近日，我所科研人员在大尺度海岸带碳汇时空模拟研究中取得重要进展，研究成果以“Coastal surface soil carbon stocks have distinctly increased under extensive ecological restoration in northern China”为题发表于Nature系列期刊Communications Earth & Environment（通讯-地球与环境）。

精准描绘大尺度海岸带土壤有机碳时空特征对于把握海岸带碳汇格局、支撑海岸带综合管理具有重要意义。精度是大尺度海岸带土壤碳汇模拟的核心，实现高精度对以下三个方面提出了要求：一是现场土壤实测数据，应确保点位数量充足且空间分布合理；二是预测因子，应兼具全面性和适用性；三是空间分辨率，即开展土壤碳汇模拟的最小单元，应满足精细化的空间细节展示。本研究以山东和江苏44个沿海县级行政单元为研究范围（约6.50万km²），通过大量的现场调查和取样，获取了457个点位的表层（0–20 cm）土壤数据（图1）；基于覆盖研究区全域的遥感影像和地表覆盖数据，提取了包含生态指数、景观组成、景观格局、地理位置四个方面共17个预测因子的空间数据；为了探寻最适宜的空间模拟分辨率，选择了由100 m至1000 m（由细颗粒至粗颗粒）共十种分辨率，在各分辨率下分别生成上述预测因子的时空图件并开展模拟；采用十折交叉验证法以及均方根误差（root mean squared error, RMSE）和林氏一致性相关系数（Lin’s concordance correlation coefficient, Lin’s CCC），验证各分辨率下的模拟精度；以2010年和2020年为模拟时间点，揭示大尺度海岸带土壤有机碳的时空变化规律。

图1 研究区范围（a）与调查点位（b）

研究结果显示，100 m至500 m的空间分辨率具有相对较低的RMSE和较高的Lin’s CCC，且相较以往同类研究取得了较高的模拟精度，其中200 m分辨率的模拟精度最高。在空间特征和精细化程度方面，以整个研究区（大尺度，见图2a）为视角，十种分辨率的土壤有机碳密度（soil organic carbon density, SOCD）空间格局和细节总体较为一致；以县级行政单元（中尺度，见图2b）为视角，100 m至400 m分辨率下的空间精细化程度较高，但自500 m分辨率始颗粒感变得明显，空间细节丢失；以具体地理单元（小尺度，见图2c）为视角，仅100 m分辨率呈现出了精细化的空间细节，200 m至1000 m分辨率均表现出了较为明显的颗粒感，且不同分辨率的SOCD空间特征具有显著差异。因此，100 m分辨率由于其较高的模拟精度和各尺度下精细化的空间细节可作为开展大尺度海岸带碳汇模拟的最适宜分辨率；此外，在开展更大尺度的研究时，为了避免产生巨量的模拟单元，亦可采用200 m分辨率以寻求精度和可操作性之间的平衡。

图2 十种分辨率下2020年SOCD空间模拟结果

(a)：以整个研究区为视角；(b)：以县级行政单元为视角；(c)：以具体地理单元为视角。

基于100 m分辨率2020年和2010年的SOCD空间模拟结果，可以得到2010–2020年海岸带△SOCD（即SOCD₂₀₂₀-SOCD₂₀₁₀）的空间特征（图3）。通过分析SOCD和△SOCD空间格局及其与各类影响因子的内在关系可知，生态系统质量的提升是大尺度海岸带表层土壤有机碳时空变化的主要驱动因子；自然过程和人类活动共同影响下的海岸线变迁亦对沿岸区域土壤有机碳时空格局具有重要影响。近几十年来，我国开展了广泛的生态修复工作且成效显著。尤其是近十余年，在“山水林田湖草沙是一个生命共同体”理念引导下，生态修复的内涵不断丰富、类型日趋多样、范围日益增大，涉及各种地表覆盖类型。研究结果显示，在广泛开展生态修复的背景下，山东和江苏海岸带区域2020年表层SOCD和有机碳储量分别为3.04 kg m^-2和197.80 Tg C，相较2010年分别提升了37.82%和39.19%。2010–2020年，不同地表覆盖类型表层SOCD均有不同程度的提升，森林、草地、农田、湿地和建设用地的SOCD分别提升了72.58%、74.25%、41.39%、4.58%和26.30%。

图3 2010–2020年△SOCD空间格局

本研究实现了大尺度、高精度、多分辨率的海岸带土壤有机碳时空模拟，确定了大尺度海岸带土壤碳汇模拟的最适宜分辨率，并揭示了我国广泛开展的生态修复对海岸带土壤碳汇的重要积极作用。研究成果论文由我所海岸带中心、海岸带科学与综合管理部重点实验室池源研究员（第一编辑）、刘大海正高级工程师（共同通讯编辑）与南京大学地理与海洋科学学院高建华教授（共同通讯编辑）、滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室孙景宽教授等科研人员共同完成。该研究得到了国家自然科学基金、海洋一所束星北青年学者基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-023-01044-5