黄河三角洲本土植被碳储存的分布模式

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Distribution pattern of carbon storage by native vegetation in the Yellow River Estuary

本研究评估了2020年生态管理措施对黄河三角洲湿地原生植被碳储存的影响，基于多源遥感数据融合与随机森林算法，发现盐地碱蓬碳储量显著增加，而芦苇和柽柳减少，尤其在治理区域。结果揭示了植被类型对盐胁迫的适应差异，为蓝碳生态修复提供了依据。

　　

王一轩|李鹏|毕乃双|吴晓|王后杰

中国海洋大学海洋地球科学学院，教育部海底地球科学与勘探技术重点实验室，青岛266100，中国

摘要

本地植被在湿地生态系统中起着至关重要的作用，在黄河三角洲（YRE），主要植被种类包括Phragmites australis（P. australis）、Suaeda salsa（S. salsa）和Tamarix chinensis（T. chinensis）。然而，Spartina alterniflora（S. alterniflora）的快速入侵对本地植被造成了严重破坏。2020年，中国启动了YRE地区的S. alterniflora治理计划。本文通过生成2019年和2024年的多源遥感月度合成图像，制作了10米分辨率的盐沼植被分类数据集，研究了生态管理对YRE本地植被碳储存的影响。利用实地调查和Google Earth Engine分析了不同植被群落的碳储存变化，并系统评估了2019年至2024年间的年际动态，以评估生态管理的长期效果。与支持向量机和梯度提升决策树相比，随机森林（Random Forest）的表现最佳，总体准确率为95.50%。结果表明，生态管理显著改变了YRE本地植被的分布，尤其是在曾经被S. alterniflora主导的部分区域。P. australis和T. chinensis的碳储存量减少，而S. salsa的碳储存量增加，尤其是在东部和北部潮间带。这些空间模式可能与不同物种的耐盐性和沿盐度梯度的分布特征有关。我们认为S. salsa比P. australis和T. chinensis具有更强的耐盐性和环境适应性，在S. alterniflora被清除后更适于在高盐度区域生长。P. australis的恢复可能反映了水文波动和生态管理的作用。强调不同植被类型的响应和特性对于促进湿地生态系统的恢复和稳定至关重要。如果维持当前的管理措施，S. salsa可能会在湿地碳封存中发挥更重要的作用。

引言

沿海湿地是自然生态系统中碳汇最密集的区域之一，其温室气体（GHG）去除率和长期碳储存潜力远高于许多陆地生态系统（Wang等人，2021年）。这些沿海栖息地维持着全球最高的碳封存率（Salinas等人，2020年），占沿海海洋年有机碳（OC）储存量的约46.9%（Rogers等人，2019年），在全球碳循环中发挥着关键作用。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）提出了创建蓝色碳清单的建议，以将其纳入国家自主贡献（NDCs）中（UNFCCC，2020年）。这些指南帮助各国评估和量化蓝色碳资产，使其能够纳入气候行动计划，从而更准确地实现全球碳减排目标。近几十年来，蓝色碳作为关键的非碳排放指标受到了广泛关注（Macreadie等人，2021年）。蓝色碳生态系统（BCE），包括红树林、潮汐沼泽和海草草甸（Pham等人，2019a），在维持生物多样性、调节碳循环和缓解气候变化方面具有巨大的生态价值（Wang等人，2020年）。然而，关于使用遥感方法进行蓝色碳资产的监测、报告和验证的指导却非常有限（Malerba等人，2023年）。

在全球变化的背景下，BCE目前面临最严峻的挑战（Li等人，2022a），湿地类型的变化和人类管理实践等因素影响着它们的健康状况。入侵物种S. alterniflora（原产于北美洲，Curnutt，2000年）最初被引入中国福建省，目的是保护海岸线免受侵蚀（Shi等人，2009年）。后来证实，S. alterniflora的入侵改变了本地植被的栖息地（Zhao等人，2023年），对本地植物群落和生态系统功能产生了负面影响（Jackson等人，2021年）。2023年，中国发布了《2022-2025年Spartina Alterniflora防治专项行动计划》，目标是在2025年前在全国范围内清除超过90%的S. alterniflora（Min等人，2023年）。自2021年以来，山东省的沿海湿地已实施了大规模的S. alterniflora清除项目（Li等人，2022b；Min等人，2023年）。因此，生态管理预计将对盐沼的蓝色碳储存产生显著影响（Yang等人，2024年），生态恢复成为缓解沿海湿地退化的重要策略。

与碳通量监测相比，碳储量监测是一种更简单、更准确的沿海蓝色碳监测方法（Tang等人，2018年）。目前，基于遥感的方法已被广泛用于BCE的制图和监测（Hossain等人，2015年；Pham等人，2019b）。绘制沿海盐沼的碳储存分布图是制定恢复BCE生态功能策略的前提（Campbell等人，2022年；Hu等人，2021年），但这需要选择合适的遥感数据并开发针对不同栖息地的适当算法（Li等人，2021年）。近年来，长期时间分析（Campbell等人，2022年；Deng等人，2022年；Chen和Kirwan，2022年）、多源图像（Campbell和Fatoyinbo，2024年；Naidoo等人，2019年；Sun等人，2021年）、机器学习（Li等人，2021年；Campbell和Fatoyinbo，2024年；Senger等人，2021年）、深度学习（Chen等人，2022年，2024年）以及Google Earth Engine（GEE）（Yang等人，2023年；Li等人，2022d；Kang等人，2023年）的出现为精确监测湿地碳动态提供了新的可能性。结合随机森林和其他机器学习算法的GEE正成为沿海湿地碳储存制图的关键方法（Yang等人，2023年；Li等人，2022d；Kang等人，2023年）。

多源图像融合和机器学习方法的发展使得能够更准确地监测BCE中碳储存的动态变化，这对于跟踪不同时空尺度上的湿地碳动态具有重要意义。迄今为止，已经建立了一个初步的湿地碳储存监测框架，主要关注草本植物群落的碳储存（Sun等人，2021年；Kang等人，2023年；Yu等人，2023年；Dai等人，2020年）。然而，木本植物在湿地碳储存中的关键作用尚未得到充分理解。此外，以往的研究主要侧重于碳储存的静态测量和基本数据的获取，缺乏对生态管理措施（如入侵物种清除和本地植被恢复）如何影响碳储存变化的深入分析。因此，湿地碳储存对生态管理的响应仍不清楚。

在这里，我们将木本植物纳入YRE湿地碳储量制图框架中（Kang等人，2023年），旨在评估生态管理措施如何通过塑造植被群落和分布来影响碳储存。具体来说，我们关注在S. alterniflora清除后的关键恢复期，评估本地植被及相关碳储量对这些干预措施的响应。这项工作为河口湿地BCE的更有效生态保护和恢复措施提供了科学依据。

研究区域

黄河三角洲（YRD）是一个异常动态、变化迅速的地区。当河水流入海洋时，大量携带沉积物的河水被沉积在浅海区域，由于有足够的物质来抵御波浪和潮汐的侵蚀力，因此形成了新的陆地（Wang等人，2022年；Li等人，2024a）（图1）。现代YRD面积超过5000平方公里，每年陆地扩张速度为22.5平方公里（Pang和Si，1980年），始于1855年，当时河流开始进入该区域。

研究材料

本研究使用的数据来源包括：(a) Sentinel-2光学图像，(b) Sentinel-1 SAR数据，(c) 植被分类和验证样本，以及(d) 通过实地调查收集的地上生物量（AGB）、地下生物量（BGB）和碳含量数据（表S1）。

Copernicus Sentinel-2 “S2_SR_HARMONIZED”产品由欧洲航天局（ESA）和欧洲气象卫星利用组织（EUMETSAT）开发。

YRE植被物种的分布

使用Gini重要性（Breiman，2001）对特征重要性进行了排序，每个特征的重要性得分按降序排列（图S2a）。当包含第12个特征时，整体分类准确率达到最高（图S2b）。为了进一步提高性能，还整合了从Sentinel-1提取的额外雷达特征。最终选择了14个最重要的特征用于植被物种的分类。结果表明

本地植被碳储存的动态和驱动因素

本研究关注YRE本地植被的碳储存情况。2019年至2024年间实施的生态管理措施，特别是入侵物种清除和湿地保护措施（包括植被种植），对本地植被碳储存的变化起到了决定性作用。在强化管理下，不同物种之间的碳储存出现了显著波动（图8a），尤其是在河口区域和东部潮间带

结论

本研究考察了2019年至2024年间YRE本地植被碳储存的变化，重点关注P. australis、S. salsa和T. chinensis》。通过实地采样、遥感数据和机器学习算法，我们计算了AGB和BGB并分析了它们的碳动态。结果表明，YRE的碳储存随时间和空间发生了显著变化，主要受环境变化和人类干预的影响。

CRediT作者贡献声明

李鹏：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。王一轩：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。毕乃双：撰写——审稿与编辑、方法论。王后杰：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。吴晓：撰写——审稿与编辑、方法论

未引用的参考文献

UNFCCC，2020；Zhang等人，2025。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突

作者声明在本文的发表过程中不存在利益冲突。

数据可用性声明

数据可应要求向相关作者获取。

提交声明

我们将手稿“黄河三角洲本地植被的碳储存分布模式”提交给《Estuarine, Coastal and Shelf Science》期刊考虑发表。

我代表所有合作者声明，该手稿已获得所有作者的批准，各方之间不存在利益冲突。本文描述的工作是原创研究，尚未发表。

致谢

我们感谢编辑和审稿人的建设性意见，这些意见显著提高了手稿的质量。本项工作得到了中国国家自然科学基金（编号：42330407、42041005）和山东省泰山学者项目（TSTP20250715、TSQN202211054）的支持。