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  

摘要指出濕地恢復的生態(tài)機制鮮少被評估。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，其驅動機制涉及濕地植物生長與微生物氧化還原反應的復雜反饋。研究利用紐約牙買加灣城市富營養(yǎng)化河口的恢復鹽沼時間序列，結合穩(wěn)定現(xiàn)存沼澤與退化沼澤的對比，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長呈正相關（如退化沼澤Black Bank淹沒9.4小時/天），而植物根系生物量增加可促進氧擴散至深層沉積物，降低硫化物毒性，增強鹽沼對海平面上升的韌性。  

 

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. 分析恢復鹽沼隨時間的沉積物氧化還原動態(tài)變化  

3. 探究潮汐淹沒時長與沉積物硫化物積累的關系  

4. 驗證植物根系生物量對沉積物氧和硫化物動態(tài)的影響  

 

研究思路  

1. 時空對比設計：選取牙買加灣6個鹽沼站點，包括4個不同恢復年份（2003–2012年）的人工恢復沼澤、1個穩(wěn)定現(xiàn)存沼澤（JoCo）和1個退化沼澤（Black Bank），形成時間序列與狀態(tài)對比  

2. 季節(jié)動態(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電機驅動微剖面系統(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：  

   ? 潮汐淹沒時長：HOBO水位記錄儀測量  

 

   ? 沉積物理化性質：容重、孔隙度、有機質含量  

 

   ? 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與季節(jié)交互效應  

 

   ? 線性回歸驗證根系生物量/潮汐淹沒與氧化還原參數(shù)的關聯(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）和老齡恢復沼澤（Big Egg）達856–891 μM（圖5），證實硫化物積累與沼澤退化關聯(lián)  

 

 

 

2. 潮汐淹沒時長（表1）  

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

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

 

 

3. 沉積物理化性質與根系生物量（表1/圖7）  

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

   ? 意義：根系生物量與孔隙度正相關（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：標準化比較剖面特征，顯示退化沼澤夏季O?消耗層更淺（圖5），反映氧化能力下降  

 

結論  

1. 潮汐淹沒時長是硫化物積累的關鍵驅動因素，夏季長時間淹沒導致沉積物缺氧和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. 人工恢復沼澤（如9年歷史的Elders East）可通過維持低淹沒時長（6.4小時/天）和中等根系生物量（455 g/m2）避免硫化物積累，但老齡恢復沼澤（Big Egg）因淹沒時長過高（9.4小時）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電機驅動微剖面系統(tǒng)（OX-50和H?S-50微傳感器）的應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梯度變化  

2. 動態(tài)過程量化：通過Logistic函數(shù)擬合（圖2），提取最大濃度、變化速率和關鍵深度參數(shù)，實現(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. 機制驗證：揭示植物根系作用機制——高根系生物量站點（如JoCo: 990 g/m2）的O?滲透更深（圖7），證實根系通氣緩解硫化物的生理假說  

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