土地利用与土地覆被变化（land-use and land-cover change，LULCC）对中国沿海湿地碳动态的影响

作者与发表信息

本研究由华东师范大学河口海岸学国家重点实验室、蓝碳科学与技术中心的黎珊珊（Li-shan Tan）与葛振明（Zhen-ming Ge，通讯作者）等人完成，合作单位包括香港中文大学地理与资源管理学系和比利时安特卫普大学生态圈研究组。论文发表于 Science of the Total Environment 第890卷，文章编号164206，于2023年5月15日在线发表。

学术背景

全球沿海湿地（如红树林、盐沼和海草床）储存了大量碳，约占海洋年碳埋藏量的50%。其高碳积累能力源于高植物生产力、外源土壤埋藏速率以及水饱和厌氧土壤对有机质的保存作用。然而，由于人口增长和经济发展，大量沿海湿地经历土地利用与土地覆被变化（LULCC），全球湿地年丧失率估计为0.2%–5.0%。以中国为例，自20世纪50年代以来，超过50%的天然沿海湿地被转化为农田和建设用地。现有研究表明，湿地转化可能导致大量CO₂排放，但不同LULCC类型（如农田、养殖塘、建设用地）对生态系统碳动态的影响幅度存在不一致性，这与土壤排水、耕作、施肥、生物量收割、动物饲养和清淤等管理措施的差异有关。本研究旨在量化不同LULCC类型对植物和土壤碳含量及储量的影响，识别驱动碳变量响应的环境因子，并检验碳动态响应的纬度格局。

研究流程

研究在中国沿海九个区域展开，纬度跨度从21°N至40°N，涵盖温带至热带气候区，具体地点包括辽河口、黄河口、盐城河口、长江口、瓯江口、闽江口、珠江口和南流江口。每个采样点包含天然滨海湿地（natural coastal wetlands，NW，包括盐沼和红树林）及四种LULCC类型：围垦湿地（reclaimed wetlands，RW，即已围封并轻度排水但尚未进一步开发的废弃湿地）、旱作农田（dry farmlands，DF）、水田（paddy fields，PF）和养殖塘（aquaculture ponds，AP）。

2020年7月至8月（植物生长季）进行了植物和土壤采样。在每个样点，对NW和相邻转化后的RW、DF、PF、AP进行采样。盐沼样点及所有RW、DF、PF、AP样点设置4个1 m×1 m的重复样方，红树林样点设置4个10 m×10 m的样方。采集了植物地上与地下生物量，红树林生物量则根据Komiyama等（2005）建立的异速生长方程估算。土壤采样深度为表层30 cm，分0–10、10–20、20–30 cm三层，共采集540个土壤样品和120个植物样品。植物样品烘干研磨后测定碳含量，土壤样品风干研磨后分别测定总碳（soil total carbon，STC）、有机碳（soil organic carbon，SOC）和无机碳（soil inorganic carbon，SIC）含量。土壤碳储量由容重乘以碳含量再乘以土层深度计算。生态系统有机碳储量（ecosystem organic carbon stock，EOC）为植物生物量碳储量（plant biomass carbon stock，SPBC）与表层30 cm土壤有机碳储量（soil organic carbon stock，SSOC）之和。

土壤理化性质测定包括容重、含水量、电导率、pH、中值粒径以及铵态氮、硝态氮和总磷含量。潜在CO₂排放采用IPCC指南中的有机碳储量变化法估算，假设有机碳损失完全氧化为CO₂。统计分析采用单因素方差分析比较不同类型间差异，用响应比（response ratio，RR）和加权响应比（RR++）量化LULCC效应，用线性回归检验纬度格局，用冗余分析（redundancy analysis，RDA）和结构方程模型（structural equation model，SEM）识别关键环境驱动因子。

主要结果

与天然滨海湿地相比，LULCC显著降低了土壤总碳含量（WSTC）、土壤有机碳含量（WSOC）、土壤总碳储量（SSTC）、土壤有机碳储量（SSOC）、植物生物量碳（SPBC）和生态系统有机碳（EOC），平均降幅分别为26.6%、32.6%、11.7%、16.5%、89.7%和58.7%。然而，LULCC使土壤无机碳含量（WSIC）平均增加10.16%，无机碳储量（SSIC）显著增加32.65%。从不同转化类型来看，转化为养殖塘（AP）造成的EOC损失和潜在CO₂排放最高，其次为围垦湿地（RW），水田（PF）和旱田（DF）相对较低。红树林转化造成的潜在CO₂排放显著高于盐沼，约为盐沼的3.5倍。所有LULCC类型的年均潜在CO₂排放为7.92±2.94 Mg CO₂-eq ha⁻¹ yr⁻¹。1979年至2020年间九个区域因LULCC造成的总潜在CO₂排放估算为123.42±32.91 Tg CO₂-eq。

纬度格局分析显示，RW和DF的WSIC和SSIC响应比随纬度增加而下降，而所有LULCC类型的SPBC和EOC响应比随纬度增加呈显著上升趋势，即低纬度地区EOC损失速率更大。这主要与低纬度红树林具有更高生物量生产力有关。

环境因子分析表明，LULCC显著降低了植物生物量（PB），DF和AP的土壤容重显著增加，DF、PF和AP的土壤含水量和电导率显著降低，DF的硝态氮含量显著增加。RDA和SEM结果显示，PB、铵态氮（NH₄⁺-N）、中值粒径（MGS）和土壤含水量（SWC）共同贡献了盐沼和红树林碳含量及储量变化的85%以上的相对影响。SEM解释了SPBC、SSOC、SSIC和EOC方差的比例分别为83.4%、50.8%、47.6%和72.6%。MGS对EOC动态的总效应最大且为负向，其次是SWC、PB和NH₄⁺-N的正向效应，电导率（EC）的影响相对较小。

结论与意义

本研究证实了天然沿海湿地向围垦湿地、旱田、水田和养殖塘转化会导致大部分碳含量和储量变量下降，同时略微增加土壤无机碳含量和储量。红树林生态系统有机碳的相对损失速率大于盐沼。养殖塘和围垦湿地造成的潜在CO₂排放高于旱田和水田。随着纬度降低，所有LULCC类型的EOC损失速率显著增加。植物生物量、中值粒径、土壤含水量和铵态氮含量是响应LULCC的关键环境变量。

本研究的科学价值在于填补了大空间尺度（跨近20个纬度）上多种LULCC类型对沿海湿地碳动态影响的认识空白，特别是在区分有机碳和无机碳响应以及比较盐沼与红树林差异方面。应用价值方面，研究结果可为土地利用政策制定、温室气体减排策略和全球碳预算核算提供数据支撑。目前IPCC湿地评估指南和全球碳预算研究未充分区分不同LULCC类型对潜在CO₂排放的差异化影响，本研究可为改进相关模型和政策提供依据。

研究亮点

本研究的亮点包括：首次在中国沿海九大区域系统比较了四种LULCC类型对盐沼和红树林碳动态的影响；发现LULCC导致有机碳损失但无机碳增加，强调了同时考虑有机碳和无机碳动态的重要性；揭示了EOC损失速率的纬度梯度格局；通过结构方程模型识别了中值粒径和土壤含水量等关键驱动因子；估算了不同LULCC类型的潜在CO₂排放，为减排政策提供了量化基础。