卡塔尔沿海地区蓝碳循环研究

地球科学 化学 环境化学 地球化学 海洋科学
蓝碳 萨布哈 沿海生态系统 碳封存 红树林 高盐环境 潮汐盐沼

研究背景

全球气候变化，尤其是全球变暖，对全球碳循环施加了巨大压力。海洋作为重要的碳汇，吸收了大量的二氧化碳（CO₂），导致海水酸化，进而对依赖碳酸盐矿物的海洋生物产生不利影响。沿海湿地，如潮间带盐沼（sabkhas）、红树林和盐水湖入口，是重要的蓝碳（blue carbon）储存地，具有显著的气候学意义。蓝碳是指从大气和海洋中吸收并储存的碳，其储存能力和机制受到多种物理、地球化学和生态因素的影响，包括溶解碳的上涌、碳酸盐矿物的矿化以及沉积物中微生物的碳循环。

卡塔尔半岛的沿海地区具有独特的地球化学特征，为研究蓝碳储存提供了理想的研究场所。然而，卡塔尔沿海沉积物中碳储存与有机质（OM）降解和微生物活动之间的关系尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过生物和地球化学工具，探讨卡塔尔三个独特沿海地点（红树林和两个具有不同地质和潮汐影响的盐沼）的碳储存能力，揭示生物地球化学指标如何影响其蓝碳储存潜力。

研究团队与发表信息

本研究由来自多伦多大学（University of Toronto）和卡塔尔大学（Qatar University）的研究团队完成，主要作者包括Ivan Strakhov、Hadil Elsayed、Zach A. Diloreto等。论文于2024年10月22日发表在《Geo-Bio Interfaces》期刊上，题为《Blue Carbon Cycling in the Coastal Areas of Qatar》。

研究方法

研究团队在2021年12月和2022年10月对卡塔尔三个沿海地点进行了实地采样，包括Khor Al Adaid盐沼（KAAS）、Dohat Faishakh盐沼（DF）和Al Khor红树林（AK）。研究人员采集了约40厘米深的沉积物岩芯，分析了沉积物孔隙水，并通过微传感器对沉积物表面的pH、氧气（O₂）、氧化还原电位和硫化氢（H₂S）进行了深度剖面分析。此外，研究还使用了高分辨率透射电子显微镜（TEM-EDXS）和扫描透射X射线显微镜（STXM）来揭示在沿海高盐环境中促进镁碳酸盐成核的模板效应。微生物DNA测序则用于分析不同沉积深度的微生物群落组成。

主要结果

  1. 沉积物-水界面的地球化学条件：微传感器数据显示，所有研究地点的表层水均为氧化和碱性环境，沉积物表层0.1厘米处的氧气浓度和氧化还原电位显著升高。然而，沉积物孔隙水在表层以下迅速变为缺氧环境，氧化还原电位下降，pH接近中性，硫化氢浓度在深层沉积物中显著增加。

  2. 沉积物特征的深度剖面：在KAAS盐沼，有机碳（TOC）含量在表层最高，随着深度增加而逐渐减少，无机碳（TIC）也表现出类似的趋势。DF盐沼的TOC含量在深层沉积物中显著增加，尤其是在11厘米和35厘米深度处。AK红树林的TOC含量在表层最高，随着深度增加而减少，但在深层又有所回升。

  3. 微生物群落组成：不同地点的沉积物中，微生物群落组成差异显著。KAAS盐沼的表层沉积物以变形菌门（Proteobacteria）为主，而深层沉积物则以厚壁菌门（Firmicutes）为主。DF盐沼的表层沉积物以绿弯菌门（Chloroflexi）和变形菌门为主，深层则以厚壁菌门为主。AK红树林的表层沉积物以变形菌门为主，深层则以厚壁菌门和广古菌门（Euryarchaeota）为主。

  4. 碳酸盐矿物的形成：通过X射线衍射（XRD）和TEM-EDXS分析，研究团队发现DF盐沼和AK红树林的沉积物中存在大量的白云石（dolomite），尤其是在深层沉积物中。白云石的形成与有机质降解密切相关，尤其是在DF盐沼的深层沉积物中，白云石的成核与埋藏的微生物垫密切相关。

研究结论

研究表明，卡塔尔三个独特沿海环境的碳循环和储存能力受到水文动力学沉积、氧化/缺氧条件、有机质降解和无机碳相以及微生物群落组成的不同程度影响。DF盐沼的有机碳和无机碳含量与有机质降解率密切相关，白云石在埋藏的微生物垫附近成核。KAAS盐沼的有机碳、无机碳和总磷含量仅与沉积深度相关，碳储存在高度碱性的沉积物-水界面下，由表层微生物垫中的氧气和缺氧光合作用固定。AK红树林的无机碳与红树林来源的有机质降解密切相关，表层沉积物中富含白云石。

研究亮点

  1. 蓝碳储存机制：研究揭示了卡塔尔沿海沉积物中蓝碳储存的多种机制，包括有机质降解、碳酸盐矿物形成和微生物活动。
  2. 白云石的形成：研究发现，白云石的形成与有机质降解密切相关，尤其是在DF盐沼的深层沉积物中，白云石的成核与埋藏的微生物垫密切相关。
  3. 微生物群落的作用：研究强调了微生物群落在碳循环和储存中的关键作用，尤其是厚壁菌门和变形菌门在深层沉积物中的主导地位。

研究意义

该研究为理解沿海湿地蓝碳储存的机制提供了重要见解，尤其是在高盐环境中碳酸盐矿物的形成和有机质降解的作用。研究结果对全球碳循环模型和沿海湿地保护具有重要参考价值，尤其是在应对气候变化和海洋酸化的背景下。

其他有价值的信息

研究还指出，卡塔尔沿海地区的蓝碳储存能力受到快速气候变化和土地利用变化的威胁。因此，保护这些沿海地区的自然碳储存能力至关重要，尤其是在面临工业发展和人类活动压力的背景下。