黄河三角洲堤坝影响下土壤碳汇对植被演替的响应机制

Coastal engineering has played an increasingly important role in promoting the development and maintaining the safety of coastal cities. Consequently, it has affected significantly the structure, function and key ecological process of coastal ecosystems. In this proposal， we plan to study the response mechanism of soil carbon sink to vegetation succession under the effect of the seawall systems in the Yellow River Delta, based on the transect investigation, ecology, soil biogeochemistry and GIS spatial analysis. Soil organic carbon (SOC) will be used as an indicator of soil carbon sink and the changes in vegetation systems will be described by the following variables such as community structure, species diversity, production and soil attributes. Mantel test and Quadrat variance method will be used to quntify the spatial relationship between SOC and vegetation changes in recent 30 years. The scale domain of the barrier effects of the seawall will be also tested. The inventory method and NPP model will be used to calculate the storage of SOC, total vegetation production and their relationship. This study on the retroaction mechanism between soil carbon sink and vegetation succession, affected by strong human disturbances such as the sewall in the Yellow River Delta, is helpful to not only for predicting the response of carbon cycle in coastal ecosystems to global climate changes but also for assessing the ecological effects of coastal engineering.

滨海工程在推动沿海城市发展、维护城市安全中发挥了重要的作用，并显著影响了海岸带生态系统的结构、功能和关键生态过程。本项目基于实验生态学、地球化学和GIS空间分析等理论技术，以空间代时间，分析黄河三角洲堤坝影响下湿地土壤有机碳（SOC）与植被变化过程中的群落结构、物种多样性、生产力及土壤环境因子等变量的作用关系，探讨研究区近30年来海岸堤坝影响下的湿地土壤碳汇过程对植被演替的响应机制。并采用Mantel test 和 Quadrat variance法量化堤坝影响区SOC和植被变量的空间作用关系，验证堤坝阻隔对SOC及植被变量影响的尺度特征。最终，利用清单法和模型估算法计算黄河三角洲堤坝影响区土壤碳汇和植被生产力及其二者的互馈关系。系统研究这种人为干扰下湿地土壤碳汇与植被演替的互馈机制，在理论上，可帮助人们预测海岸带生态系统碳循环对全球变化的响应；在实践上，可指导人们评价滨海工程的生态效应。

该项目研究了黄河三角洲堤坝影响区湿地生态系统的变化特征。分析了近30年来在海岸堤坝的影响下，典型滨海湿地植被群落结构、物种多样性、土壤环境因子的空间格局变化特征，揭示土壤碳汇对堤坝改变引起的植被变化的响应机制，为堤坝建设对海岸带滨海湿地生态系统影响及受损湿地的生态修复提供科学依据。该项目执行三年，在黄河三角洲滨海北部堤坝影响区及典型滨海湿地分布区进行对照实验，包括研究区遥感信息提取、野外植被群落调查、土壤因子野外采样、实验室理化分析、空间模型构建等5部分，基本完成原定计划。.主要研究进展为以下内容：. 研究区1981-2011年遥感影像数据分析，提取不同时期植被指数（NDVI）、土地利用变化、海岸改变、人类主要干扰因素，包括油井密度、道路密度等的空间数据，分析了这些景观元素的时空变化格局，数量化黄河三角洲堤坝影响区在景观尺度上近30年来的变化特征及其驱动机制；. 对比分析堤坝影响区和典型区植被特征沿海岸带梯度的空间和季节变化特征。变量包括总植被覆盖度、灌丛柽柳盖度、草本覆盖度（碱蓬和芦苇）、地上总生物量、地下根生物量等，分析其变化特征及与海岸线距离的关系；. 对比分析堤坝影响区和典型区土壤环境因子的时空变化特征。土壤变量包括：盐度、总氮（TN）、有机碳（SOC）、碳稳定同位素、氮稳定同位素等，分析其变化特征及与海岸线距离的关系；. 通过构建Mantel统计量，采用Mantel test和 Cross-Mantel test数量化分析堤坝区和对照区的植被和土壤因子等变量的空间自相关性和空间相关关系，分析植被-土壤系统的相互作用模式；. 采用Quadrat variance模型设定不同分组，采用BQV、TTLQV和PQV三种方式计算植被和土壤变量随海岸线环境梯度分布的变异系数，确定了其变异发生的尺度范围，并进一步解释区域尺度上土壤碳汇随植被群落变化的响应机制。