中国辽河口湿地中，由于人类活动的影响，碳-氮耦合作用增强，有机碳的稳定性降低

《Environmental Research》：Enhanced carbon–nitrogen coupling and reduced organic carbon stability in the Liaohe River Estuary wetland, China, induced by human activity

湿地生态系统在碳氮耦合及稳定性中的作用研究。辽河口湿地受农田复垦、水产养殖等干扰，导致土壤总氮（TN）在早汛期升高193%，晚汛期仍达154%。氮组分解释有机碳变异度达37.15%（早汛）和17.25%（晚汛），矿物结合有机碳占比分别下降4.03%和7.57%。结构方程模型显示干扰区C-N耦合贡献度（75.5%）显著高于自然区（48.9%）。

　　

张光帅|严继顺|杜坤|张超|闫志峰|宋长春

国家海洋环境监测中心，中国大连116023

摘要

河口湿地作为重要的碳汇，在陆地-海洋协同调节流域碳排放中发挥着关键作用。然而，目前对于人类活动影响下河口湿地中碳-氮（C–N）耦合关系及有机碳稳定性动态的深入理解仍然不足，这限制了基于科学依据的流域-湿地管理和碳排放控制。为填补这一空白，我们研究了人类活动（如农田改造、水产养殖以及城市建设和港口开发）在辽河口湿地不同洪水阶段对土壤氮和碳成分的影响，阐明了驱动C–N耦合和有机碳稳定性的机制。研究结果表明，人类活动显著增加了土壤氮负荷：在洪水初期，农田改造区域的总氮（TN）含量增加了193%，水产养殖池塘区域的铵氮（NH₄⁺–N）含量增加了105%；而在洪水后期，受干扰区域的TN含量仍比自然湿地高出154%。在洪水初期和后期，氮成分分别解释了受干扰区域有机碳变异性的37.15%和17.25%，而在自然湿地中这一比例分别为7.65%和13.9%。矿物相关有机碳（MAOC）与总有机碳的比率——作为碳稳定性的关键指标——在两个洪水阶段分别下降了4.03%和7.57%。结构方程模型显示，在自然湿地中，C–N耦合解释了MAOC变化的48.9%，而在受干扰区域这一比例为75.5%。这些结果证实，人类活动加剧了C–N耦合，同时降低了有机碳的稳定性，为河口生态系统的湿地保护和碳管理提供了重要见解。

引言

河口湿地作为陆地-海洋生态过渡带的自然综合体（Ramesh等人，2015年），具有极高的初级生产力，并且微生物活动受到抑制（Bernal等人，2012年），其生产力是陆地生态系统的40倍（Mcleod等人，2011年），因此被认为是全球重要的碳封存热点。然而，这些生态系统特别容易受到物理干扰、化学梯度以及陆地、海洋和河流系统相互作用的影响（Zhang等人，2007年）。氮作为河口湿地初级生产力的关键限制因素，通过两种途径对碳动态产生深远影响：一是通过改变植物群落演替、物候节律和碳分配模式间接影响土壤碳库（Abdul-Aziz等人，2018年；Li等人，2021年）；二是通过调节微生物代谢活动直接驱动有机碳分解，例如木质素和纤维素的分解及甲烷生成过程（Wang等人，2022b；Xia等人，2022年）。例如，氮负荷会显著加速土壤呼吸作用和有机碳矿化。近期的人类活动，包括农业集约化、海水养殖扩张和土地改造，严重扰乱了湿地生物地球化学循环，改变了土地利用模式并引入了过量氮。这些干扰不仅加速了有机碳矿化，还可能使湿地从碳汇转变为碳源（Talbot等人，2010年）。在富营养化河口中，这一过程可能导致CO₂排放增加30%–50%，同时碳埋藏率降低18%–50%（Macreadie等人，2013年）。进一步的研究表明，在植被生长季节，氮添加会导致CO₂排放增加34%，CH₄排放增加145%（Zhang等人，2006年）。尽管农业施肥可以暂时提高生产力，但稻田环境通常具有较高的pH值、更强的氧化条件以及更多的氮输入（Qiao等人，2025年）。长期氮负荷会加剧有机碳分解（Kashaigili等人，2008年），在有氧条件下分解速率可增加187%–203%（Liu等人，2008年）。将自然湿地转化为水产养殖池塘会导致生态系统碳损失21.9%，其中36.1%来自土壤有机碳的消耗，同时伴随着土壤容重增加和水分减少（Cao等人，2022b；Wang等人，2010年）。最新研究还指出，氮添加会促进陆地生态系统中的碳-氮（C–N）耦合（Gong等人，2025年），但在河口湿地中，关于多种人类干扰类型的实地证据仍然不足。

辽河口湿地是一个典型的温带沿海湿地，从浅海水域到裸露的潮间带，再到Suaeda salsa群落和芦苇沼泽，形成了独特的景观梯度。该湿地实现了每年每平方米218克的碳埋藏率（Hong等人，2024年）。自20世纪80年代以来，人类活动严重改变了其生态结构，农田改造和水产养殖导致Phragmites australis和Suaeda salsa栖息地减少了10.5%（Zhang等人，2023年；Cao等人，2022a）。2016年的遥感数据显示，生态红线区内有0.2%的土地被改造，盘锦市的改造强度达到每平方公里35.89公顷（Zhang等人，2023年）。与此同时，氮负荷加剧，2021年辽河口的总氮（TN）浓度达到3.96毫克/升（年通量24,661.95吨，占辽东湾流入量的90%以上），主要来源于生活污水、工业排放和农业径流（Zhang等人，2024年）。

尽管现有研究主要依赖于外源氮添加实验，但对不同人类干扰下土壤有机碳（SOC）组成和稳定性的实地验证仍然有限。本研究通过洪水前后的实地调查，系统分析了不同干扰类型（水产养殖、农业、城市建设和港口开发）以及自然栖息地（Suaeda salsa和Phragmites australis）中的土壤碳和氮成分。本研究的目标如下：（1）阐明人类干扰强度和类型如何影响C–N分配；（2）明确干扰对有机碳稳定性的影响，并量化氮负荷调节这种稳定性的机制；（3）验证人类活动是否强化了C–N耦合，同时降低了有机碳稳定性。

研究区域

辽河口湿地位于辽东湾的河口生态过渡带（纬度40°41′03.06″–41°27′42.01″N，经度121°30′30.29″–122°30′21.33″E），总面积约为128,000公顷。该地区属于温暖温带大陆性半湿润季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温为8.3°C，季节性变化显著。

土壤氮成分的空间差异模式

人类活动和洪水季节的降水显著改变了湿地土壤中的氮形态（见图2）。在洪水初期，水产养殖池塘区域的铵氮（NH₄⁺–N）浓度最高（8.0毫克/千克），比自然湿地高出105%（p < 0.05）。相反，农田改造区域的硝酸盐氮（NO₃^-–N）和总氮（TN）含量显著升高。

增强C–N耦合的多路径机制

本研究表明，人类活动显著增强了湿地中有机碳（SOC）和氮（N）组分之间的相关性，不同干扰类型和氮形态影响了具体的耦合机制。这一发现与全球氮饱和度驱动的C–N相互作用趋势一致（Abdul-Aziz等人，2018年），并将其扩展到温带河口湿地。

结论

• （1）
  人类活动通过不同的氮输入途径增强了C–N耦合。农业活动（如化学肥料施用）和水产养殖（如残余饵料沉积）显著增加了土壤氮负荷。洪水初期，农田改造区域的总氮含量比自然湿地高出193%，而水产养殖池塘区域的铵氮（NH₄⁺–N）含量增加了105%。洪水后期，农田区域的总氮含量

CRediT作者贡献声明

杜坤：撰写、审稿与编辑、监督。张超：撰写、初稿撰写、数据可视化、实验设计。闫志峰：撰写、审稿与编辑、方法学研究。宋长春：监督、方法学研究、概念构建。张光帅：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取、概念构建。严继顺：软件开发、实验设计、数据分析

未引用参考文献

Bao, 2005; Bernal and Mitsch, 2012; Cambardella and Elliott, 1992; Ji and Zhou, 2010; Kashaigili, 2008; Wang and Zhao, 2017; Zhang et al., 2023; Zhang, 2022.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42201070和42571225）、中国生态环保基金会青山公益自然保护行动计划（CEPFQS202369-2）以及大连理工大学的海岸与海洋工程国家重点实验室开放基金（项目编号LP2305）的支持。