2. 海南大学生态学院, 海南海口 570100
2. School of Ecology, Hainan University, Haikou, Hainan, 570100, China
潟湖是一类典型的海岸带湿地系统，通常通过一条或多条潮汐汊道与外海相连，并接受河流径流输入。在陆源供给与海洋动力的双重驱动下，其水文过程与沉积格局表现出显著的过渡性与复杂性[1]。作为陆海交互界面的关键生态系统，潟湖及其相邻河口湿地在区域尺度的碳、氮等生物地球化学循环中发挥着重要作用，不仅能够接收并转化来自流域的有机质与营养盐，还可能通过沉降与埋藏过程影响沉积物长期碳库形成及近岸碳收支格局[2]。沉积物中的总有机碳(TOC)、总氮(TN)及碳氮比(C/N)是识别有机质来源与成岩演化的重要指标；而叶绿素a(Chl-a)作为表征初级生产力强度的关键色素，其在沉积剖面中的保存与分布直接记录了环境变迁与富营养化进程[3]。沉积物中有机质及其伴随的营养盐与色素信息，是刻画潟湖物质输入强度、沉积环境与早期成岩转化过程的常用指标体系。沉积物有机碳作为提供有机物循环信息的一个重要指标，其与氮含量结合的C/N，亦能算出其来源信息[4]，而沉积物中的Chl-a更是常被作为环境演变的一个重要指标[5]。近年来，针对地中海马尔梅诺(Mar Menor)等大型潟湖的监测研究进一步证实，人类活动驱动的外源输入增强会显著改变底栖生境的初级生产格局，并在空间上诱发有机质累积的“热点”区域[6]。
八门湾潟湖位于海南文昌，面积约3 965.0 hm2，是海南第四大半封闭的天然潟湖。其地貌复杂，仅南侧通过清澜港潮汐汊道与南海相通，中部发育有深水槽道，四周浅滩广布。自20世纪60年代以来，围垦造地、池塘养殖、定置捕捞网布设、清澜港潮汐汊道工程实施、生活污水及养殖尾水排放等人类开发活动，导致八门湾潟湖面积减少，纳潮面积和纳潮量下降[7]；同时，文教河、文昌河等河流每年向八门湾潟湖输送大量泥沙，两河集水面积达90 290.0 hm2，注入清澜港的年径流量约8.0×108 m3，年输沙量约10.0×104 m3，大部分泥沙沉积在河流入海口，造成河口处淤积严重，生态环境压力日益增大[8]。尽管已有研究涉及八门湾及其毗邻水域红树林分布[9]、浮游植物群落[10]、微生物多样性[11]、高位池养殖对潟湖沉积环境的影响[12]及重金属潜在风险评估等方面[13]，但关于沉积物中有机质与色素指标的垂直演变规律及其空间耦合机制的系统研究仍相对匮乏[14-15]。柱状沉积物作为环境变迁的“记录仪”，既承载了近期的物质输入信息，也记录了早期成岩过程中的组分转化。鉴于此，本研究基于2019年夏季(7月)在八门湾潟湖8个站位采集的柱状沉积物样品，解析TOC、TN、Chl-a及C/N的垂向分布与空间差异，并利用Spearman秩相关性分析探讨各组分间的协同演化特征。研究旨在阐明八门湾沉积物有机质的源—汇动态及空间分异特征，以期为八门湾碳循环过程评估、生态修复与近岸碳汇增汇研究提供基础数据与科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况八门湾潟湖位于海南东部，是由文昌河与文教河汇合入海形成的潟湖港湾，面积3 965.0 hm2，海岸线长73.29 km。该地区属于热带季风海洋性气候，雨水充沛，气候温和。海域潮汐属于不正规半日潮混合潮，潮差较小；潮汐通道内的潮流为沿通道的往复流，落潮流流速大于涨潮流流速。八门湾潟湖周边分布着丰富的红树林资源，目前已建有八门湾红树林保护区及海南清澜红树林省级自然保护区八门湾片区[9]。然而，受周边经济发展影响，大量生活污水、养殖废水和工业废水汇入潟湖，加上旅游等开发活动，导致潟湖面积减少，养殖业无序发展，进而出现自净能力降低、资源退化、生态环境风险加大等问题，红树林及其生态环境遭到一定程度的破坏[16]。
1.2 站位布设与采样根据八门湾潟湖的实际情况，在潟湖内均匀布设8个调查站位(S1—S8)，站位分布如图 1所示。沉积物样品采集按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)[17]执行，使用柱状采样器在每个站位采集一个长度为30—50 cm的柱状样。现场将柱状样每隔2 cm切割分层，取前20 cm，共获得10层样品。每层样品分别装入棕色玻璃瓶中，冷冻保存后运回实验室。
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| 图 1 采样站位 Fig. 1 Sampling stations |
1.3 实验测试与分析
沉积物中Chl-a的测定采用湿样法。分别称取2 g左右自然解冻的沉积物湿样置于离心管中，加入10 mL 90%的丙酮溶液和0.5 mL碳酸镁溶液，经超声充分振荡混匀后，置于冰箱冷藏室中静置14—24 h。随后，在4 000 r/min转速下离心10 min，采用紫外分光光度法分别在750、664、647、630 nm波长下测定Chl-a含量。将剩余的沉积物湿样风干至恒重，经研磨并过80目筛后，用于测定TOC(采用重铬酸钾氧化-还原容量法)和TN(采用凯氏滴定法)。
1.4 数据处理与统计分析沉积物相关指标的测定均严格遵循相应的国家或行业标准，实验过程采用10%的平行样和标准物质进行质量监控，所有平行双样测定结果的相对偏差均在容许范围内。沉积物C/N是指示内外源有机物贡献的有效指标[18]：当C/N＞12时，通常认为有机质主要受陆源输入影响；当C/N＜8时，指示海源有机质贡献较高; 当8≤C/N≤12时，则认为受到陆源与海源混合输入的共同影响[19]。
所有原始测定数据首先在Excel 2019中整理、核对并统一格式，统计分析在SPSS 25.0和R语言(v4.5.0)中完成。基于各站位0—20 cm沉积剖面数据，计算TOC、TN、Chl-a及C/N的站位平均值、区域平均值、标准差及实测值范围；以0—6 cm沉积层平均值表征表层沉积物有机质水平，用于分析其空间分布特征。沉积物垂向分布图基于0—20 cm各层位实测数据，采用R语言ggplot2包绘制；表层沉积物空间分布图基于0—6 cm沉积层平均值，在ArcGIS 10.9中采用分级符号法绘制。在进行相关性分析前，对各指标进行Shapiro-Wilk正态性检验。鉴于部分指标不满足正态分布，采用Spearman秩相关法评估TOC、TN、Chl-a及C/N之间的相关关系，并报告Spearman相关系数及其显著性水平(P值)。Spearman相关系数矩阵及P值采用Hmisc包中的rcorr()函数计算，相关性矩阵图采用GGally包中的ggpairs()函数结合ggplot2包绘制。
2 结果与分析 2.1 沉积物有机质指标的总体水平八门湾沉积物TOC、TN、Chl-a及C/N在不同站位间均表现出一定差异。基于各站位的沉积物指标总体平均值，TOC的含量范围为0.65%—2.68%，区域平均值为(1.33±0.71)%；TN的含量范围为0.19—1.62 mg/g，区域平均值为(0.77±0.54) mg/g；Chl-a的含量范围为1.39—8.94 μg/g，区域平均值为(4.82±3.09) μg/g；C/N的范围为1.65—4.84，区域平均值为2.32±1.05。基于0—20 cm沉积剖面内各层位实测值，TOC的含量变化范围为0.46%—4.27%，TN的含量变化范围为0.075 1—6.000 2 mg/g，Chl-a的含量变化范围为0.37—41.63 μg/g，C/N的变化范围为0.26—8.68。
2.2 沉积物有机质指标的垂向分布特征在0—20 cm垂向剖面上，各指标随深度变化表现出不同程度的层间波动(图 2)。TOC在多数站位垂向变化相对平缓，但S3和S7站位表层高值较为突出。S3站位TOC含量在0—2 cm层达到4.27%，随后降至1.33%—1.53%之间；S7站位TOC高值主要集中在0—4 cm层，>4 cm明显降低。S6站位TOC整体维持在较高水平，S1、S5和S8站位整体较低且层间波动较小。TN的垂向波动主要集中在S3和S7站位浅层。S3站位TN含量在2—4 cm层达到6.00 mg/g，明显高于该站位其他层位；S7站位TN含量在0—4 cm层较高，>4 cm明显降低。S6站位TN在整个剖面内保持相对较高水平；S1和S2站位TN总体随深度增加而降低，S4、S5和S8站位整体处于较低水平。Chl-a的垂向层化特征较明显，高值主要集中在0—6 cm表层。S3站位0—2 cm层Chl-a含量达到41.63 μg/g，为全剖面最高值。从深度层平均值看，Chl-a含量由0—2 cm层的13.06 μg/g降至4—6 cm层的4.83 μg/g，6 cm以下整体降低并趋于稳定。C/N在多数站位垂向变化幅度较小，但S5站位波动较明显。S5站位C/N在10—18 cm层出现较高值，其中16—18 cm层达到8.68；S3站位2—4 cm层C/N最低，为0.26。从深度层平均值看，C/N在0—8 cm层相对较低，8 cm以下整体升高。整体上，站位间差异在0—6 cm表层最为明显，6 cm以下差异幅度有所减弱。
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| 图 2 各站位沉积物TOC、TN、Chl-a及C/N的垂向分布 Fig. 2 Vertical profiles of TOC, TN, Chl-a, and C/N in sediments at each station |
2.3 表层沉积物有机质指标的空间分布特征
以0—6 cm沉积层平均值表征表层沉积物有机质水平，分析TOC、TN、Chl-a及C/N在八门湾不同站位间的空间分布特征(图 3)。表层TOC含量范围为0.70%—2.61%，高值主要出现在S7、S3、S6和S2站位；低值主要出现在S8、S1和S5站位。表层TN含量范围为0.26—2.73 mg/g，高值主要出现在S3、S7和S6站位；低值主要出现在S5、S1和S8站位。表层Chl-a含量范围为2.66—19.93 μg/g，高值主要出现在S3、S7和S6站位；低值主要出现在S1、S2、S5和S4站位。表层C/N范围为1.32—3.24，高值主要出现在S5和S2站位；低值主要出现在S7和S6站位，分别为1.32和1.42。综上，表层TOC、TN和Chl-a的高值站位具有较高一致性，主要集中在S3、S6和S7站位；而C/N的空间分布与前三者不同，其最高值出现在S5站位。整体上，八门湾表层沉积物有机质指标在站位间存在明显空间差异。
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| 图 3 表层沉积物(0—6 cm)TOC、TN、Chl-a及C/N平均值的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of mean TOC, TN, Chl-a, and C/N values in surface sediments (0—6 cm) |
2.4 沉积物有机质指标间的相关性分析
基于0—20 cm原始层位数据，采用Spearman秩相关性分析评估沉积物TOC、TN、Chl-a及C/N之间的相关关系，并通过相关性矩阵图展示各指标间的相关系数、显著性水平、散点分布及密度分布(图 4)。结果显示，TOC、TN、Chl-a及C/N之间存在不同程度的相关关系。其中，TOC与TN呈极显著正相关(P < 0.001)，相关系数最高，表明二者在沉积剖面中的变化具有较强一致性。TOC与Chl-a也呈极显著正相关(P < 0.001)，TN与Chl-a也呈极显著正相关(P < 0.001)。C/N与其他3个指标均呈负相关。其中，C/N与TN的负相关关系最强(P < 0.001)，其次为C/N与Chl-a(P < 0.001)，C/N与TOC也呈显著负相关(P < 0.01)。综上，TOC、TN和Chl-a之间表现为同向变化关系，而C/N与TOC、TN、Chl-a呈相反变化趋势，其中C/N与TN的相关性最为明显。
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| The upper triangle shows Spearman correlation coefficients and significance levels; the lower triangle shows pairwise scatter plots, with black lines used only to visualize the overall direction of data variation.No linear regression models were fitted, and no regression equations or goodness of fit values were calculated. The diagonal panels show density distributions of each variable.Different colors indicate different sediment depth intervals.** and ***, indicate significance at P < 0.01, and P < 0.001 levels respectively. 图 4 基于0—20 cm原始层位数据的沉积物TOC、TN、Chl-a及C/N相关性矩阵 Fig. 4 Correlation matrix of sediment TOC, TN, Chl-a, and C/N based on the original sediment data of the 0—20 cm layer |
3 讨论 3.1 沉积物有机质指标垂向变化及剖面波动特征
TOC和TN是反映沉积物有机质积累与氮素富集状况的重要指标，其垂向分布受有机质输入、颗粒沉降、再悬浮、生物扰动及早期成岩过程等共同影响[20-22]。沉积物中有机质的保存还与颗粒物粒级、吸附能力及氧化还原环境密切相关，细颗粒沉积物通常更有利于有机质富集与保存[15, 23]，因此TOC、TN及Chl-a在沉积剖面中的变化可用于反映沉积物有机质输入、保存及表层生产信号的空间差异。
八门湾多数站位TOC与TN在0—20 cm沉积剖面分布均匀，无明显单向趋势，反映了该深度范围内沉积环境的相对稳定性，以及沉降、再悬浮及生物扰动等混合作用对垂向层化特征的显著削弱[24]。S3与S7站位在表层出现显著波动，反映了局部活跃的表层输入、沉积扰动及早期成岩过程。这一特征与八门湾水动力条件受人类活动影响、局部沉积环境易发生扰动的研究结果[25]相呼应，即TN的垂向分布格局可能受到表层输入、沉积动力过程及早期成岩作用的共同驱动。相较于TOC与TN，Chl-a的垂向层化特征更为显著，表现为随深度增加而逐级递减并趋于稳态，这与大亚湾的研究结果[26]一致。沉积物Chl-a的来源主要包括底栖藻类生产以及浮游藻类沉降输入[26]，其保存与分布受光照条件、界面营养盐交换及底栖生境氧化还原环境等因素共同调控[27]。作为光合作用关键色素，Chl-a常被用作初级生产者现存量的重要指示参数，并用于估算海域初级生产力水平[28]；同时，沉积物中的藻类与色素信号也与底栖食物资源供给密切相关[28]。已有研究估算全球近岸生态系统中底栖微藻年碳固定量可达5×1011 kg[29-30]，在部分浅水体系中其生物量可与上覆水体浮游植物相当甚至更高[31]，说明沉积物—底栖界面的初级生产过程对有机质输入具有潜在重要性。
八门湾沉积物Chl-a表现出显著的表层富集特征，且在0—2 cm范围内波动最大，前10 cm的整体含量显著高于深层。除S5与S8站位在10—12 cm附近出现局地小幅突跃外，其余站位多呈缓慢下降趋势。该特征一方面可能源于浮游生物残骸及其色素在表层富集，以及表层较好的光照与溶氧条件促进底栖微藻生长并利于色素保存[27]，与宁修仁等[32]在以泥质与泥沙质为主潮滩的研究结果具有一致性；另一方面，生物扰动可将表层叶绿素带至沉积物更深处，叠加环境变化引发的再悬浮与再沉降过程，亦可能增强前10 cm的波动幅度[33]。此外，随埋藏深度增加，Chl-a及其衍生色素在早期成岩过程中逐步降解并转化为更稳定的降解产物(如脱镁叶绿素等)，因而深层色素含量整体降低并呈缓慢下降趋势[34]。在夏季降雨径流增强及风浪扰动背景下，表层沉积物更易经历沉降—再悬浮的不稳定过程，从而放大表层波动，而更深层位相对稳定[7, 26]。
3.2 沉积物分层空间格局与埋藏特征站位间的空间变异规律，在很大程度上取决于其所处的区域沉积环境。针对八门湾沉积环境的早期研究显示，八门湾潟湖近6 000年以来沉积速率约为1.5 mm/a，沉积物总体由岸缘向湖心逐渐变细(细沙、粉砂或黏土)，并富含有机质，其形成与文教河径流携带物质在潟湖内的机械沉降有关[8]。同时，潮汐水动力模拟研究表明八门湾不同区域水动力条件存在差异[7]，为有机质在站位间的空间异质性提供了过程背景。考虑到TOC更易在细颗粒沉积物中富集与保存[15]，岸缘—湖心的粒度梯度叠加水动力差异，可能共同促成TOC、TN等指标在空间上的非均匀分布。
从0—6 cm表层平均值看，TOC高值主要出现在S7、S3、S6和S2站位，TN与Chl-a高值主要集中于S3、S7和S6站位，表明八门湾潟湖里端及中央航道附近站位具有较高的有机质、氮素和藻源色素积累水平。八门湾潟湖周边红树林分布广泛，红树植物多样性较高，有24种，占全国红树总物种数(28种)的85.71%[35]。红树林生态系统产生的有机质是河口与沿岸水域次级生产力的重要来源之一，在短时间尺度上可同时体现“碳源”与“碳汇”功能[15]。因此，TOC高值区与红树林分布及其潜在凋落物输入背景相一致[9]，提示红树林来源有机质可能参与局地TOC的形成与保存。相应地，红树林柱状沉积物有机生物标志物研究也表明，红树林来源有机质在沉积物中可形成可识别的输入与降解信号[14]，这为解释八门湾局部TOC高值提供了依据。除红树林输入外，河流携带颗粒物进入八门湾潟湖后的沉降与再悬浮过程，以及潮道与湾内区域间显著的水动力能量梯度，可能共同影响有机质的汇聚与停留条件[7]。航道与潮道区域水动力结构更复杂，既可能促进颗粒物输运，也可能并在局部形成物质沉降与累积的集中区。同时水动力差异会改变再悬浮—再沉降频率，进而放大站位间TOC的空间差异[36]。
3.3 沉积物有机质指标间的相关关系及环境指示意义氮是生物生命活动必需的营养要素，其含量与分布可直接影响着海洋的初级生产力水平[37]。氮的含量及比例变化会进一步影响水体浮游植物和藻类群落结构及生长过程[38-39]，在部分海域可能成为浮游植物生长的重要限制性因子[40]。沉积物是海洋环境中氮的重要源与汇[33, 41]，其氮来源包括河流输入、大气沉降和沉积物释放等过程[42-43]。在八门湾，历史土地利用与人类活动变化可能改变氮负荷。已有研究显示，1964—2015年八门湾红树林面积的比例由15.00%下降到5.25%，红树林景观由大面积连续集中分布逐渐转变为小面积孤立分布[44]。同期养殖水域面积增加至1 415.51 hm2，由原来占水域面积的2.07%上升到14.62%[25]。养殖废水所携带的氮负荷可能是影响潟湖TN时空变化的重要外源因素之一。同时，八门湾海水富营养化评价研究提示该区域营养盐水平存在空间差异[16]，可能进一步影响沉积体系氮的输入与保存条件。
基于0—20 cm原始层位数据的Spearman秩相关性分析显示，TOC与TN呈极显著正相关，且相关系数最高，表明沉积物有机碳与氮素具有明显的协同变化特征。这一结果与二者共同受物质输入强度、颗粒物沉降过程及保存条件制约的认识[45-46]一致。TN、Chl-a与C/N之间的复杂关联结构，本质上是生源信号对沉积动力学与成岩改造的响应，即新鲜藻源的强力输入维持了氮与色素的高频耦合[47]，而后期早期成岩过程的选择性丢失则诱发了C/N的差异化调整[48]。作为初级生产力的关键指示参数，Chl-a的波动不仅代表了水体碳固定能力的强弱[49]，更预示了有机质向底栖环境输送的通量大小[50]，这与本研究中部分站位表层Chl-a与有机质指标呈协同变化的现象一致。
此外，八门湾潟湖受海水交换、径流输入及人类活动的影响显著，降雨径流可能携带农业面源污染物与营养盐进入潟湖，并在低盐度环境下促进微生物过程与有机质转化[51]；同时，藻类在光合固碳形成颗粒有机碳的过程中，也会释放一定比例的溶解有机碳[52]，共同作用于TOC的形成与埋藏。除自然水动力和径流输入外，人类工程扰动也可能进一步改变八门湾潟湖沉积物的层位分异特征。2017年文昌对八门湾分步实施退塘还林还湿等修复与管理措施[35]，工程实施过程中涉及疏通、起垄等地形改造，可能引发底质扰动并造成沉积物中营养盐再分配与短期释放，从而对沉积物TN的层间波动产生影响。
尽管本研究揭示了八门湾沉积物TOC、TN与Chl-a的空间分布及剖面特征，但仍存在局限。本研究采样仅覆盖湿季(7月)，未能反映季风气候背景下降雨径流与风浪扰动的周年变化，同时缺少粒度与矿物学等关键参数，限制了对有机质富集分异及早期成岩机制的定量解释。
4 结论本研究分析了海南文昌八门湾潟湖沉积物的TOC、TN、Chl-a含量及C/N的分布特征，并探讨了各指标间的相关关系。结果表明，八门湾沉积物TOC、TN、Chl-a与C/N在不同站位间及0—20 cm沉积剖面内均表现出一定差异，其中表层(0—6 cm)沉积物的空间差异更为明显，中深层(>6 cm)差异相对减弱。多数站位TOC与TN在0—20 cm沉积剖面内层间变化较小，未呈现一致的单向变化趋势，但二者整体变化具有较高一致性。Chl-a则表现出明显的表层富集特征，并随深度增加逐渐降低。表层沉积物中，TOC、TN和Chl-a的高值主要集中于S3、S6和S7站位等潟湖里端及中央航道附近区域，而C/N高值主要出现在S5站位。C/N整体偏低，多数层位低于8 cm，表明八门湾沉积物有机质总体以海源贡献为主；同时，S5站位中深层C/N高值较突出，说明不同站位和层位间有机质组成存在差异。Spearman秩相关性分析显示，TOC与TN呈极显著正相关(P < 0.001)，且相关性最强；TOC、TN与Chl-a均呈极显著正相关(P < 0.001)，而C/N与三者均呈负相关，其中与TN的负相关最明显。表明八门湾沉积物有机碳、氮素和藻源色素信号具有协同变化特征，而C/N呈相反变化趋势。
针对八门湾潟湖的生态管理与环境修复，建议在现有理化指标监测基础上开展多季节连续观测(覆盖干湿季节)，同步补充沉积物粒度与矿物学特征，并结合稳定同位素、分子标志物与沉积物定年等方法提升物源判别与通量评估能力，从而更准确刻画有机质输入、转化、埋藏机制。管理实践中应将八门湾潟湖里端及潮道等物质汇聚区作为重点单元实施高频监测与风险预警，优先强化入湾氮源(尤其养殖尾水与生活污水)的源头减排与达标排放，并结合水动力与连通性优化的生态化工程措施，降低局部营养盐累积风险，提升潟湖生态系统环境承载力与修复成效。
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