中國濱海鹽沼濕地碳收支與碳循環(huán)過程研究進展

曹 磊,宋金明,李學剛,袁華茂,李 寧,段麗琴

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室, 青島 266071；2. 中國科學院大學,北京 100049)

中國濱海鹽沼濕地碳收支與碳循環(huán)過程研究進展

曹 磊1,2,宋金明1,*,李學剛1,袁華茂1,李 寧1,段麗琴1

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室, 青島 266071；2. 中國科學院大學,北京 100049)

濱海鹽沼濕地由于其較高的初級生產(chǎn)力和較緩慢的有機質(zhì)降解速率而成為緩解全球變暖的有效藍色碳匯,近年來引起全球范圍內(nèi)的熱切關(guān)注。我國濱海鹽沼濕地分布較廣,國內(nèi)學者對濱海鹽沼濕地碳循環(huán)及碳收支研究取得了一定進展,深入研究濱海鹽沼濕地碳循環(huán)有助于對全球碳循環(huán)及全球變化的理解,并為利用濱海濕地進行碳的增匯減排提供科學依據(jù)。主要從我國濱海鹽沼濕地碳循環(huán)主要觀測方法、碳收支與碳循環(huán)過程及特點、碳庫的組成與影響因素、氣態(tài)碳的輸入輸出、潮汐作用對其碳收支的影響這5個方面出發(fā),對國內(nèi)的濱海鹽沼濕地碳循環(huán)與碳收支的研究進展進行了歸納總結(jié),并對今后的研究方向給出如下建議：(1)加強濱海鹽沼濕地土壤碳庫在深度上和廣度上的研究；(2)標準化濱海鹽沼濕地碳儲量、碳通量的量化方法和觀測技術(shù)；(3)在研究尺度上要宏觀、微觀并重,同時加強長期原位監(jiān)測濕地碳通量的變化與室內(nèi)模擬研究；(4)量化在潮汐影響下濱海鹽沼濕地碳與鄰近生態(tài)系統(tǒng)之間的橫向交換通量。只有對我國濱海鹽沼濕地碳庫收支進行更準確的評估和長期的碳庫動態(tài)變化監(jiān)測,方可進一步認識我國鹽沼濕地對全球氣候變化的影響及其反饋作用,這對于預測全球變化及制定濕地碳儲備功能的提升策略具有重要的意義。

碳收支；濱海鹽沼濕地；影響因素

全球變暖與大氣中不斷增加的溫室氣體之間的密切關(guān)系已成為不爭的事實,減少溫室氣體排放、增加碳匯成為緩解氣候變化的首要任務,因此,對全球碳循環(huán)的研究則成為其中關(guān)鍵過程。濕地作為一個水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng),具有季節(jié)或常年積水、生長或棲息喜濕動植物和土壤發(fā)育潛育化3個基本特征。濕地環(huán)境的水文特征、生物地球化學過程和濕地生物適應使其具有獨特的物理、化學和生物學結(jié)構(gòu)及功能,使其具有“碳匯”的功能。盡管全球濕地面積僅占陸地面積的4%—6%,但是其碳儲量卻占陸地碳庫的12%—20%,相比于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)以及熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)儲量都要高[1- 5]。IPCC第四次綜合評估報告指出[6],全球CO2濃度從工業(yè)革命前的280 mg/L上升到了2005年的379 mg/L,未來50—100 a間,地球表面CO2濃度將升高約1倍,平均溫度可能升高1.1— 6.4 ℃。隨之而來的世界范圍內(nèi)持續(xù)的氣候變暖將引發(fā)一系列嚴重的生態(tài)災害問題,對濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生巨大的影響,而濕地中儲存的大量有機碳對氣候變化也將有一定程度的反饋[1,6]。濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳過程是生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)量的基礎(chǔ),也直接影響大氣溫室氣體濃度。因此,對濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)、碳儲量變化的研究是理解濕地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的影響及響應具有十分重要的意義。

1 濱海鹽沼濕地碳循環(huán)觀測方法

在濕地碳循環(huán)方面有多種多樣的技術(shù)用于監(jiān)測和核查濕地碳通量和碳貯存：與水流有關(guān)的碳收支可以通過監(jiān)測水流的體積和碳濃度而得到；植被從大氣中吸收CO2實現(xiàn)的碳固定量則可以通過地上地下生物量的積累來測定；通過穩(wěn)定同位素監(jiān)測碳的來源與周轉(zhuǎn)可以研究碳素在碳循環(huán)過程中的動態(tài)；土壤有機碳的降解可以沿著碳素從植物和藻類的死亡至有機質(zhì)和埋藏到沉積物中的路徑進行研究；對于氣體交換的研究主要是測量呼吸與降解作用產(chǎn)生的CO2、CH4流失量；對土壤剖面的取樣調(diào)查則可以得到濕地沉積物中碳的儲備。

目前,我國學者主要采用渦度協(xié)相關(guān)法、箱法及穩(wěn)定同位素法來對濱海鹽沼濕地碳通量、碳儲存等環(huán)節(jié)進行研究。渦度協(xié)相關(guān)方法是通過分別測定垂直風速和二氧化碳濃度的變化來計算生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的二氧化碳凈交換量,用于測定大氣系統(tǒng)CO2、水和能量通量以及植被群落的微氣象數(shù)據(jù)[9- 10],測量精確度高,是一個直接連續(xù)測量生態(tài)系統(tǒng)碳通量的途徑,但對環(huán)境條件和技術(shù)要求較高。在我國的長江口崇明東灘濕地,建有基于渦度協(xié)方差技術(shù)的通量監(jiān)測塔,研究者可以通過地面監(jiān)測、遙感分析和模型模擬等研究河口濕地碳通量的變化及其影響因子,這是國內(nèi)目前最先進的濱海濕地碳通量觀測和研究技術(shù)[11]。而箱法是一種估測生態(tài)系統(tǒng)要素中凈碳交換的傳統(tǒng)方法[12]。通常采用不同類型的箱子罩在植被地面或者土壤表面,通過測定向內(nèi)的CO2和CH4等氣體濃度隨時間的變化來計算植被-大氣或土壤-大氣之間的氣體交換通量。其測量的準確性依賴于箱內(nèi)的氣體濃度與外部環(huán)境之間的差異。箱法的缺點就是會嚴重改變觀測氣體的空間變化性,擾動土壤和植被環(huán)境,導致測定結(jié)果不夠反映實際情況。但因其成本低,操作方便,適宜進行小尺度的測量,是觀測土壤碳通量的的常用方法,見表1。

表1 我國不同濱海鹽沼濕地不同季節(jié)CO2、CH4通量

盡管已經(jīng)有眾多可行的技術(shù)用于研究濕地碳循環(huán)及其各個細節(jié),但是,如何快速而準確地評估濱海鹽沼碳儲存及簡單而有效地監(jiān)測碳儲量隨時間的變化對碳循環(huán)科研群體來說仍是個重大挑戰(zhàn)。

2 濱海鹽沼濕地的碳收支與碳循環(huán)過程及特點

濕地碳循環(huán)的基本模式是：大氣中的CO2通過光合作用被植物吸收并合成有機物；植物死亡后的殘體經(jīng)腐殖化作用和泥炭化作用形成腐殖質(zhì)和泥炭；土壤有機質(zhì)經(jīng)微生物礦化分解產(chǎn)生CO2,在厭氧環(huán)境下則產(chǎn)生CH4釋放到大氣中。然而,濱海濕地處于海陸交互作用地帶,受潮汐特征影響,陸地碳庫與海洋碳庫緊密相連,其碳循環(huán)過程更為錯綜復雜?？傮w來說,濱海濕地的碳循環(huán)包括碳的外部循環(huán)和內(nèi)部循環(huán)[7- 8,19]。濱海鹽沼濕地碳的外部循環(huán)主要包括有機碳、無機碳的輸入輸出,這由生物地球化學作用和潮汐的機械搬運作用主導的；碳的內(nèi)部循環(huán)則包括：有氧礦化作用、厭氧礦化作用和碳酸鹽的形成和儲存。

由此可以看出,濱海鹽沼濕地碳循環(huán)過程主要為碳的輸入、輸出和碳的貯存。碳的輸入包括三個方面：氣態(tài)碳輸入,指濕地植物和藻類對大氣中CO2的固定；固態(tài)碳輸入,主要是指凋落物、潮水和土壤的侵蝕等造成的碎屑輸入；溶解態(tài)碳的輸入,包括溶解有機碳和溶解無機碳的輸入。相對而言,碳的輸出同樣發(fā)生于這3種狀態(tài)：經(jīng)過呼吸作用而產(chǎn)生CO2、CH4等氣體的輸出,凋落物的輸出及通過地表和地下徑流的溶解態(tài)有機碳和無機碳的輸出。濕地碳的貯存在時間尺度上有長短之分,即長期儲存于濕地沉積物中,短期則儲存于現(xiàn)存生物量(如植物、土壤動物、細菌和真菌等活生物區(qū)碳庫)、表層和地下水的溶解成分中。因此,影響濱海濕地碳貯存的因素有很多,包括濕地類型,植被組成,沉積物深度,南北緯度變化,氣候,溫度,水文以及周圍的土地利用方式等。由于其影響因素的錯綜復雜,濱海鹽沼濕地碳的貯存能力具體有多大很難探明。

在我國,目前對于長江口潮灘濕地開展了較為系統(tǒng)的碳庫動態(tài)評估[20],而對于我國其它重要的濱海濕地如黃河口濕地,閩江口濕地等的碳循環(huán)研究則集中于對少數(shù)樣點的碳通量的非連續(xù)性觀測和土壤剖面碳儲存特征描述[21- 22]。這些研究對于綜合評估濱海鹽沼濕地對區(qū)域碳平衡的貢獻是明顯不夠的。盡管有一些濱海鹽沼濕地碳循環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)在小尺度上能夠行得通,但是這些數(shù)據(jù)能否代表所有情況下或者能否推算到景觀水平上尚未可知[23]。

3 濱海鹽沼濕地碳庫的組成與影響因素

濱海鹽沼濕地的碳循環(huán)內(nèi)容既包含濕地內(nèi)部各個碳庫對碳的儲存,又包含各碳庫之間的碳通量。具體來說,濱海鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳主要以5種形式存在[24]：植物生物量碳、顆粒有機碳、溶解有機碳、微生物量碳及氣態(tài)終產(chǎn)物如CH4和CO2。活躍的生物量碳存在于濕地植物和水生附著物中,它們負責由無機碳向有機碳轉(zhuǎn)變的光合作用,濱海濕地初級生產(chǎn)力由于地理位置、營養(yǎng)狀態(tài)和植被類型的不同而有極強變異性。顆粒有機碳主要包括腐爛的植物體、微生物細胞、顆粒流入物以及土壤表層的顆粒有機物。溶解有機碳同樣是比較活躍的碳庫,是土壤中有效性較高,易被土壤微生物分解礦化的那部分碳,溶解有機碳含量不足土壤總有機碳含量的1%,卻占據(jù)了地表水中總有機碳的90%。微生物量碳存在于異養(yǎng)微生物的分解活動中,這些分解活動將有機碳轉(zhuǎn)化為無機碳,并且將顆粒有機碳和溶解有機碳礦化?；钚陨锪刻嫉闹苻D(zhuǎn)相對來說比較快,通常以天數(shù)計,然而相應的土壤有機物的周轉(zhuǎn)則需要幾十年。由碳素的存在形式可以看出,植被和土壤是濱海濕地兩個最重要的碳庫,而土壤碳庫則是其碳循環(huán)的核心,對濱海鹽沼濕地植被、土壤兩大碳庫及其影響因素的認識是濕地碳循環(huán)研究的關(guān)鍵部分。

3.1 濱海濕地植被碳庫及其影響因素研究

濱海濕地具有非常高的初級生產(chǎn)力,鹽沼植被作為濱海潮灘有機碳的最主要來源,鹽沼植物在整個潮灘生態(tài)系統(tǒng)生源物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。其在潮灘上的生長、沉積和掩埋使濱海濕地成為全球碳庫的重要組成部分[24- 27]。蘆葦群落是我國濱海濕地分布最廣泛的草本鹽沼類型,堿蓬群落則是中國北方濱海濕地的重要群落,互花米草群落及海三棱藨草群落是分布于江蘇、浙江、河北等地潮間帶濕地特有的濕地植物群落。目前,我國學者對濱海濕地植被的碳循環(huán)研究集中于對不同鹽沼植物與濕地沉積物之間在生源物質(zhì)的生物地球化學行為過程中所發(fā)揮重要作用的研究,時間與空間尺度的植被固碳、儲碳能力的研究[28- 29]。

由于環(huán)境因素影響,不同濱海濕地相似植物群落生物量有一定程度的差異,不同植物群落碳含量差異也較大,我國不同濱海鹽沼濕地不同植被類型的生物量及固碳能力見表2。

表2 我國不同濱海鹽沼濕地不同植被類型生物量及碳密度

對崇明東灘蘆葦帶濕地植被的生物量和初級生產(chǎn)力進行研究得到[30],長江口典型蘆葦帶濕地植被的碳儲量平均為4.02 kg/m2,地下/地上生物量比率為2.33—3.64,碳儲量是地上部分的近3倍,固碳能力達1.11—2.41 kg·m-2·a-1,是全國陸地植被平均固碳能力的2.3—4.9倍,全球植被平均固碳能力的2.7—5.9倍。遼河三角洲盤錦地區(qū)濕地植被的儲碳、固碳能力則高于崇明東灘[31]。閩江河口濕地由于地處南亞熱帶季風氣候,水熱條件充足,濕地植被具有較高的生物生產(chǎn)力[32],主要植物群落的平均生物量表現(xiàn)為：互花米草群落(3.40 kg/m2) gt;蘆葦群落(2.72 kg/m2) gt;咸草群落(2.02 kg/m2)。而馮忠江等[33]對黃河三角洲蘆葦生物量的調(diào)查則顯示,鹽度是植被生物量大小的最主要限制因子,生物量隨鹽度的增加而減少,水深是最主要的促進因子,地上生物量隨著水深的增加而增加,而地下與地上生物量之比則隨著水深的增加而減少。

濱海鹽沼濕地演替顯著,而植被則是演替過程的指示者,其碳儲量也在不斷發(fā)生變化。不同演替階段的濕地植被的現(xiàn)存碳儲量及其分配格局特征存在較大差異。在崇明東灘濕地植被演替過程中,植被的儲碳、固碳功能變化很大[34]：先鋒物種海三棱藨草的現(xiàn)存碳儲量僅占蘆葦現(xiàn)存碳儲量的13%；地下根莖為蘆葦現(xiàn)存碳儲量的主要場所,而地上部分是海三棱藨草碳儲量的主要場所；處于潮灘濕地演替中后期的蘆葦群落比處在生態(tài)演替早期的海三棱藨草群落具有更強的固碳能力,說明隨著海三棱藨草群落向蘆葦群落演替,其固碳能力不斷增強。已有一些研究證明[35- 37],土壤理化因子在影響濱海鹽沼植被的組成,空間分布及多樣性具有不可忽視的作用。相關(guān)學者對于黃河三角洲自然濕地植被的特征及演化的研究也表明,植被的演化與土壤含鹽量相關(guān),土壤含鹽量多少決定著植物群落各方面的特征,土壤脫鹽使植被發(fā)生進展演替,植物的枯落物開始歸還土壤,土壤有機質(zhì)和全氮等養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)上升[38- 39]。

來自地上和地下的有機物質(zhì)生產(chǎn)構(gòu)成了濕地土壤有機碳的主要來源。植物初級生產(chǎn)力中只有很少一部分配置給多年的植物活組織,而大部分分配給了葉片、細枝和細根,進而導致了每年的植物凋落物及殘體向土壤的輸入[40- 41]。濕地系統(tǒng)植物根系對于地下碳庫的輸入規(guī)模取決于細根的比例及其周轉(zhuǎn)速率,輸入規(guī)?？梢允堑叵聝舫跫壣锪?.10—0.15倍[42- 43]。然而,我國對于濱海濕地植被地上、地下生產(chǎn)力的研究尚未深入,地上凋落物輸入占地上凈生產(chǎn)力的比例大小目前還相對缺乏相關(guān)研究,僅對影響凋落物分解的因素方面做了一些探討。對閩江河口濕地3種主要植物蘆葦、咸草、互花米草的冬春季枯落物分解特征、性質(zhì)和潮汐對枯落物分解的影響研究顯示[44],3種植物的枯落物在分解過程中分解速率由快轉(zhuǎn)慢,而C/N比值與枯落物分解的相關(guān)性不強,冬春季潮汐對枯落物分解速率的影響也不明顯。而周俊麗等[45]對長江口潮灘先鋒植物藨草腐爛分解過程進行了研究則發(fā)現(xiàn),植物體中初始的N濃度及C/N比值是影響藨草莖和根殘體分解速率的主要因素,更高的氮含量和更低的C/N比值,使其莖組織具有更快的分解速率；由于受潮汐影響,濕潤的環(huán)境為微生物的生存繁殖提供了良好的條件,促進了其對植物殘體的分解作用。

濱海鹽沼濕地具有極高的初級生產(chǎn)力,濕地植物凈同化的碳僅有15%再釋放到大氣中去,濕地植被碳庫在全球碳循環(huán)中占有重要地位。研究我國不同濱海鹽沼濕地植被的儲碳、固碳能力,了解濕地有機碳的積累過程和機理,包括地上、地下凋落物的輸入與分解及厭養(yǎng)環(huán)境下有機碳積累機制等,對于認識我國濱海鹽沼濕地碳循環(huán)、提高碳匯能力至關(guān)重要。

3.2 濱海鹽沼濕地土壤有機碳庫

濱海鹽沼濕地在植物生長,促淤造陸、潮汐泥沙搬運等過程中積累了大量無機碳和有機碳,由于沉積物厭氧環(huán)境的限制,植物殘體分解和轉(zhuǎn)化速率十分緩慢,通常以泥炭或有機質(zhì)形式表現(xiàn)為有機碳的積累。土壤是濱海鹽沼濕地碳收支的核心,也是其中最大的有機碳庫。相關(guān)學者對我國濱海濕地(如閩江口、長江口、黃河三角洲和蘇北潮灘濕地等)土壤碳庫開展了一系列研究,主要集中于不同植被類型下土壤剖面有機碳含量分布特征、有機碳密度、及土地利用變化對鹽沼濕地土壤碳庫的影響。

植被類型對濱海鹽沼濕地土壤有機碳含量和組成具有重要影響,如表3所示。我國學者主要從影響土壤有機碳儲存的控制因子對土壤有機碳儲量及分布的影響進行研究。在閩江河口鹽沼濕地[46],有機碳含量、儲量與植物種類及生物量密切相關(guān),蘆葦、咸草和藨草覆蓋下0—60 cm沉積物中有機碳儲量平均為10045.7 、9706.9 t/km2和5303.9 t/km2。對崇明東灘海三棱藨草生長期沉積物有機碳含量變化進行觀測得到[47],夏季是潮灘沉積物有機碳庫的“碳虧”期,秋季起沉積物碳庫進入“碳盈”期,即海三棱藨草死亡分解使得有機碳在沉積物中累積,這說明,枯落的海三棱藨草是長江口潮灘鹽沼帶沉積物有機碳庫的主要碳源,通過光合作用所固定的碳在植物的生長末期輸入沉積物有機碳庫中。而董洪芳等[48]的研究則認為,黃河口濱岸潮灘濕地土壤有機碳密度與植物碳密度相關(guān)性不顯著,表層有機碳含量僅在0.75—8.35 Cg/km2之間。這可能與黃河三角洲濕地土壤有機質(zhì)來源以黃河流域有機質(zhì)為主,當?shù)刂脖坏呢暙I較小有關(guān)[49]。

外來植物入侵對也在一定程度上影響著濱海鹽沼濕地的土壤有機碳庫[50]。 對蘇北潮灘濕地不同生態(tài)帶有機質(zhì)來源辨析與定量估算顯示[51],入侵物種互花米草灘對總有機碳、有機質(zhì)的富集量要遠大于蘆葦、鹽蒿等生態(tài)帶,在整個潮灘濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和交換中發(fā)揮著不可替代的作用。而在杭州濱海濕地[52],植被演替對土壤有機碳分布則有不利影響,外來入侵種互花米草的大量入侵和擴散將有可能降低潮灘濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤的儲碳功能。

表3 我國不同濱海鹽沼濕地土壤有機碳含量及有機碳庫

不同植物通過影響濱海鹽沼濕地土壤有機碳的輸入數(shù)量和質(zhì)量而影響土壤有機碳分布和儲量,而人類活動,如圍墾、填海工程和城市化,轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖池塘等,則通過對濱海鹽沼濕地的干擾和破壞,使土壤中的有機碳分解速率加快,導致濱海濕地碳庫急劇減小。據(jù)研究,土壤有機碳含量隨圍墾時間延長表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢,圍墾引起的土壤水分、顆粒組成的變化以及耕作、土地利用和利用歷史是影響圍墾濕地土壤有機碳分布的主要原因[52]。在閩江河口濕地,土地利用變化對表層土壤有機碳含量及其活性的影響較大[53],灘涂養(yǎng)殖地、水田、池塘養(yǎng)殖地、草地和撂荒地的土壤有機碳含量分別比蘆葦沼澤地低27%,75%,67%,1%,60%；而不同土地利用方式間土壤活性有機碳含量的差異比有機碳的差異大,與蘆葦?shù)叵啾?灘涂養(yǎng)殖地、水田、池塘、草地活性有機碳含量分別低24%,83%,84%,42%。這是因為在土地利用變化過程中,土壤有機碳含量和活性有機碳含量都將受到不同程度的影響,由于受到影響的程度不同,這些差異表現(xiàn)在不同土地利用方式下土壤活性有機碳的分配比例方面[54]。

濱海濕地除具備濕地的一般性質(zhì)外,因受潮汐影響,又有其自身特征。漲潮時海水流經(jīng)過植物群落后,流速大量減弱,水中所攜帶的大量顆粒物沉降,而在落潮初期的水流速度小,無法使灘面沉積物發(fā)生再懸浮,加大了沿海鹽沼的沉積速率,從而實現(xiàn)了固碳的功能。決定濱海鹽沼濕地結(jié)構(gòu)與功能的主要因素有：被潮水浸沒的頻率與持續(xù)時間、土壤的滲透性和鹽度、營養(yǎng)元素(尤其是氮素)的限制[7- 8]。陳慶強等[55]利用柱樣元素含量、穩(wěn)定同位素組成(13C)、粒度與C/N比等的測定,對長江口鹽沼灘面演化的有機碳積累效應進行研究發(fā)現(xiàn),隨著灘面演化,柱樣上部層段的有機質(zhì)含量增加,陸源物質(zhì)與當?shù)刂脖恢饾u成為有機質(zhì)的主要來源。長江口鹽沼有機質(zhì)的分解程度低,顆粒有機碳與黏土含量的垂向分布主要受控于灘面沉積過程,與鹽沼高的淤積速率直接相關(guān)。從物質(zhì)凈累積看,鹽沼是大氣中CO2的一個匯,高淤積速率,獨特的沙、泥紋層構(gòu)造及其優(yōu)良的封堵效應,使堆積埋藏成為鹽沼碳匯的主要途徑。

濱海鹽沼濕地沉積物是碳素的主要儲存場所。土壤沉積物中有機碳包括動、植物及微生物的遺體,排泄物、分泌物及其分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)。土壤有機碳的積累是進入土壤的有機物質(zhì)量與其在土壤微生物作用下分解所損失的量之間平衡的結(jié)果,其庫容的大小受氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動等諸多物理、生物和人為因素的影響,這些因子間的相互作用對土壤有機碳的動態(tài)變化尤其重要[54]。濱海濕地土壤碳貯存的規(guī)模、水平和垂直分布以及其組分是濕地碳循環(huán)整體研究的重要環(huán)節(jié),但是我國目前對濕地土壤碳儲存的研究大多只涉及到總碳庫的測定,對于碳庫中不同組分,如可溶性有機碳、微生物碳及輕、重組碳的研究很少見報道。關(guān)于潮汐對濱海濕地土壤碳庫中溶解有機碳和無機碳含量的影響研究也較為薄弱,總體上對于濱海濕地碳儲量的研究仍局限于小尺度范圍內(nèi),沒有對濱海濕地整體的碳儲量大小的估算。此外,土地利用形式轉(zhuǎn)化對于濱海鹽沼濕地碳庫的影響十分重要,如要提高我國濱海濕地固碳能力,需要對土地利用方式轉(zhuǎn)化前后濱海鹽沼濕地的土壤碳庫變化加強研究。

4 濱海鹽沼濕地CO2、CH4的輸出及影響因素

全球濱海鹽沼濕地分布很廣,較高的初級生產(chǎn)力與碳埋藏速率使其成為抑制大氣溫室效應的有效 “碳匯”[7]。但由于微生物作用,濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)在一定時期和條件下釋放CO2、CH4,從而轉(zhuǎn)化為“碳源”[56]。濱海鹽沼濕地在碳的源、匯之間的轉(zhuǎn)化取決于土壤碳的輸入輸出量和土壤碳駐留時間,其核心是土壤中有機碳的轉(zhuǎn)化動態(tài)和平衡過程[57- 58]。濱海濕地生態(tài)碳素輸出主要考慮植被、土壤呼吸排放出的CO2與CH4。我國在研究自然濕地溫室氣體排放通量觀測技術(shù)和環(huán)境影響因子方面比較成熟[59- 60],而關(guān)于濱海鹽沼濕地碳排放的研究也取得了一定的進展。

4.1CO2的排放

濱海鹽沼濕地土壤與植物呼吸產(chǎn)生CO2并向大氣中釋放是碳輸出的重要方式,研究其CO2收支情況及其反饋機制對于研究全球范圍的碳收支情況非常重要。濱海鹽沼濕地的一個重要特征就是受潮汐作用影響,水位是影響濕地土壤CO2通量的重要因素。此外,土壤溫度與土壤微生物活性密切相關(guān),于是土壤溫度與土壤呼吸也有著密切關(guān)系。我國學者對不同濱海濕地CO2通量進行了觀測,如表1。同時,也對植被、水位與溫度等影響因子進行了相關(guān)研究。

對崇西濕地的CO2交換研究表明[13],濕地在植物生長季與非生長季分別起到碳的匯、源作用,土壤溫度對生態(tài)系統(tǒng)呼吸的影響有一定的局限性,僅在一定范圍內(nèi)發(fā)揮作用。而潮汐對土壤的呼吸作用影響較大,生態(tài)系統(tǒng)CO2交換與潮汐的相關(guān)性隨著水位波動的幅度而增強,因此,在任何季節(jié)大潮期的CO2釋放均低于小潮期?？傮w來講,崇西濕地年固碳能力約為0.225 kg·m-2·a-1,表現(xiàn)為碳匯。由于海三棱藨草的生長,夏季長江口潮間帶的低潮灘是CO2的匯,中潮灘表現(xiàn)為CO2排放源[14]。而對黃河口濱岸潮灘濕地CO2研究得出了不同的結(jié)論[15],夏季低潮灘全天表現(xiàn)為CO2的源,潮灘CO2通量與氣溫的相關(guān)性不顯著。這可能是由于濱海濕地地理位置與環(huán)境或者觀測方法的不同而造成的結(jié)論差異。仝川等[16]對閩江河口潮汐沼澤濕地CO2排放通量特征研究指出,潮水顯著減少了濕地直接排向大氣環(huán)境的CO2通量,但漲潮前和落潮后CO2排放通量并無顯著差異,蘆葦和咸草沼澤濕地CO2排放量與大氣溫度和土壤溫度的關(guān)系呈顯著正相關(guān),對冬季閩江河口濕地的CO2排放研究也得到了相似的結(jié)果[17]。

4.2CH4的排放

CH4是濱海鹽沼濕地碳輸出的另一種重要形式。IPCC最新報告顯示,CH4的溫室效應潛力是CO2的21—25倍,盡管在大氣中只占很少的部分,但其在大氣中濃度的持續(xù)增長對全球氣候變化產(chǎn)生了顯著的影響。關(guān)于CH4的相關(guān)研究,特別是CH4從濕地的產(chǎn)生及排出等過程及相應機理的研究很早就引起了人們的重視。目前,濕地CH4排放的相關(guān)研究主要分為兩大類: 一類是以測定和估算CH4排放及分析影響CH4排放的生物和非生物因子為主要內(nèi)容,靜態(tài)箱原位采集氣體聯(lián)合氣相色譜分析法是目前測定CH4排放國內(nèi)外普遍應用的方法,如表1；另一類是從機理上深入研究CH4的產(chǎn)生、氧化到排放的化學、生物及物理過程。國內(nèi)對濕地CH4排放的研究則集中于第一類,而且關(guān)于濱海濕地CH4通量的研究并沒有像泥炭濕地具有普遍認可的數(shù)據(jù)。對影響濕地CH4排放的主要環(huán)境因子的研究是目前國際上溫室氣體排放研究的一個重要領(lǐng)域[56]。濕地土壤的許多理化性質(zhì),如溫度、濕度、pH值、氧化還原電位等都影響著濕地CH4的排放。

作為常年受潮汐影響的濱海濕地,積水深度的變化直接影響到濕地CH4的排放。此外,濱海濕地植被與CH4排放也有著重要關(guān)系。遼河三角洲蘆葦濕地溫室氣體CH4的排放受水深和植被生長影響較明顯[18],淹水前土壤為CH4匯,淹水期間則有大量的CH4排放,排水后CH4排放明顯減少；有蘆葦生長的濕地CH4排放量是無蘆葦生長的15倍,這說明土壤中產(chǎn)生的CH4主要是通過蘆葦植株的輸導作用進入到大氣中的。相關(guān)學者對秋季黃河口濕地系統(tǒng)的CH4“源、匯”效應進行監(jiān)測并指出[21],秋季不同潮灘濕地CH4排放通量的差異主要與溫度以及植被生長狀況的差異有關(guān),其中,氣溫與通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。對閩江河口蘆葦潮汐濕地CH4通量觀測結(jié)果顯示[17,61],互花米草入侵明顯增加了當?shù)氐腃H4排放通量,而Cheng等[62]對長江口九段沙濕地的季節(jié)性CH4排放及其穩(wěn)定同位素13C-CH4進行觀測及研究認為,中國東部沿?；セ撞莸娜肭謱H4排放的影響并不顯著。同時,此研究顯示,CH4排放與溫度正相關(guān),與土壤濕度負相關(guān)。

綜上所述,影響濱海鹽沼濕地土壤碳素通量的主要因素有土壤溫度,土壤含水量或水位,而具體的主導因子則主要取決于濱海鹽沼濕地具體地理位置、環(huán)境限制因子或者其季節(jié)變化。此外,影響鹽沼濕地土壤碳素排放通量的因素還有土壤中有機質(zhì)含量、地下水中的可溶性有機碳、土壤微生物群落和pH值等,而這些因子的具體影響程度還有待于進一步的研究。

5 潮汐作用對濱海鹽沼濕地碳收支的影響

由于濱海濕地處于海陸相接的特殊位置,潮汐作用為水體懸浮物和碳的輸運與沉積提供了環(huán)境機制,由水體帶入或帶出的有機物和可溶性碳在其總有機碳的收支上均不可忽視,也就是說,由水文過程和潮汐作用引起的鹽沼濕地與近海之間的橫向通量對于其碳循環(huán)是十分重要的。通過對鹽沼濕地碳的輸入、輸出及碳的內(nèi)部轉(zhuǎn)化的影響,潮汐在濱海鹽沼濕地碳收支方面占有重要地位。

潮汐作用能通過直接的物理搬運來影響鹽沼濕地碳的碳收支,在Fundy海灣的低潮帶,當?shù)刂脖换セ撞莸拇蟛糠稚锪勘怀彼畮ё?而處于高潮帶的土壤則保存了75%的互花米草生物量[66]。同時,不斷漲落的潮水也向沿海濕地提供無機營養(yǎng)物質(zhì)和顆粒有機質(zhì)。一般來說,大潮和風暴潮期間鹽沼濕地有機質(zhì)向近海輸出的幾率比較大。這種物理搬運作用對鹽沼濕地碳循環(huán)的影響主要取決于鹽沼濕地的地理位置,潮差大小,植物的生產(chǎn)力等。潮汐作用還直接影響著濕地土壤的理化狀況,如溫度、厭氧程度、鹽度和pH值等。溫度通過促進微生物的活動直接影響著有機質(zhì)的分解,水體的溫度變化較慢,經(jīng)常受潮汐作用的區(qū)域土壤溫度變化也較慢。潮水導致的土壤濕度也會限制有機質(zhì)分解作用,在一定程度上利于碳的累積。同時,濕地水體中DOC(dissolved organic carbon )的通量也受到潮汐周期中水淹時間的影響。在我國的長江口濕地,郭海強等[11]觀測了潮汐作用對于崇明東灘凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量,研究顯示,低潮灘的碳通量對于潮汐的敏感性高于高潮灘,在夜間,由于持續(xù)的淹水時間使得大潮期間的平均碳通量低于小潮。同時,潮汐向周圍生態(tài)系統(tǒng)輸送的有機質(zhì)可能會引起碳的排放?？扇苄杂袡C碳的輸出是鹽沼濕地通過水文過程實現(xiàn)土壤碳輸出的一個主要途徑[67]。潮汐作用使得碳的水文過程輸出顯得尤為重要。但是,對于濱海濕地通過水文過程輸出的DOC的研究較少[13],特別是在我國東南沿海的濱海濕地,都存在有不同程度的DOC水文輸出。因此,為了探明潮汐對鹽沼濕地碳的源、匯功能轉(zhuǎn)變的影響,對鹽沼濕地橫向的碳輸運需要深入研究。

6 問題與展望

濱海鹽沼濕地由于其較高的初級生產(chǎn)力和較低的甲烷釋放率而成為緩解全球變暖的有效藍色碳匯,近年來引起全球范圍內(nèi)的熱切關(guān)注。我國濱海鹽沼濕地分布較廣,國內(nèi)學者對濱海鹽沼濕地碳循環(huán)及碳收支研究取得了一定進展,但仍存在一些局限性。例如,對濱海鹽沼濕地土壤有機碳在時間、空間上的分布大部分僅進行簡單的特征描述,只考慮部分環(huán)境因子對濱海鹽沼濕地碳通量的影響等,這些都制約著對濱海鹽沼濕地碳循環(huán)過程的整體理解以及對其碳收支的準確評估。因此,我們?nèi)匀恍枰由钊牒拖到y(tǒng)的研究去探尋濱海鹽沼濕地的碳封存能力及不同地理位置和季節(jié)變化下碳通量的主控因素。要準確量化濱海鹽沼濕地的固碳潛力,提高我國濱海濕地的藍色碳匯價值,對今后的研究方向有以下幾點建議：

(1)加強濱海鹽沼濕地土壤碳庫在深度上和廣度上的研究。由于歷史數(shù)據(jù)資料的缺乏和統(tǒng)計方法的單一,我國濱海鹽沼濕地碳儲量尚未能進行精確估算。目前,研究集中于對有機碳含量與水平分布特征的研究,對有機碳的沉積速率及埋藏效率方面的研究較缺乏,而這對于精確測量鹽沼濕地的固碳能力是十分必要的。

(2)對濱海鹽沼濕地碳儲量、碳通量的量化方法和觀測技術(shù)進行標準化。盡管已有許多測定土壤碳密度和碳通量的方法,但是目前各種方法所得結(jié)果之間的可比性較差,難以獲得較大時間、空間尺度上的準確數(shù)據(jù),因此,探索更有效而準確的方法并統(tǒng)一標準是進行碳收支評估的迫切需要。

(3)在研究尺度上要宏觀、微觀并重,長期原位監(jiān)測濕地碳通量的變化與室內(nèi)模擬研究都要加強。宏觀上要明確濱海鹽沼濕地碳循環(huán)在全球碳循環(huán)中扮演的角色,借助遙感和地理信息系統(tǒng)等新技術(shù),研究濱海濕地作為“碳源”或者“碳匯”的地位及動態(tài)變化過程；微觀上則要綜合研究不同濕地碳循環(huán)特征及各影響因素之間的相互關(guān)系。

(4)量化在潮汐影響下濱海鹽沼濕地碳與鄰近生態(tài)系統(tǒng)之間的橫向交換通量。因受潮汐影響,漲潮落潮所造成的外來碳堆積對于濱海鹽沼濕地灘面演化、碳的沉積與長期埋藏有著重要貢獻；同時,顆粒有機碳、溶解態(tài)有機碳與無機碳的水文輸出對其碳庫動態(tài)變化具有重要的意義。因此,量化碳的橫向通量對于準確評估濱海鹽沼濕地的碳收支是必不可少的。

濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中起著重要的作用,并對全球氣候變化有著巨大的影響,同時全球變化也將對濱海濕地碳循環(huán)與碳收支有著最直接的影響。氣溫升高,降水變化,海平面上升,是影響濕地分布和功能的主要因素。因此,建立長期的濱海濕地碳庫動態(tài)監(jiān)測平臺,深入研究我國濱海濕地碳庫對全球氣候變化的影響及其反饋作用,對于預測全球變化及制定濕地碳儲備功能的提升策略具有重要的意義。

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ResearchprogressesincarbonbudgetandcarboncycleofthecoastalsaltmarshesinChina

CAO Lei1,2,SONG Jinming1,*,LI Xuegang1,YUAN Huamao1,LI Ning1,DUAN Liqin1

1KeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalSciences,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Due to its higher primary productivities and lower carbon decomposition rates, the coastal salt marsh can be as an efficient sink to reduce global warming by sequestering carbon. In recent years, the researches on the function of coastal salt marshes on global climate change have been paid more attention. As an important part of global carbon budget, the research on carbon cycle in the coastal salt marshes will be useful to understand the global carbon cycle and global climate change, and can also provide scientific basis for the use of the coastal salt marshes as a carbon sink to reduce carbon emission. The distribution of the Chinese coastal salt marshes is widespread, and it plays an important role in global change. In this paper, the research progresses on carbon budget and carbon cycle of the coastal salt marshes in China were analyzed and summarized from five aspects, i.e., the observation methods of carbon cycle, processes and characteristics of carbon budget and cycle, carbon pools and their influencing factors, input and output of gaseous carbon, and the tidal effect on coastal salt marsh carbon budget. The results suggested that carbon cycle in the coastal salt marshes included outer cycle (i.e., carbon input and output) and inner cycle (i.e., mineralization and carbon storage). The monitoring methods for each system of the wetland carbon cycle were quite different. The common methods mainly included eddy covariance method, box method and stable isotope method. The primary way of carbon output in the coastal salt marshes was soil and plant respiration releasing CO2and CH4to the atmosphere and it was mainly influenced by tidal and soil temperature. Vegetation and soils as the two most important carbon pools for the coastal salt marshes were mainly dependent on vegetation types, invasive alien plants, anthropogenic activities and tidal effect. Besides, tidal effect also was the main factor affecting carbon budget in the coastal salt marshes through direct physical transport. In conclusion, tidal effect was the common and dominant factor affecting both carbon cycle and budget in the coastal salt marshes. Although there have been so many researches on the biogeochemical characteristics of carbon in the coastal salt marshes, but it is deficient in accurately quantifying the carbon sequestration potential of the coastal salt marshes. Thus, there are several suggestions for the future researches on carbon budget and cycle in the coastal salt marshes put forward as follows: (1) to strengthen both the extensive and intensive researches on carbon pools in the coastal salt marshes; (2) to standard the quantization and observation methods of carbon storages and fluxes; (3) to enhance the long-term field observation and laboratory experiments; and (4) to quantify the carbon exchange fluxes between the coastal salt marshes and other adjacent ecosystems. Consequently, the more accurate assessment and long-term monitoring on carbon budget in the coastal salt marshes should be performed before the further understanding of impact of the coastal salt marshes on and its feedback roles in global climate changes, which have important significance to predicting global change and developing the promotion strategy in reserve function of wetland carbon.

carbon cycle and budget; influencing factor; the coastal salt marshes

國家海洋公益性項目(201205008)；國家海洋局環(huán)境評價項目 (DOMEP(MEA)- 01- 01)

2012- 06- 03;

2013- 06- 21

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jmsong@ qdio.ac.cn

10.5846/stxb201206030803

曹磊,宋金明,李學剛,袁華茂,李寧,段麗琴.中國濱海鹽沼濕地碳收支與碳循環(huán)過程研究進展.生態(tài)學報,2013,33(17):5141- 5152.

Cao L,Song J M,Li X G,Yuan H M,Li N,Duan L Q.Research progresses in carbon budget and carbon cycle of the coastal salt marshes in China.Acta Ecologica Sinica,2013,33(17):5141- 5152.