红树林是全球初级生产力最高的生态系统之一，也是具有显著固碳和储碳能力的蓝碳生态系统之一^[1]。受周期性潮汐浸没影响，红树林沉积物在有氧与缺氧状态之间交替变化，从而调控沉积物中有机碳分解和氮代谢的微生物过程，导致二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的产生与释放^[2]。同时，外源性营养盐物质的输入可增强红树林沉积物微生物代谢活动，促进这些温室气体的排放^[2]。虽然CH₄和N₂O在大气中含量较低，但二者具有很强的全球增温潜势(Global Warming Potential，指一定时间尺度内单位质量温室气体相对CO₂的红外辐射吸收能力比值)，在100年时间尺度下分别为CO₂的27.9倍和273.0倍，影响不容忽视^[3]。红树林沉积物排放的温室气体所产生的增温效应，可部分抵消生态系统固碳对减缓气候变暖的贡献^[4-5]。例如，我国九龙江口红树林沉积物CO₂、CH₄、N₂O所产生的增温效应，约抵消植被CO₂年吸收量的20%^[4]。此外，红树林沿岸普遍存在水产养殖活动，养殖过程中向红树林排放的有机盐等营养物质会进一步促进沉积物中温室气体的排放，加剧其增温效应^[6]。因此，定量研究红树林沉积物—大气界面温室气体通量及其影响因素，是理解红树林气候调节作用的重要课题^[4-7]。

红树林沉积物温室气体通量受温度、含水率、氧化还原电位、盐度、有机碳和营养盐含量等环境因素的影响，表现出明显的时空变化特征^[2-9]。加强区域尺度红树林沉积物温室气体通量研究，对深入认识红树林沉积物温室气体排放特征及其排放量核算具有重要意义。近年来，红树林沉积物温室气体通量研究备受关注，研究人员在福建漳江口^[10]和九龙江口^[11]、海南东寨港^[12]、广东珠江口^[13]、香港^[14]等地开展了相关的研究。但总体上，目前关于红树林沉积物温室气体通量的研究远少于红树林固碳和碳储量的研究，同时针对CO₂、CH₄和N₂O 3种温室气体通量的研究鲜有报道。

广西北部湾是我国红树林的主要分布区域之一，由于受到北部湾河流入海物质输入少、潮差大等生境特征影响，该区域红树林可能表现出与其他区域不同的温室气体排放特征。然而，目前关于广西北部湾红树林沉积物温室气体通量的研究鲜有报道，只有英罗港不同红树林群落下的沉积物CO₂和CH₄通量的春季日变化研究，以及金海湾红树林涨潮期间水—气界面CH₄和N₂O通量等相关研究^[15-16]。本研究以广西北海西村港红树林为研究对象，分析其沉积物—大气界面3种温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)通量的季节变化特征及影响因素。研究结果有助于加深对北部湾区域红树林沉积物温室气体排放特征及其增温效应的认识。

1 材料与方法 1.1 研究区域

研究区域位于广西北海西村港，地处广西东海岸，属于亚热带季风气候，海陆风特征明显，年平均日照时数1 790—1 800 h，年平均气温23.4 ℃，气温年变化幅度约13.8 ℃，年平均降水量1 500—1 700 mm，年平均蒸发量1 000—1 400 mm，平均相对湿度80%^[15]。海水年平均温度23.5 ℃。海域潮汐为非正规全日潮，年平均潮差2.31—2.59 m^[17]。西村港为天然港湾，潮间带地形平缓，潮沟系统发育较浅^[17]。西村港优势红树物种为桐花树(Aegiceras corniculatum)，白骨壤(Avicennia marina)也较常见，红树林植被整体发育良好。研究区域红树林沉积物以砂、粉砂质为主^[18]。本研究选择的3个桐花树样地(XCG1、XCG2、XCG3)均位于养殖池塘的外侧，离岸距离10—20 m，其中XCG1位于西村港潮沟支沟的顶部区域，XCG1和XCG2均靠近养殖区域的排水口，XCG3位于靠近主潮沟的水道(图 1)。

1.2 气体样品采集与分析

于2020年7月(夏季)和2021年1月(冬季)开展调查。所有采样工作均在最低潮到来前2 h内完成。每个样地随机布设4个独立重复采样点，各采样点地表无凋落物、螃蟹洞穴和植物幼苗。采用静态密闭箱法采集气体样品^[8]。采样时，将静态箱压入红树林沉积物4 cm后，每间隔10 min采集一次箱内气体样品，采样时间持续30 min。采集的气体样品带回实验室后用气相色谱仪(Agilent 7890A, Agilent Technologies, 美国)测定。

在测定过程中，每间隔15—20个样品测定一次标准气体样品以验证测定过程的稳定性。气体样品中CO₂、CH₄和N₂O的检测限分别为113 ppb、60 ppb和10 ppb。温室气体的通量通过箱内空气中目标气体浓度随密闭时间的变化率以及密闭箱的体积—覆盖沉积物面积的比例计算^[8]，计算公式如下：

$ F=\frac{V \times M}{A \times \rho}, $

式中，F为温室气体通量(mol·m^-2·h^-1)；V为采样箱体积(m³)；M为温室气体浓度在1 h内的变化量；A代表沉积物表面积(m²)；ρ代表气体在采样气温下的摩尔体积(m³·mol^-1)。将3种温室气体的全球增温潜势以CO₂当量(CO₂e)表示，其中CO₂、CH₄和N₂O在100年时间尺度下的增温潜势分别为1、28和265^[3]。

1.3 沉积物样品采集与分析

每次气体采样结束后，测定采样箱下方5 cm深度沉积物的温度和氧化还原电位(E_h)。测定完毕后用PVC管采集采样箱下的沉积物样品，采集深度为10 cm。采集的沉积物样品运送回实验室后剔除土样中植物根系和动物等杂质，用于测定其他理化性质参数。使用2 mol·L^-1的氯化钾(KCl)溶液浸提新鲜土壤中的无机氮，浸提液经过滤后使用流动分析仪(Futura Ⅱ, Alliance Instruments, 法国)测定其中的氨态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)和亚硝态氮(NO₂^--N)含量。土壤的含水率采用烘干法测定。部分样品风干后研磨用于测定pH值、土壤全盐、有机碳(OC)和总氮(TN)含量。土壤全盐含量使用电导率法测定，OC和TN含量使用总有机碳分析仪(Vario TOC Cube, Elementar Analysensysteme, 德国)分析，根据OC和TN含量计算C∶N(质量比)。土壤分析参考Page等^[19]的方法，含量以单位干重(105 ℃烘干)表示。

1.4 数据处理

采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)，以季节和采样站位作为固定因子，分析其对3种温室气体通量及沉积物理化性质的影响。数据分析前分别采用Shapiro-Wilk检验和Levene检验对数据的正态性和方差齐性进行检验。其中，CO₂和CH₄通量、温度、氧化还原电位、盐度、pH值通过Blom正态得分法转换，满足正态性和方差齐性检验。该方法可在保留数据原始趋势的基础上，通过非正态分布的连续型数据正态化转换改善数据的正态性与方差齐性^[20]。对于存在显著交互影响的参数，进一步采用独立样本t检验或单因素方差分析比较季节或样地之间的差异。用斯皮尔曼相关性(Spearman correlation)分别分析3种温室气体通量和沉积物理化参数的相关性。所有数据使用SPSS 27.0进行统计分析。

2 结果与分析 2.1 沉积物—大气界面温室气体通量

夏季西村港红树林沉积物温室气体通量变化较大，整体上有一定波动(图 2)。3个样地之间的N₂O通量无显著性差异，但表现出不同的季节性差异(表 1)；3个样地在夏季的N₂O通量均为正值，而XCG1和XCG2在冬季则出现负值，XCG3在两个季节均为N₂O的源。CH₄通量受季节以及季节×样地交互作用的影响显著(表 1)；3个样地中仅XCG2的CH₄通量表现出显著的季节变化，在夏季时具有较高的数值[(19.04±11.63) μmol·m^-2·h^-1]，冬季则出现负值。CO₂通量表现出明显的季节性差异(图 2)，夏季通量显著高于冬季，但3个样地之间的差异不显著(表 1)。

2.2 沉积物温室气体的增温潜势

夏季西村港红树林沉积物中N₂O、CH₄和CO₂的增温潜势总和为321.97 mg CO₂e·m^-2·h^-1，全年(两个季节平均)3种温室气体的增温潜势总和为161.13 mg CO₂e·m^-2·h^-1，CO₂的贡献占86.5%。冬季N₂O、CH₄和CO₂的增温潜势总和远低于夏季，仅为0.29 mg CO₂e·m^-2·h^-1。CO₂对温室气体增温潜势的贡献较大，N₂O在冬季对增温潜势也有较大的影响。在3个样地中，XCG1和XCG2的温室气体增温潜势较为接近，最低值则出现在XCG1的CH₄(表 2)。

2.3 沉积物理化性质

如表 3所示，不同季节和站位的沉积物温度存在一定差异，3个样地中XCG3的夏季温度最高，而XCG1最低。沉积物含水率在34.39%—48.62%之间，其在不同季节、站位之间无显著性差异。季节和站位对氧化还原电位存在显著性影响，交互作用显著，XCG1、XCG2的氧化还原电位均有较为明显的季节性差异。同时，夏季XGC1和XCG3的氧化还原电位高于XCG2，而在冬季氧化还原电位的最低值则出现在XGC3样地。沉积物pH值整体上低于7，XCG1和XCG2的pH值接近并且显著高于XCG3，受季节影响不太明显。

夏季沉积物全盐含量显著低于冬季，XCG3的沉积物全盐含量显著高于XCG1。沉积物NH₄⁺-N含量变化较大，实测范围为1.38—4.77 μg N·g^-1(表 3)，受季节和站位的影响不明显。相反，沉积物NO₃^--N则表现出明显的季节和站位之间的变化特征，XCG1和XCG3表现出显著的季节性差异，XCG1两季均具有较高的NO₃^--N含量，而冬季采样中XCG3和XCG1 NO₃^--N含量相当，显著高于XCG2。夏季3个样地中沉积物的OC含量、TN含量，以及C∶N均显著低于冬季；3个样地中XCG2具有最高的OC含量、TN含量，其次为XCG1，但3个样地的C∶N整体上差异不明显。

2.4 温室气体通量与沉积物参数的相关性

相关性分析结果显示，沉积物温度与3种温室气体通量之间存在显著正相关性(表 4)。N₂O通量与沉积物OC含量、TN含量、C∶N之间存在显著负相关性。CH₄通量与氧化还原电位、OC含量、TN含量之间呈显著负相关性，CO₂通量则与沉积物NO₃^--N含量、全盐含量、C∶N之间存在显著负相关性。

3 讨论 3.1 沉积物—大气界面温室气体通量总体水平

本研究证实西村港红树林沉积物总体上表现为温室气体的源，N₂O、CH₄通量位于前人报道的区间(分别为-1.80—23.80 μmol·m^-2·h^-1和-20.8—302.0 μmol·m^-2·h^-1)^[21-22]内。本研究中全年(两个季节平均)3种温室气体的增温潜势总和为161.13 mg CO₂e·m^-2·h^-1。西村港红树林面积约为23.6 hm^2[23-24]，推算该区域的温室气体年排放量为14.56 kg N₂O、203.61 kg CH₄和288.42 t CO₂，对应的增温潜势总和为333.11 t CO₂e·m^-2·h^-1。

在3种气体中，CO₂对温室气体排放增温潜力的贡献最大，全年的贡献达到86.5%(两个季节平均)。这与福建九龙江河口^[11]、广西北海^[25]等地方报道的结果一致。九龙江口红树林中，CH₄和N₂O的增温潜势占3种温室气体增温潜势总和的9.7%—33.2%(平均23.8%)。最近的估算显示，全球滨海湿地排放的CH₄和N₂O的增温潜势大约抵消湿地CO₂碳汇的9%—20%^[5]。在富营养条件下, 红树林沉积物N₂O和CH₄排放作用会增强，例如深圳福田红树林两者的CO₂e通量总和达到CO₂的2倍^[8]。因此，在评估全球变暖时，需要同时考虑红树林这3种温室气体的排放作用。但目前，国内关于红树林中CH₄和N₂O通量的研究仍较少，未来需进一步加强这些温室气体通量及微生物生消机制的研究。

3.2 沉积物—大气界面温室气体通量的影响因素

亚热带地区红树林沉积物温室气体通量通常表现出夏季高于冬季的季节性变化特征^[26-27]。本研究的沉积物温室气体通量(尤其是CO₂)也表现出季节变化特征。冬季西村港的CO₂通量处于较低水平，而夏季处于较高水平，总体上与广东福田(5.23—10.78 mmol·m^-2·h^-1)^[8]、九龙江口(-0.49—17.00 mmol·m^-2·h^-1)^[21]和珠江口(1.10—14.30 mmol·m^-2·h^-1)^[28]等地红树林夏季CO₂通量水平接近。本研究中3种温室气体通量与沉积物温度存在显著正相关性，也表明温度变化是导致温室气体通量季节性变化的主要原因。

红树林沉积物中CO₂通量受到沉积物OC含量、TN含量和氧化还原电位等影响，较高的OC含量、TN含量和氧化还原电位水平有利于CO₂的产生和排放^[27]。然而，基于两次调查结果发现，西村港红树林沉积物CO₂通量与氧化还原电位、OC含量、TN含量之间无显著相关性，但夏季调查结果发现XCG1和XCG2的CO₂通量高于XCG3，这一差异与沉积物OC含量、TN含量和氧化还原电位的空间分布一致。冬季低温条件可能掩盖了这些理化参数对CO₂通量的作用，导致CO₂通量整体偏低。

产甲烷菌在缺氧条件下可产生CH₄，其产量和通量随着氧化还原电位的下降而增加^[29-31]。沉积物中NH₄⁺-N含量的增高会抑制沉积物中微生物的CH₄氧化作用，促进CH₄的产生^[32-35]，高盐环境下硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争底物^[36-37]。本研究中，沉积物氧化还原电位与CH₄通量存在显著负相关性，而研究区养殖水未显著改变NH₄⁺-N含量与全盐含量，因此氧化还原电位实际并未对CH₄通量产生明显的作用，表明沉积物的缺氧水平可能是主导CH₄通量变化的主要因素。例如，夏季XCG2的CH₄通量最高，同时沉积物的氧化还原电位最低；而冬季调查中XCG2沉积物的氧化还原电位增高至正值，同时NH₄⁺-N含量较低，CH₄通量随之下降。XCG1沉积物两次采样的CH₄通量均低于XCG3，也可能是氧化还原电位较高导致的。

红树林沉积物的N₂O主要来源于微生物的硝化与反硝化作用^{[9, 38-39]}，沉积物中无机氮起着关键调控作用^[40]，其含量的升高通常会促进N₂O排放^[41]。当沉积物中NH₄⁺-N含量较高且氧化还原电位高于200 mV时，硝化作用是N₂O的主要产生途径，而NO₃^--N含量较高且氧化还原电位低于350 mV时，反硝化作用占优势^[42-43]。西村港红树林沉积物的氧化还原电位条件(< 200 mV)有利于反硝化作用。但本研究未发现N₂O通量与NO₃^--N含量存在显著的正相关性，可能是季节性温度变化以及其他微生物过程影响。3个样地中XCG1距离养殖塘排水口较近，夏季沉积物中NO₃^--N含量和N₂O通量均高于其他站位，表明反硝化作用可能是N₂O的主要来源。冬季红树林沉积物中NO₃^--N含量明显高于夏季，但N₂O通量低于夏季，推测为在冬季低温缺氧的条件下，部分无机氮通过厌氧氨氧化作用被代谢为N₂^[44]，而非产生N₂O。但是，以上沉积物中微生物氮代谢过程以及N₂O生成与消耗机制还有待进一步研究。

4 结论

本研究主要调查了广西北海西村港红树林沉积物温室气体通量时空特征及其与沉积物理化性质之间的关系。结果表明，研究区沉积物红树林在夏季表现为较明显的温室气体排放作用，而冬季的通量较低；总体上研究区红树林沉积物表现为温室气体的排放源，其增温潜势主要取决于CO₂。CH₄通量受沉积物氧化还原电位条件的调控，而N₂O的产生主要与反硝化作用有关。同时，红树林周边的养殖活动可能影响沉积物温室气体的排放特征。未来，需加强对养殖活动影响下红树林沉积物温室气体通量的研究，而养殖活动中营养盐排放及其对沉积物中微生物代谢和N₂O生成与消耗过程的影响也需进一步探索。