濱海濕地的藍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，同時也是我國實現“雙碳”目標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，氣溫升高、降水變異、大氣氮沉降等環境變化決定著濱海濕地的藍碳功能及其變化趨勢。近期，中國科學院煙臺海岸帶研究所韓廣軒團隊依托中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站，基于長期野外定位觀測和原位控制試驗，在濱海濕地土壤碳庫對氣候變化響應研究方面取得系列進展。
基于6年（2016-2021）的降雨量梯度變化控制實驗平臺發現，土壤呼吸年均值隨著降雨梯度呈指數增加，同時土壤呼吸對降雨處理的敏感性（以降雨處理下每100毫米的降雨變化為標準）表現出顯著的年際變化（圖1a）。在氣溫、凈輻射和環境降雨等所有的環境氣候中，土壤呼吸對降雨處理敏感性的年際變化只與環境降雨的年際變化有聯系，兩者呈顯著的負相關關系（圖1d）。此外，環境降雨量決定了濱海濕地對降雨處理的敏感性，未來放大的降雨年際變化可能會調節土壤呼吸對氣候變化的敏感性（圖2）。這些發現表明隨著野外控制實驗處理年份的增加，環境氣候的變化可能會對實驗梯度處理效應產生影響（Li et al. 2023, Global Change Biology），因此長期野外控制試驗平臺要關注環境氣候的變化對控制實驗處理效應的調節作用。
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回歸（a），以及土壤呼吸對降雨處理敏感性與氣溫（b）、凈輻射（c）和降雨（c）的關系
圖2 預測未來土壤呼吸（△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平臺（0、5、10、20、30和40cm淹水深度），通過濱海濕地土壤CH4排放、總生態系統CH4排放、凈生態系統CO2交換和植物性狀等長期定位監測，揭示了淹水深度對植物介導的CH4排放的影響。研究發現淹水深度減少了土壤CH4排放，但增加了總生態系統CH4排放（圖3）。在不同淹水深度條件下，植物介導的CH4排放占總生態系統CH4排放的99%。另外，淹水深度（0至20cm）強烈的刺激了植物介導的CH4排放。一方面，增加的凈生態系統CO2交換促進了植物介導的CH4產生，這可能是因為來自光合輸入的碳為產甲烷菌提供了能量和碳源。另一方面，植物高度與植物介導的CH4排放顯著相關，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）。該研究強調了水文狀況和植物性狀在未來預測濕地生態系統CH4排放中的重要性。
圖3 淹水深度對植物介導的CH4排放的影響
依托建于2012年的大氣氮沉降野外控制試驗平臺，基于土壤異養呼吸和自養呼吸、土壤性質、微生物活性和植物生長等指標測定，發現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，使得異養呼吸速率提高了26.9±1.2%（圖4）。此外，氮輸入促進了植物生長，使地上部生物量增加了28.7±6.9%，同時產生了冷卻效應（cooling effect），部分抵消了自養呼吸的增加。研究表明，結合土壤環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濱海濕地的土壤呼吸（Qu et al. 2023, Soil Biology and Biochemistry）。
圖4 結構方程模型（SEM）描述了富氮對土壤呼吸（Rsoil）的影響機制
在深入分析藍碳增匯（特別是土壤碳匯）技術和途徑國際發展態勢的基礎上，結合長期定位監測和技術研發工作，提出了海岸帶生態系統藍碳增匯理念（韓廣軒等. 2023, 中國科學院院刊），重點圍繞土壤碳減排技術、植物固碳增匯技術、土壤微生物固碳技術、碳沉積埋藏技術這4個關鍵技術，探索海岸帶藍碳增匯技術體系與途徑（圖5）。建議未來應從研發海岸帶藍碳增匯技術、實現生態保護修復與固碳增匯協同增效、加強固碳增匯技術的監測與評估、建立海岸帶藍碳碳匯發展的長效管理機制等方面，加快前瞻布局和系統研究，為制定海岸帶藍碳增匯途徑和提升碳匯功能提供理論和技術支持，在增加生態碳匯能力和實現碳達峰碳中和目標中發揮積極作用。
圖5 海岸帶生態系統藍碳增匯理念和技術體系
相關成果發表在Global Change Biology、Functional Ecology、Soil Biology and Biochemistry、《中國科學院院刊》上。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院國際大科學計劃培育專項的資助。
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, 肖雷雷, 趙明亮, 初小靜, 謝寶華. 海岸帶藍碳增匯：理念、技術與未來建議. 中國科學院院刊, 2022, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045. 20220619001.
院地合作