受到海平面上升威胁的沿海湿地是大自然捕获和储存碳的发电站。南加州大学的研究人员正在研究如何保护这些重要的生态系统。
尽管只覆盖了海洋的2%，沿海湿地——如潮汐盐沼、红树林和海草床——却储存了海洋沉积物中发现的近一半的碳。这些“蓝碳”生态系统自然地从大气中吸收大量二氧化碳(CO2)，并将其深埋在土壤中。
但是不断上升的海平面——预计到2100年将上升1米——有可能破坏水的化学成分和对碳循环至关重要的微生物的微妙平衡。涨潮还可能把沼泽变成泥滩，将储存的碳释放回大气，加剧气候变化。
在南加州大学瑞格利环境与可持续发展研究所新碳与气候倡议的支持下，南加州大学的研究人员正在纽波特湾生态保护区的潮汐盐沼中研究这一威胁，该保护区是南加州奥兰治县42英里长的海岸线上的一个河口。这片面积超过600英亩的湿地是滨鸟、水禽、本土植物和几种稀有濒危物种的栖息地。
该研究小组正在通过实地观察、实验室实验和先进的建模技术相结合，研究海平面上升如何影响沼泽的微生物群落，这些微生物群落最终会影响碳的捕获和储存。这样做将使研究小组更清楚地了解湿地对气候变化的潜在脆弱性。
南加州大学校长可持续发展解决方案研究员、该项目的首席研究员大卫Bañuelas说:“像上纽波特湾那样的盐沼，实际上可以储存与亚马逊雨林或世界上任何其他森林一样多的碳，使它们成为对抗气候变化的强大盟友。”该奖学金是“任务:地球”框架研究目标的关键组成部分，该框架是南加州大学校长卡罗尔·福尔特(Carol Folt)于2022年推出的一项“登月计划”，旨在确保南加州大学在可持续性运营、研究和教育方面保持领先地位。
“我们的目标是开发预测和减轻碳损失的方法，量化处于风险中的碳量，并确定恢复技术，以确保在下个世纪继续进行碳捕获和储存。”
蓝色碳捕获:为什么微生物统治世界
微生物在滨海湿地碳循环中起着至关重要的作用。这些小而强大的生物吸收二氧化碳，将其转化为有机物质，并根据物种的不同，将这些碳隔离或释放回大气中。
“微生物控制着地球上所有的碳循环，”南加州大学多恩塞夫文理学院生物科学副教授、该项目的联合研究员卡梅伦·斯拉什说。“就像人类向大气中排放二氧化碳一样，微生物控制着二氧化碳的最终命运——它是被转化为固定的有机碳，将碳隔离在我们的海洋或土壤中，还是将其转化回二氧化碳。”
沿海湿地储存碳的主要方式之一是通过微生物分解死亡的有机物。这些生态系统中的细菌和真菌将有机物转化为其他生物(如浮游植物和浮游动物)可以利用的形式。这些较小的生物随后被食物链中更上层的大型动物吃掉。
然而，随着海平面上升，海水入侵会改变系统中存在的微生物，可能会改变有机物在食物链中的加工和转移方式。这些破坏可能对整个生态系统产生级联效应，特别是影响盐沼植被的养分供应，这有助于将碳隔绝在沼泽土壤中。
这些地区的植被从大气中捕获二氧化碳，微生物在分解有机物中发挥作用，既将其储存在沉积物中，又将一些有机物释放成二氧化碳。随着时间的推移，封存的碳在泥炭层、土壤和沉积物中积累，形成长期的碳库。这些富含碳的沉积物可以完好无损地保存数百年甚至数千年。
“我们知道，在50到100年内，大部分盐沼将变成泥滩，这实际上是碳排放的来源。如果没有植被，很多原本会被储存的碳将被释放回大气中。”Bañuelas说。
蓝碳:从海洋到实验室
在水生生态系统中，微生物的多样性令人难以置信，每一滴水中都有10万到1000万个细胞。这些微生物对环境变化非常敏感，比如海平面上升和海水入侵。Thrash说，了解这些变化如何影响微生物群落对于预测沿海湿地碳捕获和储存的未来至关重要。
研究人员与加州鱼类和野生动物部、纽波特湾保护协会和欧文牧场水区合作，密切追踪上纽波特湾沼泽中最常见的微生物群，包括一种叫做SAR11的关键细菌群，这是我们海洋中最丰富的浮游生物，在水生碳循环中起着重要作用。
研究小组乘坐皮艇或船只前往沼泽，定期收集水样，以识别和量化沼泽中存在的不同微生物。然后，研究人员在Thrash的实验室中通过提取DNA来处理样本，研究微生物遗传密码和水的化学成分。然后，利用计算生物学技术，该团队解码了这些微生物的基因组数据，以深入了解它们的碳处理能力。
Bañuelas说:“我们的目标是根据大范围和时间框架的盐度预测，准确预测在哪里可以发现不同的微生物。”“这一突破将帮助我们预测和应对气候变化的影响，使我们能够更好地保护脆弱的流域。”
蓝碳捕获和储存的未来
为了保护和恢复上纽波特湾的潮汐盐沼，研究人员也在探索工程解决方案，这将导致沼泽中碳储量的净增加。
为此，他们与南加州大学维特比工程学院土木与环境工程副教授费利佩·德·巴罗斯(Felipe de Barros)合作，后者的研究重点是开发能够模拟大型水文地质生态系统的模型。他们正在共同开发先进的计算机模型，以预测微生物群落及其碳处理潜力将如何对上纽波特湾盐沼中气候引起的变化作出反应。
“有了预测模型，我们可以量化海洋和沿海湿地之间的碳平衡，使我们能够做出合理的决定来保护这些重要的生态系统，”德巴罗斯说。“这些模型还使我们能够预测不同的水文条件如何影响碳平衡。”
这些发现将延伸到上纽波特湾之外，并可能与世界各地的沿海海洋和河口系统相关。
Thrash说:“通过研究盐度、微生物群落和上纽波特湾碳循环的相互联系，我们正在制定一份蓝图，以了解和预测环境变化对全球沿海生态系统的影响。”他的研究小组，南加州大学的Thrash实验室，正在主要河口进行类似的研究，包括密西西比河周围的墨西哥湾和路易斯安那州的Atchafalaya河三角洲，以更好地了解微生物动态，为保护工作和可持续管理实践提供信息。
“我们星球的未来取决于海洋和沿海生态系统的健康，”Bañuelas说。“通过保护蓝碳栖息地，我们朝着更可持续的未来迈出了重要的一步。”
来源:南加州大学
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