全球沿海湿地土壤稳定碳同位素的分布特征及其影响因素

海岸湿地土壤δ13C的全球分布与驱动机制研究揭示其具有显著的时空异质性，表面土壤δ13C在亚热带最高（?19.30‰±5.40），热带最低（?31.20‰），不同湿地类型（海草床、红树林、盐沼）和土壤深度存在明显差异，且气候通过植被生产力间接影响δ13C，驱动因素中植被类型和气候条件贡献度最高。

　　

程新瑶|郝倩|张晓东|夏少攀|吴乐乐|史爱国|宋兆亮

天津大学地球系统科学学院地表-地球系统科学研究所，天津，300072，中国

摘要

沿海湿地具有较高的碳（C）埋藏率和强大的碳封存能力，在减缓气候变化中发挥着至关重要的作用。稳定的碳同位素组成（δ¹³C）是解释这些生态系统中碳生物地球化学循环的关键指标。然而，全球沿海湿地土壤δ¹³C的模式和驱动因素仍不明确。本研究整合了一个全球数据库，其中包括本研究收集的96个样本以及之前发表的394个δ¹³C记录，以解决这一科学问题。研究结果揭示了土壤δ¹³C存在显著的空间异质性（范围为?31.20‰至?9.00‰），不同湿地类型、气候区和土壤深度之间存在明显差异。具体而言，海草床（范围：?9.00?～??25.70‰；平均值±标准差：?19.30?±?5.40‰）和潮间带（?11.54?～??26.68‰；?21.99?±?3.90‰）的表层土壤中¹³C含量相对较高，而红树林（?9.40?～??29.96‰；?25.05?±?3.74‰）和盐沼（?16.20?～??29.41‰；?23.87?±?2.32‰）的表层土壤中¹³C含量较低。在盐沼内部，以C4植物为主的区域（?22.02?±?1.53‰）的δ¹³C值显著高于以C3植物为主的区域（?24.78?±?1.92‰）。气候、植被和土壤特性之间的相互作用被认为是调节沿海湿地土壤δ¹³C的主要因素，共同解释了约30%的变异。不同湿地类型的土壤δ¹³C对气候和土壤物理化学性质的响应不同。总体而言，沿海湿地土壤δ¹³C倾向于随温度升高或降水量减少而增加。此外，气候通过影响植被生产力和土壤性质间接影响δ¹³C。这些发现强调了因素相互作用以及不同湿地类型在塑造土壤δ¹³C动态中的差异性。

引言

沿海湿地作为陆地和海洋生态系统之间的过渡带，在海洋、陆地和大气系统之间的碳（C）交换中起着关键作用（Wang et al., 2021; Lu et al., 2024）。植被覆盖的沿海湿地，如盐沼、红树林和海草床，以其高生产力、显著的碳埋藏率和低甲烷排放量而闻名，对减缓气候变化至关重要（Wang et al., 2015, Wang et al., 2015; Macreadie et al., 2021; Sun et al., 2025, Sun et al., 2025），被称为“蓝碳”生态系统。“蓝碳”主要储存在这些沿海生态系统的土壤和沉积物中（Zhang et al., 2021; Wu et al., 2025a）。因此，揭示沿海湿地生态系统中土壤有机碳（SOC）的来源、周转和分解过程对于全面分析碳生物地球化学循环和评估碳封存潜力至关重要。然而，海洋和陆地过程之间的复杂相互作用给研究沿海湿地中的碳循环带来了挑战。

稳定的碳同位素比值（δ¹³C）是研究沿海湿地生物地球化学循环的关键工具（Liu et al., 2008）。由于δ¹³C值在陆地、海洋和局部有机物来源之间存在特征性差异，这一指标可以有效追踪SOC的来源和组成（Liu et al., 2015）。除了来源追踪外，δ¹³C分析还可以量化土壤和植物呼吸对生态系统尺度通量的贡献，并帮助识别控制碳排放的因素（Jia and Tong, 2009; Zhang et al., 2022）。此外，它还被用于追踪河口环境中溶解有机碳（DOC）的传输和转化（Maher and Eyre, 2011）。然而，全球沿海湿地土壤δ¹³C的模式仍不清楚。

通常，土壤δ¹³C值受植被组成、气候和土壤性质的影响（Xia et al., 2023）。由于植物凋落物是土壤碳的主要来源，植被类型在很大程度上决定了SOC的δ¹³C特征，这一点已在包括高山、高原和沿海湿地在内的多种生态系统中得到验证（Wu et al., 2018; Qi, 2017; Garten et al., 2000）。降水量和温度等气候变量可以通过影响植物吸收、土壤微生物和酶活性、沉积物沉积以及底物可用性，直接或间接地影响SOC的分解、积累和周转（Xu et al., 2016; Davidson and Janssens, 2006; Wu et al., 2025b），从而影响SOC的δ¹³C组成。此外，土壤性质（如质地、C/N比、pH值和电导率）的空间异质性会影响SOC在长时间内的保存和同位素分馏（Shtangeeva et al., 2019; Deng et al., 2016）。总之，沿海湿地土壤δ¹³C受多种相互作用因素的调控。然而，现有研究主要集中在特定区域或单一因素上，常常忽视了各种因素之间的相互作用，缺乏大规模的综合研究。

本研究结合了96个代表性沿海湿地样本的测量数据以及之前发表的394个全球δ¹³C记录，以揭示沿海湿地δ¹³C的生物地理模式和驱动因素。本研究聚焦于沿海湿地，分析了土壤δ¹³C的全球分布模式，旨在实现以下目标：（1）建立全球沿海湿地土壤δ¹³C数据集，以明确这些生态系统中δ¹³C的全球分布模式；（2）通过分析来自沿海湿地站点的综合环境数据（包括土壤物理化学性质、植被特征和气候变量），探索δ¹³C变化的驱动因素。我们假设：（i）沿海湿地土壤δ¹³C的分布沿纬度和采样深度梯度表现出空间异质性；（ii）植被类型、气候变量、土壤性质及其相互作用共同调节土壤δ¹³C的水平和垂直分布。这项研究将有助于更深入地理解沿海湿地中的碳过程，为碳管理和湿地保护工作提供有价值的支持。

方法

本研究的数据来自两个主要来源：通过野外采样和实验室分析获得的原始数据（n = 96），以及从文献和公共数据库中编译的先前报告的信息（n = 394）。

土壤δ¹³C的空间分布模式

从水平角度来看，490个采样点的表层土壤δ¹³C（0 ～ 10?cm）值表现出显著的空间异质性，范围为?31.20‰至?9.00‰（图1a）。平均δ¹³C值为?23.60?±?3.80‰，大多数值集中在?26‰至?22‰之间（图3a）。总体而言，表层土壤δ¹³C随纬度增加而降低（图1c；图3b），亚热带地区的值高于热带和温带地区（p < 0.05；图3b）。在生态系统方面

影响全球沿海湿地土壤δ¹³C的因素

沿海湿地土壤δ¹³C值的空间分布在全球范围内表现出显著异质性（图1a；图3a）。这种异质性可能与不同地区的植被类型、气候条件和土壤物理化学性质的变化密切相关。

结论

沿海湿地土壤的δ¹³C为阐明有机碳的来源和循环过程提供了关键信息。通过将野外测量数据与元分析相结合，本研究系统地评估了其沿纬度梯度、生态系统类型和土壤深度的空间变异性。表层土壤δ¹³C（0 ～ 10?cm）随纬度略有增加，在亚热带地区达到峰值。特定生态系统的模式显示，海草床和潮间带的δ¹³C值最高

CRediT作者贡献声明

程新瑶：数据整理、可视化、初稿撰写。郝倩：资金获取、监督、初稿撰写、审稿与编辑。张晓东：监督、撰写、审稿与编辑。夏少攀：监督、撰写、审稿与编辑。吴乐乐：监督、撰写、审稿与编辑。史爱国：监督、撰写、审稿与编辑。宋兆亮：资金获取、监督、撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42171052、42471058、42225101、42141014）的支持。