人类活动对黄河三角洲湿地碳排放的影响研究进展

王子豪，徐鑫溢，陈庆锋，李 昆，颜菲菲，辛 宇，纪林卉，李岱珈，冉俊豪，徐小亚*

(1.山东师范大学地理与环境学院，山东济南 250014；2.中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心和海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东青岛 266100；3.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛 266100)

二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是大气中重要的温室气体。据世界气象组织(WMO)分析报道，人类活动的加剧导致2020年大气CO2和CH4浓度达到新高，其中CO2浓度约为4.13×10-1‰，CH4浓度约为1.89×10-3‰[1]。自20 世纪初以来，温室气体浓度升高导致的气候变暖使得全球海平面持续上升，全球河口海岸带地区的极端气候事件频繁发生[2]。当前，中国力争于2030年前实现碳达峰，计划通过提升生态碳汇能力，充分发挥森林、草原、湿地等生境的碳汇作用[3]，从而持续推进中国2060年的碳中和目标。滨海湿地被认为是重要的“蓝碳生态系统”之一，作为大气中CO2和CH4重要的源或汇，该地区的碳循环过程对于减缓气候变化具有重要意义。微生物是土壤生态系统的重要组成部分，其通过参与有机碳矿化、固碳等过程在碳循环过程中发挥着重要作用[4]。然而，工农业开发导致的土地利用类型的变化、农业活动以及化肥的使用等人类活动改变了微生物生境及其群落结构，从而影响土壤碳循环过程，最终反馈至大气，影响气候变化进程。因此，探明人类活动对微生物主导的土壤碳循环过程的影响对于可持续的土地管理和减缓气候变化至关重要。

黄河三角洲作为全球最年轻的三角洲和湿地生态系统之一，其独特的地理环境(河-海-陆交互作用显著)使得该地区具有极高的生物多样性和生产力。近年来，在经济的快速发展以及愈发密集的人类活动影响下，黄河三角洲湿地的生态环境变得愈发脆弱和敏感。当前，盐渍化加剧、过量化肥输入、重金属和微塑料污染等导致的环境问题深刻影响了河口地区的生态健康与生物地球化学循环过程，并对CO2与CH4排放相关的碳循环过程产生了重要影响[5]。迄今为止，国内外学者基于河口湿地CO2与CH4排放的环境影响因子及其对环境变化的响应已开展了大量研究[6-7]。结合黄河三角洲湿地所面临的重要环境问题，总结湿地碳循环相关微生物以及CO2与CH4排放过程对这些环境问题响应特征与机制的相关研究进展，以期为黄河三角洲湿地管理措施的制定以及明晰黄河三角洲湿地在减缓气候变化进程中的作用提供理论依据和微生物生态学视角。

1 数据与方法

Web of Science数据库是由美国科学技术信息研究所推出的引文索引数据库，已成为国际公认的进行科学统计和科学评价的检索工具。本文以科学引文索引Web of Science核心合集为数据源，选用(1)salt，Yellow River Delta，carbon OR saline，Yellow River Delta，carbon OR salination，wetland,carbon OR salinization，Yellow River Delta，carbon；(2)over-fertilization，Yellow River Delta，carbon OR excessive fertilizer，Yellow River Delta，carbon OR excessive fertilization，Yellow River Delta，carbon OR long term fertilization，Yellow River Delta，carbon OR nitrogen input，Yellow River Delta，carbon OR fertilizer，Yellow River Delta，carbon OR fertilization，Yellow River Delta,carbon；(3)heavy metals，Yellow River Delta，carbon OR heavy metals，Yellow River estuary，carbon；(4)microplastic，Yellow River Delta，carbon OR microplastic，Yellow River Delta，C OR MPs，Yellow River Delta，carbon OR MPs，Yellow River Delta，C共4个序列的关键词，针对不同检索主题，选取2013—2023年的发表年份，对检索结果进行筛选，分别得到271 篇、70 篇、60 篇和7 篇论文。在CiteSpace 6.1 R2 的聚类功能集群中，采用对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)算法，对关键词进行聚类和分析。聚类的规模越大，编号越小；当平均轮廓值S＞0.7时，表明聚类是有效的和令人信服的。在本文中，以上4个序列关键词对应的平均轮廓值S分别为0.766 6、0.767 4、0.875 9和0.963 1，表明聚类结果分类合理。

2 盐渍化加剧对黄河三角洲湿地碳排放的影响

2.1 黄河三角洲湿地盐渍化现状

土壤盐渍化是土地退化的一种形式，据估计，中国受土壤盐渍化影响的地区已扩大至3.6×105km2，主要分布在干旱半干旱地区和滨海滩涂地区[8]。黄河三角洲是中国北方典型的滨海土壤盐渍化地区，以垦利宁海为顶点，北起套尔河口，南至支脉沟口，大部分区域位于山东省东营市境内，年降水量具有明显的季节性，这直接导致地表径流和地下水补给量在年内分配极不均匀。同时，该区年蒸发量远大于降水量的特点为土壤盐分向上运移提供了有利条件，使得当地土壤盐渍化过程先于成土过程，具有良好的盐渍淤泥发育基础[9]。该区盐度空间分布不均匀，区域水盐动态过程复杂，特殊的自然环境使其易发生土壤盐渍化等生态问题。近年来，随着黄河流域生态保护与高质量发展相关政策的持续推进，黄河三角洲湿地土壤盐渍化程度已得到大幅度削减，重度盐渍化面积不断缩小，盐渍化增长趋势总体上得到根本性遏制。但是随着社会经济的快速发展，黄河流域与黄河三角洲地区的人口数量增加、工农业不断发展，使得黄河三角洲湿地面临更为复杂的外部环境，这将潜在地影响湿地的盐渍化过程。

当前，黄河流域绿化提升工程的实施使得入海泥沙含量减少而引起的海水入侵、“渤海粮仓”计划开展过程中的垦荒与灌溉以及生产生活用水量的不断增加等一系列人类活动对水循环的支配，已经显著改变了黄河三角洲的水盐平衡以及盐碱土壤的时空分布，使黄河三角洲总盐渍化面积由2015年的4 244 km2增加至2020年的4 629 km2[10]，呈小幅上升趋势。同时，最新研究显示，位于黄河入海口的垦利区约有76%的地区受到土壤盐渍化的侵蚀，轻度盐渍化、中度盐渍化、重度盐渍化土壤的面积分别为43 112 hm2、56 205 hm2和30 147 hm2，分别占垦利区总面积的23.4%、30.5%和16.4%[8]。可见，黄河三角洲湿地土壤盐渍化问题依旧广泛且深刻[11]。在全球视角下，湿地盐渍化正在以前所未有的地理规模和速度发生，对湿地生态系统造成了深远影响[12]。在人类活动干预下，气候变化与水文循环之间的相互作用更加紧密，可能会在未来几十年加剧湿地盐渍化的范围与严重性[13]。同时，土壤盐渍化导致的湿地退化将改变湿地景观和土壤微生物，进而改变湿地碳循环过程，甚至可能使湿地由碳汇变成碳源，最终反馈至全球气候系统[14]。

2.2 盐渍化对黄河三角洲湿地碳排放的影响

针对盐渍化对黄河三角洲湿地碳排放影响的相关英文文献，通过聚类分析，得到9个主题的代表性关键词，包括plant invasion(植物入侵)、carbon dioxide(二氧化碳)、biochar(生物炭)、soil aggregate(土壤团聚体)、salt stress(盐胁迫)、saline soil(盐渍土)、soil inorganic carbon(土壤无机碳)、estuarine wetlands(河口湿地)和fluorescence(荧光反应)，其对应的代表性关键词见表1。盐渍化对黄河三角洲湿地碳排放的研究主要集中在：(1)植物入侵引起的盐渍化湿地碳排放增加机制及其生态效应；(2)盐渍化对土壤有机碳分子组成、稳定性和分配的影响及其对湿地碳排放的响应；(3)生物炭应用于盐渍化湿地土壤改良对土壤碳储存和碳排放的影响及机制；(4)盐渍化湿地土壤微生物对有机质分解和湿地碳排放的调控作用及其响应机制；(5)河口湿地碳排放与盐度、潮位和植物入侵的相互作用机制及模型研究；(6)盐渍化湿地土壤无机碳组分、来源、固化和分配机制对碳排放的影响及其生态效应；(7)遥感监测、荧光光谱和稳定同位素技术在盐渍化湿地碳排放研究中的应用。

表1 关于黄河三角洲盐渍化问题研究的文献关键词聚类表Table 1 Keyword clustering table of the literature on the study of salinization in the Yellow River Delta

IPCC 第五次评估报告指出[15]，沿海地区土壤盐渍化现象在全球范围内普遍存在，大面积湿地正处于强烈的盐分变化环境之中。黄河三角洲湿地作为中国最大的滨海湿地之一，其盐渍化问题备受关注。通过研究黄河三角洲湿地土壤盐渍化对碳循环与碳排放的影响[16-18]，发现土壤盐渍化是影响土壤理化性质、微生物群落结构和功能的主要因素之一，并且高盐浓度可以限制微生物活动与酶活性，降低土壤碳氮含量[19]。探究影响土壤有机碳含量变化的因素与土壤胞外酶(如碳获取细胞外酶)的功能，将有助于从机制上理解盐碱地碳循环[20-21]。研究表明，由于滨海湿地生境的复杂性，土壤胞外酶活性对盐渍化有着不同的响应，盐渍化程度、土壤有机碳损失与碳获取胞外酶三者之间存在潜在功能关系[22-23]，并且在不同盐渍化程度下土壤有机碳损失的敏感度不同[24]。因此，土壤盐渍化程度可以作为预测土壤有机碳损失的一个重要指标，为建立盐渍化与有机碳损失之间的函数模型提供了理论依据。

此外，在讨论盐生植物对土壤微生物活性的提升以及对盐渍化的抗逆性时，需要注意不同盐度环境下CO2排放量的变化[25]。在种植耐盐植物的地区，随着盐度的增加，CO2累计排放量增加了35%，表明盐度管理与CO2减排之间关系密切，在高盐胁迫环境下尤其需要对CO2排放进行预测[26]。因此，为了充分了解滨海湿地盐渍化、土壤有机碳和CO2排放之间的复杂关系，需要开展更深入的研究。

盐分还通过影响底物供给[27-28](如土壤有机质、植物根际分泌物及二者的残留物底物)调控CH4的产生过程(图1)。在盐渍化环境下，CH4产生的调控方式主要包括渗透胁迫、离子毒害、营养失衡以及盐胁迫的次级反应等[25,29]。研究发现，低盐度环境并未对CH4产生过程产生抑制作用，反而促进了CH4产生，而高盐度环境则会通过抑制产甲烷菌活性的方式降低CH4排放量[30]。值得注意的是，上述现象在环境中的发生并非绝对，研究人员曾在高盐环境中检测到嗜盐甲烷菌属的古菌，该菌属于专性嗜盐产甲烷菌，是专性甲基营养体，可在盐度高达25%的环境下生长[31-32]。此外，高盐环境往往导致土壤pH的上升。大多数研究表明，pH是影响产甲烷菌活性的重要环境因子，而产甲烷菌生长的最适pH 范围为6.5～7.5[33]，这使得盐碱地高碱环境中产甲烷菌的活性通常会受到抑制，进而降低CH4排放量。但考虑到专性嗜盐产甲烷菌对高盐环境的强适应能力，其对于湿地碳减排必然存在一定威胁。在厌氧条件下，微生物氧化CH4的过程被称为甲烷厌氧氧化(AOM)，其被广泛认为是大气CH4浓度的重要调节器。研究表明，中度盐渍化(盐度为40～80 mmol/L)会显著降低土壤CH4消耗量[34]，但该过程并未完全受到抑制，而在高盐度(＞9%)环境下则完全被抑制[35]，即盐度与甲烷厌氧氧化速率显著负相关。通过对黄河三角洲湿地土壤样品进行室内模拟实验，发现低水位和高盐度有利于CH4的固存[36]，在实现生态平衡的前提下，通过适度增加土壤盐度影响甲烷产生以及甲烷厌氧氧化功能微生物的生长，进而抑制CH4排放过程，是湿地CH4减排的优先选择。

图1 不同盐分条件对黄河三角洲湿地CH4排放的影响Fig.1 Effects of different salinity conditions on CH4 emissions from wetland in the Yellow River Delta

总体而言，人类活动造成的盐渍化加剧对土壤碳排放的影响是一个复杂的过程，涉及到土壤微生物活性和群落结构的改变，以及盐度对微生物代谢和生长的限制程度。一方面，高盐浓度会改变土壤的理化性质，降低土壤碳、氮含量，直接或间接影响微生物活动和酶活性，导致碳排放减少。另一方面，盐渍化通过促进土壤中部分耐盐微生物的生长，加快有机质分解，从而提高土壤呼吸速率，增加CH4排放量，导致碳排放量增加。因此，盐渍化的影响因土壤环境和盐渍化程度而异，不同程度的盐渍化可能引起不同的碳通量变化。

3 过度施肥问题

3.1 黄河三角洲湿地过度施肥现状

施肥是黄河三角洲周边农田的重要土地管理措施之一，其可以显著提高作物产量与质量，肥料的施用方法、肥料类型等都会对微生物介导的碳循环过程产生重要影响。合理施用肥料对植物根系生长及农作物生产均有促进作用，对土壤微生物活性、植物根系分泌物等也有一定积极意义，有利于土壤团聚体的形成和稳定性[28]，但过量施肥则反之。其中氮肥是目前农业生产过程中施用量最大的肥料之一，长期施氮将造成土壤pH降低甚至酸化，导致土壤盐基不饱和度增加、土壤肥力下降，并且活化潜在的毒性离子Fe(III)和Al(III)，从而降低土壤抗逆性。此外，氮肥的过量施用还会通过氨挥发以及反硝化作用产生各种含氮气体(如N2O、NO、NO2等)，引起大气污染[37]。中国作为世界上氮肥用量最大的国家，氮肥施用量占全球氮肥施用量的30%左右[38]。根据中国统计信息网[39]报道，多年来东营市种植区的地下水存在严重的NO-3污染问题，NO-3含量最高超标27 倍。由于湿地中有机碳的分解在很大程度上受土壤氮可用性的控制，因此，人为氮输入的增加会影响湿地的碳平衡[40]，氮的异常浓度将严重影响土壤养分储备以及微生物介导的温室气体排放过程，并且该过程在造成资源浪费的同时严重威胁当地的生态安全。

3.2 过度施肥对黄河三角洲湿地碳排放的影响

针对过度施肥对黄河三角洲湿地碳排放影响的相关英文文献，通过聚类分析，得到7个主题的代表性关键词，包括media(介质)、blue carbon(蓝碳)、nitrogen input(氮 输 入)、carbon sequestration(碳 封 存)、global warming(全 球 变 暖)、nutrient enrichment(营养富集)和decomposition(分解)，其对应的代表性关键词见表2。过度施肥对黄河三角洲湿地碳排放影响的主要研究领域包括：(1)过度施肥对湿地介质(如土壤、沉积物等)结构与性质的影响；(2)过度施肥对湿地植被的影响以及藻类、海草等富含有机碳的植物对碳固定和碳封存的作用；(3)过度施肥对湿地氮素浓度的影响以及氮输入对湿地碳排放的调节作用；(4)过度施肥对湿地碳封存的影响以及湿地土壤碳储量与碳封存机制；(5)过度施肥对湿地温度、湿度等气候因素的影响以及全球变暖对湿地碳排放的影响；(6)过度施肥对湿地营养元素浓度的影响以及营养富集对湿地碳排放的微生物调控机制；(7)过度施肥对湿地分解作用的影响以及分解作用对湿地碳排放的调节作用。

表2 黄河三角洲过度施肥问题研究的文献关键词聚类表Table 2 Keyword clustering table of the literature on the study of over-fertilization in the Yellow River Delta

黄河三角洲湿地是天然的碳汇[29]，然而，不断增长的人口和社会经济变化刺激了人们对更多农业生产用地的需求。为了满足日益增长的人口对粮食需求的增大，更多自然湿地被转化为农田，而转化后的农田成为碳排放的重要来源[41]。湿地排水转化为农业用地后，土壤有机物暴露在空气中，导致其被氧化并以CO2气体的形式释放到大气中。因此，湿地转为农田将对其碳汇能力造成损害，还可能使其成为温室气体的重要来源[41]。

氮输入增加显著增强了黄河三角洲盐沼湿地生态系统的CO2吸收能力。植被覆盖是影响生态系统CO2净交换的重要生物因素之一，而氮输入增加了黄河三角洲湿地土壤无机氮的含量，缓解了养分限制，从而促进了盐地植物的生长，增加了植物生物量，进而增强了生态系统CO2吸收能力[42]。在低产林地中的研究发现，氮肥输入大大增加了树群的CO2汇，但树桩CO2汇的增加高于土壤CO2净排放的增加，因此，以施肥为基础的林业在十年的时间范围内有气候冷却的作用[43]。但是，随着氮输入量的增加，特别是NH4NO3的过量输入将导致土壤逐渐酸化，这将改变碳循环相关酶的活性，从而降低湿地以CO2形式的碳损失[40]。

氮输入还能够提高盐沼湿地土壤碳排放，主要表现为生长季的CO2排放和淹水期的CH4排放。由于氮输入提高了土壤养分含量，促进了植物生长，并向土壤中输送了更多活性有机碳，如溶解性有机碳(DOC)，从而产生和排放了更多的CO2和CH4[42]。这与其他学者的研究结果[44]相似，在美国北卡罗来纳州弗里曼溪湿地，通过比较施肥和未施肥地块的碳积累量，发现氮肥的大量施用显著提高了湿地微生物的呼吸速率，从而显著增加了CO2净排放量。虽然氮肥输入能够促进植物生长增加植被固碳量，但是碳损失远大于碳积累，氮输入增加导致的湿地碳损失将达到原来的5 倍。目前，随着粮食需求的不断增加和土地利用类型的不断变化，黄河三角洲湿地在转化为农田时将经历频繁的淹水和排水过程，盐沼湿地土壤有机碳流失主要受淹水频率控制，短期的水文操纵会使CO2排放增加40%，这将使其升温潜能增加7.5倍[41]，而氮输入可以削弱淹水频率对CO2、CH4排放和溶解性有机碳流失的控制作用[42]。此外，生态系统CO2交换的季节变化主要与土壤温度相关，而氮输入强化了温度对盐沼湿地CO2交换的影响[42]。在全球变暖的趋势下，氮输入对盐沼湿地碳循环的影响将变得更加复杂，需要开展更深入的研究来探讨其作用机制。

长期大量施用氮肥对CH4排放的影响已受到生态学家们的广泛关注，但当前的研究结论并不一致。部分研究认为，长期大量施用氮肥会增加土壤中氨的浓度，氨可以取代CH4被甲烷单加氧酶(MMO)氧化为NO2-[45]，而NO2-又会抑制CH4氧化作用最后一步反应中甲酸脱氢酶的活性[46]，进而抑制土壤CH4氧化过程并促进CH4排放[47]。还有研究发现，在水稻生长季施氮显著增加了随后休耕期的CH4排放，这可能是因为土壤溶解性有机碳含量的升高为CH4产生提供了充足的基质[48]。此外，参与反硝化型厌氧甲烷氧化(DAMO)过程的主要细菌M.oxyfera的最佳pH为7.5[49]，表明氮肥过量施用导致的土壤酸化可能会阻碍功能细菌的活动，并进一步阻碍甲烷厌氧氧化，最终加剧CH4排放。因此，为了更好地了解长期施用氮肥对CH4排放的影响，特别是对功能菌活性和土壤pH 的影响，有必要开展进一步的研究。研究发现，黄河三角洲湿地土壤NO2-、NO-3和总氮含量是影响反硝化型厌氧甲烷氧化速率的主要环境因子[6]。这一结论在中国杭州湾湿地也得到证实[50]，NO-3浓度与反硝化型厌氧甲烷氧化细菌的丰度和活性均显著正相关。因此，氮肥的适量施用可能会通过增加土壤中NO2-与NO3-含量的方式提高甲烷氧化菌的丰度和活性，从而促进甲烷厌氧氧化的发生并降低CH4的释放。综上所述，过度施肥对黄河三角洲湿地碳排放产生了重要的影响，但影响程度取决于施肥量、施肥方式、湿地类型、气候条件等多种因素。因此，在进行湿地保护和管理时，需要针对不同情况采取相应的措施，以保持湿地的碳平衡。

当前，基于以CH4作为电子供体，具有NO3-/NO2-还原能力的反硝化型厌氧甲烷氧化反应被广泛认为在全球碳循环和氮循环之间发挥着重要联系作用[51]，同时该反应已被广泛应用于工业脱氮过程。考虑到M.oxyfera细菌与Anammox细菌在CH4氧化与NH+4氧化过程之间的耦合联系，即可以共同利用CH4和NH+4作为电子供体，在氮污染严重的土壤中，利用二者的共同功能作用进行土壤脱氮是十分可行的(图2)，这对于解决因长期过量施用氮肥所造成的湿地土壤氮污染和温室气体排放具有重大意义。

图2 利用反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)与厌氧氨氧化过程进行氮污染治理与CH4减排Fig.2 Using the denitrifying anaerobic methane oxidation(DAMO)and Anammox processes for nitrogen pollution control and CH4 reduction

4 重金属污染问题

4.1 黄河三角洲湿地重金属污染现状

重金属引起的环境污染是导致滨海湿地生态系统服务功能不断下降的重要原因之一。近年来，随着黄河三角洲地区城市化和工业化进程的不断加快，纺织服装、石油化工等成为该区的优势产业[52]。工业废弃物中铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)等重金属的残留量较高，对废弃物的处理方式不当会使环境面临严重的污染压力。此外，随着大型生猪、鸡、鸭、羊等养殖业向黄河三角洲地区聚集，农业活动中的畜禽粪肥经常被作为肥料用于作物生产，这使得土壤重金属不断累积[53]。人类活动导致的土壤重金属污染问题已成为当前社会和学术界关注的热点。土壤中重金属含量的增加能够改变土壤理化性质，并通过水源供给、食物摄入、皮肤接触等方式影响人类健康[52]，同时，重金属污染还会作用于湿地生态系统的一些关键生态过程[54]。因此，Fe、Mn、Cu、Cd、As、Pb 等重金属作为典型的累积性污染物能够对人类健康和生态环境造成显著影响[55]，还可以通过影响微生物功能及其群落结构对湿地碳循环过程产生重大影响，但由于重金属对生态环境影响方式的多样性以及环境的高度复杂性，使得当前对该过程影响机理的研究依然存在争议。

4.2 重金属污染对黄河三角洲湿地碳排放的影响

通过聚类分析，在重金属污染对黄河三角洲湿地碳排放影响的相关英文文献中，得到11 个主题的代表性关键词，包括source identification(来源识别)、respiration rate(呼吸速率)、geochemistry(地球化学)、spartina alterniflora(互花米草)、centrifugal ultrafiltration(超滤离心)、laizhou bay(莱州湾)、polluted sludge(污染底泥)、episodic deposition(偶发性沉积)、composting(堆肥)、aliphatic hydrocarbons(脂肪烃)和China(中国)，其对应性关键词见表3。重金属污染对湿地碳排放影响的研究主题涉及(1)重金属来源识别，包括工业排放、农业废水、城市污水等来源；(2)重金属污染对湿地生态系统呼吸速率的影响，了解其对湿地碳排放的影响；(3)通过分析湿地中重金属的地球化学特征，揭示重金属污染物的转化和迁移行为，为研究其对湿地碳排放的影响提供理论支持；(4)以互花米草为代表的湿地植物对重金属污染的耐受性和净化能力研究，为湿地修复提供科学依据；(5)通过超滤离心技术，对湿地水体中的重金属进行分离和浓缩，提高检测灵敏度，为深入研究重金属污染对湿地碳排放的影响提供实验技术支持；(6)研究莱州湾重金属污染对湿地生态系统的影响，为保护莱州湾湿地以及中国不同湿地生态系统提供科学依据，探讨湿地生态修复的可行性和科学性；(7)重点研究湿地底泥中重金属污染物的来源、迁移和转化规律，为探明底泥对湿地碳排放的影响机制与湿地修复提供理论支持；(8)探究重金属污染物的偶发性沉积中不同沉积通量和沉积类型对湿地生态系统碳排放的影响；(9)通过堆肥技术，将污染的底泥转化为肥料，为湿地修复提供可持续性的解决方案；(10)研究重金属污染物与脂肪烃的相互作用，探究二者对湿地碳排放的综合影响。

表3 黄河三角洲重金属污染研究相关文献的关键词聚类表Table 3 Keyword clustering table of the literature on the study of heavy metal pollution in the Yellow River Delta

黄河三角洲湿地沉积物一般呈碱性，在碱性环境中重金属元素不容易发生迁移，并随时间的推移而聚集[56]。对黄河口及其邻近地区表层沉积物中微量金属的含量及其粒度分布的研究结果表明，不同重金属之间存在极显著相关性，说明它们可能来自于共同的污染源[57]。目前，黄河三角洲沉积物中重金属元素的含量与潜在生态危害程度存在差异和变化，并且重金属元素的形态和种类也会影响其潜在的生态风险程度[58]，总体来看，铬(Cr)、Cu、As、Pb 主要是复合污染，源于黄河沿岸、河口地区的石油和矿物资源开采、化石燃料的燃烧以及自然因素的作用[59]，金属形态以残渣态和可还原态为主[60]；Cd污染主要来源于工业污染(电镀、化工、金属加工等)、农业活动(农业用药、污水灌溉等)和生活废水[59]，Cd 以弱酸形态存在[60]，这种形态具有极高的迁移性和生物可利用性[61]，使其更容易被植物吸收，从而影响植物的生长和光合作用，进而影响碳的固定和释放。Pb、Cd 等重金属元素具有较强的毒性，可导致湿地生态系统生产力下降、物种多样性减少，从而减少湿地的碳排放。尽管黄河三角洲湿地沉积物Pb含量较高，但其容易随细颗粒悬浮物迁移，矿化埋藏进入沉积物中使其毒性降低，因此Pb的潜在生态风险程度较低[56]。研究表明，湿地沉积物中重金属的含量可能与湿地有机碳库存在潜在联系，并且大多数重金属的生物累积与总初级生产力、生态系统呼吸显示出强烈的相关性[62]。这是因为湿地中的水生食物网以天然溶解有机碳为基础，重金属随着有机碳通过消费者的摄食行为进入并影响生物群落，因此，湿地沉积物有机碳含量是间接影响重金属含量的关键因素。同时，重金属污染降低了土壤微生物的丰富性和多样性[63]，改变了区域内微生物群落的空间结构[62]，这会抑制微生物的呼吸，导致CO2排放量减少。然而，土壤有机碳含量可以缓冲重金属污染的影响，在有机碳含量较高的湿地，重金属对微生物的毒性降低，这将缓解重金属对CO2排放的抑制作用。这些研究结果对于理解重金属污染对黄河三角洲湿地碳排放影响的复杂性具有重要意义。

在上述研究中，重金属并没有显著抑制产甲烷菌的活性，但是对甲烷厌氧氧化过程及其相关微生物却具有显著影响，这可能是因为与其他土壤微生物群落相比，产甲烷菌对重金属毒性的耐受力更强。因此，与碳、氮等元素循环相耦合的以金属还原菌介导的金属依赖型甲烷厌氧氧化(Metal-AOM)过程在生物地球化学循环过程中起着重要的驱动作用[64]。例如，Fe、Mn作为黄河三角洲湿地环境中重要的变价金属元素，在厌氧环境中普遍存在二者作为电子受体参与甲烷厌氧氧化反应的过程。2009 年，在加利福尼亚州鳗鱼河流域的研究中发现了甲烷厌氧氧化依赖Fe、Mn的证据[64]，此后，在半咸水海岸的相关研究也证明了铁氧化物还原与CH4氧化之间存在耦合联系[65]。还有研究人员通过在淡水沉积物生物反应器中添加CH4和金属Mn(IV)，发现了以“Candidatus Methanoperedens manganicus”和“Candidatus Methanoperedens manganireducens”为主导的Mn(IV)依赖型甲烷厌氧氧化微生物[66]。在黄河三角洲地区，不同土层的甲烷厌氧氧化潜力对Fe(III)、Mn(IV)输入的响应存在差异[67-68]，但在人工湿地[33]与沿海稻田中[69]，铁、锰的输入能有效削减湿地CH4和CO2排放量。因此，当前关于Fe 和Mn 的添加是否促进甲烷厌氧氧化的结论仍然不一致，其原因除了生境之间的相互独立性外，还可能与Fe 和Mn 的输入形式和浓度有关。目前，通过对湖泊沉积物中甲烷厌氧氧化的模式、途径和微生物多样性进行研究，发现尽管有一些证据表明甲烷厌氧氧化依赖于金属氧化物，但非硫酸盐氧化剂对甲烷厌氧氧化的刺激大多是间接的，这为日后研究金属耦合甲烷厌氧氧化提供了新的视角[70]。

除了Fe(III)与Mn(IV)，其他金属类型如As(V)、硒[Se(VI)]、Cu(II)、Cr(VI)、矾[V(V)]、锑[Sb(V)]和碲[Te(IV)]也能介导甲烷厌氧氧化[71-76](表4)。As 可以作为甲烷厌氧氧化的替代电子受体，甲烷厌氧氧化菌通过反向产甲烷和呼吸作用还原As，并且其功能基因在自然环境中普遍存在，因此该过程可能是一个被广泛忽略的潜在全球性过程[74]。研究发现，甲烷氧化菌属中的甲基单胞菌属(Methylomonas)可以在氧化CH4的同时直接将SeO24-还原为SeO[75]。同时，在厌氧环境中，甲烷氧化菌Candidatus Methanoperedens和Candidatus Methylomirabilis也可以将SeO24-还原为SeO，从而消除SeO42-的毒性[77]。可见，Se 作为重要电子受体具有参与甲烷厌氧氧化过程的潜力。

表4 金属依赖性厌氧甲烷氧化(Metal-AOM)相关研究进展Table 4 Advances in researches related to metal-dependent anaerobic methane oxidation(Metal-AOM)

综上所述，重金属污染对湿地碳排放的影响受到多种因素的调控，包括污染物种类、浓度等。此外，重金属污染对不同类型湿地碳排放过程的影响也不尽相同。鉴于重金属离子如Fe、Mn等在湿地环境中的广泛分布，重金属介导的甲烷厌氧氧化过程在未来控制湿地重金属迁移转化与CH4减排领域有着重要前景，而其介导自然界中多种元素循环的生态功能也将为黄河三角洲湿地的可持续发展提供新的研究路径。

5 微塑料污染问题

5.1 黄河三角洲湿地微塑料污染现状

微塑料是指尺寸小于5 mm的塑料碎片或颗粒，通常将其中直径小于2 mm的塑料颗粒定义为塑料微粒，其会进一步分解成纳米级塑料(＜100 nm)。微塑料的主要成分为聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等聚合物，以及用于纺织衣物、织物的人工合成纤维类微塑料，如尼龙(PA)、人造丝(PA)、涤纶(PET)等[81]。研究表明，黄河三角洲湿地土壤中存在颗粒、碎片、纤维和薄膜4种不同形态的微塑料[82]，该地区微塑料污染较为严重，微塑料总体丰度达80～4 640 items/kg，平均丰度为1 142.53 items/kg，粒径范围为5.78 μm/mm[83]。土壤微塑料的来源主要包括农业生产中地膜与薄膜的使用、作物种植、施肥、灌溉、大气沉降等，其中以土壤中残留的农用薄膜裂解产生的微塑料最为主要[84]。

微塑料对生物和环境的影响表现为，当其被生物摄入后造成生物体机械损伤，同时增塑剂等化学成分在微塑料迁移、转化过程中的释放还将引发生物摄食效率降低，对其发育和繁殖产生毒害作用[85]。微塑料还能吸附重金属、抗生素等污染物并长期与污染物共存，使污染物在生物体内得到富集，改变污染物的毒性效应并对生物产生复合作用，同时微塑料还会改变土壤pH、容重等理化性质[81]。此外，微塑料还可以作为微生物、藻类、昆虫等生物的“新型”生存载体，在进行生物能量迁移的同时可能会通过物种迁移的方式为新环境带来生物入侵等问题[86]。因此，微塑料输入对环境及动植物的健康都会带来不同程度的风险，并通过食物链的生物富集作用对人类健康产生威胁，当今社会对于微塑料污染的研究与治理已经迫在眉睫。

5.2 微塑料污染对黄河三角洲湿地碳排放的影响

通过聚类分析，在微塑料污染对黄河三角洲湿地碳排放影响的相关英文文献中，获得3 个代表性关键词，即microplastic pollution(微塑料污染)、pollutants adsorption(污染物吸附)和human activities(人类活动)，其对应的关键词见表5。微塑料污染对黄河三角洲湿地碳排放影响的研究主题有(1)微塑料来源和分布：对黄河三角洲湿地微塑料来源和分布的调查研究，包括塑料颗粒的粒径、密度和形态等；(2)微塑料的吸附和释放：研究微塑料在湿地环境中的吸附和释放特性，探讨微塑料对湿地有机碳吸附和释放过程的影响；(3)微塑料对湿地碳排放的影响：研究微塑料对湿地有机碳分解和微生物代谢的影响，探讨微塑料污染对湿地碳循环的影响机制；(4)微塑料污染的环境风险：评估微塑料对湿地生态系统和人类健康的风险，包括微塑料在湿地生态系统中的累积和生物放大效应；(5)微塑料治理与减排技术：探索黄河三角洲湿地微塑料治理与减排的技术和方法，包括物理、化学和生物处理等手段的应用。

表5 黄河三角洲微塑料污染研究的文献关键词聚类表Table 5 Keyword clustering table of the literature on the study of microplastic pollution in the Yellow River Delta

微塑料主要由碳、氢、氧等元素组成，是一种高碳含量的人造物质，与传统观点不同的是，微塑料除了易威胁生态环境外，还有一定的生态功能。一方面，由于微塑料不易分解的特性，使其能够在土壤中积累，有学者发现在所有存在微塑料污染的区域，土壤微塑料丰度与有机碳含量之间存在正相关关系[87]，尽管贡献率低，但微塑料已经对沿海沉积物碳库做出了隐性贡献[88]。另一方面，微塑料中在相对短时间内较易分解的部分可以作为土壤微生物的碳源或有机底物被微生物利用，从而对相关功能微生物的生长产生促进作用。例如，科研人员证实了部分微生物对微塑料的生物降解能力，从红树林沉积物中分离出来的芽孢杆菌菌株27 (Bacillussp.strain 27)和红球菌菌株36 (Rhodococcussp.strain 36)，在接触到聚丙烯微塑料时表现出来的生长反应和降解机制表明，这两种细菌菌株生长都能利用聚丙烯微塑料[89]。

目前，微塑料污染对黄河三角洲湿地碳排放的影响程度尚不明确。尽管该地区存在微塑料污染，但污染程度和潜在污染风险均较低[82]。人口密度、经济活动以及河流输入、近海潮汐等自然过程都会深刻影响微塑料的分布[82]。植被类型也会影响黄河三角洲地区微塑料的沉积，植被能够减缓水流速度、降低波浪强度，从而加速微塑料在河口湿地的沉积过程[90-91]。此外，不同类型植被的根系结构和微生物群落也会对微塑料沉积产生影响。因此，在研究微塑料污染对湿地碳排放的影响时，需要考虑自然因素和人为因素对微塑料分布和沉积的复合影响。微塑料输入会明显改变湿地沉积物中微生物的群落组成、代谢特性以及植物的生长和营养循环[92]。虽然微塑料和根茎层微生物之间的相互作用可能会影响湿地植物的生长和健康，但植被的覆盖可能对湿地拦截微塑料起到重要作用[88]，并且根茎层的微生物可以成为降解微塑料的理想候选者，这有助于开发一种新的微塑料生物降解方法，以帮助减轻塑料和微塑料聚合物的环境影响。但是当前关于微塑料作为底物影响CO2排放的相关机制尚不清楚，需要进一步研究微塑料与土壤微生物间的互作关系，探明微塑料对微生物呼吸作用的影响。

作为一种有毒化学聚合物，微塑料对土壤CH4排放过程的影响在于其对功能菌群的毒性效应。研究表明，与参与CH4排放过程的其他微生物相比，产甲烷菌对微塑料更敏感，并且添加的微塑料浓度越高，累积产CH4量越少[93]。这与其他研究的结果相似[94]，即不同微塑料类型中的聚苯乙烯可以增加CH4产生量，同时通过建立网络模型发现，不同微塑料类型对CH4产生的影响比微塑料直径和浓度的影响更显著。聚乙烯微塑料可以通过调节底物中的NH4+浓度和产甲烷菌丰度而影响CH4的排放[95]。在废水处理中发现，添加聚乙烯微塑料可减少与产甲烷相关功能酶的丰度，并显著降低CH4产生量[96]。此外，除了微塑料本身，其浸出的化学添加剂也会对CH4排放过程产生影响。研究发现，微塑料中剂双酚A(BPA)的浸出是CH4产生量下降的主要原因[97]。还有研究发现，聚酰胺6(PA6)的浸出物己内酰胺(CPL)会显著提高土壤CH4产生量[98]。因此，对于不同的微塑料添加剂而言，其复杂的化学特性会对甲烷功能菌产生不同的影响，但相关研究目前仍处于起步阶段。同时，最新研究发现[99]，老化后的微塑料有着粗糙的表面，这有助于对电子受体氧化铁的隔离，并进一步对甲烷厌氧氧化过程产生影响。

此外，微塑料污染还可能通过改变湿地植被、土壤微生物群落等影响湿地碳储存和碳排放。特别是在不同类型的湿地中微塑料污染对碳排放的影响程度不同，例如不同类型的植被和土壤对微塑料的吸附能力、降解能力存在差异。因此，深入研究微塑料污染对黄河三角洲湿地碳排放的影响及其机制，对于湿地生态系统保护和推动碳减排具有重要意义。微塑料中污染物质的浸出特性会对湿地环境和大气环境产生重大威胁，但是目前关于微塑料对碳排放的影响研究仍较为缺乏，微塑料及其添加剂的种类对碳循环相关微生物的丰度、功能基因的影响尚不清楚，这必然成为滨海湿地实现碳减排的重要挑战。

5 不同人类活动对湿地碳排放影响的综合分析

通过综合分析当前的研究结果，发现盐度变化对黄河三角洲湿地碳排放过程具有较强的影响，即随着盐度的增加，其对碳排放的抑制作用逐渐增强，最高可增加-2 151.98%(表6)。这主要与高盐度环境下微生物活性和生态过程的变化有关，但需要进一步的研究来揭示其机制。氮输入对碳排放的影响相对较强，尤其是在高浓度和长期输入下，氮作为影响生态系统的关键营养元素，能够促进土壤微生物的生长和代谢活动，进而促进土壤有机质的分解和碳释放过程。氮输入对碳排放的影响受季节和水文条件的影响较为深刻，即季节变化和水文条件通过调节氮素与土壤呼吸之间的相互作用，进而影响碳排放的量级和趋势，在植物生长季施以高水平的氮肥，将显著促进湿地碳排放(约142.86%)。因此，在评估氮输入对碳排放的影响时，需要综合考虑其他因素的影响。

表6 不同人类活动对黄河三角洲湿地碳排放影响的综合分析Table 6 Comprehensive analysis of the impacts of different human activities on wetland carbon emissions in the Yellow River Delta

重金属输入对CH4排放的影响较为复杂，不同土层和重金属的组合可能导致CH4排放的增加或减少，这是因为重金属输入会影响湿地土壤中的微生物群落并进一步影响CH4产生过程。具体而言，不同土层中微生物群落的差异以及重金属与土壤中其他化学物质的相互作用都可能导致CH4产生过程的变化。此外，不同重金属元素的性质和毒性差异也会对CH4排放产生不同的影响。因此，研究重金属输入对CH4排放的影响需要考虑土层差异和重金属元素之间的相互作用，以便更好地理解其影响机制。目前，微塑料对碳排放的影响较不明确，具体影响程度取决于微塑料的浓度和种类。总体而言，盐渍化与过量氮输入对黄河三角洲湿地碳排放的影响十分显著，但重金属与微塑料对其的潜在影响也不应忽略。

尽管本研究对不同人类活动影响下黄河三角洲湿地碳排放的响应特征与机制进行了系统梳理和比较，但是关于温室气体通量的一般性结论可能因特定的现场环境因子而具有内在的不确定性。其中，数据的局限性，特别是不同研究中实验方法和实验条件的差异性，都使得对不同人类活动影响下黄河三角洲湿地碳排放通量的估算不够精确。因此，在未来的研究中需要采用更大时空尺度下黄河三角洲湿地的标准化且连续的野外观测数据进行验证，以实现对不同人类活动影响下湿地碳排放通量的量化研究，从而对湿地长期净碳平衡进行准确评估。

6 总结与展望

近年来，作为世界上陆海相互作用最活跃的地区之一，黄河三角洲湿地正在经历持续严重的人为干扰，如盐渍化加剧、氮过量输入、重金属和微塑料输入等，这直接或间接导致该区湿地面积减少、生态功能退化等一系列环境问题，并对湿地碳排放过程造成严重影响。

人类活动造成的盐渍化加剧对黄河三角洲湿地碳排放的影响较为严重，主要表现在湿地生产力和植物多样性的降低，导致土壤碳储存能力下降。尽管近年来已经采取了相关措施来遏制盐渍化加剧的情况，但该问题仍然存在。因此，人为因素导致的湿地土壤盐渍化不可忽视。目前，碳循环相关微生物与酶活性对高盐环境的响应机制尚不统一，这可能是由湿地生境的差异以及湿地盐分组成的地域性差异造成的，如不同离子及其多样化组合都会对湿地土壤微生物产生影响，进而导致一系列湿地碳循环过程的差异。

关于过量施氮是否会将湿地的碳汇角色转化为碳排放源的问题目前还存在争议。过度施肥会增加土壤有机碳和全氮含量，但同时也会导致土壤中矿质氮的损失和硝化作用的增强，并且降低湿地土壤呼吸作用和植被的固碳能力。总体来看，过度施肥对湿地碳排放的影响取决于施肥量、施肥频率、施肥方式以及湿地生态系统自身特征等因素。对于黄河三角洲湿地而言，过度施肥还可能导致盐渍化加剧等问题，增加湿地生态系统的环境风险。针对过量施氮所引发的各种环境问题，可以引导农民合理施肥，并且尝试应用反硝化型厌氧甲烷氧化脱氮机制来缓解氮污染，改善农田环境。此外，高效的氮肥利用模式也亟待开发与探索。

黄河三角洲湿地土壤重金属的富集主要来源于工农业的聚集，重金属污染对黄河三角洲湿地碳排放的影响较为显著。重金属的形态和种类会对湿地造成潜在的生态风险，其中镉对黄河三角洲湿地生态环境及碳储存的影响较大。总的来说，重金属污染对湿地生态环境和碳排放过程具有一定的负面影响，同时，金属还原菌介导的多数重金属能够通过耦合甲烷厌氧氧化从而实现重金属消减以及CH4减排，未来甲烷厌氧氧化过程对于控制重金属污染以及由CH4排放带来的温室效应具有重要潜力。

微塑料污染对湿地碳排放的影响尚不明确，但其潜在危害不可忽视。黄河三角洲湿地微塑料主要来源于土壤残留农用薄膜的裂解过程，其中不同种类的微塑料及其浸出物对碳排放过程存在不同影响，但目前关于微塑料对碳排放的影响研究仍处于起步阶段，对湿地碳排放的影响尚未有明确的定量研究结果。鉴于微塑料在湿地环境中的广泛分布以及湿地碳排放的重要生态意义，二者间的强烈耦合关系必将成为新的研究热点。

将增进对不同人类活动影响下黄河三角洲湿地碳排放通量变化的主要驱动因素和机制的理解，但未来仍需开展更系统的时空耦合研究以及控制碳排放通量的关键驱动因素研究。鉴于当前方法学的限制，目前对湿地碳排放路径的研究大多为室内模拟研究，而在原位揭示其产生机制的研究还相对较少。因此，未来可以更多地采用原位监测方式，进一步探究湿地碳排放过程对人为因素干扰的响应机制，这无疑对于缓解全球气候变化以及保护湿地生态系统多样性具有重要意义。

致谢：感谢绘图网站(https://pixy.org/search.php?search=tube、https://www.vecteezy.com和https://huaban.com)的技术支持。