濱海濕地的藍(lán)碳功能和增碳潛力已成為緩解全球氣候變化的長期解決方案之一，同時(shí)也是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的基于自然的重要解決方案。另外，濱海濕地也是氣候變化的敏感區(qū)，氣溫升高、降水變異、大氣氮沉降等環(huán)境變化決定著濱海濕地的藍(lán)碳功能及其變化趨勢。近期，中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所韓廣軒團(tuán)隊(duì)依托中國科學(xué)院黃河三角洲濱海濕地生態(tài)試驗(yàn)站，基于長期野外定位觀測和原位控制試驗(yàn)，在濱海濕地土壤碳庫對(duì)氣候變化響應(yīng)研究方面取得系列進(jìn)展。
基于6年（2016-2021）的降雨量梯度變化控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸年均值隨著降雨梯度呈指數(shù)增加，同時(shí)土壤呼吸對(duì)降雨處理的敏感性（以降雨處理下每100毫米的降雨變化為標(biāo)準(zhǔn)）表現(xiàn)出顯著的年際變化（圖1a）。在氣溫、凈輻射和環(huán)境降雨等所有的環(huán)境氣候中，土壤呼吸對(duì)降雨處理敏感性的年際變化只與環(huán)境降雨的年際變化有聯(lián)系，兩者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1d）。此外，環(huán)境降雨量決定了濱海濕地對(duì)降雨處理的敏感性，未來放大的降雨年際變化可能會(huì)調(diào)節(jié)土壤呼吸對(duì)氣候變化的敏感性（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)表明隨著野外控制實(shí)驗(yàn)處理年份的增加，環(huán)境氣候的變化可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)梯度處理效應(yīng)產(chǎn)生影響（Li et al. 2023, Global Change Biology），因此長期野外控制試驗(yàn)平臺(tái)要關(guān)注環(huán)境氣候的變化對(duì)控制實(shí)驗(yàn)處理效應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。
圖1 2016-2021年不同降雨處理下的土壤呼吸和年降雨量之間的指數(shù)回歸（a），以及土壤呼吸對(duì)降雨處理敏感性與氣溫（b）、凈輻射（c）和降雨（c）的關(guān)系
圖2 預(yù)測未來土壤呼吸（ SR）隨降雨（ PPT）梯度變化的概念模型
依托野外原位淹水深度控制試驗(yàn)平臺(tái)（0、5、10、20、30和40cm淹水深度），通過濱海濕地土壤CH4排放、總生態(tài)系統(tǒng)CH4排放、凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換和植物性狀等長期定位監(jiān)測，揭示了淹水深度對(duì)植物介導(dǎo)的CH4排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)淹水深度減少了土壤CH4排放，但增加了總生態(tài)系統(tǒng)CH4排放（圖3）。在不同淹水深度條件下，植物介導(dǎo)的CH4排放占總生態(tài)系統(tǒng)CH4排放的99%。另外，淹水深度（0至20cm）強(qiáng)烈的刺激了植物介導(dǎo)的CH4排放。一方面，增加的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換促進(jìn)了植物介導(dǎo)的CH4產(chǎn)生，這可能是因?yàn)閬碜怨夂陷斎氲奶紴楫a(chǎn)甲烷菌提供了能量和碳源。另一方面，植物高度與植物介導(dǎo)的CH4排放顯著相關(guān)，這表明植物性狀在CH4傳輸過程中起著重要作用（Zhao et al. 2023, Functional Ecology）。該研究強(qiáng)調(diào)了水文狀況和植物性狀在未來預(yù)測濕地生態(tài)系統(tǒng)CH4排放中的重要性。
圖3 淹水深度對(duì)植物介導(dǎo)的CH4排放的影響
依托建于2012年的大氣氮沉降野外控制試驗(yàn)平臺(tái)，基于土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸、土壤性質(zhì)、微生物活性和植物生長等指標(biāo)測定，發(fā)現(xiàn)長期的氮輸入使土壤呼吸速率提高了26.6 1.2%。土壤微生物生物量碳增加了4倍，使得異養(yǎng)呼吸速率提高了26.9 1.2%（圖4）。此外，氮輸入促進(jìn)了植物生長，使地上部生物量增加了28.7 6.9%，同時(shí)產(chǎn)生了冷卻效應(yīng)（cooling effect），部分抵消了自養(yǎng)呼吸的增加。研究表明，結(jié)合土壤環(huán)境條件和植物生長之間的相互作用，氮輸入通過增加土壤微生物量碳來促進(jìn)濱海濕地的土壤呼吸（Qu et al. 2023, Soil Biology and Biochemistry）。
圖4 結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）描述了富氮對(duì)土壤呼吸（Rsoil）的影響機(jī)制
在深入分析藍(lán)碳增匯（特別是土壤碳匯）技術(shù)和途徑國際發(fā)展態(tài)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合長期定位監(jiān)測和技術(shù)研發(fā)工作，提出了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)藍(lán)碳增匯理念（韓廣軒等. 2023, 中國科學(xué)院院刊），重點(diǎn)圍繞土壤碳減排技術(shù)、植物固碳增匯技術(shù)、土壤微生物固碳技術(shù)、碳沉積埋藏技術(shù)這4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，探索海岸帶藍(lán)碳增匯技術(shù)體系與途徑（圖5）。建議未來應(yīng)從研發(fā)海岸帶藍(lán)碳增匯技術(shù)、實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)與固碳增匯協(xié)同增效、加強(qiáng)固碳增匯技術(shù)的監(jiān)測與評(píng)估、建立海岸帶藍(lán)碳碳匯發(fā)展的長效管理機(jī)制等方面，加快前瞻布局和系統(tǒng)研究，為制定海岸帶藍(lán)碳增匯途徑和提升碳匯功能提供理論和技術(shù)支持，在增加生態(tài)碳匯能力和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)中發(fā)揮積極作用。
圖5 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)藍(lán)碳增匯理念和技術(shù)體系
相關(guān)成果發(fā)表在Global Change Biology、Functional Ecology、Soil Biology and Biochemistry、《中國科學(xué)院院刊》上。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院國際大科學(xué)計(jì)劃培育專項(xiàng)的資助。
論文信息：
1. Li, X., Hou, Y., Chu, X., Zhao, M., Wei, S., Song, W., Li, P., Wang, X., Han, G.* (2023). Ambient precipitation determines the sensitivity of soil respiration to precipitation treatments in a marsh. Global Change Biology, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16581
2. Zhao, M., Li, P., Song, W., Chu, X., Eller, F., Wang, X., Liu, J.*, Xiao, L., Wei, S., Li, X., & Han, G. *(2023). Inundation depth stimulates plant-mediated CH4 emissions by increasing ecosystem carbon uptake and plant height in an estuarine wetland. Functional Ecology, 00, 1–15. https://doi.org/10.1111/1365-2435.14258
3. Qu, W., Xie, B., Hua, H., Bohrer, G., Penuelas, J., Wu, C.*, & Han, G.* (2023). Long-term nitrogen enrichment accelerates soil respiration by boosting microbial biomass in coastal wetlands. Soil Biology and Biochemistry, 175, 108864. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108864
4. 韓廣軒*, 宋維民, 李遠(yuǎn), 肖雷雷, 趙明亮, 初小靜, 謝寶華. 海岸帶藍(lán)碳增匯：理念、技術(shù)與未來建議. 中國科學(xué)院院刊, 2022, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045. 20220619001.
