中国主要河口湿地中与水文连通性相关的土壤碳储量、垂直通量和侧向交换的空间格局

《CATENA》：Spatial patterns of soil carbon stocks, vertical fluxes, and lateral exchange associated with hydrological connectivity in China's major estuarine wetlands

　　

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  残余侧向碳交换占垂直通量绝对值总和的50.10%。
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  侧向交换反映了垂直碳增益与气态碳损失之间的不平衡。
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  河口碳预算各组分之间的水文关联性存在差异。
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  径流与碳埋藏、气态损失及侧向交换具有强相关性。

引言

河口湿地作为陆地系统与海洋系统之间高度动态的生态过渡区，在全球碳封存和气候减缓中发挥着不成比例的重要作用（Levin等，2001；Segaran等，2023）。作为陆地绿色碳库与海洋蓝色碳库之间的关键界面，这些生态系统的净汇能力最终体现在其土壤碳储量上，而传统上是通过垂直碳通量的视角来评估的（Duarte等，2013；Jiang等，2025）。这些垂直过程主要发生在大气与湿地表面之间，主要由植物碳输入和沉积物埋藏所驱动，同时被土壤呼吸（CO₂）和甲烷（CH₄）排放引起的碳气态损失所抵消（Cao等，2015；Lovelock，2008）。然而，近年来蓝色碳核算范式的转变表明，这种以垂直通量为中心的视角从根本上忽视了河口系统的核心水—地貌特征。因此，侧向碳交换——定义为溶解态和颗粒态碳在湿地土壤与相邻沿海水域之间的双向转移和外泄——正日益被认为是一个巨大但约束不充分的全球碳预算组成部分，有时甚至可能超过当地沉积物埋藏量（Yuan等，2022）。忽视这一侧向过程将严重限制我们准确评估河口生态系统全面碳平衡和真实气候减缓潜力的能力。

垂直通量和侧向碳交换的量级、方向和空间分布均深受水文连通性的深刻影响（McCarter等，2024）。水文连通性广义上定义为景观中由水介导的物理交换路径，在河口地区则由河流径流与潮汐周期的动态相互作用独特驱动。此前的研究表明，湿地水文连通性受多种因素影响，包括气候变化、地形地貌、植被覆盖、河道形态和人为干预等（Chen等，2022）。这些因素对碳积累和碳排放均有显著影响（McCarter等，2024）。例如，在碳输入阶段，水文连通性增强可增加有机质和溶解态有机碳的输送，促进土壤碳储存（Yao等，2022）。同时，它还能增加氮、磷等营养物质的输入，从而刺激植被生长，间接增加碳封存（Yao等，2023）。相反，在碳输出阶段，水文连通性调控氧气有效供给和土壤湿度状况，进而影响甲烷和二氧化碳等温室气体的排放（McCarter等，2024）。更重要的是，水文连通性作为调控侧向碳传输的关键通道，在决定湿地土壤系统是相对于相邻水域充当净输入者还是主动输出者方面发挥着关键作用（Reithmaier等，2023）。因此，厘清水文连通性与碳保留、气态损失和侧向交换之间的关联，对于理解河口碳预算至关重要（Bright等，2020；Guimond等，2020）。

尽管水文连通性在调控河口碳循环方面具有重要作用，但现有的中国河口湿地蓝色碳评估很少纳入侧向碳交换，而多维水文连通性对碳循环的影响也尚未得到充分理解。因此，在宏观生态尺度上量化不同维度水文连通性与河口碳预算及碳循环过程的关联仍是一项重大挑战。将精细尺度的生物地球化学机制与区域碳预算联系起来，因河口景观极端的空间异质性而受到严重阻碍（Geilfus等，2026）。以往研究主要依赖特定地点的实测数据来考察局部环境因子，限制了其捕捉水文连通性区域变异的能力，而这种变异与气候梯度、地形变化和强化的人类活动有关（Chen等，2023；Lee等，2023）。因此，在缺乏空间显式水文连通性的情况下外推局部实地数据，往往会导致区域碳核算中潜在的偏差和不确定性（Zeng等，2020）。本研究考察的中国十大河口湿地从北部的温带辽河口延伸到南部的热带海湾（如北部湾），跨越了广泛的纬度和气候梯度。这些河口在水文情势、地貌格局（Amendola等，2018；Wu等，2025）、植被类型和人为干扰方面也存在显著差异，从而提供了中国河口湿地主要环境梯度的对比表征。这些对比系统为研究水文连通性与河口碳预算空间格局之间的关联提供了一个理想的但尚待探索的宏观尺度框架。

为弥补这一空白，本研究综合了114项独立研究的野外实测数据与遥感反演的水文数据集，并采用随机森林回归方法将站点级观测数据扩展到全中国主要河口湿地。我们旨在量化土壤有机碳储量、垂直碳通量和侧向碳交换的空间格局，并评估它们与水文学连通性的关联。我们检验了三个假设：（i）侧向碳交换是河口碳平衡中与垂直通量并存的实质性且高度变化的组成部分；（ii）侧向碳交换的空间变异反映了垂直碳输入与气态碳损失之间的不匹配，尽管该假设基于空间共变关系评估，并不建立因果关系；以及（iii）不同维度水文连通性的变化与侧向碳交换及其他碳预算组分存在强相关性。通过将空间显式的碳预算与水文条件联系起来，本研究为改进沿海碳核算、优化蓝色碳管理和基于自然的气候解决方案提供了一个数据驱动框架（Thorne等，2025）。

节选内容

研究区域

中国十大主要河口中的十个被选为本研究对象：辽河口、黄河河口、胶州湾、盐城滨海湿地、长江河口、杭州湾、闽江口、漳江口、珠江河口和北部湾。这些研究地点从北到南分布（图1a），跨越了广泛的纬度梯度，并在气候、水文和生态特征上表现出差异（详细特征见表S1），气候带

土壤有机碳储量的空间分布

中国主要河口湿地的土壤有机碳（SOC）储量表现出显著的空间异质性，范围从2.42至73.63 Mg ha^?1（图2）。它们并未呈现均匀分布，SOC高值高度局域化。总体而言，相对较高的SOC储量主要分布在南部河口，而北部江苏滨海湿地和长江河口则以低至中等偏低值为主。在北部河口当中，

土壤碳储量与垂直碳输入的生态环境及植被驱动力

结果表明，中国代表性河口湿地的SOC储量、碳埋藏率和植物来源碳输入均表现出显著的空间异质性，且未观察到统一的海陆梯度。这种变异表明，沿海碳积累并非仅由海洋邻近度所决定，而是受到栖息地类型、植被组成、潮汐水动力学、沉积物稳定性和人为干扰的交互调控。在全国范围内，滨海盐沼占

结论

本研究揭示了中国主要河口湿地碳预算及其与水文学条件之间的不同空间格局。SOC呈现出局域化的海陆梯度，而碳埋藏和植物输入则主要集中在少数低纬度河口。CO₂主导了碳损失，而CH₄通量较低且空间上呈碎片化。这些碳增益与损失之间的不匹配产生了基于残余的侧向碳

CRediT作者贡献声明

Wang Jingwen：撰写–初稿，可视化，方法论。Bernard A. Engel：撰写–审阅与编辑。Zhang Mingxiang：撰写–审阅与编辑。Zhang Zhenming：撰写–审阅与编辑。Liu Jiakai：撰写–审阅与编辑，资金获取。Xie Tian：撰写–审阅与编辑。Chen Cong：撰写–审阅与编辑。Cui Baoshan：撰写–审阅与编辑。Ning Zhonghua：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，方法论，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本论文报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（资助号：52301309、52322109）、中央高校基本科研业务费专项资金（资助号：XJJSKYQD202541）和国家重点研发计划（资助号：2024YFF1306401）资助。

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