大潮汐沿海湿地沉积物中的有机碳组成与保存：来自生物标志物和同位素特征的见解

《Science of The Total Environment》：Organic carbon composition and preservation in macrotidal coastal wetland sediment: insights from biomarkers and isotopic signatures

滨海湿地有机碳沉积与保存机制研究——基于Aiguillon湾泥滩与盐沼的多标记分析，揭示δ13C、C/N比值、木质素酚及脂肪酸在碳源解析与降解动态中的差异，发现盐沼碳积累速率（366 gC m?2 yr?1）高于泥滩（239 gC m?2 yr?1），为评估滨海湿地碳汇能力提供新方法。

　　

阿曼·本杰明（Amann Benjamin）|杜比洛·贝内迪克特（Dubillot Bénédicte）|埃里克·肖米永（Eric Chaumillon）|科妮莉亚·伦佩尔（Cornelia Rumpel）|玛丽-弗朗斯·迪尼亚克（Marie-France Dignac）|阿克塞尔·费尔巴克（Axel Felbacq）|萨宾·施密特（Sabine Schmidt）|梅尔·德斯坦普（Ma?l Destampes）|玛丽·阿诺（Marie Arnaud）|爱德华·梅茨格（Edouard Metzger）|托马斯·拉库-拉巴尔特（Thomas Lacoue-Labarthe）|克里斯汀·杜普伊（Christine Dupuy）

滨海环境与社会研究组（LIENSs），法国国家科学研究中心（CNRS）第7266研究单元，拉罗谢尔大学，17000，拉罗谢尔，法国

摘要

沿海湿地在其沉积物中储存了大量有机碳（OC），但这种碳的长期保存取决于栖息地类型、沉积物深度以及有机物质的分子特性。本研究探讨了法国艾吉永湾（Aiguillon Bay）潮间带系统中两种相邻栖息地——泥滩和盐沼——垂直剖面（0–30厘米）内有机碳沉积和保存的动态。研究采用了多示踪方法，结合了稳定同位素δ¹³C、C/N比值、木质素酚类和脂肪酸进行分析。沉积物中的有机碳含量在13.4至23.2毫克碳每克（mgC g^?1）之间，其中盐沼中的浓度最高。δ¹³C和C/N比值显示泥滩中的有机碳主要来源于海洋，微浮游植物也有一定贡献，而盐沼中的有机碳则来源于海洋和C?植物的混合。脂肪酸和木质素的组成进一步证实了这一分异：泥滩表层富含易降解的微生物和藻类衍生化合物，而盐沼深层沉积物则保留了更耐降解的、来自C?植物的特征。有机碳的降解速率与来源组成和深度密切相关。盐沼的降解主要发生在表层5厘米范围内，泥滩则主要发生在表层10厘米范围内。尽管两种栖息地的沉积速率相似（分别为1.8厘米每年和2.2厘米每年），但泥滩的一阶降解常数是盐沼的三倍（0.53年^?1 vs 0.17年^?1）。这反映了有机碳在不同栖息地中的稳定性差异：泥滩中微浮游植物的少量贡献也增强了降解活性。盐沼由于具有中等的有机碳稳定性和较高的沉积速率，成为碳积累的热点区域（每年366克碳每平方米（gC m^?2），而泥滩也对沿海碳封存做出了重要贡献（每年239克碳每平方米）。这些结果突显了基于深度分辨率和生物标志物的方法在识别特定栖息地降解动态方面的价值，有助于更深入地理解沿海生态系统中的碳积累过程。

引言

沿海湿地——包括盐沼和潮间带泥滩——越来越被认为是有效的碳汇，能够在数十年至数千年的时间尺度上在沉积物中储存有机碳（OC）（Alongi, 2020; Regnier et al., 2022）。它们对气候缓解的贡献已得到充分证实，但这些环境中有机碳的长期稳定性变化很大，且受栖息地特征的影响（Windham-Myers et al., 2019）。盐沼中的碳积累速率差异显著；最新的全球平均值为每年168 ± 7克碳每平方米（gC m^?2），范围从1.2到1167.5克碳每平方米（Wang et al., 2021）。在法国温带盐沼中也观察到了类似的变异性，碳积累速率在75至345克碳每平方米之间（Amann et al., 2024）。潮间带泥滩的碳积累速率也有很大差异，全球平均值为每年130 ± 30克碳每平方米（gC m^?2），范围从2到1129克碳每平方米（Chen and Lee, 2022）。了解控制有机碳埋藏后保存的因素对于准确评估这些系统的封存潜力至关重要。

沿海湿地中的碳储存受到多种相互关联因素的影响，包括有机物质的来源和化学性质、沉积速率、微生物活动以及每种环境特有的氧化还原条件（Macreadie et al., 2025）。沿海湿地中的有机物质来源可以是海洋或陆地，其组成取决于主导植被、凋落物类型和水文条件，这些因素强烈影响有机物质埋藏后的降解性（Arnaud et al., 2024; Leorri et al., 2018; Van de Broek et al., 2018）。一旦沉积，有机物质会经历与深度相关的成岩过程，如氧化（Bradley et al., 2022）、生物扰动（Aller and Cochran, 2019）和微生物降解（Qiao et al., 2018）。这些过程受当地氧气水平、沉积物压实度和沉积物组成的影响，进而影响有机-矿物结合（Macreadie et al., 2025; Windham-Myers et al., 2019）。因此，不同类型湿地中的有机物质稳定化可能发生在不同的深度，但涉及的机制和阈值尚未完全明了。

为了评估碳的保存情况，需要对有机物质的数量和质量进行深度分辨的表征。经典方法，如燃烧损失法（LOI）和元素分析（CHN），仍被广泛用于估算有机碳含量（Wang et al., 2021）。将它们与稳定同位素分析（δ¹³C）结合使用，可以揭示有机物质的来源（如海洋来源与陆地来源），并区分C₃植物和C₄植物的贡献，已在多种沿海环境中得到应用（Lamb et al., 2006）。然而，潮间带盐生植物和陆地凋落物之间的相似同位素特征可能会使有机物质来源的归属变得复杂。

为克服这些局限性，一些研究转向了互补的生物标志物。木质素酚类是一种特定于维管植物组织的耐降解分子，通过诸如丁香基/香草基（S/V）、肉桂基/香草基（C/V）和酸/醛（Ad/Al）指数等比例来追踪陆地来源并评估有机碳的降解状态（Bianchi and Canuel, 2011; Go?i and Hedges, 1992）。这些标志物在区分木质/草本植物和裸子植物/被子植物的来源以及检测微生物或真菌的改变化方面特别有用（Liang et al., 2023）。例如，Vaughn等人（2020）利用稳定同位素、CHN和木质素酚类相结合的方法，揭示了美国南部沿海红树林过渡带盐沼中木质物质的高输入量，这对有机碳的降解速率有重要意义。基于脂质的生物标志物，如脂肪酸，由于其在结构上的多样性和对微生物处理的敏感性，提供了关于沉积有机物质来源和成岩状态的额外信息（Bianchi and Canuel, 2011）。特定的脂肪酸特征被用于识别微生物来源并评估有机碳的降解状态（Middelburg and Herman, 2007; Qiao et al., 2018）。长链脂肪酸、植物甾醇和18:3ω3标志物被用于追踪来自盐沼的有机物质向邻近潮间带的迁移（Meziane et al., 1997）。结合元素分析和生物标志物的方法——包括C/N比值、δ¹³C和木质素酚类——已被应用于墨西哥湾海洋沉积物中陆地有机物质的表征（Go?i et al., 1998），以及中国大陆架和河口系统中有机物质的来源和降解状态的追踪（Xia et al., 2021）。整合多种有机物质标志物（如δ¹³C、δ¹⁵N、脂质和木质素参数）的策略也被用于重建陆地-海洋连续体及受永久冻土影响的沿海系统中的有机物质动态（Lin et al., 2025）。这些研究表明，多示踪方法有助于更全面地理解沿海湿地沉积物中有机物质的来源和保存动态。然而，将这些综合示踪方法应用于不同湿地栖息地的深度分辨应用仍然较少。此外，虽然许多蓝色碳研究关注数十至数百年的时间尺度上的长期碳积累，但很少有研究关注有机碳沉积和保存的早期阶段。理解这些初始动态至关重要，因为它们为长期封存潜力奠定了基础，尽管这些阶段并不直接代表多十年的碳储量。

在这项研究中，我们调查了法国西南部艾吉永湾两种相邻沿海湿地栖息地——泥滩和盐沼——中有机碳的组成、来源和降解状态。通过结合批量地球化学指标（有机碳、C/N比值、δ¹³C）和特定化合物的生物标志物（木质素酚类和脂肪酸），评估了有机物质来源及其随深度变化的反应性。通过识别与深度相关的降解模式以及基于²¹⁰Pb的沉积速率，研究旨在进一步完善对沿海湿地环境中有机碳沉积早期阶段和数十年时间尺度上碳保存的理解。

研究区域

研究区域

为了研究沉积碳的沉积和保存动态，选择了法国西南部艾吉永湾的两个相邻沿海栖息地——泥滩（MD）和盐沼（SM）。艾吉永湾是一个浅海海湾，通向佩尔蒂斯布雷顿（Pertuis Breton）河谷，该河谷位于雷岛（Ré Island）和旺代海岸（Vendée coast）之间（Weber et al., 2004）。海湾西北部被艾吉永角（Pointe de l'Aiguillon）部分包围，这是一个斜向延伸的沙洲

样品采集与处理

沉积物采样于2023年4月，在下层盐沼（SM 01）和相邻的上层泥滩（MD 01；图1）进行。每个地点采集了三个30厘米深的岩芯样本，使用直径为87毫米的采样器（UWITEC，奥地利）。在同一地点重复采样是为了减少操作误差，并确保在微地形、沉积物组成、植物和生物膜分布可能存在空间异质性的环境中进行重复实验（例如，Douglas et al., 2024）

沉积物与质量积累速率

泥滩和盐沼环境中的沉积物都表现出较高的沉积速率，深度超过100厘米处的²¹⁰Pb_xs含量较高，表明几十年来沉积速率持续较快（图S1）。由²³²Th活性（30–50毫贝克每克（mBq g^?1）指示的碎屑输入在岩芯的上层较低，可能是因为富含有机物质的物质稀释了沉积物。干体积密度（DBD）剖面相对均匀（约1.0克每立方厘米（g cm^?3），变化有限

不同栖息地中的有机碳来源

所研究栖息地中的沉积有机碳来源存在显著差异，这受到初级生产机制和水动力连通性的影响。δ¹³C和C/N比值表明，泥滩（91%）和盐沼（87%）的沉积物主要来源于海洋，其中泥滩中微浮游植物是额外的关键来源（9%），而盐沼中则主要是C3盐生植物（13%）。在这种情况下，淡水沉积物的来源似乎

结论

本研究提供了关于法国西南部艾吉永湾泥滩和盐沼中有机碳动态的新见解。有机碳含量和分子组成（木质素和脂肪酸）的变化反映了由本土生产和外来输入共同塑造的独特生物地球化学环境。盐沼沉积物成为碳储存的主要贡献者，因其高有机碳含量和混合的来源特征，其中海洋来源的有机碳占主导地位

CRediT作者贡献声明

阿曼·本杰明（Amann Benjamin）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、调查、数据分析、数据管理。杜比洛·贝内迪克特（Dubillot Bénédicte）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、数据分析、数据管理、概念化。埃里克·肖米永（Eric Chaumillon）：撰写——审稿与编辑、验证、调查。科妮莉亚·伦佩尔（Cornelia Rumpel）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、数据管理。玛丽-弗朗斯（Marie-France）

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了La Rochelle Territoire Zero Carbone项目（PIA TIGA #25875420；新阿基坦大区储蓄银行（Caisse des Dép?ts, Région Nouvelle-Aquitaine）的支持，以及CarboNium（ANR-22-PEXF-0006）和CABESTAN（ANR-22-PEXF-0007）项目的支持，这些项目均属于“FairCarboN”优先研究计划和设备（PEPR）框架内，属于法国2030倡议的一部分。我们感谢参与这项研究的所有实验室平台：IRMS平台（LIENSs实验室，拉罗谢尔）和BGCI平台（IEES）