濕地碳循環(huán)研究進展

濕地碳循環(huán)研究進展

全球變化是目前全球氣候變化研究的主要課題，溫室氣體的增加被認為是全球變化的主要原因。溫室氣體的未來變化趨勢對于預測未來氣候變化及其對社會經(jīng)濟的影響至關重要,因此自20世紀60年代以來,定量研究溫室氣體的全球收支平衡特別是全球碳循環(huán)研究一直是全球變化研究的熱點與難點問題。碳素循環(huán)的特點基本上反映了生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的總體特征。因此,精確地測定不同陸地生態(tài)系統(tǒng)表面的碳通量,在區(qū)域范圍內揭示和深刻理解碳的源匯過程,具有重大科學意義和實踐意義。濕地作為地球上一種重要的生態(tài)系統(tǒng)類型,其碳循環(huán)過程與特征研究,在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有重要地位。在許多國家,濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)正在成為全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的一大熱點。1國際合作的碳匯規(guī)則濕地是一類跨越了極大時空范圍、具有極大時空變異性的多樣化生態(tài)系統(tǒng)的總稱。根據(jù)Ramsar公約對濕地的定義,濕地系指不問其為天然或人工,長久或暫時之沼澤地、泥炭地或水域地帶,帶有或靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者,包括低潮時水深不超過6m的水域。因此,濕地既包括那些地表水和地面積水浸淹的頻度和持續(xù)時間很充分,在正常環(huán)境條件下能夠生長喜濕植被的區(qū)域,通常包括泥炭地、森林濕地、灌叢沼澤(Swamp)、腐泥沼澤(Marsh)、苔蘚泥炭沼澤(Bog)、濕草甸及其他潮濕低地,也包括所有季節(jié)性或常年積水地段,如湖泊、河流及泛洪平原、河口三角洲、灘涂、珊瑚礁、紅樹林、水庫、池塘、水稻田以及低潮時水深淺于6m的海岸帶等。通常意義的淡水水體也包括在Ramsar公約的濕地定義之中。在著名的非政府組織-世界資源研究所(WordResourcesInstitute,WRI)集中了世界幾十個國家的專家學者和研究機構進行的“全球生態(tài)系統(tǒng)示范分析”(PilotAnalysisofGlobalEcosystem,PAGE)中,將全球生態(tài)系統(tǒng)劃分為5類,即農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、沿海生態(tài)系統(tǒng)、淡水生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)PAGE的劃分,Ramsar公約的濕地定義至少包含了農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的農田濕地、沿海生態(tài)系統(tǒng)中的潮間帶、珊瑚礁、幾乎全部的淡水生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)中的森林濕地、高位沼澤、紅樹林,以及草地生態(tài)系統(tǒng)中的濕草甸和草地沼澤。而從水面淹沒的時間上劃分,筆者認為至少可以劃分出暫時性濕地、季節(jié)性濕地和永久性濕地。因此,由于濕地類型是如此的復雜多樣,目前世界上還沒有一家機構或組織就全球濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)情況進行過系統(tǒng)研究,濕地的碳循環(huán)研究也顯得較為片斷化和零散化。濕地是地球上生物產(chǎn)量最高、生物多樣性最為豐富的自然系統(tǒng)之一,濕地概念的提出原本是出于人類保護生物多樣性、維護人類生存所必須的健康生物地球化學環(huán)境的需要。濕地被普遍認為具有重要的生態(tài)功能、經(jīng)濟功能和社會服務功能。隨著全球陸地生物圈碳循環(huán)研究的興起,國際社會對濕地這一特殊類型生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究逐漸開始重視。1992年聯(lián)合國氣候變化框架公約(UnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange,UNFCCC)要求與會各方限制溫室氣體排放并保護和增強溫室氣體的匯庫。一些國家開始考慮濕地的碳匯功能。1995年,北大西洋公約組織(NorthAtlanticTreatyOrganization,NATO)將濕地保護列為增強碳匯功能的措施之一。在1997年《京都議定書》通過之后,濕地在碳循環(huán)中的作用得到了越來越多的重視。雖然《京都議定書》只認可發(fā)達國家可以通過增加森林碳匯來抵消溫室氣體排放量,濕地暫不在列,但是,為了保護和加強更多的碳匯,《京都議定書》的3.4條款也特別指出,在以后的例會中將確定在土地利用、農業(yè)用地和林業(yè)方面的人類活動的規(guī)則和指導性方針,而濕地的碳匯功能與上述3方面密切相關。1998年6月,在UNFCCC的附屬科學技術顧問團(SubsidairyBedyforScentificandTechnologicalAdvice,SBSTA)第8次會議上,將上述3方面正式框定為土地利用、土地利用變化和林業(yè)經(jīng)營管理。這樣,發(fā)達國家可以將濕地碳匯歸屬于土地利用變化范疇之內為履約服務。目前,發(fā)達國家中以擁有較多濕地資源的加拿大、美國對本國濕地碳循環(huán)的研究最多。目前,對全球濕地碳庫總量的估計,各家有異。據(jù)加拿大1998年國家碳匯報告估計,濕地占了全球陸地面積的6%,占全球陸地生物圈總碳庫量的14%(Canada,1998,NationalClimateChangeProcess,NationalSinksTables,FoundationPaper,FinalReport)。Zhang等(2000)認為,濕地占有全球陸地表面積的3%弱,但其碳庫儲量占陸地碳庫總儲量的15%～30%。而呂憲國、何巖等(1995)在陳宜瑜主編的《中國濕地研究》一書中給出的數(shù)字是濕地占陸地碳庫總儲量的15%。聯(lián)合國糧農組織(FAO)的世界森林狀況報告(FAO,2001,Stateoftheworld’Forest,2001)中,綜合了Dixon(1994)和Schlesinger(1997)的研究,認為濕地僅占全球陸地生物圈碳總量的7%(表1),全球陸地生物圈碳庫總量為2200Pg,則濕地碳庫總量為154Pg。在各類型濕地中,泥炭地和森林濕地是很重要的碳匯。Vitt等(2000)認為,全球泥炭地碳儲量占了全球陸地碳儲量的20%。盡管泥炭地僅占全球陸地面積的3%,而據(jù)Roulet估計,北半球泥炭地貯存了全球約25%的土壤碳庫。盡管濕地在全球變化中有很重要的作用,但它的作用并沒有被充分了解。目前比較清楚的是濕地消失、濕地轉為農業(yè)用地和濕地退化都將釋放大量的CO2、CH4、N2O等其它溫室氣體。與全球變化有關的許多環(huán)境變化對濕地有很重要的影響,如海平面上升、溫度升高、降水模式的變化、海洋流和風的影響;某些地區(qū)熱帶風暴可能增加,降水強度增大、降水量增多都將使?jié)竦厮w的淀積物增多;水文循環(huán)變化將影響內陸濕地,等等。濕地對全球變化有直接的影響,人們對濕地在碳貯存中究竟為碳源還是碳匯的問題有很大的興趣。用各種方法來研究濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)過程,以了解不同濕地類型如自然濕地、恢復濕地和人為建立的濕地在全球生物圈碳源或碳匯中的作用。2對碳循環(huán)的描述由于目前全世界公認的Ramsar濕地概念“包羅萬象”的特點,不同類型濕地生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能差異很大,要求在這里對其碳循環(huán)作一個面面俱到的共性化描述,實為研究者力所不逮,只有盡可能摘其要者而述之。目前關于淡水水體類型的濕地的碳循環(huán)研究較少,而對泥炭地、森林和農業(yè)用地中的濕地類型的碳循環(huán)研究較多,但其碳循環(huán)過程并沒有完全認識清楚。2.1碳循環(huán)的組成和分類一個典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)至少應當具有底部土壤、水體介質和生活在介質中的有機體,并且具有完整的營養(yǎng)級結構、能量流動和物質循環(huán)鏈條。自然界的物質循環(huán)均由實體和過程組成,濕地的碳循環(huán)也不例外。一般來說,它一方面包含了碳庫,另一方面又包含碳庫之間的碳通量。碳庫之間的碳通量變化是由許多物理、化學和生物過程引起的。作為實體的濕地碳庫可以區(qū)分出3種碳庫類型:活生物區(qū)碳庫、碎屑碳庫(多由動植物殘體組成)和被溶解氣體碳庫(即水溶無機碳庫)。同理,濕地碳循環(huán)的過程也可分為生物過程、物理/化學過程和分解過程(后者大部分為生物分解,也有小部分的物理和化學分解)。碎屑碳庫是目前濕地中最大的有機碳庫,遠遠超過濕地中細菌、浮游生物、動植物區(qū)系有機碳量。2.2有效保護泥質和碳的能力泥炭地、草本沼澤和三角洲沖積濕地是幾種較為常見的淺水型濕地。其中,泥炭地是全世界分布最廣的濕地類型,在世界各地均有分布,尤其是在北半球北部的中高緯度地區(qū)。泥炭地占全球濕地面積的50%～70%,總面積達400萬km2,碳儲量為世界土壤碳儲量的三分之一,相當于全球大氣碳庫碳儲量的75%(JoostenHandClarkeD.,2002)。1996年和1999年的Ramsar會議已把泥炭地列為國際重要濕地類型加以保護。據(jù)Joosten等(2002)估計,泥炭地碳的蓄積速率為20～30gC·m-2yr-1,加拿大泥炭地包含有200～450Pg(1Pg=1Gt=1015g)碳,擁有世界上最豐富的泥炭地資源。目前許多研究表明,占世界大部分泥炭地的北部地區(qū)在未來可能變得更溫暖,同時也表明中部大陸地區(qū)變得更干旱,沿海地區(qū)變得更濕潤,但存在著很大的不確定性。由于NPP和分解都與濕度和熱量條件緊密相關,如果氣候變化真如預料的那樣,泥炭地的碳動態(tài)變化將會發(fā)生很大的改變。潛在變化無論是在量上還是在變化趨勢上都有很大的不確定性?？茖W家們目前對濕地碳平衡和動態(tài)研究大部分都集中在泥炭濕地的研究,而且大部分都在北半球北部地區(qū)。2.2.1凈碳交換的年際比較過去幾年中,北半球北部地區(qū)的泥炭地碳動態(tài)研究力度有很大的加強。Laine(1999)等對北部泥炭地碳平衡和全球變化研究表明,目前不可能在極地和亞極地泥炭地中定量化確定碳循環(huán)對氣候變化的響應,但氣候對濕地碳循環(huán)的影響大部分是通過水位的變化間接影響的;預測的溫度和水文變化可能增加泥炭地的碳積累量,而在更南的地區(qū)這樣的氣候變化可能產(chǎn)生更大的CO2源;泥炭地的這種響應與其現(xiàn)有的植被類型有關,適度干旱有可能增強營養(yǎng)含量較少的泥炭地的碳匯。泥炭地占全球土壤碳貯量的1/3,約占大氣碳庫的60%。因而估計泥炭地CO2年交換量對于全球碳平衡和氣候變化有很大的意義。盡管很多研究認為在過去6000年到8000年間北部泥炭地都是碳匯,但近來在生長季節(jié)的碳平衡研究有很多不同的結果,有些認為是凈匯,有些認為是凈源。Lafleur(1999)等首次用渦度相關法在加拿大安大略省的MerBleue濕地進行了為期兩年的生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換研究,討論了CO2的全年測量結果。結果發(fā)現(xiàn),生長季節(jié)平均每天吸收CO2量與其他研究相近,在1.9～3.6g·m-2d-1之間;盡管冬天每天損失大約0.8g·m-2d-1的CO2,但7個月生長季節(jié)積累的會使該濕地全年共吸收200～300g·m-2的CO2。為了揭示光合有效輻射、溫度和凈碳交換之間的相互關系,并利用這種關系來內插不能經(jīng)常測量通量的地區(qū)的碳交換率并進行時間上的外推,Crill等從1989年起就在美國新罕布什爾州的Sallie濕地進行了碳交換通量觀測。這種方法對于確定1年或多年時間尺度上的碳平衡的變異極其重要。碳平衡模型模擬結果表明,Sallie濕地是大氣中CO2的匯,而且大部分碳是在夏天固定的,達52～91gC-CO2·m-2,冬天則表現(xiàn)為碳源,為12gC-CO2·m-2～19gC-CO2·m-2;但把甲烷釋放量(48gC-CH4·m-2～122gC-CH4·m-2)和可溶解有機碳排出量(3gC·m-2)加到碳收支計算中,則在1994年Sallie濕地是碳源,在其他年份是一個弱碳匯(Crill,1999)。Turunen(1999)從芬蘭鉆孔取了1302個泥炭樣、從加拿大和俄羅斯取了128個孔樣進行分層分析,以推斷極地和亞北極區(qū)自然沼澤的碳積累狀況,用泥炭柱來估計泥炭的增長和分解變化。研究表明,碳的輸入速率平均為13.6g·m-2yr-1,芬蘭的自然沼澤碳的長期平均積累速率(LORCA)為18.5g·m-2yr-1,西伯利亞西部酸沼澤LORCA平均為17.1g·m-2yr-1,加拿大極地和亞北極區(qū)的LORCA平均為28.7g·m-2yr-1;而且沼澤碳可減慢泥炭在垂直方向上的積累,從而導致土壤碳大量釋放,芬蘭西部的Patvinsuo沼澤碳的平均釋放率為9.5g·m-2yr-1,平均單場火引起的碳釋放為2.5g·m-2yr-1。沼澤地下的灰化層(Podzolic)也是重要的匯,大約為地球上未統(tǒng)計碳收支的5%。芬蘭273個土壤剖面分析結果表明,沼澤礦化亞土層中碳的平均密度比附近森林剖面高1.5倍,而且在分析中發(fā)現(xiàn),碳的衰減系數(shù)和年平均溫度的對數(shù)值有近線性關系。2.1.2濕地碳排放的季節(jié)變化苔草沼澤是一個相對簡單的生態(tài)系統(tǒng),初級生產(chǎn)者很簡單,沒有食草動物,初級生產(chǎn)力沒有明顯的季節(jié)變化,而且由于在持續(xù)濕潤和營養(yǎng)豐富的立地上形成了單調的群落類型,因此沒有水脅迫和營養(yǎng)短缺對光合的限制。非洲濕地的苔草植被常生長在幾米厚的泥炭上,目前,只有為數(shù)很少的研究估計了苔草下的泥炭量,Muthuri等的研究結果表明非洲沼澤很可能是一個很大的碳匯。而Jones和Muthuri(1997)第一次嘗試描述熱帶濕地植被的碳通量,用葉片光合、呼吸及渦度相關測量結果來描述從葉子到整個植被層的苔草濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支狀況,從而確定苔草沼澤對非洲熱帶濕地碳循環(huán)的貢獻,并驗證苔草沼澤是否為熱帶的一個重要潛在的碳匯。我國學者黃國宏等(2001)從1997年開始,對我國四大河口三角洲之一的遼河三角洲蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)CH4排放進行了較深入的研究,結果表明,其排放有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。6月10日前,由于氣候干燥,土壤含水量低,缺乏嫌氣條件,蘆葦濕地吸收甲烷,其通量為-29μgCH4·m-2h-1～968μgCH4·m-2h-1。而淹水后,并隨著淹水期延長以及氣溫不斷升高,蘆葦植株生長旺盛,CH4排放量開始逐漸增加,出現(xiàn)了多個排放高峰并一直持續(xù)到10月底,其通量為128tCH4·m-2h-1～2734tCH4·m-2h-1。隨后,即使死亡的蘆葦根系及其凋落物進一步增加,但土壤積水較少,溫度降低,限制了甲烷菌的活動,CH4排放顯著下降。CH4排放的季節(jié)變化與蘆葦植株的根系密切相關。對趙圈河等場195d觀測結果進行分析計算,得出蘆葦濕地CH4通量為-968～2734μgCH4·m-2h-1,平均為520μgCH4·m-2h-1,排放總碳量為271.35kgC。通過CH4排放進入到大氣中的碳為271.35kg。這表明,蘆葦濕地是溫室氣體CH4的一個較大排放源,它在陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放中的作用不能低估。2.3本研究中淡水濕地的碳循環(huán)2.3.1對水體碳匯作因素的探討據(jù)Downing等研究(1993)表明,貯存在湖泊的生物體有機碳大約為0.036GtCyr-1,另以可溶解有機碳沉積率為30%計算,將有0.015GtCyr-1沉積在湖泊中,全球則應有0.051GtCyr-1滯留在湖泊中,其中0.035GtCyr-1是來源于大氣CO2。在湖泊中,碳酸鈣的沉積具有很大的作用。全世界范圍內,碳酸鹽湖泊總面積約1.6×106?km2,其對溶解態(tài)無機碳的平均滯留率只有5gCm-2yr-1左右,則全世界湖泊對溶解無機碳的總匯估計可達到0.026GtCyr-1,其中至少70%來源于大氣CO2,約為0.0182GtCyr-1。因此,湖泊總碳匯約為0.077GtCyr-1,其中對大氣CO2的匯達到0.0532GtCyr-1。嚴國安和劉永定(2001)詳細總結了包括海洋、湖泊、水庫和溪流等水生生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程及其對大氣CO2的匯作用,并對水體生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和大氣CO2匯的因素進行了討論。已有研究表明,在北緯地區(qū)有一個大而未辨明的陸地碳源,由于CO2濃度升高,這個碳匯可能會增高碳的沉積速率。Dean和Gorhan(1998)在Minnesota湖泊的基礎上估計了全球湖泊碳沉積,這是對湖泊沉積物的唯一的一次碳貯存量研究。研究表明,湖泊積累了大量的有機碳,而且現(xiàn)在積累的碳與歷史前期相比相差不大,不可能是“失蹤”的碳匯。許多湖泊唯一易獲得的數(shù)據(jù)是湖泊的位置和面積,Campbell(2000)等在前人研究的基礎上,不僅建立了湖泊面積與沉積物體積的理論關系,還探討了被沉積的有機物質和影響沉積有機物的湖泊特性之間的關系,如沉積量、湖泊深度、抽樣深度、硝酸鹽、可溶解有機碳、全部可溶解氮等。Campbell(2000)的研究表明,湖泊沉積物中有機物質含量不與湖泊的大小或其他湖泊學參數(shù)有關,加拿大Alberta湖泊大,貯存了2.3Pg有機碳,平均每年沉積約為0.23Tg有機碳,貯存速率為15g·cm-2yr-1。Dean和Gorhan(1998)發(fā)現(xiàn),全球大湖泊的碳沉積速率為5g·cm-2yr-1,小湖泊為72g·cm-2yr-1。森林中貯存的碳可能在數(shù)百年之內大部分要返回到大氣中,而貯存在湖泊中的碳則幾乎很少返回到大氣中。據(jù)研究,大約有1/6以上的碳長期貯存在Alberta泥炭地,約為13.5Pg碳。加拿大Alberta湖泊僅占全球淡水面積的1%,而碳蓄積量占全球的1/1700,這說明湖泊在全球碳循環(huán)中位置比想象中的要重要,需要全面研究湖泊碳動態(tài)變化。人為因素對非農業(yè)區(qū)域湖泊沉積碳的影響大于農業(yè)地區(qū)。大氣中CO2濃度的升高促進了關于CO2從陸地、水生環(huán)境中釋放通量研究。在全球尺度上,淡水要向大氣中輸送20%以上的甲烷通量。湖泊中CH4和CO2與大氣之間有不同的生產(chǎn)、消耗和交換模式,甲烷僅在絕氧條件下產(chǎn)生,既可在無氧的水底沉積物中產(chǎn)生,又可在無氧的超營養(yǎng)水體環(huán)境中產(chǎn)生。而CO2是由湖泊和湖泊沉積物的呼吸作用產(chǎn)生的。CH4消耗是高效率的細菌氧化過程所消耗,特別是在有氧/無氧邊界層中有10%以下的CH4能擴散在含氧漸變區(qū),而CO2消耗是光合作用消耗,尤其是化能光合作用,主要取決于光,因而CO2吸收率有很大的時空差異性。2.3.2水庫溫室氣體排放量水庫在全球碳循環(huán)的作用也不可忽視。1970年,全世界總的水庫面積約為4×105?km2。碳在水庫的滯留率比湖泊大,約為500mm,其中50%來自土壤,1970年貯存在水庫的碳匯總量為0.1GtCyr-1,估計到2050年將可達到0.2GtCyr-1(Walsh等,1993)。另外水電站可能是重要的溫室氣體排放源。因為水庫建成后,被淹沒的部分庫區(qū)中的有機質會分解成為腐殖酸、CO2、CH4、N、P等,其中CO2和CH4是溫室氣體,但這一結果并不適用于大多數(shù)水庫,僅符合水庫淹沒地是泥炭地或淺水庫區(qū)的濕地類型。水庫的建立減緩了水流向海洋的速率,即使水庫沉積物中有機碳含量少于湖泊沉積物,壩后有機碳積累仍然增加,速率為400gC·m-2yr-1(Mulhlland和Elwood1982,Dean和Gorhan1998)。Rudd等(1993)研究表明,水庫溫室氣體的生產(chǎn)量不為零,主要取決于有機碳的多少。池塘表面向大氣中釋放CO2和CH4,而泥炭地吸收CO2,放出CH4。一些研究表明,淹沒前,濕地是碳匯,碳蓄積速率為6.6gC·m-2yr-1;淹沒后,濕地是一個大碳源,C總的為130gC·m2yr-1,其中CO2排放通量為120gC·m-2yr-1,CH4為9gC·m-2yr-1。漂浮的泥炭島由于CH4氧化率較低,排放到大氣中的CH4很多。CH4和CO2雖同為溫室氣體,但兩者使全球變暖的效率不同,等量的CH4使全球變暖的潛力遠高于CO2,100年大約為21倍。表2列出了在過去7年對21個分布在世界各地現(xiàn)存水庫CH4和CO2排放研究結果。從表中可以看出,水庫一般來說是大氣中溫室氣體的源,而且現(xiàn)有的研究對水庫向大氣排放的溫室氣體量估計過低。不同大小(0.2～2500km2)、不同年齡(1～73a)的溫帶區(qū)域水庫研究較多,CO2排放量平均為1400mg·m-2d-1,CH4為20mg·m-2d-1。新建的熱帶水庫與大氣間的溫室氣體通量交換比長期受淹的水庫要大。Schellhase等(2000)對建成年齡為1年的熱帶水庫做了一個大概的估計,其結果表明,CO2排放量平均為3500mg·m-2d-1,CH4為300mg·m-2d-1。3增加森林碳匯,減輕溫室氣體排放如前所述,濕地實際上是許多具有不同結構與功能、時間與空間屬性變異極大的生態(tài)系統(tǒng)的集合。荒漠由于偶然性降水形成的短暫積水區(qū)、海洋生態(tài)系統(tǒng)中的珊瑚礁、森林生態(tài)系統(tǒng)中的紅樹林、森林沼澤、草原沼澤、濕草甸、丘陵池塘、湖泊、河流、溪流、稻田等均屬濕地的范疇。即使拋開濕地中“水,土”這兩個必要的無機環(huán)境條件不談,僅是其中的植物、動物和微生物區(qū)系也千差萬別,具有時間和空間上顯著的異質性,因此,與其他大類的生態(tài)系統(tǒng)相比,濕地生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域碳蓄積評估變得非常困難而復雜。濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究總體上看還非常薄弱。此外,全球范圍陸地碳循環(huán)研究導向在相當程度上受到《聯(lián)合國氣候變化框架公約》及隨后的《京都議定書》