人类活动的双重作用：开垦与生物入侵如何改变了城市化河口的蓝碳动态

《Ocean & Coastal Management》：The dual role of human activities: How reclamation and biological invasion reshaped blue carbon dynamics in an Urbanized Estuary

本研究评估了1990-2020年长江三角洲潮间湿地碳储量动态，发现尽管人类圈地导致湿地面积减少59.75平方公里，但 alterniflora 植物入侵和沉积物输入使碳储量增加至12.14×10^6 Mg C，揭示人侵物种与圈地活动的协同碳汇效应。

　　### 中文解读：长江口潮间带湿地碳储存动态及其驱动因素分析

潮间带湿地作为蓝碳生态系统的重要组成部分，其碳储存能力与生态系统结构的变化密切相关。然而，大规模的沿海填海活动显著改变了这些湿地的景观格局和碳储存潜力。本研究通过整合长期、高分辨率的湿地数据和InVEST模型，评估了1990年至2020年间长江口潮间带湿地的碳储存动态变化。研究发现，尽管沿海填海活动导致了湿地面积的净减少59.75平方公里，但总碳储存量却显著上升至1214万公吨碳（Mg C），呈现出一种看似矛盾的现象。这一现象主要归因于植被结构的转变，尤其是外来物种 Spartina alterniflora 的扩展，增强了区域碳储存能力并部分抵消了填海活动带来的碳储存损失。

### 研究背景与意义

潮间带湿地是地球上最具动态性的生态系统之一，不仅为生物多样性提供栖息地，还在海岸灾害防护和碳储存方面发挥着重要作用。这些湿地虽然面积相对较小，但其碳储存速率却可达陆地森林的十倍以上，是海洋沉积物中总碳储存的重要贡献者。在全球气候变化的背景下，湿地的碳储存能力对于减少大气中二氧化碳浓度具有重要意义。然而，随着沿海地区的经济开发和人口增长，这些湿地面临着日益严峻的开发压力，尤其是大规模的填海活动。填海不仅改变了土地利用模式，还加剧了景观碎片化，削弱了生态系统的连通性，进而影响了生态过程的稳定性。此外，外来物种的入侵，如 Spartina alterniflora，也对湿地碳储存动态和景观结构产生了深远影响。

尽管已有研究关注了城市化和农业扩张对湿地碳储存的影响，但关于填海活动如何通过景观格局的变化影响蓝碳的系统性研究仍较为缺乏。因此，本研究旨在填补这一知识空白，系统评估填海活动对长江口潮间带湿地蓝碳动态的长期影响，并探讨外来物种 Spartina alterniflora 在其中所扮演的角色。

### 研究区域与方法

长江口位于中国上海市与江苏省之间，具有典型的亚热带季风气候。其潮间带湿地的形成受到河流淡水输入和潮汐作用的共同影响，呈现出复杂的生态结构。本研究聚焦于长江口的五个主要湿地区域：南汇东滩、崇明东滩、崇明北滩、长兴岛和横沙岛，这些区域是填海活动的主要集中地。通过采用COLD-MC方法，结合Landsat时间序列影像和随机森林分类器，研究人员构建了1990年至2020年间潮间带湿地的高分辨率土地利用/土地覆盖（LULC）分类数据，从而实现了对湿地动态变化的准确监测。

此外，研究还整合了来自文献的碳储存参数，包括初始生物量碳储存、初始土壤碳储存、生物量碳积累速率和土壤碳积累速率。这些数据被用于计算不同湿地类型的年碳储存增量。为了进一步揭示碳储存变化的驱动因素，研究还引入了GeoDetector模型，分析了人口、气候条件和经济活动（如第二和第三产业GDP）对碳储存空间异质性的影响。

### 研究结果

从1990年至2020年，长江口潮间带湿地经历了显著的景观格局变化。具体而言，湿地的碎片化程度明显增加，表现为“斑块数量（NP）”、“香农多样性指数（SHDI）”和“景观连接度”等指标的上升。与此同时，湿地的连通性（如“最大斑块指数（LPI）”、“聚集指数（AI）”和“连通性指数（CONTAG）”）则呈现下降趋势，表明景观结构变得更加分散和不稳定。这种碎片化现象可能削弱了湿地的碳储存能力，但研究发现，尽管湿地面积有所减少，总碳储存量却呈现增长趋势，达到1214万公吨碳。

研究还发现，尽管填海活动导致了湿地的净损失，但 Spartina alterniflora 的扩张在一定程度上增强了湿地的碳储存能力。该物种具有发达的根系和强大的生物量积累能力，能够促进沉积物的沉积和有机物的积累，从而提升土壤碳储存潜力。同时，填海活动可能通过改变水文条件和土壤性质，间接影响了碳循环过程。尽管填海活动对湿地生态系统造成了一定的破坏，但其后续的生态恢复过程，如植被的重新分布和土壤的改良，使得碳储存量在某些区域实现了增长。

此外，研究还发现，湿地的碳储存量在空间分布上存在显著的异质性。例如，崇明东滩长期是主要的碳汇区，而南汇东滩和崇明北滩则在2010年后逐渐成为高碳储存区域。这种空间格局的变化可能与植被组成、填海强度以及生态恢复措施有关。通过分析不同时间段的碳储存数据，研究人员发现，碳储存量的增长趋势在2010年后有所反弹，这可能与 Spartina alterniflora 的扩张和湿地修复项目的实施有关。

### 讨论与分析

尽管填海活动导致了湿地面积的减少，但总碳储存量却呈现出上升趋势，这一现象背后存在复杂的生态机制。首先，湿地生态系统具有一定的恢复能力，尤其是在填海活动较为集中的区域，如崇明东滩和横沙岛，填海造成的干扰可能促使新的沉积物积累和植被生长，从而提升了碳储存能力。其次，Spartina alterniflora 的入侵可能在一定程度上补偿了填海活动对碳储存的负面影响。该物种不仅能够增强土壤的有机碳输入，还通过改变水文条件和微生物活动，提高了碳固定效率。

然而，景观碎片化仍然是影响碳储存的重要因素。研究表明，随着填海活动的加剧，湿地的斑块数量和多样性增加，而连通性下降，这可能导致碳储存能力的减弱。尽管如此，Spartina alterniflora 的扩张可能在某些情况下部分抵消了这种影响，使得碳储存量在特定区域得以提升。这种复杂的相互作用表明，填海活动与外来物种入侵之间的关系并非单一的破坏性，而是呈现出一定的动态平衡。

此外，研究还指出，填海活动对碳储存的影响在不同区域存在差异。例如，在崇明东滩，由于填海强度较高，导致了原生植被的严重退化，碳储存量持续下降。而在南汇东滩，填海活动虽然显著，但 Spartina alterniflora 的扩张和人工促淤工程的实施，使得碳储存量在短期内有所提升。然而，随着填海活动的持续，这些效益逐渐减弱，碳储存量开始下降。因此，填海活动对碳储存的影响并非线性，而是呈现出非线性的响应模式，这可能与生态系统恢复能力和物种竞争关系有关。

### 研究的局限性与未来展望

尽管本研究提供了关于长江口潮间带湿地蓝碳动态的重要见解，但仍存在一些局限性。首先，碳密度数据主要来源于文献综述，而碳密度可能受到气候变化、土地利用变化和人为干扰的影响，因此可能存在一定的时空异质性。其次，InVEST模型假设每种土地利用类型具有固定的碳密度，忽略了同一类型内部的异质性。例如，Spartina alterniflora 在不同生长阶段和环境条件下的碳储存能力可能有所不同，因此模型可能低估了某些区域的碳储存潜力。

此外，本研究未能充分区分填海活动的不同形式，如堤坝建设、促淤工程和港口开发，这些不同的填海方式可能对湿地生态系统产生不同的影响。未来的研究可以结合高分辨率遥感数据、工程记录和实地调查，以更准确地评估不同填海方式对碳储存的影响。同时，结合社会-生态系统韧性框架，如CLSER指标，可能有助于更好地理解湿地恢复与可持续开发之间的平衡关系。

### 结论

本研究揭示了填海活动对长江口潮间带湿地蓝碳动态的深远影响。尽管湿地面积有所减少，但碳储存量却呈现增长趋势，这表明湿地生态系统具有一定的恢复能力。然而，这种恢复并非完全依赖于面积的变化，而是与植被组成、填海强度以及生态恢复措施密切相关。Spartina alterniflora 的扩张在一定程度上增强了湿地的碳储存能力，而填海活动则通过改变水文条件和土壤性质，影响了碳循环过程。因此，未来的研究应更加关注填海活动与湿地恢复之间的相互作用，以及如何在维持碳储存能力的同时，保护生物多样性和生态系统功能。这不仅有助于理解湿地生态系统的复杂性，也为实现可持续的海岸管理提供了科学依据。