通过海草恢复增加蓝碳：基于Nanozostera noltei和Ruppia cirrhosa的十年研究洞察

《Science of The Total Environment》：Boosting blue carbon via seagrass restoration: Decadal insights from Nanozostera noltei and Ruppia cirrhosa

小型水生被子植物在过渡带海岸环境中显著增加有机碳积累及稳定作用，为期十年的威尼斯潟湖研究显示，N. noltei和R. cirrhosa的植被恢复使表层5厘米沉积物年碳积累达24±13克/平方米，其中植物自身贡献12±5.6克/平方米。同位素分析表明约50%沉积有机碳源自海草，其余来自本地藻类及河流输入。研究证实小型水生被子植物对蓝碳计划具有重要价值。

　　

安德烈亚·奥古斯托·斯弗里索（Andrea Augusto Sfriso）| 阿卜杜勒-萨拉姆·朱赫曼尼（Abdul-Salam Juhmani）| 矢里·托米奥（Yari Tomio）| 穆罕默德·韦迪安（Mohammed Wedyan）| 亚历山德罗·布奥西（Alessandro Buosi）| 朱利奥·加拉米尼（Giulio Galamini）| 伊丽莎·皮格诺尼（Elisa Pignoni）| 贾科莫·费雷蒂（Giacomo Ferretti）| 费德里科·昆索洛（Federico Cunsolo）| 朱塞佩·福尔拉尼（Giuseppe Forlani）| 阿德里亚诺·斯弗里索（Adriano Sfriso）

费拉拉大学生命科学与生物技术系，意大利费拉拉市L. Borsari街46号，44121

摘要

由于海草草甸能够吸收和储存碳，因此越来越多地被推广为缓解气候变化的一种基于自然的解决方案。本研究评估了在过渡性沿海环境中，经过恢复的Nanozostera noltei和Ruppia cirrhosa水生被子植物草甸在10年期间的沉积碳积累和生物量碳封存情况。被N. noltei和R. cirrhosa占据的沉积物在表层5厘米内平均积累了24 ± 13克有机碳（C_org）每平方米每年，其中大约一半（12 ± 5.6克每平方米每年）来自海草本身。单独分析时，N. noltei的碳积累率更高（34 ± 7.8克每平方米每年；14 ± 2.1克每平方米每年来自海草），而R. cirrhosa分别为（20 ± 13克每平方米每年；10 ± 6.7克每平方米每年来自植物来源的碳）。在10年的时间里，恢复行动使得33.5平方公里的区域重新被海草覆盖。两种调查物种的生物量中有机碳储量在10年后保持在1,740至3,740吨之间，平均为2,740吨（相当于10,000吨二氧化碳）。稳定同位素分析表明，大约50%的沉积物有机碳来自海草生物量，另一半可能来自本地藻类生产和外来来源，如盐沼和河流输入。相比之下，主要由外来白云石组成的无机碳在监测期间没有净积累，表明其对碳封存的贡献可以忽略不计。总体而言，我们的发现突显了小型水生被子植物在增强沉积物稳定性和增加有机碳储量方面的作用，支持了它们在大规模恢复项目中的适用性。

引言

海草草甸被认为是沿海生态系统中最有效的自然碳汇之一，在全球碳循环中起着关键作用，通过其生物量和底层沉积物捕获和储存有机碳（C_org）。尽管它们仅占海洋底部面积的不到0.2%，但据估计它们贡献了高达10-18%的海洋碳埋藏量。在缺氧沉积条件下长期保存碳储量，进一步增强了它们作为“蓝色碳”生态系统的角色（Fourqurean等人，2012年）。因此，这些海洋生态系统作为缓解气候变化的基于自然的解决方案越来越受到关注（Ward等人，2025年）。

尽管水生被子植物具有生态重要性，但它们在沿海地区正日益受到多种人为压力的威胁，包括富营养化、沉积作用、物理干扰、污染以及外来物种的引入（Nordlund和Gullstr?m，2013年）。这些压力导致了全球海草覆盖范围的显著下降。一项对215项研究的荟萃分析显示，自1879年以来，全球海草覆盖面积减少了约29%，年均损失率为110平方公里（Waycott等人，2009年）。尽管最近的评估表明，在某些地区（如温带北大西洋东部和地中海）局部恢复是可能的且正在进行中，但从全球范围来看，海草的损失仍然超过了恢复的数量（Dunic等人，2021年；De los Santos等人，2019年）。海草草甸的退化或丧失通常会导致沉积物侵蚀和之前封存的C_org的再矿化，可能使这些系统从碳汇变成二氧化碳的净来源（Arias-Ortiz等人，2018年；Johannessen，2022年；Rahayu等人，2023年）。

基于移植的海草草甸恢复策略已成为重建失去的生态系统功能（包括碳封存）的有希望的方法（Marbà等人，2015年；van Katwijk等人，2016年；Sfriso等人，2023年）。实证证据表明，移植后前五年内沉积物有机碳的增加通常可以忽略不计（Rahayu等人，2023年；Sfriso等人，2025a，Sfriso等人，2025b）。因此，需要至少十年的研究才能检测到沉积物碳储量的显著变化。在十年期的研究中，成功恢复了大型海草物种（如Zostera marina Linnaeus和Posidonia spp.），显示出沉积物碳储存的显著增强（Marbà等人，2015年）。

对于较小的水生被子植物，相关研究较少。Nanozostera noltei的中期原位沉积物碳积累研究有限（Hornemann）Tomlinson & Posluszny（De los Santos等人，2023年；Martins等人，2005年），据推测地中海盆地和Ruppia cirrhosa（Petagna）Grande的研究也缺乏。作为一种常见于淡水和封闭过渡水域系统（如泻湖和盐沼）的水生被子植物（Sfriso等人，2023年），R. cirrhosa不能严格被视为“海草”（Short，2003年）。这种植物具有显著的环境适应性，支持广泛的地理分布，并在封闭的富营养化环境中促进底栖食物网的发展（Munari等人，2023年）。相比之下，N. noltei是一种小型、成熟的海草，广泛分布于欧洲大西洋沿岸和整个地中海地区。它通常生长在潮间带、沿海泻湖和上部浅水区，栖息在沙质或泥质基底上。由于其对温度和盐度变化的耐受性高，N. noltei形成的草甸高度约为15-30厘米，其特征是细长的根茎和分枝的茎秆（Giaccone和Catra，2009年），有助于沉积物的稳定，并为许多水生生物提供栖息地。尽管这些物种在蓝色碳积累评估中常被忽视，但它们在过渡水域的浅水区和 moderately 混浊及富营养化环境中能够持续存在，使其成为栖息地恢复的宝贵物种（Sfriso等人，2023年）。

N. noltei已在欧洲的一些恢复项目中成功应用（Sfriso等人，2023年）。在意大利，N. noltei和R. cirrhosa都被移植到威尼斯泻湖（Sfriso等人，2021年，2022年，2023年）和波河三角洲（Caleri泻湖，Mistri等人，2025年）。特别是在威尼斯泻湖的北部区域，移植是在Life SERESTO项目（Life12 NAT/IT/000331）的框架下进行的，这为研究表层沉积物中有机碳（C_org和无机碳（C_inorg）的十年变化提供了起点和机会。

本研究旨在评估经过恢复的N. noltei和R. cirrhosa草甸在10年内的沉积物有机碳（C_org和无机碳（C_inorg）积累情况。通过比较移植前后有植被和无植被的地点，我们量化了这些小型海草物种在增加沉积物碳储量和生物量方面的有效性。具体来说，我们探讨了以下问题：（1）新建立的海草草甸的生物量中保留了多少有机碳（C_org？（2）经过10年的恢复后，表层沉积物中的有机碳是否显著增加，海草对其积累的贡献是什么？（3）沉积物中的无机碳（C_inorg）表现如何，这些模式对蓝色碳核算和过渡水域系统的恢复规划有何启示？

研究区域

威尼斯泻湖是一个微潮汐过渡水域系统，位于亚得里亚海东北部（坐标：45° 35’-11′N；12°08′-38′E）。它是地中海最大的泻湖，面积为549平方公里（水面面积432平方公里），平均水深1.2米，平均潮差为±31厘米。泻湖通过三个大型（直径400-900米，深度10-15米，最深处超过50米）的入口与海洋交换水（Lido、Malamocco和Chioggia）。

环境参数

2024年春夏进行的事后监测显示，底栖植被组成和覆盖度存在高度变异性。水生被子植物表现突出：N. noltei在S10和S12站点的覆盖度达到95%。R. cirrhosa在S15站点覆盖度为95%，在S8站点为80%，而在S17站点覆盖度较低（10%），在S16站点仅检测到微量（<0.1%）。Z. marina在S10、S12和S15站点的覆盖度较低（5%），总是与其他被子植物共存。

讨论

由于人为压力导致的海草草甸的全球性衰退引起了严重关注，因为它们提供了重要的生态系统服务（Turschwell等人，2021年；Nordlund和Gullstr?m，2013年）。近年来，海草恢复作为缓解气候变化的一种基于自然的解决方案受到了关注。然而，恢复后的草甸提供可验证的碳效益的潜力仍需进一步探索，迄今为止，尚未有海草恢复项目能够证明其效果。

结论

本研究提供了实验证据，表明小型水生被子植物（如N. noltei和R. cirrhosa）能够在其组织中捕获大量有机碳（C_org并增强沉积物中的有机碳积累。在过渡性沿海生态系统中，这些物种捕获的有机碳量超过了其生物量本身的量。虽然与大型海草物种相比，它们的碳积累速率较低，但仍然相当可观且一致。

CRediT作者贡献声明

安德烈亚·奥古斯托·斯弗里索（Andrea Augusto Sfriso）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，调查，数据分析，概念化。阿卜杜勒-萨拉姆·朱赫曼尼（Abdul-Salam Juhmani）：撰写 – 审稿与编辑，调查。矢里·托米奥（Yari Tomio）：软件应用，调查。穆罕默德·韦迪安（Mohammed Wedyan）：监督。亚历山德罗·布奥西（Alessandro Buosi）：调查。朱利奥·加拉米尼（Giulio Galamini）：调查。伊丽莎·皮格诺尼（Elisa Pignoni）：调查。贾科莫·费雷蒂（Giacomo Ferretti）：撰写 – 审稿与编辑，调查。费德里科·昆索洛（Federico Cunsolo）：撰写 – 审稿与编辑。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

本手稿使用OpenAI开发的AI语言模型ChatGPT进行了语法和句法编辑。尽管已尽力提高语言的清晰度和准确性，但最终内容和科学解释完全由作者及其合作者负责。ChatGPT仅用于提高可读性和表达效果，未生成任何数据。

资金

本项工作未获得外部资助。

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所述的工作。

致谢

我们感谢Katia Sciuto博士提供了蓝细菌Leptolyngbya sp.（KS4）。