滨海湿地富含土壤有机碳，被认为是全球重要的碳汇，也是全球“蓝碳”资源的重要贡献者。全球气候变化模型预测，全球变暖导致水文循环加强，降雨变异包括降雨量、降雨频率和季节性等变异概率加大。滨海湿地具有咸且浅的地下水位特征，其干湿交替的水文条件，使得湿地植被对土壤水盐动态极为敏感，降雨变异通过改变土壤水盐条件，调控植被生长、土壤微生物活性和碳分解速率，进而影响滨海湿地的蓝碳功能。近日，依托中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站，滨海湿地研究团队基于长期野外控制和模拟试验，在滨海湿地植物群落组成、生态系统碳水交换和土壤有机碳稳定性对降雨变化响应研究中取得了重要进展，成果发表在Journal of Environmental Management、Functional Ecology、Soil Biology and Biochemistry上。基于降雨量变化控制试验平台连续五年的观测发现，降雨量通过改变土壤盐分进而影响植物的优势物种和功能群分布（Song et al.,2024,Journal of Environmental Management）。研究结果表明，降水增加促进了植物群落高度，但对群落密度有负面影响，并且在年际变化中波动很大。我们的结果还表明，降水变化中的物种组成差异是由湿地优势物种的变化驱动的。湿地物种的优势度存在显著的年际变化：随着时间的推移，一些物种如芦苇保持稳定，但先锋植物优势种碱蓬逐渐减少甚至消失。此外，降水的变化主要通过影响土壤盐分来改变优势物种组成和功能群。降水减少引起的盐分胁迫使物种组成从株高较高的多年生植物和禾本科植物为主转变为矮小的一年生植物和杂草，同时物种丰富度下降。相反，降水量增加引起的土壤脱盐增加了物种丰富度，多年生植物和禾本科植物增加（图1）。这些发现旨在为预测植被动态变化状况和制定适应未来降水变化的生态管理策略提供理论依据。
图1 降雨量变化对植物群落组成的影响
基于降雨季节分配控制试验平台连续四年的观测发现，季节降雨分配通过调节春季土壤水盐动态驱动年尺度上盐沼湿地生态系统CO2-H2O交换（图2）。在此过程中，年尺度上的生态系统净CO2交换、蒸发散、碳利用效率和水分利用效率对春季降雨分配减少、夏秋季降雨分配增加更为敏感。相关分析发现，春季干旱通过加剧土壤盐碱化、抑制植被定植和生长，夏季淹水因为增加植被的淹水胁迫抑制植被的光合固碳能力，从而极大地削弱年尺度上盐沼湿地生态系统CO2-H2O交换能力。因此，在全球气候变化背景下，未来春季干旱诱发的土壤水盐条件将对盐沼湿地CO2-H2O交换产生重要影响（Huang et al.,2024,Functional Ecology）。
图2 生态系统CO2-H2O交换过程对降雨季节分配的响应机制
基于降雨改变模拟控制实验平台，模拟黄河三角洲两个季节（干旱季和湿润季）降雨频率（高频率降雨、中频率降雨和低频率降雨）对土壤碳矿化CO2和CH4排放的影响。研究发现在干旱季，降雨频率减少显著降低了土壤CO2和CH4通量，这可能与微生物活性和多样性以及土壤水分和盐分等理化性质的变化密切相关（Li et al.,2024,Soil Biology and Biochemistry）。在湿润季，降雨频率处理对土壤碳矿化没有显著影响，这可能是因为降雨前较高的土壤水分减弱了降雨处理对这些指标的影响 (图3)。因此，该河口盐沼土壤碳矿化损失对降雨频率变化的响应具有季节依赖性。在未来气候变化的背景下，降雨频率向大降雨事件增加的趋势转变将会放大表层土壤水盐变化，这对滨海湿地土壤碳稳定性和碳收支产生重要影响。
图3 干旱季和湿润季降雨频率对土壤碳矿化的影响机制
相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院国际科学伙伴计划等项目资助。
论文链接：
1.Song J,Liang ZH,Li XG,Wang XJ. Chu XJ,Zhao ML,Zhang X.S.,Li PG,Song WM,Huang WX,Han GX*. 2024. Precipitation changes alter plant dominant species and functional groups by changing soil salinity in a coastal salt marsh. Journal of Environmental Management 368,122235. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.122235. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122235
2. Huang WX,Han GX,Wei SY,Zhao ML,Chu XJ*,Sun RF,Zou N,Wang XJ,Li PG,Zhang XS,Lu F,Zhang SY. 2024. Seasonal precipitation distribution determines ecosystem CO2 and H2O exchange by regulating spring soil water–salt dynamics in a brackish wetland. Functional Ecology,0269-8463. DOI: 10.1111/1365.2435.14617.https://doi.org/10.1111/1365-2435.14617
3. Li X,Chen KL,Zhang QQ,Zhang XS,Wang XJ,Zhao ML,Li PG,Xie BH,Han GX,Song WM*. The response of soil carbon mineralization losses to changes in rainfall frequency is seasonally dependent in an estuarine saltmarsh. Soil Biology and Biochemistry,197,109538.DOI: 10.1016/j.soilbio.2024.109538.
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109538
