沿海三角洲湿地农田改湿地修复后土壤-植被整合与化学计量学响应揭示向自然湿地参考状态的不完全收敛

《Ecological Engineering》:Integrated soil–vegetation and stoichiometric responses reveal incomplete convergence toward a natural wetland reference after farmland-to-wetland restoration in a coastal delta wetland

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月31日 来源:Ecological Engineering 4.1

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   摘要农田向湿地修复作为一种生态工程方法,越来越多地用于恢复退化的滨海湿地,然而修复效果往往仅通过地上植被特征进行评估。如果地下土壤条件和养分平衡仍与自然湿地存在差异,这种评估可能高估生态系统恢复程度。本研究以耕作农田和采样的自然湿地作为对比参照端点,在中国黄河三角洲沿2—16

  

摘要

农田向湿地修复作为一种生态工程方法,越来越多地用于恢复退化的滨海湿地,然而修复效果往往仅通过地上植被特征进行评估。如果地下土壤条件和养分平衡仍与自然湿地存在差异,这种评估可能高估生态系统恢复程度。本研究以耕作农田和采样的自然湿地作为对比参照端点,在中国黄河三角洲沿2—16年的被动修复时间序列评估了土壤—植被恢复状况。每个修复年限对应一个采样点,因此该时间序列应理解为与修复相关的样地模式的探索性比较,而非重复的时空轨迹。我们测量了土壤物理化学性质、土壤和植物的碳氮磷化学计量比、植物群落组成与多样性、地上生物量、植物碳氮磷浓度以及土壤—植被多元关系。土壤物理化学性质在各采样点之间差异显著,较晚修复样地及自然湿地参照地总体表现为较高的土壤含水量(SMC)和养分浓度,而农田及部分早期修复样地则较低,但各变量间的模式并不完全一致。植物多样性和地上生物量(AGB)在较晚修复样地通常高于早期修复样地,表明在采样的较晚修复阶段地上群落发展更为显著。然而,较晚修复样地的群落水平地上氮和磷浓度通常较低,植物碳氮比和碳磷比较高,同时土壤和植物化学计量模式存在差异。简化的样地水平冗余分析(RDA)表明,Shannon–Wiener多样性与土壤含水量高度一致,而地上生物量与土壤水分和物理条件协变,但群落水平地上氮和磷浓度呈现不同的多元关联模式。这些结果表明,土壤和植被组分之间存在协调的修复相关差异,但部分较晚修复样地在某些属性上仍与采样的自然湿地参照地存在显著差异。综合评估土壤物理性质、植被属性和土壤—植物化学计量关系,可以为评估修复滨海湿地的生态工程效果提供更可靠的基础。

引言

三角洲湿地提供重要的生态功能,但已因农业开垦、水文改变和人类干扰而广泛退化(Chen et al., 2023; Costa et al., 2024)。因此,农田向湿地修复已成为恢复退化滨海和三角洲湿地的重要生态工程实践。然而,被动修复的成功不能仅通过湿地植被的重新出现来评估。修复生态系统可能在恢复某些结构属性的同时,在功能、组成或地下方面与自然参照系统仍存在差异(Liu et al., 2023b; Ascenzi et al., 2025; Moreno-Mateos et al., 2012)。因此,评估修复效果需要综合考量地上植被恢复和地下土壤恢复。
前农田的修复可能伴随土壤结构、水分条件、有机质积累和养分库的变化,而土壤质地也可能反映各样地之间预先存在的地质形态和沉积差异。土壤容重(BD)反映压实度和根系穿透阻力,土壤含水量(SMC)调节植物水分可利用性和湿地生境条件,土壤质地影响持水性、通气性和养分储存。同时,土壤有机质(SOM)和养分库为植物生长和群落发育提供资源基础。这些土壤性质的变化可能影响从耕作或早期演替群落向湿地植物群落的转变,而持续的土壤压实、水文改变或养分失衡可能延缓植被向自然湿地条件的收敛(Yu et al., 2021; Ferreira et al., 2024)。反之,植被恢复可通过枯落物输入、根系活动、土壤有机质积累和养分保留对土壤产生反馈。尽管存在这种相互关联,土壤和植被往往被分别评估,这使得难以判断可见的植被恢复是否反映了更广泛的生态系统恢复,以及哪些土壤性质与修复进程最密切相关(Wang et al., 2019; Yang et al., 2020; An et al., 2025)。
土壤—植物生态化学计量为评估在湿地修复过程中土壤养分模式和群落水平地上元素组成是否同步变化提供了额外的框架(Ball et al., 2021; Bian et al., 2022; Lin et al., 2023)。在修复湿地中,植物多样性或地上生物量的增加不一定对应群落水平地上元素组成的平行变化。由于群落水平样本整合了共生物种的贡献和地上器官,其碳、氮、磷浓度可能随物种更替、相对生物量贡献、器官组成、生物量积累和养分分配而变化。因此,这类测量表征的是群落实体水平的元素组成,而非单个物种的养分状态。类似地,随着土壤有机质、氮和磷库以不同速率变化,土壤碳氮磷比也可能发生偏移。在滨海盐碱湿地中,高pH值、盐度和水文波动可能进一步改变养分可利用性,导致土壤—植物化学计量轨迹不同步(Servais et al., 2019; Du et al., 2022)。因此,整合土壤和植物化学计量响应有助于揭示生态工程修复是产生了协调的生态系统恢复,还是仅实现了部分组分的恢复。
黄河三角洲是地球上最年轻、最动态的三角洲之一,其特征为新沉积物、盐碱土壤、强烈的陆海相互作用以及长期的湿地开垦和农业利用历史(Mao et al., 2016; Yu et al., 2024; Wang et al., 2024a)。该地区为评估沉积、水文和盐度约束下的被动农田向湿地修复提供了代表性的滨海三角洲系统。尽管以往在黄河三角洲的研究已探讨了修复过程中土壤质量、土壤化学计量或植物群落的变化,但大多数研究侧重于单个生态系统组分,而非跨修复阶段的整合土壤—植被和化学计量响应(Mo et al., 2020; Liu et al., 2023a; Cao et al., 2024)。因此,被动修复在促进整个生态系统恢复方面的有效性和局限性仍未得到充分理解。
本研究以耕作农田和自然湿地作为对比参照端点,沿黄河三角洲2—16年的被动农田向湿地修复时间序列评估了土壤—植被恢复状况。我们量化了土壤物理化学性质、土壤和植物碳氮磷化学计量、植物群落组成、beta多样性、alpha多样性、地上生物量以及土壤—植被关系。具体而言,我们提出以下问题:(1) 土壤物理化学性质和植物群落属性是否沿时间序列呈现方向性的修复相关模式;(2) 土壤和植物化学计量模式是否沿时间序列同步或不同步变化;(3) 植被恢复特征如何与多元土壤物理化学梯度协变;(4) 修复样地(特别是较晚修复阶段)在测量的土壤和植被属性上与采样的自然湿地参照地有多相似。我们假设较晚修复阶段将在多个土壤和植被属性上与早期修复样地存在差异,并与采样的自然湿地参照地更为相似,而土壤—植物养分和化学计量模式将保持不同步。通过整合土壤、植被和化学计量指标,本研究旨在为评估滨海三角洲湿地农田向湿地修复的生态工程效果提供更可靠的基础。

章节摘要

研究区域概述

本研究在中国山东省北部黄河三角洲国家级自然保护区开展(37°40′–38°10′ N, 118°41′–119°16′ E; 图S1)。该地区属暖温带大陆性季风气候,年均气温12.2°C,年降水量540–620 mm,年均蒸发量约2200 mm(Guan et al., 2020)。土壤主要来源于黄河沉积物,受沿海水文过程和海水影响显著

各采样点和土壤深度间的土壤物理化学性质差异

土壤物理化学性质在各采样点和土壤深度间存在差异(表1)。考虑每个土壤剖面内重复深度测量的线性混合效应模型显示,容重(BD)、土壤含水量(SMC)、黏粒含量、砂粒含量、pH值、土壤全磷(TPsoil)、土壤全氮(TNsoil)和铵态氮(NH4+-N)在采样点间存在显著差异(均p ≤ 0.033),而粉粒含量(p = 0.854)和土壤有机质(p = 0.552)的样地效应不显著。土壤深度对所有测量的土壤变量均具有显著影响(均p

土壤与植被的协调模式及向采样的自然湿地参照地的不完全收敛

各采样点的土壤物理化学条件存在显著差异,但这些差异在所有变量间并不完全一致。容重(BD)、土壤含水量(SMC)、黏粒和砂粒含量、pH值及测量的土壤养分变量均检测到显著的样地效应,而粉粒含量和土壤有机质未显示显著的总体样地效应。部分较晚修复样地和自然湿地参照地的特征为相对较高的土壤含水量、黏粒含量和养分浓度

结论

在黄河三角洲探索性的农田向湿地修复时间序列中,较晚修复样地的植物多样性、地上生物量以及与采样的自然湿地参照地的组成相似度通常高于早期修复样地,而土壤物理化学和化学计量性质表现出更多变的样地相关模式。尽管地上生物量较高,但较晚修复样地的群落水平地上氮和磷浓度通常较低

CRediT作者贡献声明

Zou Yuhan:撰写——初稿、软件、方法论、调查研究、数据管理、概念化。Guo Xiaohong:方法论、调查研究、数据管理、概念化。Yu Junbao:监督指导、方法论、调查研究。Liu Xue:方法论、调查研究。Qin Jifa:方法论、调查研究。Wang Xuehong:撰写——审阅与编辑、监督指导、方法论、调查研究、获取资金。Li Wei:监督指导、调查研究。Sergio Rasmann:撰写——审阅与编辑。

资金

本研究由国家自然科学基金委员会资助(42171111和32171649)。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决策或论文撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们感谢鲁东大学资源与环境工程学院滨海生态高等研究院、湿地保护与恢复国家重点实验室、中国林业科学院湿地研究所、西南林业大学湿地学院(高原湿地研究中心)、东北地理与
Zou Yuhan|Guo Xiaohong|Yu Junbao|Liu Xue|Qin Jifa|Wang Xuehong|Li Wei|Sergio Rasmann
鲁东大学资源与环境工程学院滨海生态高等研究院,烟台264025,中国
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