滨海盐沼净碳汇能力研究方法综述

　　摘要滨海盐沼较高的初级生产力以及缓慢的有机质降解速率使其具有显著的碳汇功能，对其净固碳能力开展定量化研究对于制定我国增汇减排政策、实现碳中和预期目标具有重要的技术支撑作用。目前，国内外有关湿地净碳汇量的观测手段、计算思路及预测方法众多，导致各种研究成果的可比性不高。从碳通量原位观测、碳收支过程测定、土壤碳储量变化、碳循环过程模拟等角度出发，对滨海盐沼净碳汇能力研究方法进行系统梳理，在总结各类方法优缺点、剖析已有研究存在问题的基础上，提出未来滨海盐沼净固碳能力确定的主要研究方向：基于湿地生态系统碳的生物地球化学循环机理，结合卫星遥感技术，构建碳源/汇过程模型，将碳通量观测及碳收支测量数据用于模型参数率定和校验，实现不同时空尺度盐沼生态系统碳收支模拟，是定量评估滨海盐沼净碳汇能力的发展趋势和有效途径。

　　关键词滨海盐沼;碳通量;碳收支;土壤碳储量;碳循环模拟;净碳汇能力

　　气候变化是关乎人类生存和各国发展的重大问题，是21世纪人类面临的最严峻的挑战之一。联合国政府间气候变化委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)在气候变化第五次评估报告中指出：1951—2010年，温室气体排放贡献了地表平均温度升高中的0.5~1.3℃。2018年10月IPCC发布的“全球升温1.5℃特别报告”，预计全球气温在2030—2052年会比工业化前升高1.5°C，如果气候变暖以目前的速度持续下去，世界将面临前所未有的环境挑战。应对这些变化的关键是实现碳中和，基本途径包括“减排”和“增汇”。生态系统净碳汇能力指系统-大气界面单位面积、单位时间内碳固定量减去碳排放量。滨海盐沼是指受海洋潮汐周期性或间歇性影响、有盐生植物覆盖的咸水或淡咸水淤泥质滩涂(仲启铖等,2015)。

　　其碳循环基本模式可概括为：植物通过光合作用吸收CO2形成初级生产力，并通过呼吸作用向大气排放CO2;植物地上部分以凋落物回归地面，再加上植物体死亡后的残体，经过泥炭化、腐殖化作用形成泥炭和腐殖质;土壤中有机质由于微生物分解产生CO2或CH4排至大气中;土壤中有机碳和无机碳在涨落潮作用下与近海水体发生交换。盐沼较高的碳积累速率和较低的CH4排放量，使其碳汇作用更加明显(Drakeetal.,2015)，成为海岸带蓝色碳汇(简称“蓝碳”)的重要组成部分。研究表明，全球滨海盐沼平均固碳速率为218g·m-2·a-1，比陆地森林生态系统高40倍以上(Mcleodetal.,2011)。

　　由于滨海盐沼生态系统碳收支涉及植被-大气、土壤-大气、水-大气、土壤-近海等多介质、多维度的碳素迁移转化，同时受光照、温度、降雨、水位、潮汐、盐度等共同影响，因此，森林、海洋等生态系统的碳汇研究方法(王妍等,2006;周健等,2013;石洪华等,2014)，并不完全适用于滨海盐沼湿地。虽然针对盐沼湿地碳收支、碳循环过程等方面的研究成果已有学者进行了概述(曹磊等,2013a)，但尚无关于净碳汇量估算方法的综述报道。本文系统梳理了盐沼湿地碳收支、碳通量的观测、测量、模拟技术，提出基于滨海盐沼生态系统碳通量观测、碳收支测定、土壤碳储量变化、系统碳循环模拟四个方面的净碳汇能力计算方法，可作为不同时空尺度湿地碳汇定量化研究的参考和依据。滨海盐沼净碳汇能力的准确估算对于推动我国蓝碳纳入碳交易市场、开展国际气候谈判、如期实现碳中和目标具有重要现实意义。

　　1滨海盐沼净碳汇能力研究方法

　　1.1基于现场观测的碳通量研究

　　生态系统碳通量为系统-大气界面单位时间单位面积上通过的碳总量。针对有丰富植被群落的盐沼生态系统碳通量测定，微气象法可以在不破坏植被和土壤状态的前提下，通过测量近地层湍流状态和被测气体浓度，来计算生态系统与大气间的CO2、水汽和能量通量，具体包括涡度协方差法、空气动力学法、能量平衡法、质量平衡法、涡度积累法、条件采样法以及对流边界层收支法等(王庚辰等,1997)。

　　涡度协方差法即某种物质的垂直通量与其通过测定面的浓度和速度成协方差关系，其观测技术理论源于1895年雷诺提出雷诺分解(Reynolds,1895)。20世纪80年代以后，高速响应的三维风速仪与开路式红外气体分析仪的出现，使得涡度协方差观测技术在碳通量研究领域得到迅速发展(Brachetal.,1981)。目前，涡度协方差法已获得生态学家和微气象学家们的一致认可，成为开展大时空尺度生态系统与大气间CO2通量测定的主流方法(Baldocchi,2003)，其测量值可作为生态系统净碳汇能力。

　　通常情况，涡度协方差通量测量包括涡度相关监测系统、全自动微气象监测系统两部分。前者涵盖红外气体分析仪和三维超声风速仪，红外分析仪高频响应CO2/H2O浓度，三维超声风速仪采集三维风速和温度，数据采集器实时记录保存数据并进行简单处理。微气象监测系统包括众多传感器，用来测定空气温湿度、日辐射量、光合作用、降雨量、土壤温湿盐度等。据全球通量研究网络Fluxnet的统计，全世界有500多个涡度通量塔正在运行，主要位于北美洲、欧洲、亚洲。Lu等(2017)根据全球21个滨海湿地站点涡度协方差数据，计算出沿海湿地碳汇强度为208.37g·m-2·a-1。

　　中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)已纳入全球通量网络，研究站点(网)已达79个(观测塔83座)，覆盖我国不同类型生态系统，进行着系统-大气界面CO2、水汽和能量通量日、季节、年际变化的长期观测(www.chinaflux.org)。研究人员通过湿地站(网)观测资料，计算长江口崇明东滩湿地生长季CO2通量(王江涛等,2015)，分析黄河三角洲盐沼净生态系统碳交换量(NetEcosystemExchange,NEE)及影响因素(邢庆会等,2014)，并开展黄河三角洲盐沼温室气体与环境因子同步监测，探究潮汐过程的影响(贺文君等,2018;贺文君等,2019)。

　　1.2基于碳收支的碳汇能力计算

　　滨海盐沼生态系统净碳汇能力计算可解析为收支两条线，其中碳吸收表现为植被光合作用同化CO2(记为①)，碳排放过程主要有植被呼吸释放CO2(包含地上植株呼吸、根系呼吸，分别记为②、③)、土壤呼吸释放CO2(包含根系呼吸、土壤异养呼吸，分别记为③、④)。根据盐沼生态系统碳循环路径，基于碳收支的净碳汇能力计算可分为以下两种方法。一是光合作用吸收的CO2减去生态系统(植被和土壤)呼吸作用释放的CO2(即①-(②+③+④));二是植被净碳固定量减去土壤异养呼吸释放的CO2(即(①-②-③)-④)，其中(①-②-③)为植被生物量的增加。

　　第一种计算方法的“收”为植被光合作用吸收CO2，一般采用便携式光合测量系统获得植被净光合速率数据(李群等，2019;陈琳等，2020)，即单位时间单位面积叶片吸收的CO2摩尔数。生态系统呼吸作用释放的CO2量可理解为夜间无光合作用条件下生态系统的NEE，可采用涡度协方差法测量的夜间数据或者暗箱法测量的生态系统呼吸数据。与第一种计算方法相比，第二种方法将植被吸收和释放CO2的净值作为生态系统层级上的碳吸收，与此对应的碳排放则为扣除植被根系自养呼吸的土壤呼吸通量，这也是目前盐沼湿地碳收支计算的常用方法，详述如下。

　　1.2.1植被净碳固定量测定

　　植被对大气中CO2的净固定能力可通过净初级生产力(NetPrimaryProductivity,NPP)描述，即湿地植物在单位面积、单位时间内通过光合作用固定的有机碳扣除本身呼吸消耗，用于植物生长和生殖的部分(Liuetal.,1999)，表现为地上生物量、地下生物量和枯落物生物量。根据光合作用反应过程中植物每形成1g干有机物质需同化1.62gCO2，固定0.44gC，即可基于净初级生产力推算植被固碳能力。

　　(1)地上生物量

　　根据不同研究尺度、湿地类型和精度要求，盐沼地上生物量的估算方法主要有样地实测法、非破坏性估算法、基于遥感信息估测法和生物量遥感估测模型等(Estornelletal.,2011)。样地实测法通过对样地内植物进行收割，估算单位面积的地上生物量，该方法成熟、可靠，适合于小尺度生物量估算(Estornelletal.,2011)。遥感信息估算法利用卫星遥感数据及其相关的植被指数与湿地样地生物量建立经验关系来估算，其宏观、多时相、快捷的特点为大尺度范围内生物量的动态监测提供了可能，但遥感图像本身的精度以及处理过程的误差将影响生物量估算的结果(崔丽娟等,2012)。

　　(2)地下生物量湿地地下生物量数据的采集和估算受生态系统环境的复杂性影响而显得较为困难。一般来说，其测定方法主要包括挖掘收获法、钻土芯法、内生长土芯法、微根区管法、根冠比法、同位素法、元素平衡法等(宇万太等,2001)。20世纪60年代土钻被正式用于植物地下生物量的测定，通过采样、冲洗并烘干后获得根系干重并换算碳含量(Turneretal.,2004)。

　　根冠比法采用与地上生物量的比值来估算地下生物量并换算根系碳储量，长江口东滩湿地芦苇的地下/地上生物量比率为2.33~3.64(平均2.96)(梅雪英等,2007)，闽江河口湿地芦苇地下/地上生物量比率为2.02~5.59、互花米草为0.51~1.69(张林海等,2008)，该方法一般应用于区域尺度湿地的地下生物量估算。从机理或统计角度建立的模型方法和基于反射波谱的遥感方法，是将来探测植被地下生物量有效而快捷的方式(严月等,2017)。

　　(3)枯落物生物量湿地枯落物生物量通过样方收获枯落物进行测算。不同湿地生态系统枯落物的分解速率不一样，非草本植物的枯落物分解速率约为草本植物的2倍(Dorrepaaletal.,2005)。枯落物占总碳储量的比重也不一样，需要视实际情况进行相应估算。基于湿地生态系统NPP研究植被固碳能力是目前盐沼碳汇研究的一个主要方向。

　　该方法简便易行，能够体现湿地短期固碳效果。邵学新等(2013)采用样地实测法和根冠比法获得长江口崇明岛芦苇、互花米草、海三棱藨草的地上和地下生物量，并以地上生物量的百分比计算凋落物量，统计得到崇明岛滨海湿地全年能够固定CO2约0.25Tg。王淑琼等(2014)采用样地实测法和挖掘收获法分别得到杭州湾潮滩湿地植被地上和地下生物量，计算芦苇、互花米草和海三棱藨草年固碳能力分别为1877、1855、274.1g·m-2·a-1。张绪良等(2012)在黄河三角洲滨海湿地，采用样地实测法和根冠比法，计算得到盐沼植被总固碳量达30.3×104t·a-1。

　　1.2.2土壤碳排放通量测定

　　由于微生物等作用，湿地土壤在一定时期和条件下释放CO2、CH4，是系统碳输出的重要方式，主要过程包括微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸和碳矿化物质的化学氧化作用(Singhetal.,1977)。根据底物来源的不同，又可将土壤呼吸分为自养呼吸和异养呼吸两大类。自养呼吸即根系呼吸，所需的底物来自植物光合碳的积累;其余三个部分属于异养呼吸，消耗的底物是土壤固存的碳。针对有植被覆盖的盐沼生态系统，测定土壤-大气界面碳通量即土壤呼吸的方法主要为箱法，测量前需将地表活体植物割除。

　　根据箱体是否透明可分为明箱法和暗箱法，根据箱内气体循环特征分为静态箱法和动态箱法，根据箱体气体是否与外界有交换可分为密闭式静态箱法、密闭式动态箱法和开放式动态箱法，常见的对箱内气体的检测方法有碱吸收法、气相色谱法、红外气体分析法等。根据箱体及测量方法的不同组合，目前主要有静态箱-碱吸收法、静态箱-气相色谱法、动态箱-红外气体分析法在滨海湿地土壤呼吸碳通量测定中得以应用。

　　1.3基于碳储量变化的固碳能力研究

　　湿地植物通过光合作用吸收CO2并将其转化为有机质，形成自身生物量，一定的生命周期后凋落并经微生物分解腐化，以有机质的形式储存于湿地土壤中，湿地土壤碳埋藏是湿地生态系统在长时间尺度上固碳能力的重要表现。另一方面，由于滨海湿地处于海陆交接的特殊位置，潮汐引起的波浪和潮流作用导致海岸带泥沙运动和滩面淤积侵蚀，造成湿地土壤碳素在水沙的裹挟下发生横向输移。可见，湿地土壤碳的积累一方面为大气中CO2通过植物体进入土壤而埋藏，另一方面则是近海-湿地水沙交换产生的有机碳和无机碳的横向迁移。

　　1.3.1土壤沉积与碳埋藏

　　盐沼土壤碳埋藏通量可以从以下两个途径计算：一是测定不同时刻土壤碳储量的状态量;二是通过土壤沉积速率反映碳在土壤中的埋藏过程。

　　1.3.2土壤碳素水平交换

　　海岸带盐沼受潮汐影响，发生间歇性淹水和裸露。涨潮过程中，近海水体进入盐沼后，主要发生以下变化：向前传播的波浪受到滩面高程增加及盐沼植物摩阻作用的影响而发生波能衰减;潮流进入盐沼后，由于植物茎叶的阻挡、摩擦和分流造成水动能损失，导致水平流速减小，垂向流速剖面变化;盐沼植物增加了滩面粗糙度，通过植株的分流、减小水流流速等作用，改变了边界层紊动的结构与强度;盐沼植物通过降低水动力强度以及茎叶粘附泥沙，进而影响悬沙的运动，造成湿地-近海水域的碳素迁移。

　　落潮时，水位回落造成地表部分碳素的迁出。根据以上过程分析可知，盐沼湿地水平碳交换的碳形态主要包括：溶解态有机碳(DOC)、溶解态无机碳(DIC)、颗粒态有机碳(POC)。海岸地貌、水文动力特性、地球物理化学循环、植被生长状况是两者间碳素交换的重要因素。已有的研究成果表明，盐沼与近海水体的横向碳交换是非常显著的，某些盐沼湿地初级生产量被潮水以凋落物形式带走的比例甚至高达45%(Dankersetal.,1984)。

　　土壤微生物在分解利用DOC的同时，将其转化为DIC，并通过潮流与近岸水体进行交换(Bouillonetal.,2008)，这部分碳通量可高达土壤间隙水DOC总量的40%(Shibataetal.,2001)，作为生物摄食和代谢产物主要形式的POC通量仅次于DOC(Fiedleretal.,2008)。湿地土壤的干湿交替能够改变土壤结构和通气条件，控制着好氧和厌氧呼吸作用之间的平衡，并影响土壤有机碳含量的稳定性和土壤微生物活动，以及温度、盐度、pH值等理化状况，从而改变土壤碳动态及其趋势(韩广轩,2017)，间接对湿地土壤和近海水体的水平碳交换产生一定影响。

　　1.4基于生态系统碳循环的模拟

　　湿地生态系统碳汇研究模型根据其模拟要素可大致分为过程模型和光能利用效率模型，亦可称为直接模拟模型。而另一类模型，则是通过大气CO2反推生态系统碳汇能力，称为大气反演模型。

　　1.4.1过程模型

　　过程模型也称机理模型，主要通过模拟影响生态系统碳循环的生物地球化学过程，如土壤呼吸、植物光合作用等，定量描述系统中的碳收支，并估算生态系统净碳汇能力。比较常用的生态系统碳循环过程模型有评估陆地生态系统的BEPS(Liuetal.,1997)、森林生态系统的BIOME-BGC(Kimballetal.,1997)、苔原和草原的PIXGRO(Adikuetal.,2006)以及农田生态系统的DNDC(Changshengetal.,1992)等。

　　滨海湿地生态系统碳循环模型研究时间较森林、海洋生态系统晚，模型构架多参照或利用其他类似系统与影响因子函数，葛振鸣等(2010)结合已有成熟模型的结构和重组，构建基于“气候-水文-植物生理生态-土壤”生态过程的滨海湿地碳循环模型，评估中国东部沿海湿地碳库。

　　陆颖等(2015)通过碳过程模型构建、数据库技术和地理信息系统软件的二次开发，并耦合遥感反演模型，实现崇明东滩湿地潮间带芦苇群落碳收支的时空格局动态模拟，以及人类活动和气候变化影响下的碳汇潜能预测。总体而言，由于滨海生态系统不同要素时空尺度的差异，以及相互因子间响应机理的复杂性，给滨海盐沼碳循环模型原创性开发带来一定困难和不确定性，目前相关模型的成功应用案例较少。

　　2研究不足及展望

　　2.1现有研究的不足

　　传统的湿地生态系统碳通量观测研究通常采用透明或不透明箱体罩于单个叶片或整个植株和土壤之上，通过监测箱内气体浓度变化来推算生态系统碳通量，然而箱体的抑制和封闭作用易导致监测结果与实际数值之间存在偏差。鉴于此，涡度协方差技术能够在植被和土壤状态不受干扰的前提下，测得不同时空尺度的净生态系统碳交换量，被越来越多地应用于滨海盐沼生态系统碳汇能力研究。

　　但是，目前全球涡度通量塔观测站点覆盖范围非常有限，其中我国滨海湿地站点主要位于长江口崇明东滩湿地、黄河口三角洲以及南方沿海红树林等地区，其他海岸带盐沼湿地尚无涡度相关观测数据。另外，该技术在实际应用中要求土壤表面的异质性和地形条件相对简单，然而滨海盐沼生态系统在横向上有着明显的植被和水文梯度，使得单个涡度监测站点的区域代表性较低。

　　同时，其采集的数据易受大气、土壤表面和仪器设备的影响而发生失真和缺失，需进行异常值剔除和缺失数据插补，因此系统误差和人为误差不可避免。基于碳收支的碳汇能力计算方法能够解析碳排放和碳固定两个过程，成为定量研究滨海盐沼小时空尺度碳汇量的有效方法。生态系统碳固定量可通过植被生物量反映，在高光谱的遥感影像或者高空间分辨率的遥感影像基础上，结合地面调查资料，可实现不同植被群落及物候特征的信息提取，从而估算生物量和固碳量。土壤呼吸是生态系统碳排放的主要来源，通常采用箱法测定，目前应用较多的动态箱-红外气体分析法克服了传统箱法的缺点，在滨海湿地土壤呼吸碳通量测定中得以应用。

　　同时，该方法可搭配相应的温度、含水量监测模块，为探究土壤呼吸碳排放与环境因子的响应关系奠定了良好基础。值得注意的是，根据上述碳收支思路计算盐沼生态系统净碳汇能力时，需要将根系呼吸从土壤呼吸通量中扣除，而根系呼吸的占比与植物物候特征密切相关，数值较难确定，计算中往往被忽略，这势必给计算结果的准确性造成一定影响。基于盐沼土壤碳储量计算生态系统碳汇量时，一般将土壤碳埋藏通量或不同时刻土壤碳储量之差近似为湿地的碳汇量，往往忽视海岸带水平碳交换造成的土壤碳储量的变化。由于滨海湿地特殊的水文特征，极易导致湿地表层土壤中碳素在潮汐作用下进入近海水体，同时，涨落潮造成地下水位周期性变化，使得部分DOC、DIC在地下水位横向梯度作用下发生水平方向的交换。

　　目前，关于滨海盐沼与近海水体的横向碳交换监测及影响因子研究，多基于较为成熟的河口海岸水动力及泥沙输移理论，而将盐沼生态系统、大气、近海视作一个多维整体，研究碳的垂向和横向交换通量并计算盐沼净碳汇量的报道仍不多见。

　　湿地生态系统碳循环模拟经历了从早期估算净初级生产力的统计模型，到基于生理生态的过程模型，再到多尺度的集成模型。光能利用效率模型结合遥感技术估算植被生产力，建模相对简单，在近年的全球碳通量研究中取得了较大进展，但在实际应用中仍然存在一定缺陷，如光合有效辐射与植被吸收的光合有效辐射之间的关系、不同生态系统及不同季节下光能利用效率动态变化等。另外，光能利用效率模型计算的是生态系统总初级生产力(GPP)或净初级生产力(NPP)，与净生态系统碳交换量(NEE)仍有一定差别，不可直接作为湿地净碳汇能力的表现。过程模型基于生态系统中物质迁移转化过程和机理进行构建，由于生态系统内涉及不同尺度的生物、化学态碳素的转化，再加上海岸带复杂的水文动力环境，给模型构建带来一定挑战。

　　另外，碳通量原位观测技术不完善和长期观测数据缺失，亦给参数率定及验证带来困难。目前，相关研究仍处于起步阶段。综上，滨海盐沼生态系统净碳汇能力估算方法各有优劣。鉴于影响滨海盐沼碳循环的因素错综复杂，在进行固碳能力定量化研究时，可根据研究目的及时空尺度，采用上述多种方法互为补充、相互映证，以实现净碳汇量的准确估算。

　　2.2研究展望

　　鉴于目前滨海盐沼碳汇量估算方法的优缺点，未来该领域可以从以下几个方面开展研究工作，以进一步提高净碳汇能力估算方法的科学性和预测结果的准确性。

　　(1)在实地监测生态系统碳收支、碳通量、碳储量的基础上，厘清盐沼湿地碳动态变化及调控机理，识别出生态系统主导的碳循环过程及关键控制因子，为过程模型构建及模拟提供理论依据。

　　(2)滨海盐沼区别于内陆湿地的最大特点是其受潮汐作用发生周期性淹露交替现象，同时在地表涨落潮动力和地下淋溶作用共同影响下，碳素在不同介质间发生迁移和横向输移。因此，需要采用现场监测和数值模拟相结合的方法，开展不同盐沼植被覆盖下的湿地-近海碳素水平交换研究，并与垂向土壤碳库时相变化测量相结合，探寻土-气-水多相碳循环规律。

　　(3)将涡度通量塔测定、生态过程模型以及遥感技术进行整合。一方面，建立通量-遥感的跨尺度观测体系，遥感数据为碳通量分析提供更宏观的地表覆盖物信息;另一方面，碳通量资料为生态模型参数率定和检验提供数据支撑;此外，遥感技术为解决生态系统信息的尺度推延问题提供了可能，将其与生态系统过程模型耦合，采用遥感反演信息和站点监测数据驱动模型计算多项碳收支指标，是估算空间异质性较高的滨海湿地碳汇能力的有效途径，可较大改善区域及全球碳循环估算的精度，为我国制定碳减排政策和应对全球变暖提供技术支撑。

　　参考文献

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　　布乃顺,杨骁,黎光辉,等.2018b.互花米草入侵对长江口湿地土壤碳动态的影响.中国环境科学,38(7):2671-2679.

　　蔡庆芳,贾培蒙,邵长高.2015.210Pb和137Cs测年在中国海岸带古环境演变研究中的应用.吉林地质,34(2):107-111.

　　曹磊,宋金明,李学刚,等.2013a.中国滨海盐沼湿地碳收支与碳循环过程研究进展.生态学报,33(17):5141-5152.

　　曹磊,宋金明,李学刚,等.2013b.滨海盐沼湿地有机碳的沉积与埋藏研究进展.应用生态学报,24(7):2040-2048.

　　作者：申霞1,2王鹏3,4*王为攀5王胜艳6谢瑞1王永平1姬昌辉1

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