树林沼泽采集的三个沉积物岩芯中的DOC浓度、沉积有机碳（SOC）含量及其碳同位素组成，以追踪DOC的来源、年龄和潜在机制。

采样地点

该地区位于Shankou红树林保护区的自然群落中，其特征是植物高度为2–3米。红树林是埋藏在沿海沉积物中的颗粒有机碳的主要本土来源，区域平均贡献率为84–88%（Xia等人，2015年）。由橄榄石玄武岩和基性火山岩组成的地质层（Meng等人，2016年）限制了地下水的排放，且缺乏河流带来的淡水输入。

DOC浓度、δ¹³C_DOC和Δ¹⁴C_DOC值

DOC浓度范围广泛，介于4439 μM至31551 μM（平均值±标准差：9527 ± 5999 μM，n = 24；表1），变异系数较高（63%），表明空间异质性较大。观察到一个明显的垂直分布模式：表层（0–4厘米）浓度最高（10245 ± 1421 μM，n = 3），中层（4–20厘米）浓度较低（6338 ± 1425 μM，n = 12），深层（20–44厘米）则有所积累。

孔隙水中高浓度的DOC

本研究中的DOC浓度（4439–31551 μM）与伯利兹矮小红树林沼泽报告的浓度相当（5600–28600 μM；Lee等人，2008年）。然而，这些浓度比越南林分的浓度高出一个到两个数量级（151–465 μM；Taillardat等人，2018年）。这种显著差异可能归因于植被类型、沉积物特性、水文条件和营养物质的差异。

结论

为了深入理解孔隙水的地球化学特性，有必要详细研究不同深度和潮汐高度下的DOC浓度及其同位素组成的垂直和空间分布。本研究观察到高浓度的DOC（4439–31551 μM），证实孔隙水是红树林中潮汐输出DOC的主要来源。值得注意的是，上层（0–20厘米）和高潮滩地区的DOC浓度较低，这表明...

CRediT作者贡献声明

Peng Xia：撰写初稿、进行研究、构思。 Xianen Luo：方法论设计、正式分析、数据管理。 Bingshuai Liu：验证、研究。 Yao Zhang：数据可视化、软件应用、研究。 Xianwei Meng：撰写、审稿与编辑、资金筹集。 Jun Du：监督、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Jun Zhang、Xiangqin Wang和Zhiwei Zhu（中国自然资源部第一海洋研究所）在样本采集方面的帮助，感谢Xuchen Wang和Yuejun Xue（中国海洋大学）在DOC分析和纯化CO₂收集方面的协助，以及Woods Hole海洋研究所提供的δ¹³C和Δ¹⁴C分析支持。本研究得到了青岛自然科学基金（编号：23-2-1-237-zyyd-jch）和中国国家自然科学基金（编号：41576067）的支持。