洪水频率增加通过改变植物与土壤特性影响河岸草地碳通量的机制研究

《Resources, Environment and Sustainability》：Increased flood frequency altered carbon fluxes via modifying plant and soil properties in a riparian grassland

本研究针对全球变暖下洪水频率增加对河岸带碳循环的影响这一关键科学问题，通过遥感监测与实地测量相结合的方法，揭示了洪水频率改变如何通过植被-土壤反馈调节二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)通量。研究发现频繁洪水促使植物群落向一年生物种演替，提高植物碳含量(38.2%→44.0%)但降低土壤氮含量(0.18%→0.05%)，导致生态系统呼吸增加85%而土壤呼吸不变，同时在淹没期出现30倍CH4排放脉冲。该研究为预测气候变化下河岸带碳源/汇功能转变提供了机制性见解。

　　

在全球变暖的背景下，极端水文事件频发已成为不争的事实。作为水陆交错带的河岸生态系统，不仅是生物多样性的重要栖息地，更在全球碳循环中扮演着关键角色。这些区域被认为是二氧化碳和甲烷排放的热点，对区域乃至全球碳收支产生显著影响。然而，当前对于洪水频率变化如何影响河岸带植物-土壤-碳通量相互作用的认识仍存在重大知识空白。特别是在气候变化导致洪水模式改变的背景下，准确量化河岸生态系统碳动态响应机制显得尤为紧迫。

传统观点认为，洪水会通过改变土壤氧化还原状态直接影响微生物活性，进而调节碳循环过程。但这一简化认知忽略了植物群落在水文变化下的适应性响应及其对碳通量的间接调控作用。洪水扰动如何通过协同改变植物组成、土壤性质和微生物群落来驱动碳循环，成为当前生态系统生态学研究的前沿课题。

针对这一科学问题，研究人员在《Resources, Environment and Sustainability》上发表的最新研究，以中国东北嫩江流域莫莫格国家级自然保护区内的河岸草地为研究对象，开展了一项跨越数十年的综合观测。该区域在1984-2023年间经历了独特的"规律-不规则-规律"洪水模式转变：1984-2006年为年度洪水期，2007-2018年为极少洪水期，2019年后又恢复年度洪水。这种自然实验为揭示不同洪水频率下生态系统响应提供了理想场所。

研究团队创新性地将遥感反演与实地监测相结合，通过多时序 Landsat 影像重建了40年洪水频率 chronology，并同步开展了植物群落调查、土壤理化分析、温室气体通量测量和甲烷菌分子生物学研究。这种多尺度、多过程的集成研究方法，使研究者能够全面解析洪水频率变化对河岸生态系统的级联效应。

主要技术方法

研究采用遥感与实地观测相结合的方法：(1)利用 Landsat 系列卫星的 MNDWI 指数重建1984-2023年洪水频率时序；(2)在代表不同洪水期的2010、2022、2023年生长季进行植物群落调查和土壤采样；(3)使用静态箱法测量生态系统和土壤的 CO₂、CH₄通量；(4)通过 mcrA 基因测序分析甲烷菌群落组成；(5)运用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析各因子间的因果关系。

3.1 过去四十年的洪水频率

遥感分析显示，研究区在1984-2023年间共发生26次洪水事件，呈现出明显的阶段性特征。1984-2006年间几乎每年发生洪水，而2007-2018年仅2013年发生一次洪水，2019年后恢复年度洪水模式。洪水主要发生在8-9月(65%)，与植物生长旺季重叠，这增强了洪水对生态系统过程的潜在影响。

3.2 洪水对植物群落组成和多样性的影响

洪水频率显著改变了植物群落结构(PERMANOVA, F_1,18=9.89, p<0.01)。年度洪水期植物多样性增加，群落从多年生为主转向以莎草科(Cyperaceae)和禾本科(Gramineae)为代表的一年生优势种，如耐淹植物硬薹草(Carex duriuscula)相对多度提高。这种功能群转变体现了植物对洪水胁迫的适应性进化。

3.3 洪涝对植物和土壤特性的影响

年度洪水期植物碳含量显著升高(6月：44.0% vs. 38.2%)，而土壤全氮显著降低(8月：0.05% vs. 0.18%)。这种植物-土壤元素计量比的解耦表明，洪水通过改变物种组成调控元素循环，而新定居的一年生植物对氮的竞争性吸收可能是土壤氮库衰减的重要原因。

3.4 土壤和生态系统呼吸及甲烷排放

生态系统呼吸在年度洪水期增加85%，但土壤呼吸无显著变化，表明自养呼吸主导了通量变化。土壤呼吸与生态系统呼吸的比值从极少洪水期的60-83%降至年度洪水期的21-61%，印证了植物代谢贡献增强。虽然洪水频率对甲烷通量无整体影响，但淹没期出现30倍甲烷排放脉冲，这种脉冲式排放与甲烷菌群落结构变化密切相关。

3.5 土壤产甲烷菌群落组成和多样性

甲烷菌群落以Candidatus Methanopereedens(17-40%)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina, 18-33%)为主导。甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)的相对丰度与土壤CH₄排放显著相关，这两类广食性菌株的代谢活性是淹没期甲烷爆发的微生物学机制。

讨论与结论

本研究通过多学科证据链阐明，洪水频率增加通过三重机制调控河岸带碳循环：一是植物群落演替驱动自养呼吸增强，表现为一年生耐淹物种替代多年生种，提高植物碳储量并改变凋落物质量；二是土壤氮库衰减抑制异养呼吸，洪水导致的氮淋失和反硝化作用降低微生物活性；三是厌氧环境激活特化甲烷菌群，引发淹没期甲烷排放脉冲。这些过程通过植被-土壤反馈产生协同效应，最终使河岸草地生态系统呼吸增强而土壤呼吸不变。

研究的创新性在于揭示了植物功能性状变化在调节洪水-碳循环关系中的核心作用，突破了传统研究侧重于土壤微生物过程的局限。发现的自养呼吸主导模式挑战了河岸带碳循环的传统认知，为改进生态系统模型提供了新参数。同时，研究证实甲烷排放的脉冲特性而非稳态增长，这对准确评估河岸带温室气体贡献具有重要方法学意义。

尽管本研究基于单点观测，但其揭示的生态机制对理解全球变化下河岸生态系统响应具有普适性价值。研究建立的遥感-实地融合监测框架和路径分析方法，为区域尺度生态水文研究提供了范例。未来需结合多站点比较和控制实验，进一步量化洪水特征(持续时间、强度等)对碳循环过程的定量影响，为河岸带适应性管理提供更精准的科学依据。