1980–2020年间，黄河三角洲在土地利用变化和潮汐屏障建设背景下无机碳与有机碳储量的动态变化

《CATENA》：Dynamics of inorganic and organic carbon stocks under land use change and tidal barrier construction in the Yellow River Delta during 1980–2020

湿地碳储量时空变化及潮汐屏障影响研究 摘要：基于InVEST模型校正与实地测量，分析1980-2020年黄河三角洲湿地碳储量动态，发现无机碳（SIC）占主导且持续增长（+3.9%），而总生态系统碳（TEC）因草场减少和潮汐屏障破坏呈现先增后降趋势。潮汐屏障虽抑制海岸侵蚀导致SIC流失，但阻碍水文连通性加剧有机碳分解。结论强调生态修复和战略土地利用转换对增强碳汇能力的重要性。

　　沿海湿地长期碳储量动态的理解对于评估其固碳潜力和制定气候缓解策略至关重要。然而，土地利用与土地覆盖变化（LUCC）以及潮汐屏障对沿海湿地碳储量动态的综合影响仍然不明确。本研究采用集成生态系统服务评估模型（InVEST）并结合实地测量数据，对黄河三角洲（YRD）1980年至2020年间因LUCC和潮汐屏障建设而产生的碳储量变化进行了系统分析。研究结果表明，经过校正的碳储量增加了两倍以上。土壤无机碳（SIC）储量显著超过土壤有机碳（SOC）以及总生态系统有机碳（EOC，包括SOC、地上、地下和死有机碳）储量。在过去的四十年中，碳储量呈现出不同的趋势，无机碳持续增长，而有机碳则因土地利用变化而波动。具体而言，从1980年到2020年，SIC从3.211×10?吨/年增加到3.335×10?吨/年（+3.9%）。相比之下，EOC在1980年至1990年间增加了0.222×10?吨（+16.2%），从1.376×10?吨/年上升至1.598×10?吨/年，但在1990年至2020年间减少了0.141×10?吨（-8.8%），降至1.457×10?吨/年。SIC储量的增加主要归因于黄河三角洲向海的扩展，而EOC储量在1990年至2020年间减少则主要由于草地面积的减少。湿地的严重退化进一步降低了黄河三角洲的碳储量。大规模的潮汐屏障虽然减缓了沿海侵蚀导致的SIC损失，但由于破坏了水文连通性以及植被变化，未能增强有机碳的固存。值得注意的是，随着距离潮汐屏障的增加，SIC储量下降而EOC储量上升。为了增强大型河流三角洲的碳汇功能，未来应优先通过战略性土地利用转换推进生态恢复。

湿地在全球范围内以其卓越的生态系统服务提供能力而受到认可。与森林和海洋并列，湿地被认为是全球三大生产力最高的生态系统之一。比如，湿地储存了全球20%-30%的碳，尽管仅覆盖地球陆地表面的4%-6%（Ren et al., 2023）。在沿海区域，湿地被视为“蓝色碳汇”（Bertram et al., 2021, Costa et al., 2023）的重要组成部分，其中碳可以在土壤中储存数百年至数千年（Breithaupt et al., 2020）。早期研究指出，沿海湿地的碳埋藏率可达220吨/平方公里/年（Davis et al., 2015）。因此，湿地在全球气候变化缓解和碳固存中发挥着关键作用（Macreadie et al., 2021, Fu et al., 2024）。

然而，近年来，由于全球气候变化和人类活动的共同作用，湿地碳储量发生了显著变化。特别是，土地利用和土地覆盖变化（LUCC）以及潮汐屏障建设等人为活动对沿海湿地碳储量的影响日益增强。LUCC主要由城市扩张和农业发展驱动，改变了植被类型、土壤特性以及微气候条件，从而破坏了湿地生态系统的碳循环。因此，LUCC被认为是碳汇变化的重要驱动力之一（Tan et al., 2023）。在全球红树林湿地中，LUCC导致植被碳储量损失达82%±35%，土壤碳储量损失达54%±13%（Sasmito et al., 2019）。在中国沿海地区，从1980年到2020年，LUCC导致碳储量减少了54.0×10?吨（Zhu et al., 2022）。

潮汐屏障，一种旨在保护海岸线免受台风、海浪和海水入侵的钢筋混凝土结构，也对沿海湿地的碳储量产生显著影响（Qin et al., 2015, Yang et al., 2016）。这些屏障通过破坏甚至切断湿地与海洋之间的水文连通性，直接或间接地改变了植被群落演替并减少了生物多样性。这些变化最终影响了沿海湿地生态系统的碳循环和固存过程（Zhou and Bi, 2020）。例如，潮汐屏障可以促进本地草种Phragmites australis的生长（Fu et al., 2013, Lee and An, 2015），同时导致红树林森林的萎缩（Xie et al., 2020a, Breda et al., 2021）以及入侵性草种Spartina alterniflora的减少（Carol et al., 2014, Jones et al., 2016），这些变化都可能显著影响区域碳储量。

此外，潮汐屏障可能导致地下水位下降并加速有机质的分解（Iost et al., 2007）。以往的研究表明，潮汐屏障周边的湿地土壤有机碳（SOC）储量远低于自然湿地（Zhou and Bi, 2020），这表明潮汐屏障建设可能会削弱沿海湿地的碳汇能力（Li et al., 2021a）。然而，过去几十年由于潮汐屏障建设导致的生态系统碳储量变化尚未得到全面量化。

黄河三角洲（YRD）位于渤海和黄河的交汇处，代表了全球温带地区最集成和最年轻的湿地生态系统。它也是中国重要的石油化学生产基地，以及农业、畜牧业和渔业的综合开发区域，因此具有重要的生态和经济价值。

在过去40年中，黄河三角洲经历了显著的土地利用变化，包括向海扩展的建成区、盐田、海水养殖区以及潮汐屏障的建设（Fu et al., 2013, Ma et al., 2019, Sui et al., 2021）。这些变化导致了植被格局、水文连通性和土壤特性的改变（Xie et al., 2020b, Zhou and Bi, 2020, Zhang et al., 2022）。尽管发生了这些重大变化，但目前对于这些长期LUCC下生态系统碳动态的评估仍显不足。此外，缺乏全面、长期的数据以及各种LUCC驱动力与环境因素之间的复杂相互作用，阻碍了对这些变化如何影响过去四十年该地区碳循环和固存的深入理解。尽管有局部的黄河三角洲土壤碳评估（Yu et al., 2012, Li et al., 2021b），但尚无研究全面量化与LUCC和潮汐屏障建设相关的生态系统碳储量变化。

本研究旨在量化1980年至2020年间黄河三角洲的总生态系统碳（TEC）储量变化，重点关注LUCC和潮汐屏障建设的综合影响。通过整合高分辨率空间数据并结合实地测量数据校正InVEST模型输出，我们提供了对碳动态的精确评估，并识别了关键的人为驱动因素。这些见解将为湿地保护和碳固存增强策略提供依据。

研究区域位于中国山东省，靠近莱州湾和渤海湾（图2a）。它在东北亚和西太平洋地区是候鸟迁徙的重要“中途停歇地、越冬地和繁殖地”。黄河三角洲经历的是暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温为12.1°C，年平均降水量约为576.7毫米，主要集中在汛期，年平均蒸发量则相对较低。这种气候条件使得黄河三角洲的生态系统具有独特的碳循环特征，但也面临多重环境压力。

从1980年到2020年，黄河三角洲的区域持续向海扩展，面积从5815.6平方公里增加到6192.3平方公里（+6.5%）（图3和图4a）。然而，湿地面积（包括海滩、海岸和湿地）却大幅减少（图3和图4a）。与此同时，海水养殖区和盐田逐渐向内陆扩展（图3）。这些变化导致了土地碎片化的增加，主要由于人类活动的推动。

在黄河三角洲，农田（包括水田和旱地）是主导的土地利用类型。随着城市化和农业发展的推进，农田面积不断增长，这不仅改变了原有的自然景观，也对湿地生态系统的碳循环产生了深远影响。农田的扩展往往伴随着湿地的侵占，这种变化使得碳储存的格局发生了显著改变。例如，由于农业活动的增加，湿地的植被覆盖率下降，土壤有机碳的储量也相应减少。这种现象在沿海地区尤为明显，因为湿地往往是农业开发的首选区域。

此外，潮汐屏障的建设对土地利用格局产生了显著影响。这些结构不仅改变了湿地与海洋之间的水文连通性，还影响了湿地的生态功能。例如，潮汐屏障的建设导致了湿地水位下降，进而加速了有机质的分解。这使得湿地的碳固存能力受到削弱，尤其是在那些受到潮汐屏障影响较大的区域。然而，这种影响并非完全负面，某些情况下，潮汐屏障的建设可能促进了特定植被的生长，如本地草种Phragmites australis。这表明，潮汐屏障对碳储量的影响是复杂的，取决于具体的地理位置和生态条件。

与此同时，湿地的退化也对碳储量产生了显著影响。湿地的退化通常伴随着植被的减少和土壤质量的下降，这使得碳储量的自然恢复能力受到限制。例如，在黄河三角洲，由于人类活动的干扰，湿地的退化导致了碳储量的减少。这种退化不仅影响了湿地的生态功能，还对区域的碳循环产生了深远影响。

为了更全面地理解这些变化，本研究采用了InVEST模型，并结合实地测量数据对模型进行了校正。这种校正方法提高了模型的准确性，使得研究结果更具说服力。通过整合高分辨率空间数据，我们能够更精确地评估碳储量的变化趋势，并识别出主要的驱动因素。例如，我们发现，SIC储量的增加主要与黄河三角洲向海扩展有关，而EOC储量的减少则主要与草地面积的减少有关。这表明，不同类型的碳储量对土地利用变化的响应存在差异。

此外，研究还发现，随着距离潮汐屏障的增加，SIC储量下降而EOC储量上升。这种现象可能与潮汐屏障对水文连通性的干扰有关，也可能与湿地生态系统的不同碳循环路径有关。例如，潮汐屏障的建设可能改变了湿地的水文条件，从而影响了碳的储存方式。这种变化可能使得湿地的碳储量呈现出不同的分布特征。

通过本研究，我们不仅揭示了黄河三角洲碳储量的动态变化，还为未来的生态恢复和碳固存提供了科学依据。研究结果表明，为了增强大型河流三角洲的碳汇功能，未来应优先考虑生态恢复，特别是通过战略性土地利用转换来减少对湿地的破坏。例如，减少农业和城市建设对湿地的侵占，增加对湿地的保护和恢复投入，可以有效提高湿地的碳固存能力。此外，合理的潮汐屏障建设可能在一定程度上缓解沿海侵蚀对碳储量的影响，但同时也需要关注其对湿地生态系统水文连通性和植被分布的长期影响。

本研究的结果对于理解沿海湿地碳储量动态具有重要意义。它不仅揭示了不同碳储量类型对土地利用变化和潮汐屏障建设的响应，还为制定科学的生态恢复和碳固存策略提供了依据。例如，研究结果表明，减少农业和城市建设对湿地的侵占，增加对湿地的保护和恢复投入，可以有效提高湿地的碳固存能力。此外，合理的潮汐屏障建设可能在一定程度上缓解沿海侵蚀对碳储量的影响，但同时也需要关注其对湿地生态系统水文连通性和植被分布的长期影响。

未来的研究应进一步关注湿地碳储量的动态变化，特别是不同碳储量类型之间的相互作用。例如，SIC和EOC储量的变化可能受到不同的环境因素和人为活动的影响，因此需要更深入的分析。此外，研究还应关注不同区域湿地碳储量的变化特征，以制定更加精准的生态恢复和碳固存策略。例如，在那些受到潮汐屏障影响较大的区域，可能需要采取不同的保护措施，以平衡碳固存和生态功能的需求。

总之，本研究通过整合高分辨率空间数据和实地测量数据，对黄河三角洲碳储量的变化进行了系统分析。研究结果表明，碳储量的变化受到多种因素的影响，包括土地利用变化和潮汐屏障建设。为了增强大型河流三角洲的碳汇功能，未来应优先考虑生态恢复，特别是通过战略性土地利用转换来减少对湿地的破坏。此外，合理的潮汐屏障建设可能在一定程度上缓解沿海侵蚀对碳储量的影响，但同时也需要关注其对湿地生态系统水文连通性和植被分布的长期影响。本研究的结果为湿地保护和碳固存提供了科学依据，有助于制定更加有效的环境管理策略。