近日，中国科学院烟台海岸带研究所肖凯研究员，联合国内外学者在海岸带底栖生物扰动对温室气体排放研究中取得了新进展，以“Widespread crab burrows enhance greenhouse gas emissions from coastal blue carbon ecosystems”为题发表于Nature旗下期刊Communications Earth & Environment（中国科学院大类一区TOP期刊）。

    海岸带滨海湿地是重要的有机碳库，在调节全球碳循环和气候变化中发挥关键作用。招潮蟹等底栖动物广泛栖息于滨海湿地，他们的觅食、挖洞筑穴等生物扰动行为极大程度上影响了沉积物界面的水文和环境过程。招潮蟹洞穴可作为地下水-地表水相互作用的优先流动通道，不仅极大地增加地表水和地下水的交换速率和通量，提高土壤通气强度和持续时间，也在很大程度上促进了能量流动和物质循环。作者早期的研究发现，在盐沼湿地中底栖生物扰动能通过潮汐冲刷减少沉积物和洞穴中“蓝碳”的埋藏潜力。由于潮汐驱动的水力梯度，蟹洞与周围土壤基质之间发生连续的对流孔隙水交换，在潮汐冲刷的作用下，洞穴中溶解态物质被不断地冲出沉积物，造成系统碳流失。因此，阐明招潮蟹洞穴对海岸带碳循环的影响，对评估海岸带蓝碳储量和理解生态系统演变过程具有重要意义。

 研究团队沿中国大陆海岸线的气候梯度，选取光滩、盐沼、红树林和潮沟4种典型的招潮蟹栖息地，设置了53对采样点，对超过1000个招潮蟹洞穴沉积物和临近沉积物基质展开比对调查（图 1）。通过整合招潮蟹扰动下沉积物中有机碳和腐殖质成分变化（图2和图3）发现，招潮蟹洞穴沉积物的重组分有机碳（HFOC）相比轻组分有机碳（LFOC）具有更高富集比例，而招潮蟹穴居对腐殖质成分的影响相对复杂，在盐沼和潮沟，洞穴沉积物的胡敏素含量高于基质，在光滩和红树林中相反。

 

图1 研究采样点分布图，招潮蟹栖息地采样包括四种生境：盐沼，红树林，光滩和潮沟

图2招潮蟹扰动调节沉积物中轻/重有机碳含量和比例

图3招潮蟹洞穴对碳循环通量和沉积物中碳组分的影响

    相较于沉积物基质，招潮蟹洞穴沉积物CO2、CH4和N2O的排放速率率分别提高23%、120%和30%，其中CO2的排放量增加了17%-30%，CH4增加了49%-141%。通过分析有机碳组成、酶活性、气候梯度与温室气体排放之间的关联表明：（1）招潮蟹洞穴通过增强氧气的渗透，导致土壤有机碳消耗增加，从而促进了温室气体的产生；（2）CO2排放主要受有机碳含量和土壤酶活性的影响，CH4排放则受酶活性和腐殖质含量的控制，而N2O排放与环境指标的整体相关性不显著；（3）招潮蟹洞穴内温室气体排放受到HFOC和LFOC的间接限制，而沉积物基质中温室气体排放与气候条件直接相关（图4）。

图4环境因子和沉积物化学指标对碳组分和温室气体排放的贡献

 研究结果表明，红树林和盐沼中招潮蟹洞穴增加的温室气体排放可以抵消35%-134%的沉积碳埋藏量。红树林中的洞穴比盐沼产生更多的CO2和CH4排放。中国红树林分布在亚热带的南方省份，如果这些地区的所有盐沼因为生态修复工程被红树林取代，预估招潮蟹洞穴将导致碳埋藏量进一步减少41%左右。

 

图5招潮蟹洞穴与植被生长、沉积物特性、碳组分及温室气体之间的多重正负反馈路径

    上述工作证明了招潮蟹洞穴、栖息地类型和气候之间存在复杂的相互作用，也表明海岸带蓝碳生态系统的碳汇潜力可能因为底栖生物扰动低于预期。然而，招潮蟹洞穴也可能通过增加有机物积累和提高植物初级生产力来增加碳的固存（图5）。未来的研究需要更大空间和时间尺度来开展招潮蟹扰动对海岸带蓝碳循环的研究，进一步讨论生物扰动对系统碳汇的复杂影响机制。本研究为理解海岸带生态系统在全球碳循环中的作用带来了新见解，并对海岸带管理和保护提供了新依据。

    上述研究，中国科学院烟台海岸带研究所肖凯研究员为本文第一作者，并与厦门大学潘峰副教授和南方科技大学刘延助理教授为本文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院人才项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科创委等联合资助。

相关论文信息：

 

Xiao, K.*, Wu, YC., Pan, F. *,Huang, Y.R.,Peng, H.B.,Lu, M.Q.,Zhang, Y., Li, H.L.,Zheng, Y., Zheng, C.M.,Liu, Y. *,Chen,N.W.,Xiao, L.L.,Han, G.X.,Li, Y.S.,Xin, P., Li, R.L.,Xu, B.C.,Wang, F.M.,Tamborski, J.J.,Wilson, A.M.,Alongi, D.M.,Santos, I.R.,2024. Widespread crab burrows enhance methane emissions from coastal blue carbon ecosystems. Communications Earth & Environment. 5:437. https://doi.org/10.1038/s43247-024-01621-2

文章下载链接：https://www.nature.com/articles/s43247-024-01621-2.pdf

延伸阅读（相关研究）：

1. Yin, M.S.,Xiao, K.*, Xin, P., Li, H.L.,Zheng, C.M.*, Smith, E., Wilson, A.M.,2023. Randomly-Distributed Crab Burrows Enhance Porewater Flow and Salt Transport in the Creek-Marsh System. Water Resources Research, 59, e2023WR035612. https://doi.org/10.1029/2023WR035612. (生物扰动水文过程)
2. Xiao, K., Wilson, A.M.*, Li, H., Ryan, C., 2019. Crab burrows as preferential flow conduits for groundwater flow and transport in salt marshes: a modeling study. Advances in Water Resources, 132, 103408. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2019.103408. (生物扰动水文过程)
3. Xu, X.H.,Xin, P., Zhou, T.Z.,Xiao, K., 2022. Effect of macropores on pore-water flow and soil conditions in salt marshes subjected to evaporation and tides. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 261, 107558. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2021.107558. （生物扰动水文过程）
4. Pan, F.,Xiao, K.*, Cai, Y., Li, H.L.,Guo, Z.R.*, Wang,XH., Zheng, Y., Zheng, C.M.,Bostick, B.C.,Michael, H.A.,2023. Integrated effects of bioturbation, warming and sea-level rise on mobility of sulfide and metalloids in mangrove wetlands.Water Research, 233, 119788. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119788. (生物扰动地球化学过程)
5. Xiao, K.*, Wilson, A.M.,Li, H., Santos, I., Tamborski, J., Smith, E., Lang, S.Q.,Zheng, C.M.,Luo, X., Lu, M.Q.,Correa, R.E.,2021. Large CO2release and tidal flushing in salt marsh crab burrows reduce the potential for blue carbon sequestration. Limnology and Oceanography, 66(1): 14-29. https://doi.org/10.1002/lno.11582. (生物扰动地球化学过程)
6. Xiao, K., Pan, F., Santos, I.R.,Zheng, Y., Zheng, C.M.,Chen, N.W.,Lu, Z.Y.,Wang, F.F.,Li, Z.Y.,Li, H.L.*, 2022. Crab bioturbation drives coupled iron-phosphate-sulfide cycling in mangrove and salt marsh soils. Geoderma, 424, 115990. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.115990. (生物扰动地球化学过程)
7. Pan, F., Xiao, K.*, Guo, Z.R.,Li, H.L.,2022. Effects of fiddler crab bioturbation on the geochemical migration and bioavailability of heavy metals in coastal wetlands. Journal of Hazardous Materials, 437, 129380. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129380. (生物扰动地球化学过程)
8. Xiao, K., Wu, J., Li, H.*, Hong,Y.*, Wilson, A.M.,Jiao, J.J.,and Shananan, M., 2018. Nitrogen fate in a subtropical mangrove swamp: Potential association with seawater-groundwater exchange. Science of the Total Environment, 635C,586-597. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.143.(生物扰动地球化学过程)