《Science of The Total Environment》：Summer carbon budget simulation in a lagoon ecosystem with submerged aquatic vegetation
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随着国际应对全球变暖行动的推进，蓝碳（Blue Carbon）作为CO?汇受到广泛关注。本研究定量评估了日本北海道东北部受限海岸潟湖——Komuke Lagoon内大叶藻（Zostera marina）海草生态系统的碳收支。基于2018年和2023年开展的室外
随着国际应对全球变暖行动的推进，蓝碳（Blue Carbon）作为CO?汇受到广泛关注。本研究定量评估了日本北海道东北部受限海岸潟湖——Komuke Lagoon内大叶藻（Zostera marina）海草生态系统的碳收支。基于2018年和2023年开展的室外实验，构建了结合光合响应与光子通量密度（Photon Flux Density, PFD）及水温的新溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）方程。此外，开发了整合河流入流、与外海海水交换、气?水CO?通量、底部稀释及大叶藻吸收作用的箱模型（Box Model），以再现潟湖DIC的季节变化。结果表明，排除大叶藻会导致夏季验证的DIC被高估最多约300 μmol kg?1，表明大叶藻显著影响DIC动态。此外，模拟中忽略总碱度（Total Alkalinity, TA）变化会使水体CO?分压（partial pressure of CO?, pCO?）低估达150 μatm，可能导致大气CO?吸收被高估数倍。基于2018年模拟日历年积分的夏季验证碳收支分析表明，经潮汐从外海输入的CO?为最主要来源（约占66%）。大叶藻吸收了约半数输入潟湖的CO?，而大气CO?吸收仅占总量约5.4%。研究表明，高度封闭浅水海岸带碳收支评估须采用考虑河流入流与潮汐驱动的水体交换过程及TA变化的模型。另对2013年和2019年进行模拟作为重现性与年际一致性检验；全年DIC轨迹仅作模型推演，详细碳收支分配仅针对2018年报告。
论文解读——《有沉水植被的大叶藻（Zostera marina）海草床潟湖生态系统夏季碳收支模拟》发表于《Science of The Total Environment》
一、研究背景与意义
全球变暖使减缓温室效应成为紧迫任务，海草床（Seagrass Meadows）作为典型蓝碳（Blue Carbon）生态系统，通过生物固碳与物理捕集沉积有机颗粒实现长期碳封存。然而，在受河流与潮汐强迫调控的封闭潟湖中，生物?物理耦合对溶解态碳收支的相对贡献仍缺乏定量研究，且既往模型常忽略总碱度（Total Alkalinity, TA）变化及水温对光合的温度抑制效应。本研究以日本北海道东北部Komuke Lagoon（小向潟）的大叶藻（Zostera marina）海草床为对象，通过室外受控实验标定DIC（Dissolved Inorganic Carbon，溶解无机碳）方程参数，构建考虑河流入流、潮汐交换、气?水CO?通量、底部稀释及大叶藻净生态系统生产（Net Ecosystem Production, NEP）的概念箱模型（Conceptual DIC Box Model），量化各碳源汇项贡献，阐明忽略TA变化对pCO?（partial pressure of CO?，CO?分压）计算的影响，为封闭浅水海岸带蓝碳评估提供高精度框架。
二、主要关键技术方法
研究人员以Komuke Lagoon（面积3.8×10? m2，体积3.33×10? m3，窄口潮宽15 m）为研究区，2018年7月23日与8月8日开展现场观测获取水温、溶氧（DO）、叶绿素a（Chl. a）、DIC及TA；2018年6月与2023年9月开展室外透明水槽受控实验测定大叶藻光合?呼吸致DIC变化。基于Jassby型光响应方程结合高斯温度限制项修正DIC方程（取代单纯Arrhenius方程），以最小二乘法拟合呼吸与光合参数。将潟湖视为单箱（Single?box），建立DIC与TA质量平衡微分方程（含河流入流q_river×DIC_river、潮汐交换q_tide×DIC_ocean、NEP×V_SAV、底部稀释B、气?水CO?通量Flux×A_lagoon及出流项），采用AMeDAS气象数据驱动，用2013年、2019年独立观测做重现性检验，通过关断单项源汇做敏感性分析与碳收支分配。
三、研究结果
3.1. Field observations（野外观测）
现场观测显示潟湖无垂向分层，表层与底层DIC接近（8月8日表1680 μmol kg?1、底1660 μmol kg?1），空间变异（200–230 μmol kg?1）远小于河?海端员梯度（~1440 μmol kg?1），支持单箱假定；三年河端员DIC平均540±110 μmol kg?1、海端员1980±20 μmol kg?1，端员年际稳定可用常数处理。
3.2. Coefficients for the DIC equation（DIC方程参数确定）
夜间数据拟合得呼吸参数R_A＝1.03×10?，E_aR＝3.99×10?2?；白天数据拟合得最大光合速率P_Ψ＝18.7 μmol kg?1 h?1，初始斜率α_Ψ＝18.7/116，最适水温T?＝22.8 ℃，热离散q＝19.7 K；光饱和PFD≥116 μmol m?2 s?1时光合达最大，高温（>T?）时光合效率呈高斯下降，修正了既往Arrhenius模型在高温区高估NEP的缺陷。
3.3. NEP model（NEP模型模拟）
概念DIC模型模拟2018年DIC变化（RMSE 35 μmol kg?1与28 μmol kg?1对齐两观测日），DIC 1–6月降、7月最低、此后升；关断NEP（设NEP＝0）使全年DIC升高且波动变小，证实大叶藻显著拉低并调节DIC。2013年与2019年模拟亦在观测不确定度内重现夏季DIC，证明标定DIC方程与箱模型具跨年适用性。
四、讨论部分总结
传统Arrhenius方程无法表征Zostera marina高温光合抑制，引入最适温度与高斯温度限制项更符合生理现实（PSII放氧复合体热失稳、Rubisco CO?特异性降、光呼吸增）。光饱和PFD存在季节差异（夏高秋低），源于叶绿素a含量与Rubisco活性的光适应调节，建议长期模型采用季节变动饱和光强。碳收支分析表明潮汐DIC输入占CO?供给66.4%，底部稀释15.2%，河流入流13.0%，气?水吸收5.4%；大叶藻吸收约占输入总量50.6%（?1183 mg?CO? m?2 d?1），大气直接吸收占比极小，其主要作用是削减外源输入DIC从而降低潟湖pCO?。若忽略TA变化（河淡水稀释使潟湖TA变幅~150 μmol kg?1），pCO?可低估达150 μatm（本潟湖pCO?范围0–400 μatm），造成大气CO?吸收被高估数倍，故封闭海岸带碳收支须模拟TA变化。底部稀释B ±50%扰动对全年DIC与大气吸收影响<±6.5 μmol kg?1与±4%，不改变主导结论。单箱模型未分辨河口局部脱气与沉积异质性，但潟湖尺度碳收支因主导端员混合明确而稳健。
五、研究结论（翻译Conclusion）
研究人员针对以大叶藻（Zostera marina）为主导的Komuke Lagoon构建了概念DIC模型开展碳收支研究。首先利用2018年与2023年室外实验结果为大叶藻呼吸与光合致CO?释放/吸收建模，提出考虑水温对光合作用CO?吸收影响的改良DIC方程。将该DIC方程应用于箱模型并计入河流入流、潮汐交换、底部稀释、海?气交换及大叶藻吸收，成功再现2018年7月与8月现场观测结果。大叶藻DIC吸收效应显著，忽略它会使DIC高估约300 μmol kg?1。本箱模型特征为纳入总碱度（TA）模拟，发现忽略TA变化致pCO?低估最高150 μatm；鉴于Komuke Lagoon内pCO?波动范围为0–400 μatm，假设恒定TA可能使大气CO?吸收被高估数倍，故估算气?水CO?通量时必须纳入TA变化。2018年中潮汐交换对潟湖水体DIC影响最大（贡献66%），气?海通量影响最小（约5.4%）。综上，在此受限潟湖中大叶藻主要碳源为潮汐与河流输入DIC而非直接大气吸收，但大叶代谢对维持低pCO?水平至关重要，该过程介导潟湖尺度大气CO?移除，凸显评估温带蓝碳生态系统碳截存功能时须考虑水动力连通性。
