红树林生态系统中碳循环的深入研究：以一个亚热带岛屿为例，探讨碳的埋藏、释放及输出过程

　　红树林通过孔隙水交换向海洋输出大量DIC，约89%未被释放为CO?，高效水交换促进碳封存，SOC稳定性可能被高估。

　　
本文聚焦于日本石垣岛福智川河口湾红树林的碳循环机制，通过放射性同位素示踪技术结合多维度观测手段，揭示了红树林土壤碳动态与水体碳通量之间的复杂关联。研究团队发现，该区域红树林不仅通过光合作用固定大气二氧化碳，更通过潮汐作用将大量碳以溶解无机碳（DIC）形式输送至海洋，其外流量达到全球红树林平均值的2.3倍。这一发现挑战了传统碳预算模型中关于红树林土壤碳封存与水体碳通量互斥的认知，为热带岛屿红树林的碳汇功能评估提供了新视角。

### 研究背景与科学问题
红树林作为蓝碳生态系统的重要组成，长期被视作通过土壤有机碳（SOC）埋藏实现大气碳汇。然而近年研究显示，红树林碳通量存在显著的双向流动：一方面，约7-20%的SOC以DIC、DOC等形式外流；另一方面，部分外流碳可能通过微生物分解重新释放。当前碳预算估算普遍存在两大误区：一是将SOC埋藏（基于铅-210测年）与碳外流（基于短期Ra同位素示踪）视为独立过程；二是忽视潮汐动力对碳通量时空异质性的影响。石垣岛作为典型的热带岛屿红树林系统，其独特的微潮汐特征（平均潮差1.4米）与低淡水输入（夏季降雨量0mm/d），为研究碳通量耦合机制提供了理想场所。

### 关键发现与机制解析
1. **碳外流主导机制**
研究证实DIC外流是红树林碳通量主导形式（日均189±18 μmol/m2·d），其规模为全球红树林平均值的2.3倍。通过Ra同位素示踪发现，外流碳的停留时间仅1天，这种高效输出与岛屿红树林的快速水体交换密切相关。潮汐周期中，DIC浓度呈现显著潮汐振荡（高潮期＞低潮期），且约89%的DIC通过潮汐泵送进入海湾，未释放为CO?。这种高效碳外流源于三方面机制：
- **物理泵送**：微潮汐导致的短周期水体交换（平均驻留时间1天）促进孔隙水快速更新
- **化学稳定**：红树林碳酸盐基质的pH调节（平均pH7.63）与硫酸盐还原过程（贡献率＞50%）形成高碱度环境（TA平均2458 μmol/kg），促进DIC以HCO??形式稳定存在
- **生物转化**：底栖生物（如螃蟹、虾类）通过摄食分解红树林有机碎屑，将约60%的POC转化为难以降解的腐殖酸类物质

2. **大气碳汇的悖论现象**
尽管水体向大气释放CO?日均73.8±21.8 μmol/m2·d（占土壤呼吸总量的76%），但系统整体仍表现为碳汇。这种矛盾源于：
- **光合作用补偿**：相邻海草床日均固定CO?达284 kg·d?1，通过水-气界面扩散作用中和了红树林溪流的排放
- **碳形态转换**：约92%的外流DIC以HCO??形式进入海洋，其碳封存效率是CO?气态形式的100倍（根据pH调节模型计算）
- **生物地球化学耦合**：硫酸盐还原菌（占比＞70%）在缺氧红树林根际分解SOC时，不仅释放CO?，更生成碳酸氢盐（HCO??），其溶解度是CO?的50倍，显著提高碳向海洋的输送效率

3. **碳循环时空异质性**
通过2021-2022年连续观测发现：
- **潮汐相位差异**：低潮期DIC外流量（日均324 μmol/m2·d）是高潮期的1.8倍，与潮汐深度（＞1m时外流量提升47%）呈显著正相关
- **季节动态特征**：夏季DIC外流量达冬季的2.3倍（日均278 vs 113 μmol/m2·d），与热带雨季的淡水输入减少（夏季降雨量0.14mm/d）和温度升高（32.08±1.77℃）密切相关
- **年龄结构特征**：δ1?C分析显示外流DIC平均年龄达120年，揭示红树林土壤存在深层未稳定碳库（＞1m深度SOC占比83%）

### 碳预算模型修正
研究提出红树林碳循环的"三维平衡模型"：
1. **垂直维度**：SOC埋藏深度达1m，表层（0-30cm）SOC年分解率18%-25%（基于Ra同位素示踪）
2. **时间维度**：采用Δ1?C测年法修正SOC稳定性（千年尺度），发现铅-210测年高估SOC埋藏率3.8倍
3. **空间维度**：潮汐通道（单通道宽度2.3m）承担83%的DIC外流，其效率是大陆性红树林（如澳大利亚）的5.2倍

### 碳汇功能评估
研究揭示红树林系统通过三条路径实现碳汇：
1. **大气碳汇**：单位面积年固碳量达384kgC/m2·yr（含地上植被净初级生产力NPP 253kgC/m2·yr与土壤呼吸抵消后的净吸收）
2. **海洋碳汇**：DIC外流中92%转化为HCO??进入海洋，按平均交换速率1.0d?1计算，相当于年封存量6.8tC/m2（基于全球海洋HCO??蓄积速率推算）
3. **土壤碳汇**：深层SOC（＞30cm）年稳定性达96.7%，通过δ1?C测年证实其半衰期＞800年

### 研究局限与展望
1. **模型假设限制**：DIC海洋封存计算未考虑海洋内源再循环（误差范围±15%）
2. **观测周期不足**：仅覆盖两个潮汐周期（约30天），长期水文变异影响评估受限
3. **生物地球化学耦合**：硫酸盐还原速率与pH调节存在未解耦合（相关性R2=0.68）
4. **区域代表性争议**：岛屿红树林的快速交换机制能否推广至大陆性红树林（如亚马逊三角洲）尚需验证

### 管理启示
1. **生态修复优先级**：应优先保护潮汐通道完整性的红树林群落（通道断开导致外流量下降62%）
2. **碳汇核算方法**：建议采用"Δ1?C+Ra同位素双标法"修正SOC埋藏估算，避免重复计算
3. **蓝碳认证标准**：需建立DIC/HCO??形态碳的计量规范（当前国际标准仅涵盖气态CO?）
4. **管理干预时机**：建议在低潮期（DIC浓度峰值期）实施碳汇增强措施（如底栖生物调控）

该研究突破传统碳预算模型的双向假设，证实红树林在热带岛屿环境中可通过"潮汐泵送-化学稳定-生物转化"协同机制实现高效海洋碳封存。其提出的"三维平衡模型"为红树林碳汇评估提供了新范式，但需结合多地球系统模型（如CMIP6）进行参数验证。后续研究应着重揭示：
- 深层SOC（＞1m）的化学稳定性机制
- 潮汐能对碳形态转化的调控作用
- 海洋生物地球化学过程对DIC封存的影响