在潮汐影响下，生物过程主导着沿海湿地中溶解无机碳离子平衡系统的动态变化

《Marine Environmental Research》：Biological processes dominate the dynamic changes in the dissolved inorganic carbon ion equilibrium system of coastal wetlands under tidal influence

海岸湿地潮汐-生物耦合对溶解无机碳（DIC）离子平衡的影响：通过胶州湾芦苇湿地潮汐模拟实验，发现淹水频率增加导致WDIC浓度微降（35.71-34.76 mg·L?1）但输出量倍增（5785.65-16895.52 mg），其中生物过程贡献率高达51.21%-62.77%。潮汐通过Cl?和H?调控土壤无机碳（SIC）沉淀-溶解平衡，生物耦合显著增强DOM荧光（41.39%-45.75%）及微生物代谢活性，促进生物源DIC生成。研究为海平面上升情景下湿地碳汇评估提供新依据。

　　

王一琳|史天|薛书琪|陈俊科|李毛毛|奚敏

青岛大学环境与地理学院，中国青岛266071

摘要：

沿海湿地中土壤溶解无机碳（SDIC）的离子平衡对碳的命运至关重要——它可能以温室气体的形式释放，也可能作为稳定的碳汇储存。然而，潮汐和生物影响的协同效应及主导因素仍不清楚。本研究从胶州湾的Phragmites australis（PA）湿地收集了土壤和植物样本，以建立潮汐模拟装置。结果表明，随着淹没频率的增加，水溶性无机碳（WDIC）浓度降低（从35.71 mg·L^-1降至34.76 mg·L^-1），而输出量增加（从5785.65 mg增加到16895.52 mg）。退潮期（NT）组的输出比例最高（49.5%）。生物过程主导了DIC的形成和输出，其贡献率在51.21 ± 1.12%到62.77 ± 2.15%之间。同时，潮汐模拟后土壤溶解有机质（DOM）的荧光强度增加以及可溶性微生物副产物的体积增加（第四区域，41.39%～45.75%）反映了陆地有机物质的输入增加和微生物代谢活动的增强，促进了生物源DIC的形成。潮汐-生物耦合改变了DIC的离子平衡系统。潮汐水携带的Cl^-和PA根部分泌的H⁺通过影响Ca²⁺，进而影响土壤无机碳（SIC）的沉淀和溶解，从而影响离子平衡和DIC的形成。总之，本研究强调了生物学在DIC形成和输出中的关键作用，并强调了在当前海平面上升背景下保护和恢复沿海湿地植被的重要性。这些发现对于提高生态保护和碳封存具有重要意义。

引言

沿海湿地是陆地生态系统和海洋生态系统之间碳传输的重要途径（Volta等人，2018年；Han等人，2022年），其显著的碳循环流量主要由溶解无机碳（DIC）的动态过程驱动（Reithmaier等人，2023年）。现有研究表明，向海洋的侧向DIC流量（即水平输出）占总碳输出的77-96%（Pan等人，2025年）。DIC的输出有助于蓝色碳汇的长期稳定性（Xie等人，2023年），是沿海蓝色碳预算的关键因素。DIC通常以气体（CO₂）和离子（HCO₃^-, CO₃^2-）的形式溶解在土壤溶液或水体中（Zamanian等人，2016年）。这些成分相互转化并保持动态平衡，构成了DIC复杂的离子平衡系统。该系统的稳定性决定了碳是作为CO₂气体释放还是以HCO₃^-和CO₃^2-的形式在海洋中积累。深入研究这一离子平衡系统对于阐明其在碳循环中的作用至关重要。

DIC离子平衡系统的作用机制很复杂，受到物理和生物相互作用的影响。其中，物理过程主要由潮汐驱动，周期性潮汐淹没是沿海湿地最显著的环境特征，也是土壤碳循环的关键驱动因素（Luo等人，2019年）。目前，国内外学者对典型沿海湿地生态系统中的潮汐效应进行了全面研究。例如中国的胶州湾（Gong等人，2023年）；印度半岛马哈纳迪河的潮汐河口（Khan等人，2024年）；中国江苏省的潮汐盐沼（Yau等人，2022年）。当前的研究主要集中在潮汐驱动侧向DIC传输的作用、生物地球化学过程在潮汐尺度上的调节作用，以及DIC流量对蓝色碳预算的贡献量化。在微观机制层面，现有研究主要关注潮汐如何通过影响碳酸盐溶解（Xu等人，2024年）和硫酸盐还原（Present等人，2021年）等化学过程间接调节DIC。然而，将潮汐效应与离子平衡系统相结合，从离子平衡的角度阐明DIC动态的具体调控途径的研究仍然相对较少。

在生物过程方面，现有研究主要关注相对静态的土壤环境，以研究DIC的形成和迁移机制。大多数研究表明，植物和微生物是影响DIC形成的关键生物因素（Hao等人，2024年）。例如，在中国的沿海湿地（如红树林、三角洲）（Yang等人，2024年）和德国东南部的巴伐利亚森林（Lei等人，2025年）的研究发现，植物通过根部释放氧气和分泌物改变了根际微环境，从而促进了沉积物有机质的分解和DIC的生成（Santos等人，2021年）。在厌氧条件下，微生物介导的过程如硫酸盐还原和反硝化也显著增加了DIC成分（包括HCO₃^-）的生成（Xu和Zhang，2025年）。这些生物过程不仅促进了DIC的形成，还通过改变土壤微环境影响了其垂直迁移。具体来说，关于DIC迁移的研究通常关注植物-土壤系统内的碳循环过程，包括通过植物光合作用进行的碳输入、植物-土壤碳分配、土壤有机碳（SOC）分解和土壤可溶性碳释放（Feng等人，2024年；Li等人，2025年）。然而，基于静态背景的上述机制理解是否在潮汐驱动的环境中仍然适用尚不清楚。此外，目前关于福建张江口红树林森林（Lu等人，2023年）、深圳湾红树林潮滩（Zhang等人，2025年）和长江口典型盐沼湿地（九段沙和崇明西沙湿地）（Xie等人，2026年）的研究主要集中在DIC的时空分布特征、DIC动态对温室气体排放特征的响应以及侧向DIC流量的量化上。研究探讨了沿海湿地中主导DIC形成和输出的过程以及多种过程之间的相互作用仍然相对较少。其中，Yu等人（2024年）通过胶州湾的模拟潮汐实验表明，非生物过程，特别是土壤无机碳（SIC）的溶解和风化，是控制DIC形成和积累的主要机制。然而，该实验是在土壤上进行的，而不是在生态系统中进行的，因此过程受生物因素的影响较小。此外，实验用水是使用人工海盐制备的，与实际现场条件存在一定的差异。需要进一步阐明控制沿海湿地中DIC形成和输出的主导过程。在此基础上，我们的研究通过引入Phragmites australis（PA）这一生物因素，并使用天然海水和淡水混合物模拟潮汐条件，进一步改进了Yu等人（2024年）的工作。这种整合模拟了更完整的湿地生态系统，使得对生物和非生物过程对DIC形成和输出的差异贡献进行更科学合理的分析成为可能。

更重要的是，在当前海平面上升的背景下，沿海湿地面临更高的淹没风险。这可能会将植被区转变为裸露的泥滩或洪泛区，从而抑制生物源DIC的生成和输出，进而影响碳封存潜力。基于此，我们的研究阐明了生物过程在DIC离子平衡系统中的关键作用，为在海平面上升情景下准确评估沿海湿地的碳储存能力提供了科学参考。

因此，本研究重点关注潮汐-生物耦合条件下沿海湿地中的DIC离子平衡系统。与之前单一模拟潮汐环境的研究相比，我们从胶州湾PA湿地收集了土壤样本和PA植物。我们构建了一个微尺度的植物-土壤生态系统，并根据自然现场环境模拟了不同的潮汐条件下的淹没频率。目的是研究潮汐-生物耦合条件下控制DIC迁移和转化的主导机制。具体研究目标包括：（1）确定不同淹没频率下DIC含量和输出的变化；（2）分析潮汐作用前后土壤DIC离子平衡系统各成分的变化，并阐明土壤阳离子、阴离子和碳成分之间的相互作用机制；（3）研究潮汐-生物耦合如何影响DIC离子平衡系统，分析其对DIC形成的贡献，并确定控制DIC离子平衡系统变化的主导过程。

研究区域

胶州湾位于中国山东省南部海岸，坐标为东经120^?06′至120^?19′，北纬36^?03′至36^?22′。该地区具有温带季风气候，以规律的半日潮模式为特征，平均潮差为2.71米。我们的研究区域位于胶州湾的阳河口湿地，该地区人类干扰较小，植被丰富

潮汐驱动的DIC离子平衡系统中DIC浓度和输出的变化

图2显示，在模拟潮汐开始后的最初0-5天内，NT和MT组的WDIC浓度先下降后上升，而ST组在最初的0-3天内也呈现下降趋势。NT组的WDIC浓度在24.4 ± 2.16 mg·L^-1到48.8 ± 2.07 mg·L^-1之间波动。干燥4天后，MT组的WDIC浓度逐渐下降。ST组在干燥9天后也观察到了类似的现象（图2）。在整个

潮汐-生物耦合效应下DIC离子平衡系统的动态特征和机制分析

本研究的结果表明，在模拟潮汐开始后的0-5天内，NT和MT组的WDIC浓度先下降后上升，而ST组在最初的0-3天内也呈现下降趋势。Luo等人（2014年）在中国东海的闵河口潮汐沼泽中观察到潮汐淹没期间DIC含量的下降，这与当前研究结果一致。这种现象主要发生在潮汐水

结论

本研究通过模拟潮汐实验系统地研究了PA湿地在潮汐-生物耦合下的DIC离子平衡系统的动态变化。结果表明，DIC离子平衡系统受到淹没频率的影响。不同淹没频率下WDIC浓度存在显著差异（P < 0.05），其中ST（35.71 mg·L^-1）> MT（35.16 mg·L^-1）> NT（34.76 mg·L^-1）。淹没频率的增加促进了WDIC的输出

CRediT作者贡献声明

奚敏：验证、方法论、调查、资金获取、概念化。李毛毛：写作——审阅与编辑、验证、监督。陈俊科：监督、调查。薛书琪：可视化、验证、方法论、调查。史天：监督、软件、资源。王一琳：写作——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理

未引用参考文献

Ahmad等人，2013年；Lu等人，2023年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2025年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢审稿人和编辑们的宝贵建议和建设性评论，这些评论有助于提高本文的质量。我们也感谢青岛大学环境与地理科学学院的同事们的支持。本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42571140）和国家自然科学基金（资助编号：42171116）的共同支持