ESE | 高分辨率研究揭示水文、植被与土壤特性对中国滨海湿地土壤有机碳的关键影响

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成果简介

近日，南京大学杨琳教授团队在Environmental Science and Ecotechnology上发表了题为“Hydrology, Vegetation, and Soil Properties as Key Drivers of Soil Organic Carbon in Coastal Wetlands: A High-Resolution Study”的论文。文章构建中国大陆滨海湿地表层（0～20 cm）和次表层（20～100 cm）土壤有机碳的多源数据集，利用因果分析模型揭示了影响其分布的关键因素。研究发现，水文因素在表层和次表层土壤中总影响效应均最大，其次是植被、土壤属性和气候。表层土壤中，植被作为碳输入的主要来源对土壤有机碳密度直接影响最大，而水文因素，尤其是海水盐度，对土壤有机碳密度产生了显著的间接影响。对于次表层土壤，水文因素中海水盐度的直接效应最大，并通过作用于土壤和植被来间接影响土壤有机碳。研究还利用随机森林生成了90 m分辨率表层和次表层土壤有机碳密度图，由此估算出中国大陆滨海湿地1 m深度的总土壤有机碳储量为74.58 ± 3.85 Tg C。研究结果揭示了水文因素的关键作用，绘制了中国大陆滨海湿地土壤有机碳密度空间分布图，有助于蓝碳监测和可持续海岸带管理。

引言

随着全球气候变化和人类活动的不断加剧，滨海湿地作为关键的碳汇，其碳储存能力正面临挑战。因此，对滨海湿地的土壤有机碳（SOC）储量及其空间分布进行精确评估，对于制定有效的湿地保护和碳管理策略具有重大意义。尽管已有研究指出气候、植被和土壤属性是影响SOC储量空间分布的关键因素，但对滨海湿地这一位于水陆交界处的土壤碳而言，水文要素如何在不同土壤深度层发挥作用，以及与植被、土壤等因素间的相互作用机制，目前尚不清楚。此外，现有的滨海湿地碳储量估算通常依赖于有限采样点，通过区域内样点的平均值乘以区域面积来推算碳储量，这种方法可能带来较大的不确定性，影响对滨海湿地碳汇功能准确评估。文章通过分析中国31个滨海湿地的多源土壤及环境数据集，采用结构方程模型（SEMs）和随机森林等方法，揭示影响土壤有机碳分布的关键因素及其作用机制，并生成高分辨率的土壤有机碳密度图和估算了1 m深度的总碳储量。研究结果为理解滨海湿地碳循环和国家尺度上的碳储量评估提供了新的见解。

图文导读

导读内容一：中国大陆滨海湿地土壤有机碳密度空间分布特征

文章基于整合的408个样点，揭示了中国大陆滨海湿地的土壤有机碳密度在空间上呈现明显差异，总体趋势由温带向热带递增（图1）。表层土壤中SOC密度较高的样本点主要集中于亚热带地区，这可能与该地区植被生产力较高以及碳输入量较大的综合效应有关。在不同海域中，黄海沿岸湿地SOC密度最低，南海沿岸最高。生态系统类型对SOC密度分布也有显著影响，红树林和盐沼的表层土壤SOC密度较高，而光滩较低。不同河口和行政区的SOC密度也存在较大差异。

图1  基于温度带（a）、海域（b）、湿地类型（c）、河口(d)和行政区（e）样点的土壤有机碳密度的分布特征。

导读内容二：不同尺度下土壤有机碳密度关键影响因子的差异

不同尺度下，土壤有机碳密度与环境因子的相关性有显著差异（图2）。在全国范围内，气候、土壤理化性质和水动力因子与SOC密度关系密切，尤其是温度和降水。渤海沿岸湿地中，气候因子对表层和次表层土壤SOC密度影响显著，而水文因子如潮差在次表层土壤中正相关性更强。黄海沿岸湿地中，气候和地形与SOC密度关系紧密。在东海和南海沿岸湿地，植被和水文因子的相关性更为显著。同一环境因子在不同海域的相关性可能不同，如气温和降水在东海和南海沿岸湿地与SOC密度正相关，而在渤海和黄海沿岸则呈负相关。不同海域的水动力条件，如黄海沿岸的径流和有效波高与SOC密度负相关，而渤海沿岸的潮差与SOC密度正相关，表明SOC的埋藏过程在区域间存在差异。

图2  国家和区域尺度上环境变量与表层（a）和次表层（b）SOC密度之间的相关性。

导读内容三：环境因素对土壤有机碳密度的直接和间接影响

结构方程模型的分析（图3）显示，水文因素在表层和次表层土壤中对土壤有机碳密度分布具有重要作用，其总影响效应超过了植被、土壤属性和气候因素。在表层土壤中，植被作为碳输入的主要来源，植被类型和生产力对表层土壤碳密度直接影响最大。与此同时，水文因素，尤其是与海洋相关的水文特性如海水盐度，通过抑制微生物活性和减缓有机物分解速率，对SOC密度产生了显著的间接影响，从而促进了碳的保存。在次表层土壤中，水文因素，尤其是海水盐度，展现出更直接且显著的作用。潮汐活动引起的水分和盐分的垂直迁移改变了土壤的物理化学性质，进而影响了微生物群落的结构和代谢活动，这些都是调控SOC动态的关键因素。土壤pH值对碳积累有显著的负面影响。在高盐度条件下，土壤往往趋于中性或碱性，适宜的pH值有助于提高养分的有效性，促进植物生长，增加植物残体的输入，进而增加土壤有机碳的积累。而气候因素主要通过影响植被和土壤间接作用于SOC，随着土壤深度的增加，深层土壤的水分和温度条件相对稳定，气候因素的影响力逐渐减弱。

图3  表层（a）和次表层（b）环境因子与SOC密度交互的结构方程模型。

导读内容四：土壤有机碳密度空间分布制图及总碳储量估算

文章利用随机森林模型生成了90 m的表层和次表层土壤有机碳密度图（图4），并据此估算了中国滨海湿地在1 m深度范围内的土壤有机碳总储量约为74.58 ± 3.85 Tg C。研究结果显示，次表层土壤的碳储量显著高于表层土壤，大约是表层土壤的2.5倍，此结果不仅揭示了深层土壤在全球碳循环中的潜在重要性，也强调了在进行碳储量评估和管理策略制定时，需要充分考虑土壤层次的差异性。

图4  90 m分辨率中国大陆滨海湿地表层和次表层SOC密度图和不确定性分布图。

结论

本研究整合了已发表文献和公开数据集的408个样本，构建了中国大陆滨海湿地土壤有机碳数据库，并利用结构方程模型揭示了多种环境因素对SOC的直接和间接影响。结合机器学习模型，生成了90 m分辨率表层和次表层土壤有机碳密度图。研究结果突出了水文因素和植被在沿海土壤碳空间分布中的关键作用，其中海水盐度的增加和植被生产力的提升与SOC密度的增加密切相关。植被对表层土壤的影响尤为显著，而在底层土壤中，水文因素的影响更为突出。土壤属性如pH值和阳离子交换容量（CEC），对SOC密度产生了负的影响。气候因素对SOC密度的直接影响较小，主要通过间接途径影响SOC。通过高分辨率的SOC密度图，文章估算了中国大陆沿海湿地0～1 m深度的总碳储量。研究结果为改进湿地管理策略和国家气候变化政策提供了新的见解。

作者简介

通讯作者：杨琳，南京大学地理与海洋科学学院教授、博导，中组部“万人计划”青年拔尖人才，主要从事地表要素时空模拟及其驱动研究。发表学术论文100余篇，在Science Advances、ISPRS-J、IJGIS、Environmental Research Letters、Geoderma等期刊发表一作/通作SCI论文45篇。主持国家自然科学基金项目4项等。曾任国际土壤科学联合会（IUSS）土壤计量学会副主席，现任国际土壤计量学会评奖委员会委员、欧洲地平玛丽居里行动（HORIZON-MSCA-DN-2022，D6S）科学咨询委员会委员、中国自然资源学会资源制图专委会副主任委员、中国地理学会地理模型与地理信息分析专业委员会委员、第三次全国土壤普查专家技术指导组专家等。任一区SCI期刊Geoderma编委、《地理科学》编委、《土壤学报》青年编委。获江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文奖、高校GIS创新人物奖、测绘地理信息创新巾帼人物、高校GIS论坛“优秀教学成果奖”、全国高校GIS教学成果奖特等奖、南京大学“师德先进”青年教师奖等。

第一作者：郭毛，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）博士后。

引用信息

Guo, M., Yang, L., Zhang, L., Shen, F., Meadows, M. E., & Zhou, C. (2024). Hydrology, Vegetation, and Soil Properties as Key Drivers of Soil Organic Carbon in Coastal Wetlands: A High-Resolution Study. Environmental Science and Ecotechnology 23: 100482.

doi: 10.1016/j.ese.2024.100482

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