基于稳定同位素与荧光光谱技术的淇澳岛红树林湿地土壤有机质来源与分布特征解析

本研究针对红树林湿地土壤有机质(OM)来源不清、分布规律不明的问题，通过稳定同位素(δ13C/δ15N)和三维荧光光谱技术，揭示了淇澳岛红树林表层土(0-10 cm)和亚表层土(10-20 cm)中总有机碳(TOC)和总氮(TN)的分布特征。研究发现陆地来源OM贡献率超50%，淋溶作用使亚表层海洋OM贡献增加5%，土壤pH、含水量(WC)和溶解有机碳(DOC)是主要调控因子，为红树林碳汇功能评估提供了理论支撑。

　　

红树林作为陆地与海洋之间的生态过渡带，其湿地土壤储存着大量有机质(Organic Matter, OM)，在全球碳氮循环中扮演着关键角色。然而，红树林湿地土壤OM的来源解析和垂直分布规律仍不明确，这直接影响了对其碳汇潜力的准确评估。特别是在全球气候变化背景下，量化红树林湿地的碳储存能力显得尤为重要。现有研究表明，红树林单位面积的碳储量远超其他生态系统，但关于不同深度土壤层中OM的来源贡献差异及其控制机制仍存在认知空白。

针对这一科学问题，来自珠海淇澳-担杆岛省级自然保护区的研究团队在《Ecological Indicators》发表了最新成果。研究选取珠江口淇澳岛红树林湿地为研究对象，通过采集11个典型样点的表层土(0-10 cm)和亚表层土(10-20 cm)样品，综合运用稳定同位素技术(δ¹³C和δ¹⁵N)、三维荧光光谱-平行因子分析(PARAFAC)以及SHAP机器学习解释模型，系统解析了土壤OM的来源贡献与分布特征。

关键技术方法包括：1) 采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定总有机碳(TOC)，凯氏定氮法测定总氮(TN)；2) 利用元素分析-稳定同位素比值质谱仪测定δ¹³C和δ¹⁵N值；3) 通过PARAFAC解析溶解有机质(DOM)的荧光组分；4) 基于二元混合模型计算海洋/陆地OM贡献比例；5) 采用SHAP值量化环境因子对OM分布的影响权重。

研究结果揭示：

1. 土壤基本性质特征
   采样点盐度(0.04%-0.27%)和pH值(3.17-7.06)呈现显著空间异质性。土壤水分含量(WC)和容重(BD)分别为33.10%-73.96%和0.73-1.11 g/cm³，溶解有机碳(DOC)和溶解有机氮(DON)含量范围分别为0.05-0.43 mg/g和0.01-1.71 mg/g。

2. TOC、TN及稳定同位素分布
   表层土TOC(20.32±6.32 mg/g)和TN(1.88±0.45 mg/g)含量显著高于亚表层土(18.88±8.19 mg/g和1.68±0.38 mg/g)。δ¹³C值随土层加深呈增加趋势(表层:-26.02±1.24‰，亚表层:-25.64±1.15‰)，而δ¹⁵N则呈现相反变化规律。养殖区附近样点(M5)的TOC含量最高(表层33.70 mg/g，亚表层42.58 mg/g)。

3. 土壤OM来源贡献
   δ¹³C模型显示陆地来源对OM的贡献占51.44%-100%，TOC/TN模型(陆地TOC/TN=12，海洋TOC/TN=5.5)验证了这一结果。亚表层土海洋OM贡献比例较表层增加5%，主要归因于潮汐作用和DOM的垂直迁移。

4. DOM荧光特征
   PARAFAC解析出3种荧光组分：类腐殖质(C1:峰M；C2:峰C)和类蛋白质(C3:峰T1/T2)。荧光指数(FI=1.34-1.56)和生物源指数(BIX=0.51-1.03)表明DOM主要来源于陆地植物输入和微生物代谢产物的混合。

5. 环境因子影响
   SHAP分析表明土壤pH、WC和DOC是调控OM分布的关键因子。酸性环境(pH≈6.33)和高含水量促进OM积累，而DOC含量变化与TOC、TN呈显著正相关。

这项研究通过多技术联用，首次量化了淇澳岛红树林湿地不同土层OM的来源贡献差异。研究发现本地红树林植物是土壤OM的主要来源，而潮汐驱动的淋溶作用促进了海洋OM向亚表层土的迁移。从机制上看，弱酸性环境和持续的水分供给创造了利于OM保存的微环境。研究建立的δ¹³C-TOC/TN双模型溯源方法，为滨海湿地碳汇评估提供了新思路。特别是揭示的5%海洋OM增量现象，对理解潮汐作用下的碳垂向运移机制具有重要科学价值。这些发现不仅丰富了红树林湿地生物地球化学循环理论，也为中国东南沿海红树林的保护与修复提供了数据支撑，对实现"双碳"目标具有现实意义。