Marsh Plants Enhance Coastal Marsh Resilience by Changing Sediment Oxygen and Sulfide Concentrations in an Urban, Eutrophic Estuary  

城市富營養(yǎng)化河口濕地植物通過改變沉積物氧和硫化物濃度增強(qiáng)濱海鹽沼韌性  

來源：Estuaries and Coasts (2020) 43:801–813

《河口與海岸》，2020年，第43卷，第801–813頁  

 

摘要  

摘要指出濕地恢復(fù)的生態(tài)機(jī)制鮮少被評(píng)估。在富營養(yǎng)化河口中，沉積物硫化氫積累可能加速鹽沼退化，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制涉及濕地植物生長與微生物氧化還原反應(yīng)的復(fù)雜反饋。研究利用紐約牙買加灣城市富營養(yǎng)化河口的恢復(fù)鹽沼時(shí)間序列，結(jié)合穩(wěn)定現(xiàn)存沼澤與退化沼澤的對(duì)比，通過沉積物氧和硫化物微剖面分析，發(fā)現(xiàn)夏季沉積物氧濃度最低、硫化物濃度最高。硫化物積累與潮汐淹沒時(shí)長呈正相關(guān)（如退化沼澤Black Bank淹沒9.4小時(shí)/天），而植物根系生物量增加可促進(jìn)氧擴(kuò)散至深層沉積物，降低硫化物毒性，增強(qiáng)鹽沼對(duì)海平面上升的韌性。  

 

研究目的  

1. 比較穩(wěn)定與退化沼澤的沉積物氧和硫化物濃度差異  

2. 分析恢復(fù)鹽沼隨時(shí)間的沉積物氧化還原動(dòng)態(tài)變化  

3. 探究潮汐淹沒時(shí)長與沉積物硫化物積累的關(guān)系  

4. 驗(yàn)證植物根系生物量對(duì)沉積物氧和硫化物動(dòng)態(tài)的影響  

 

研究思路  

1. 時(shí)空對(duì)比設(shè)計(jì)：選取牙買加灣6個(gè)鹽沼站點(diǎn)，包括4個(gè)不同恢復(fù)年份（2003–2012年）的人工恢復(fù)沼澤、1個(gè)穩(wěn)定現(xiàn)存沼澤（JoCo）和1個(gè)退化沼澤（Black Bank），形成時(shí)間序列與狀態(tài)對(duì)比  

2. 季節(jié)動(dòng)態(tài)監(jiān)測：分冬、春、夏、秋四季采集沉積物巖芯（7 cm直徑），使用丹麥Unisense電機(jī)驅(qū)動(dòng)微剖面系統(tǒng)原位測量氧（OX-50微傳感器）和硫化物（H?S-50微傳感器）的垂直分布  

3. 環(huán)境參數(shù)量化：  

   ? 潮汐淹沒時(shí)長：HOBO水位記錄儀測量  

 

   ? 沉積物理化性質(zhì)：容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量  

 

   ? 植物根系生物量：60 mL注射器鉆取法  

 

4. 數(shù)據(jù)分析：  

   ? 微剖面擬合Logistic函數(shù)提取關(guān)鍵參數(shù)（最大濃度、消耗/積累速率、最大變化深度）  

 

   ? 廣義線性模型分析站點(diǎn)與季節(jié)交互效應(yīng)  

 

   ? 線性回歸驗(yàn)證根系生物量/潮汐淹沒與氧化還原參數(shù)的關(guān)聯(lián)  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 沉積物氧和硫化物微剖面（圖3/圖4/圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：垂直分辨率0.3–2.0 mm的O?和H?S濃度分布  

   ? 意義：直接量化氧化還原梯度，揭示夏季穩(wěn)定沼澤（JoCo）H?S<200 μM，而退化沼澤（Black Bank）和老齡恢復(fù)沼澤（Big Egg）達(dá)856–891 μM（圖5），證實(shí)硫化物積累與沼澤退化關(guān)聯(lián)  

 

 

 

2. 潮汐淹沒時(shí)長（表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：日均淹沒時(shí)長3.38（Elders West）至9.40小時(shí)（Big Egg）  

   ? 意義：解釋空間差異，淹沒時(shí)長>8.9小時(shí)的站點(diǎn)H?S積累顯著增強(qiáng)（圖6），尤其夏季每增加1小時(shí)淹沒，H?S增加139 μM  

 

 

3. 沉積物理化性質(zhì)與根系生物量（表1/圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：根系生物量330–990 g/m2；孔隙度42–91%；有機(jī)質(zhì)0.9–36%  

   ? 意義：根系生物量與孔隙度正相關(guān)（r>0.53），夏季高根系生物量使O?最大消耗深度加深（圖7），證實(shí)根系通氣作用  

 

4. Logistic模型參數(shù)（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：最大O?消耗深度、H?S積累深度及速率  

 

   ? 意義：標(biāo)準(zhǔn)化比較剖面特征，顯示退化沼澤夏季O?消耗層更淺（圖5），反映氧化能力下降  

 

結(jié)論  

1. 潮汐淹沒時(shí)長是硫化物積累的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，夏季長時(shí)間淹沒導(dǎo)致沉積物缺氧和H?S毒性（>800 μM）  

2. 植物根系通過增加孔隙度和氧擴(kuò)散深度（夏季根系生物量每增加100 g/m2，O?最大消耗深度加深1.5 cm，圖7），抑制淺層硫化物積累  

3. 人工恢復(fù)沼澤（如9年歷史的Elders East）可通過維持低淹沒時(shí)長（6.4小時(shí)/天）和中等根系生物量（455 g/m2）避免硫化物積累，但老齡恢復(fù)沼澤（Big Egg）因淹沒時(shí)長過高（9.4小時(shí)）呈現(xiàn)退化趨勢  

4. 提升鹽沼初始高程以減少潮汐淹沒、維持植物根系生長是增強(qiáng)韌性的核心策略  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

丹麥Unisense電機(jī)驅(qū)動(dòng)微剖面系統(tǒng)（OX-50和H?S-50微傳感器）的應(yīng)用具有以下核心研究意義：  

1. 高分辨率原位監(jiān)測：以亞毫米級(jí)垂直分辨率（0.3–2.0 mm）直接獲取沉積物O?和H?S的微剖面數(shù)據(jù)（如圖2所示），克服傳統(tǒng)破壞性取樣無法捕捉的精細(xì)梯度變化  

2. 動(dòng)態(tài)過程量化：通過Logistic函數(shù)擬合（圖2），提取最大濃度、變化速率和關(guān)鍵深度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)氧化還原過程的定量比較（如夏季Black Bank沼澤H?S最大濃度856 μM vs 穩(wěn)定沼澤JoCo<50 μM，圖5）  

3. 機(jī)制驗(yàn)證：揭示植物根系作用機(jī)制——高根系生物量站點(diǎn)（如JoCo: 990 g/m2）的O?滲透更深（圖7），證實(shí)根系通氣緩解硫化物的生理假說  

4. 時(shí)間尺度整合：捕捉季節(jié)動(dòng)態(tài)（圖3/圖4），明確夏季高溫期是氧化還原脅迫的關(guān)鍵窗口，為管理提供時(shí)間靶點(diǎn)