模拟热浪改变潮间带河口温室气体通量：沉积物类型与热浪持续时间的累积效应

《Nature Communications》：Simulated heatwave alters intertidal estuary greenhouse gas fluxes

　　本期推荐一项关于河口生态系统应对气候变暖的前沿研究。为揭示极端高温事件如何影响潮间带软沉积物生态系统的碳循环功能，研究团队通过开放式增温罩(OTC)模拟低潮大气热浪，系统观测了沙质/泥质滩涂的宏底栖生物多样性及甲烷(CH4)/二氧化碳(CO2)通量响应。结果表明热浪使沙质站点CO2吸收增强，泥质站点由碳源转为碳汇；CH4通量虽未显著改变，但泥质沉积物热浪效应强度更大。该研究首次揭示了河口碳源/汇状态转变与沉积物泥化（退化指标）及热浪持续时间的耦合机制，为预测海岸带碳循环反馈提供关键证据。

　　

当全球气候变暖的警报一次次拉响，海洋和大气热浪已成为沿海生态系统的常客。位于海陆交界处的潮间带河口尤其脆弱——每天经历着潮起潮落，时而没入海水中，时而暴露在空气中。这些看似寻常的滩涂，其实是全球碳循环中不可或缺的一环。但令人担忧的是，随着极端高温事件越来越频繁、强烈和持久，这些栖息地正面临严峻考验。更复杂的是，人类活动导致河口沉积物不断“泥化”，这通常被视为生态系统退化的标志。那么，当热浪袭击不同沉积类型的河口时，会引发怎样的连锁反应？这对全球温室气体平衡又意味着什么？

目前，大多数关于潮间带温室气体通量的研究都集中在有植被的“蓝碳”生态系统（如红树林、盐沼和海草床）。相比之下，我们对以微型底栖藻类为主的“无植被”潮间带滩涂在碳循环中的作用知之甚少。这些广阔的区域可能是重要的碳汇，但其温室气体排放也可能抵消碳吸收的贡献。特别是在高温条件下，微生物活性的改变、底栖生物群落的变化，都可能打破现有的碳平衡，甚至形成加速气候变暖的反馈循环。

为了解开这些谜团，发表在《Nature Communications》上的一项研究进行了一项开创性的野外实验。研究人员在新西兰怀希河口选择了沙质和泥质两种典型滩涂，使用开放式增温罩模拟低潮期间的大气热浪事件，持续监测了宏底栖生物多样性以及甲烷和二氧化碳通量的变化。

研究采用了多项关键技术方法：通过开放式增温罩进行原位被动增温模拟热浪条件；使用Li-7810便携式痕量气体分析仪结合静态箱法测量沉积物-大气界面的CO₂和CH₄通量；对沉积物核心样本进行宏底栖生物群落分析（鉴定至物种水平）和沉积物特性（叶绿素a、有机物含量、泥含量）测定；利用PERMANOVA等多变量统计方法分析温度处理、站点和时间的交互效应。

热浪对碳通量的即时与累积效应

沙质站点沉积物始终吸收CO₂，而热浪模拟使CO₂吸收速率随时间增加。处理2天后效果不显著，但连续5天和7天的热浪模拟导致处理样地CO₂吸收显著增强。泥质站点在实验前5天原本排放CO₂，但温度处理使沉积物转为净吸收CO₂。热浪效应强度分析显示，两个站点在第5天和第7天的CO₂通量处理效应均显著大于第2天，表明热浪持续时间对碳通量具有累积效应。

所有样地均排放CH₄，但热浪处理在任何时间点均未对CH₄通量产生显著绝对影响。然而，效应大小分析揭示了复杂的模式：沙质站点处理效应始终为负，而泥质站点处理效应随时间变化显著——2天热浪导致CH₄排放增加，但5天和7天后排放低于对照。

沉积物温度与通量的关系

最大沉积物温度与CO₂通量无显著相关性，但与CH₄通量存在显著正相关。站点和培养天数对两种气体通量均有显著主效应，而温度与站点对CO₂通量存在显著交互效应，表明不同沉积环境下温度对碳通量的影响机制不同。

热浪对宏底栖群落结构的影响

实验增温显著改变了宏底栖生物群落结构，且效应因站点而异。泥质站点的群落变化比沙质站点更明显。热浪模拟虽未影响物种数，但导致个体数量减少。关键生物扰动物种（如片脚类Paracorophium excavatum）在处理样地中丰度下降，是造成对照与处理间差异的主要贡献者。两个站点对热浪持续时间的响应模式不同：泥质站点5天和7天处理群落变化方向一致，表明累积效应；而沙质站点两种处理间出现明显分化。

研究结论与意义

这项研究首次系统揭示了大气热浪事件对潮间带河口温室气体通量的影响如何因沉积物类型和热浪持续时间而异。研究发现，无植被潮间带滩涂在本研究中表现为CO₂汇，而热浪增强了这一效应，且在沙质生物多样性高的站点更为明显。退化生态系统（以沉积物泥化为标志）往往是更强的CH₄和CO₂源，且热浪效应强度更大、更易变。

热浪导致的CO₂吸收增加可能源于光合作用上调或呼吸作用减少（微生物和/或宏底栖动物）。虽然微型底栖藻类生物量下降，但光合作用似乎受到温度升高的正向影响。CH₄通量与最大沉积温度的正相关关系表明，随着夏季温暖事件频率增加和温度极值升高，河口生态系统的CH₄排放可能呈现上升趋势。

宏底栖生物群落的变化可能是观察到的温室气体通量累积效应的重要驱动因素。关键生物扰动物种的减少或行为改变会影响孔隙水流、底物运动和气体扩散速率，进而改变沉积物生物地球化学过程。特别是，高温可能导致生物扰动速率降低、迁徙行为增加或更深层穴居，这些都会改变氧化还原梯度、孔隙水流和气体扩散速率。

这项研究强调了在评估气候变化对海岸带碳循环影响时，必须考虑不同沉积环境的响应差异。随着热浪事件频率、强度和持续时间的增加，气候变化相关的环境变化将对宏底栖生物群落和栖息地产生重大影响，进而对生态系统功能和温室气体收支产生深远后果。研究结果特别指出，退化生态系统可能对热浪等干扰事件更加脆弱，这为海岸带生态系统的保护与修复提供了重要科学依据。