稳定同位素(δ13C、δ15N)示踪阿拉伯湾天然与人工红树林的盐胁迫响应及生态功能差异

《Hydrobiologia》：Stable isotopes (δ13C, δ15N) ratios as tracers of salinity stress in natural and afforested mangroves in the Arabian Gulf

本研究针对阿拉伯湾高盐环境下红树林生态功能退化问题，通过分析δ13C和δ15N在红树林组织（叶、茎、根）及关联生物群中的分布，揭示了人工林在极端盐度（55 PSU）下存在氮限制和碳循环改变，其生态服务功能显著低于天然林。该研究为红树林修复工程的可持续管理提供了关键同位素示踪证据。

　　

在热带和亚热带海岸线，红树林如同绿色的长城，默默守护着陆地与海洋的边界。它们不仅抵御风暴侵蚀，还孕育着丰富的生物多样性，更是碳储存的重要宝库。然而，过去三十年间全球约35%的红树林因城市化、养殖业扩张而消失。在阿拉伯湾这类干旱区，红树林还需面对极端环境挑战——夏季水温高达36°C、盐度可达60 PSU（远超海水平均值），同时营养盐极度匮乏。尽管人工种植红树林被视为生态修复的重要手段，但它们在极端环境下能否真正替代天然林的功能，始终是悬而未决的科学难题。

为解答这一问题，卡塔尔大学与德州农工大学的研究团队在《Hydrobiologia》发表论文，首次系统比较阿拉伯湾中部天然红树林与40年前人工种植林的生态功能差异。研究者选择卡塔尔东海岸的天然林（Alkhor）、北海岸人工林（Almafier）和西海岸高盐度矮化人工林（Zekreet）作为研究点，通过稳定同位素技术“解码”环境胁迫对生态系统的影响。

研究主要采用野外采样与实验室分析结合的方法：使用沉积物核心采样器收集表层沉积物，通过光谱法测定叶绿素a浓度（表征底栖微藻生物量）；利用元素分析仪-同位素质谱联用技术测定红树林组织、大型藻类、沉积物及消费者的碳氮含量与同位素比值（δ¹³C、δ¹⁵N）；通过非参数统计与方差分析比较不同生境的数据差异。

红树林生境特征

天然林沉积物富含粉砂（45.5%），氮（0.37%）和有机碳（2.7%）含量显著高于人工林的沙质沉积物（氮含量仅0.05-0.06%）。西海岸矮化林盐度高达55.3 PSU，其沉积物叶绿素a浓度（2.1 μg/g）不足天然林（4.9 μg/g）的一半，表明高盐环境抑制了底栖微藻的生长。

红树林稳定同位素特征

人工林红树叶片的δ¹³C值（-24.5‰至-27.6‰）比天然林（-27.6‰）高约3‰，而δ¹⁵N值（-3.8‰至-2.3‰）则低3-6‰。这种碳富集与氮贫化现象在根系中尤为明显，反映了盐胁迫下气孔关闭导致碳同位素分馏减弱，以及氮限制下微生物固氮作用增强（固氮产物δ¹⁵N接近0‰）。

大型藻类与沉积物同位素响应

大型藻类在人工林中的δ¹³C值（-14.0‰至-17.5‰）较天然林（-18.2‰）显著富集，δ¹⁵N值则从天然林的5.9‰降至矮化林的-0.9‰。沉积物δ¹³C值（-16.6‰）更接近藻类而非红树叶（-26.4‰），说明沉积物有机碳主要来源于藻类和悬浮颗粒，而非红树凋落物。

消费者营养级变化

海绵、双壳类等固着型消费者在人工林中δ¹³C值更高（如Haliclona sp.从-17.1‰升至-9.9‰），表明其碳源从红树碎屑转向藻类或海草。肉食性物种（如Cronia sp.）在高盐区消失，现存消费者δ¹⁵N值普遍降低，反映食物网结构简化与营养传递效率下降。

研究结论明确指出，人工红树林虽能存活，但其生态功能远未达到天然林水平：高盐环境通过氮限制与碳循环改变，导致红树林生长矮化、底栖生物量下降及食物网结构退化。δ¹⁵N值与盐度呈负相关（R=-0.58），证实盐胁迫是驱动生态功能差异的核心因素。该成果警示决策者：以人工林替代天然林需谨慎评估其生态服务折损风险，尤其在阿拉伯湾等极端环境区，保护现存天然林比盲目种植更具生态价值。