沉积物堆积速率的时间依赖性：城市潮汐沼泽中的短期和长期变化

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Time dependence of sediment accretion rates: Short- and long-term variability in an urban tidal marsh

潮汐湿地沉积速率多时间尺度分析揭示城市潮汐 marsh 的沉降与抬升平衡机制。整合事件（ sediment traps）、年度（ Surface Elevation Tables 和 Marker Horizons）和十年（放射性同位素测年）尺度数据，发现短期事件沉积速率（中位数294.6毫米/年）显著高于年度（11.3毫米/年）和十年尺度（5.8毫米/年），符合 Sadler 效应。空间上沉积速率与海拔负相关，并随距离潮汐通道呈现非线性关系。有机质与矿物沉积比例差异导致表层抬升与净高程变化间的显著差异（中位数13.86毫米/年沉降）。研究结果强调多时间尺度分析对评估城市潮汐湿地抗海平面上升能力的重要性。

　　本研究探讨了城市潮汐湿地中沉积物积累的时空变化及其对海平面上升的响应机制。以费城的Tinicum湿地为例，通过结合多种测量方法，分析了沉积物积累在不同时间尺度上的差异，并揭示了这种差异如何影响湿地的稳定性与适应能力。研究结果对于理解潮汐湿地在面对气候变化和人类活动影响时的长期演变具有重要意义，同时也为相关生态系统的保护与管理提供了科学依据。

Tinicum湿地是费城最大的潮汐淡水湿地之一，其地理位置靠近特拉华河和斯库尔基尔河的交汇处，受到河流与潮汐的双重影响。由于该区域经历了大量的城市化发展，河流和沉积物输入如今主要来自于小支流，如Cobbs溪和Darby溪。这些溪流的流域面积分别为约125平方公里和205平方公里，主要覆盖了费城西南部的居民区和工业区。该区域的高密度城市用地和不透水地表，如沥青道路和建筑，限制了自然沉积物的输入，使得Tinicum湿地面临独特的挑战。尽管如此，湿地仍然在维持其生态功能和抵御海平面上升方面发挥着重要作用。

研究采用了多种方法，包括事件尺度的沉积物陷阱测量、年度尺度的表面高程表（SET）和标记层（MH）测量，以及十年尺度的放射性同位素测年。沉积物陷阱用于捕捉短期沉积事件，通过测量一定时间内沉积物的质量和厚度，可以得到每平方米每小时的沉积速率。相比之下，SET和MH方法用于评估长期的表面变化和沉积速率，而放射性同位素如²¹⁰Pb和¹³⁷Cs则用于分析更长周期的沉积物累积模式。这些方法共同构成了一个多层次的研究框架，使研究人员能够全面了解沉积物在不同时间尺度上的动态变化。

研究发现，沉积物积累速率在不同时间尺度上存在显著差异。在事件尺度上，风暴事件带来的沉积物积累速率远高于非风暴时期，例如，风暴期间的沉积速率中位数为294.6毫米/年，而非风暴期间仅为11.3毫米/年。这种差异主要归因于风暴期间的高能量沉积过程，这些过程能够迅速输送大量富含矿物质的沉积物。而非风暴期间的沉积物则主要来源于湿地内部的植物生长，其有机质含量较高。值得注意的是，沉积物积累速率随着时间尺度的增加而降低，这与Sadler效应一致，即随着测量时间的延长，沉积物积累的平均速率下降。这种效应表明，单一时间尺度的测量可能无法准确反映湿地的真实沉积能力，尤其是在面对加速的海平面上升时。

在空间分布上，沉积物积累与湿地的海拔和距离潮汐通道的位置密切相关。研究发现，沉积物积累速率与湿地海拔呈负相关，表明低海拔区域更容易受到潮汐和风暴的影响，从而获得更多的沉积物。同时，沉积物积累也与距离潮汐通道的距离呈非线性关系，沉积物积累在距离通道100至300米的区域达到峰值，而在更近或更远的区域则较低。这种模式与传统模型预测的线性下降趋势有所不同，可能是由于城市环境中的特殊因素，如风暴期间的河岸侵蚀和悬浮沉积物的再悬浮与再分配，导致了近岸区域沉积物积累的减少。

通过比较沉积物陷阱、SET和MH以及放射性同位素测年的数据，研究揭示了湿地表层沉积与净高程变化之间的差异。这种差异主要反映了湿地内部的浅层沉降过程，包括自压缩和有机物分解等。例如，在某些地点，沉降占总沉积物积累的70%，这表明尽管表层沉积物积累较高，但由于内部过程的消耗，湿地的净高程增长有限。这一发现强调了沉积物质量与沉积物供给之间的相互作用，尤其是在城市化背景下，湿地可能面临沉积物质量下降的问题。

此外，研究还分析了不同时间尺度下有机质的组成变化。事件尺度的沉积物主要由矿物质组成，其有机质含量较低；而在年度和十年尺度上，有机质含量较高，尤其是在某些特定区域，如SET-C，其有机质含量达到了26.03%。这表明，湿地内部的植物生长和有机物积累在维持湿地高程方面发挥了重要作用。然而，有机质容易受到微生物分解和氧化的影响，特别是在水文条件变化的情况下，这可能导致湿地高程的下降。

研究结果对于评估湿地的适应能力具有重要的现实意义。当前的沉积物积累速率虽然超过了长期的相对海平面上升速率，但仅能勉强与近期加速的海平面上升速率相匹配。这意味着，如果仅依赖长期沉积物积累数据，可能会低估湿地在面对加速海平面上升时的脆弱性。因此，研究建议在评估湿地适应能力时，应考虑多个时间尺度的数据，以全面了解沉积物的输入、积累和消耗过程。

Tinicum湿地的研究还揭示了城市环境对湿地沉积过程的深远影响。城市化改变了水文条件和沉积物来源，使得沉积物的输送和沉积变得复杂。因此，湿地的适应能力不仅取决于沉积物的供给量，还与沉积物的质量密切相关。在城市背景下，保持湿地与流域之间的沉积物连通性是至关重要的，这有助于维持湿地的生态功能和抵御海平面上升的能力。

研究还强调了事件性沉积过程在维持湿地高程中的关键作用。风暴事件虽然在短时间内带来大量的沉积物，但其影响具有高度的时空异质性。因此，在评估湿地的适应能力时，不能忽视这些极端事件的影响。此外，研究结果也表明，城市湿地的管理需要综合考虑不同时间尺度的沉积过程，以制定有效的保护和恢复策略。

总的来说，Tinicum湿地的研究为理解城市潮汐湿地的沉积动态提供了重要的科学依据。通过多尺度的方法，研究揭示了沉积物积累在不同时间尺度上的显著差异，并指出这种差异对湿地适应能力的影响。这些发现不仅有助于提高我们对湿地演变机制的认识，也为城市湿地的管理和保护提供了新的视角和方法。在未来，随着海平面上升的加速，如何在城市环境中维持湿地的生态功能和适应能力，将成为一个重要的研究方向。