在不断变化的海岸陆地-水域交界处的过渡带

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Transition Zones at the Changing Coastal Terrestrial-Aquatic Interface

沿海土壤地球化学特征及时空异质性研究——以五大湖与切萨皮克湾为例，发现盐度相关参数（Na、Cl、TS）和Fe、P、C等元素的非线性分布显著影响区域差异，揭示过渡区作为生物地球化学热点，需优先考虑在模型中的参数选择。

　　沿海土壤在全球生物地球化学循环中扮演着重要但高度不确定的角色。这些系统在空间和时间上都表现出显著的生物地球化学过程变化，受到沼泽到陆地梯度以及水文波动的影响。这种波动使得理解并预测这些高度动态系统中的生物地球化学过程变得尤为困难。我们研究了沿海土壤生物地球化学及其变化情况，包括两个对比区域——淡水湖泊系统伊利湖（Lake Erie）和盐水河口系统切萨皮克湾（Chesapeake Bay）。我们发现，与预期相反，盐度相关的分析物不仅在盐水系统中是土壤生物地球化学变化的主要来源，而且在淡水系统中同样起到了关键作用。我们曾假设生物地球化学参数沿过渡带（transition zone）会有线性趋势，但结果却显示，过渡土壤并不总是介于陆地和沼泽端元之间，碳、磷、铁等元素在我们的过渡带中表现出非单调趋势，这表明它们的行为与预期不同，可能难以建模和预测——因此，这些分析物在我们的研究区域中具有重要研究价值。

沿海土壤的变化因素，如钙、钾、阳离子交换容量（CEC）和总盐度（TS），可能作为生态系统转变的前兆。我们的综合土壤表征代表了单一时间点的表层土壤，为跨沿海过渡带的生态系统动态机制建模提供了关键数据。

研究区域的选择基于其广阔的海岸线和不同的沿海陆地-水体界面（TAI）系统。伊利湖代表一个淡水湖泊系统，而切萨皮克湾则是一个盐水河口系统。这两个系统具有相似的陆地到沼泽的水文梯度，可以代表大陆规模水体的岸边环境。为了全面捕捉TAI的空间梯度，我们在每个区域的沼泽和森林及其过渡区域之间设置了土壤采样横断面（transects）。我们量化了20种土壤分析物，包括碳和其他宏量营养元素、微量营养元素、矿物学以及与海洋或农业相关的元素，以确定这些区域中的土壤是否相似或不同。

在研究过程中，我们发现过渡区的土壤并不总是呈现出介于陆地和沼泽之间的中间值，而是表现出独特的生物地球化学特性。这种非线性趋势的发现表明，土壤的变化可能受到多种因素的影响，包括地形、水文和植被类型。这些因素在不同区域和不同土壤层之间可能表现出显著的差异，这在建模和预测沿海土壤系统时需要加以考虑。

此外，过渡区中的某些元素，如碳、磷和铁，表现出显著的非线性趋势。这些元素的高浓度可能表明过渡区是生物地球化学过程的热点区域，对生态系统功能和变化具有重要影响。因此，这些元素可能成为监测沿海生态系统变化的重要指标。

我们研究的横断面设计和土壤采样方法为理解沿海土壤的生物地球化学变化提供了重要的框架。通过对比不同区域和不同土壤层的土壤特性，我们能够识别出哪些元素在不同系统中起主导作用，哪些元素在特定区域中表现出独特的变化模式。这种研究不仅有助于揭示沿海土壤的动态特性，也为生态系统模型的改进提供了关键的数据支持。

沿海土壤的复杂性使得它们在建模时具有挑战性。由于土壤的物理、化学和生物特性可能在不同区域和不同土壤层中存在显著差异，因此需要对这些特性进行详细的观测和分析。我们发现，不同区域中的土壤变化可能受到不同的主导因素影响，如伊利湖中的农业活动和大气氮沉降，以及切萨皮克湾中的盐度和水文变化。这些因素的相互作用可能在不同系统中产生不同的生物地球化学模式。

此外，过渡区中的土壤可能表现出与陆地和沼泽不同的特性。例如，在切萨皮克湾的过渡区中，铁的浓度显著高于陆地和沼泽，这可能与过渡区的水文波动导致的铁的溶解和沉积有关。在伊利湖的过渡区中，水提取有机碳（WEOC）的浓度表现出非单调趋势，这可能与树木死亡和有机物输入增加有关。

我们的研究结果表明，土壤分析物在不同系统中的重要性可能不同。例如，在切萨皮克湾中，铝和磷是土壤生物地球化学变化的主要来源，而在伊利湖中，钙、铁和铵氮则具有更重要的影响。这些发现有助于理解不同沿海系统中的生物地球化学变化模式，并为未来的研究提供了重要的参考。

总体而言，我们的研究揭示了沿海土壤的复杂性和多样性，强调了不同区域和不同土壤层之间土壤特性变化的重要性。通过详细的土壤分析，我们能够识别出哪些元素在不同系统中起主导作用，并为生态系统模型的改进提供了关键的数据支持。这些发现不仅有助于理解沿海土壤的生物地球化学变化，也为预测未来生态系统的变化提供了重要的依据。