淺談我國濕地碳循環(huán)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

淺談我國濕地碳循環(huán)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

氣候變化及其一系列全球生態(tài)環(huán)境問題引起了各國政府和科學(xué)家的高度關(guān)注。碳環(huán)環(huán)是目前全球變化研究領(lǐng)域的中心問題之一（丁仲禮等，2009；puschilg等，2010）。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫,濕地生態(tài)系統(tǒng)儲存了地球約20%的碳,在穩(wěn)定全球氣候變化中占有重要的地位,濕地碳循環(huán)構(gòu)成了全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。多數(shù)國家都對本國濕地碳循環(huán)進(jìn)行了研究,根據(jù)研究目的的不同主要分為五個方面:1)對濕地水體碳循環(huán)的研究,包括不同形態(tài)碳的含量測定及地球化學(xué)遷移轉(zhuǎn)化過程等(余婕等,2008;李慧垠等,2011)。2)對濕地植被、動物的研究,主要集中在植物水分利用、植被類型對碳循環(huán)過程的影響、食物網(wǎng)物質(zhì)循環(huán)和食源研究等方面(全為民,2007;殷樹鵬等,2008;曾慶飛等,2008)。3)對濕地土壤和沉積物碳循環(huán)過程的研究,以有機(jī)碳含量和分布以及碳穩(wěn)定同位素組成為主(彭佩欽等,2005;遲傳德等,2006;張遠(yuǎn)等,2011)。4)對濕地氣體排放過程及機(jī)理研究,其中以甲烷排放為研究熱點(diǎn)(Chasaretal.,2000;黎明和李偉,2009)。5)含C溫室氣體的監(jiān)測研究,主要有微氣象學(xué)法、箱法、定量遙感法以及理論模式計算法(王俊峰,2008)等。在上述系列研究中,技術(shù)方法主要依賴于化學(xué)量化分析和通量監(jiān)測等傳統(tǒng)手段,而對于濕地碳循環(huán)的微觀過程和源/匯示蹤很難深入進(jìn)行。而碳同位素的示蹤作用可以實(shí)現(xiàn)這一功能,因此以碳同位素(包括穩(wěn)定碳同位素δ13C和放射性同位素Δ14C)來示蹤物質(zhì)來源和地球化學(xué)過程成為了國內(nèi)外學(xué)者研究濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要手段之一。穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)不僅可以區(qū)分碳源,也可示蹤循環(huán)過程的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)物,從而對碳的遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行示蹤(李思亮等,2004)。通過計算植物殘體及土壤有機(jī)質(zhì)中的14C含量,可以得到碳的存留時間和各碳庫間的碳轉(zhuǎn)移速率(韋莉莉等,2005;朱書法,2006;黎明和李偉,2009)。國內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)碳同位素研究領(lǐng)域開展了廣泛的研究,尤其是在重建生態(tài)系統(tǒng)中的碳動力學(xué)過程、模擬大氣CO2濃度上升對碳循環(huán)過程的影響以及土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)周期等領(lǐng)域。本文從濕地碳循環(huán)的主要研究手段和方法對比出發(fā),綜述了同位素方法在碳循環(huán)研究中的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用原理,總結(jié)了利用碳同位素方法研究濕地系統(tǒng)的生物地球化學(xué)過程的現(xiàn)狀和進(jìn)展,旨在深入了解碳同位素方法在濕地碳過程中的應(yīng)用,為合理開發(fā)利用濕地、防治富營養(yǎng)化和污染、增加碳匯以及減緩全球變暖提供科學(xué)依據(jù)。1傳統(tǒng)研究方法,以及其他研究方法。在濕地根據(jù)《濕地公約》的定義,濕地是指水深不超過6m的水域,包括沼澤、泥炭地、紅樹林,河流、湖泊、灘涂、稻田、堰塘、水庫以及淺海等(張文菊等,2003;遲傳德,2006),是水陸相互作用形成的多功能的、兼有陸生和水生特點(diǎn)的獨(dú)特的自然生態(tài)系統(tǒng),是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一(于洪賢和黃璞祎,2008)。它具有涵養(yǎng)水資源、維持生物多樣性、蓄洪防旱、促淤造陸、降解污染物、調(diào)節(jié)氣候等重要作用,被稱為“地球之腎”。碳是濕地生態(tài)過程的主要生源要素之一,它決定了濕地的生態(tài)與環(huán)境過程,所有其他重要元素的生物循環(huán)過程都與碳密切相關(guān)。濕地碳循環(huán)的研究對認(rèn)識水環(huán)境變化、水生態(tài)過程、元素循環(huán)以及其相互作用具有重要的指示意義。濕地碳循環(huán)研究的最基本環(huán)節(jié)包括了碳輸入、碳積累與固定過程和碳分解與碳輸出過程,是了解碳庫長期變化的重要手段(遲傳德,2006;段曉男等,2006)。濕地碳循環(huán)的傳統(tǒng)研究方法主要分為兩大類,一是循環(huán)過程及化學(xué)反應(yīng)的量化示蹤法(Benneretal.,1993),二是溫室氣體通量監(jiān)測(包括微氣象學(xué)法、箱法和定量遙感法等)。傳統(tǒng)研究方法注重濕地碳循環(huán)量的研究,但由于濕地內(nèi)部之間以及內(nèi)部和外界之間的生物地球化學(xué)過程的復(fù)雜性和物源的多樣性,傳統(tǒng)的研究無法準(zhǔn)確探討濕地碳循環(huán)過程、環(huán)境演化以及人類活動對濕地的影響等。對濕地碳循環(huán)的研究,主要包括對碳的各形態(tài)(DIC、PIC、DOC和POC)濃度的測定,從而討論各形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化,但是傳統(tǒng)的方法往往無法完成對濃度和同位素值的全面研究,因此對如何產(chǎn)生這些通量的認(rèn)識即更微觀的機(jī)理性研究難以深化。元素比值(如C/N比值)法在沉積物有機(jī)質(zhì)來源的研究中比較常用,但是僅僅運(yùn)用常規(guī)的C/N比難以準(zhǔn)確區(qū)分沉積有機(jī)質(zhì)的來源。由于土壤有機(jī)質(zhì)的組分具有不同物理化學(xué)屬性和周轉(zhuǎn)時間,因此傳統(tǒng)的土壤普查方法很難精確探測到幾十年之內(nèi)氣候變化和土地利用變化對土壤碳儲量的影響。天然存在的碳同位素作為示蹤劑對于研究全球碳循環(huán)有著非常重要的意義。穩(wěn)定同位素?zé)o放射性、安全、準(zhǔn)確,還具有綜合長期地球化學(xué)變化和聯(lián)系不同系統(tǒng)成分的能力,起著在時間、空間上聯(lián)絡(luò)的作用,在地球化學(xué)研究中具有獨(dú)特的應(yīng)用價值(曾芳和毛治超,2010)。它對研究碳的生物轉(zhuǎn)化途徑和地球化學(xué)循環(huán)有重要作用,因此被廣泛用于探討各種生態(tài)環(huán)境中的物質(zhì)來源和遷移規(guī)律(Zhangetal.,1995;蔡德陵等,2002;韋莉莉等,2005)。例如,沉積物中有機(jī)質(zhì)δ13C值的測定可以追溯有機(jī)質(zhì)的來源,從而可以更加靈敏地揭示碳循環(huán)的干擾和恢復(fù)過程(于貴瑞等,2005)。穩(wěn)定碳同位素方法已經(jīng)成為識別濕地生態(tài)系統(tǒng)中各類碳形態(tài)物質(zhì)來源的有效方法之一,對監(jiān)測流域植被組成、環(huán)境變遷是一種非常有效的指標(biāo),為中短時間尺度環(huán)境變化研究提供了一條新的途徑。同時,穩(wěn)定同位素技術(shù)解決了濕地碳循環(huán)過程中許多其他研究方法不能解決的問題,在追溯土壤有機(jī)質(zhì)來源、研究土壤有機(jī)質(zhì)及其組成的周轉(zhuǎn)及重現(xiàn)C3/C4植被變化歷史方面的應(yīng)用日趨成熟,利用δ13C值對土壤碳酸鹽進(jìn)行區(qū)分、研究土壤系統(tǒng)內(nèi)部碳元素的轉(zhuǎn)移也展現(xiàn)出良好的前景,比傳統(tǒng)的方法更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確(蔡德陵等,2003;張林等,2010)。另外,在技術(shù)方法上,碳同位素手段也有其優(yōu)勢的一面。例如,在進(jìn)行生物組織對環(huán)境變化響應(yīng)的研究中,由于受時間和技術(shù)限制,用于生理試驗的樣本數(shù)量往往受到限制,而生物組織中的碳同位素卻整合了較長時間跨度的環(huán)境信息,可以對不同環(huán)境變化和脅迫信息進(jìn)行綜合評估。進(jìn)行同位素分析的樣品不僅限于保存時間很短的生物組織,同時對組織分解殘留物如蠟葉、纖維素甚至化石也可以進(jìn)行分析,這大大延長了人類可以研究碳循環(huán)的歷史時間(劉海燕和李吉躍,2007)。2地表碳循環(huán)機(jī)理自然界中,碳元素具有兩種穩(wěn)定的同位素13C和12C,其中12C豐度=98.89%,13C豐度=1.11%(Nier,1950)。通常所說的穩(wěn)定碳同位素比值,即為13C/12C的比值,以δ13C表示,使用千分差單位(‰),即:碳同位素分析標(biāo)準(zhǔn)為PDB,即產(chǎn)于美國南卡白堊系皮迪組(PeeDeeFormation)的擬箭石(Belemnite),其“絕對”13C/12C=(11237.2±90)×10-6,定義其δ13C=0‰(Hayesetal.,1982;Hoefs,2004)。同位素示蹤技術(shù)手段需要滿足兩個條件,一是要有同位素分餾效應(yīng)存在,二是不同來源物質(zhì)具有特定的同位素組成。自然界有兩大主要碳庫:有機(jī)碳和碳酸鹽,前者輕(-9‰～-34‰),后者重(-2‰～2‰)(Clark&Fritz,1997;鄭永飛和陳江峰,2000;劉叢強(qiáng),2007)。無論是無機(jī)還是有機(jī)碳,在它們的形態(tài)和組成發(fā)生轉(zhuǎn)變時都存在明顯的同位素分餾效應(yīng)。根據(jù)不同物質(zhì)來源的有機(jī)質(zhì)中穩(wěn)定碳同位素的成分存在的明顯差別,可對有機(jī)質(zhì)的物源進(jìn)行判別(Cifuentesetal.,1988;Goeringetal.,1990;Montoyaetal.,1992;Sachsetal.,1999;韋莉莉等,2005)。地表主要碳儲庫的碳同位素組成分布范圍見圖1。碳同位素的分餾機(jī)理主要有兩個:(1)CO2-HCO3--CO32--CaCO3體系中的碳同位素交換引起的同位素分餾。CO2氣體與各種水溶碳酸根原子團(tuán)之間的碳同位素交換反應(yīng)使碳酸鹽富集13C,總的來說,13C趨于富集在碳的高價化合物中,即:CH4(13C最虧損)→C→CO→CO2→CO32-(13C最富集)。(2)生物過程中的動力學(xué)效應(yīng),光合作用是最主要的動力學(xué)分餾機(jī)制。在光合作用中,通常存在下列化學(xué)反應(yīng):6CO2+11H2O→C6H22O11+6O2。這是單向反應(yīng),空氣中的12CO2鍵比13CO2易破裂,因此光合作用時植物組織優(yōu)先吸收12CO2,使有機(jī)物中富集12C,而空氣則富集13C。因此,在濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中,穩(wěn)定碳同位素組成不僅可以示蹤碳源,也可示蹤循環(huán)過程的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)物,從而對碳遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行示蹤。此外,還有一種核反應(yīng)形成的放射性同位素14C,在濕地碳循環(huán)研究中也被廣泛采用(韋莉莉等,2005;朱書法,2006;黎明和李偉,2009)。14C產(chǎn)生于大氣中,其半衰期為5730a。大氣中的14C迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2分子,均勻分布于大氣中。植物通過光合作用可以吸收大氣CO2中的14C,因此植物體內(nèi)通常保持一定數(shù)量的14C。植物死亡后,光合作用停止,不再吸收CO2,植物殘體內(nèi)的14C隨放射性的衰減而含量逐漸下降。因此,通過計算植物殘體及土壤有機(jī)質(zhì)中的14C含量,可以計算碳的存留時間和各碳庫間的碳轉(zhuǎn)移速率(黎明和李偉,2009)。3碳碳融合與濕地碳循環(huán)的研究3.1c與濕地植物碳穩(wěn)定同位素組成在濕地生物過程的碳同位素分餾效應(yīng)中,光合作用是最主要的動力學(xué)分餾機(jī)制。濕地植物吸收CO2合成有機(jī)質(zhì),這一反應(yīng)優(yōu)先吸收12C。大氣中CO2的δ13C約為-8‰,在向植物細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散的過程中,產(chǎn)生了約-4‰的分餾。根據(jù)光合作用途徑不同(C3、C4和CAM途徑),其分餾值各不相同。大多數(shù)植物進(jìn)行C3循環(huán)來固定碳,使得它們的13C較為虧損,δ13C值在-22‰～-34‰,而利用C4循環(huán)固定碳的植物其δ13C為-9‰～-17‰(Smith&Epstein,1971;Farquharetal.,1989)。CAM植物的δ13C一般界于C3和C4植物的δ13C之間。濕地水生植物的δ13C分布范圍較寬,為-11‰～50‰(Keeley&Sandquist,1992)。河流、湖泊和濕地植物的碳同位素組成記錄了區(qū)域氣候因子和影響植物碳同化以及生理因子的相關(guān)信息,結(jié)合水體DIC濃度及形態(tài)的分析可以反映水體環(huán)境因素的影響(林清和王紹令,2001;劉海燕和李吉躍,2007;何書林等,2010)。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中,各生物種群間的攝食關(guān)系、營養(yǎng)物質(zhì)和能量流動是一個難題,而碳穩(wěn)定同位素方法為這一難題的研究提供了新的手段。當(dāng)食物中的碳穩(wěn)定同位素組成發(fā)生變化時,動物體內(nèi)的碳穩(wěn)定同位素組成也發(fā)生相應(yīng)的變化,就可推斷動物的攝食情況。萬袆等(2005)利用碳氮穩(wěn)定同位素分析了渤海灣食物網(wǎng)主要生物種的營養(yǎng)層次,直觀反映了各生物種間的食物關(guān)系。全為民(2007)分析了長江口鹽沼濕地主要優(yōu)勢大型無脊椎動物和游泳動物的食源,估算了動物消費(fèi)者的營養(yǎng)級和構(gòu)建了長江口鹽沼濕地的簡化食物網(wǎng)模型。曾慶飛等(2008)總結(jié)了利用穩(wěn)定同位素技術(shù)揭示水域食物網(wǎng)中物質(zhì)的循環(huán)途徑和探究消費(fèi)者、生產(chǎn)者間的營養(yǎng)關(guān)系的方法。穩(wěn)定同位素在水生生物的洄游及遷移路線和生長過程中食性變化研究中均有應(yīng)用(曾芳和毛治超,2010)。3.2碳氮穩(wěn)定同位素poc及其13c水體懸浮物記錄了流域土壤侵蝕的信息,反映了土壤有機(jī)碳和植被的動態(tài)變化。由于不同環(huán)境形成的POC碳同位素組成明顯不同,因此δ13C值還可以記錄流域的水土流失狀況。有機(jī)物的碳同位素研究已經(jīng)被證實(shí)是研究海洋、河口以及湖泊中生物地球化學(xué)過程的有效示蹤劑。POC和DOC的δ13C已經(jīng)被成功用于判斷有機(jī)碳的來源,并且可以幫助了解有機(jī)物的循環(huán),因此對源的判斷對掌握整個水生生態(tài)系統(tǒng)中碳的遷移轉(zhuǎn)化具有重要意義(陳毅鳳等,2001)。Cai等(1988)和Barth等(1998)利用穩(wěn)定碳同位素法分別研究了亞馬遜河及其主要支流以及St.Lawrence上游區(qū)域的POC來源。吳瑩等(2002)和余婕等(2008)結(jié)合C/N比值法對長江懸浮顆粒物穩(wěn)定碳氮同位素的季節(jié)變化規(guī)律進(jìn)行了研究,估算了不同物質(zhì)的貢獻(xiàn)。魏秀國等(2003,2010)研究了珠江水體中懸浮顆粒有機(jī)碳的含量及其穩(wěn)定同位素組成和分布,分析了C4和C3植物的影響,揭示了流域植被破壞和恢復(fù)過程以及土壤侵蝕狀況的變化趨勢。許斐等(2011)分析了長江干流一年內(nèi)表層懸浮物樣品的粒度、POC及其δ13C值,揭示了三峽水庫建設(shè)對長江下游顆粒有機(jī)碳通量及同位素組成的影響。李慧垠等(2011)綜合利用水化學(xué)特征、形態(tài)含量分析和碳氮穩(wěn)定同位素方法對密云水庫、野鴨湖濕地和北運(yùn)河水體中POC和表層沉積物進(jìn)行研究,表明密云水庫夏季顆粒有機(jī)質(zhì)受C3植物和水生植物的共同影響,冬季水生藻類對有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)增大。濕地生態(tài)系統(tǒng)研究中,溶解無機(jī)碳(DIC)是重要研究內(nèi)容之一。光合作用與呼吸作用是影響水體DIC同位素組成變化的主要因素,這主要表現(xiàn)在水體DIC同位素組成與濃度呈反相關(guān)。光合作用形成有機(jī)質(zhì)時,12C被優(yōu)先利用,使水體DIC濃度降低,同時水體中13C的富集使得δ13C增加;相反,呼吸作用增強(qiáng)時,有機(jī)質(zhì)分解釋放大量的12C進(jìn)入水體,使湖水DIC濃度增加,δ13C降低(閆慧等,2011)。植物根系、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)具有顯著不同的δ13C值,肖勝生等(2009)曾利用同位素判別法來推斷生物呼吸作用所產(chǎn)生的CO2的來源。而濕地輸入性DIC則主要來自流域土壤有機(jī)質(zhì)分解所釋放的CO2,其δ13C大多數(shù)在-32‰～-20‰(李甜甜等,2007;焦樹林等,2008),水體中DIC含量和δ13CDIC變化反映了碳的地球化學(xué)行為和生物地球化學(xué)循環(huán)特征(李思亮等,2004;李干蓉等,2009;吳春勇等,2011)。3.3碳同位素在湖泊生產(chǎn)力、環(huán)境與環(huán)境變化研究中的應(yīng)用濕地沉積物碳含量及碳同位素組成反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的特點(diǎn),沉積物中有機(jī)質(zhì)的δ13C值具有一定反映氣候冷暖波動的意義(沈吉等,1996;謝遠(yuǎn)云等,2004),其包含的生物和理化信息,可以揭示CO2濃度的變化、湖泊水位波動、湖區(qū)生態(tài)與植被變遷以及氣溫變化等重要信息(周志華等,2007),對于重建湖泊古生產(chǎn)力變化(葛晨東等,2007)、沉積有機(jī)質(zhì)的來源以及隨后的沉積演化過程具有重要意義(吳敬祿等,2005;王立群等,2007;張遠(yuǎn)等,2011)。利用碳同位素還能研究濕地土壤中不同顆粒大小或密度有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)情況(Doaneetal.,2003;Ellerbrock&Kaiser,2005;陳慶強(qiáng)等,2007),以及不同生態(tài)利用方式和不同環(huán)境條件對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響(Spaccinietal.,2006;丁喜桂等,2011;張月鮮等,2011)。近年來,濕地自生碳酸鹽和降解殘留纖維素的碳同位素組成在區(qū)域氣候與環(huán)境變化方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速,揭示了水體與大氣CO2的交換程度、降水量的多少、流域C3和C4植被變化情況、水生生物光合作用或呼吸作用強(qiáng)弱、湖泊生產(chǎn)力大小、湖泊水體化學(xué)特征和湖水不同深度層的有機(jī)質(zhì)變化過程等重要的氣候和環(huán)境信息(陳敬安等,2002;徐玉慧等,2006;曾承,2010;朱正杰等,2011)。3.4碳同位素示蹤法濕地還是CO2和CH4等溫室氣體的主要來源,是大氣/濕地界面研究的熱點(diǎn),其中重要而有效的研究手段之一也是碳同位素法(Sugimoto&Wada,1993;Tyleretal.,1997;Krugeretal.,2002;張廣斌等,2011)。Chasar等(2000)用碳同位素示蹤法對泥炭沼澤和苔蘚泥炭濕地甲烷產(chǎn)生來源進(jìn)行了示蹤,揭示了甲烷的濃度、排放率、排放出的CH4中穩(wěn)定同位素比值等均受自然植被的影響。Chanton等(2002)利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)對新老蘆葦濕地CH4和CO2濃度的晝夜變化進(jìn)行研究,證明CH4濃度的晝夜變化與蘆葦中δ13C值變化趨勢一致,氣體的傳輸途徑影響水生植物中的同位素分餾。4碳同位素與環(huán)境目前,中國濕地碳循環(huán)及溫室氣體源/匯效應(yīng)的研究主要集中在泥炭地碳動態(tài)和主要營養(yǎng)元素在濕地物質(zhì)循環(huán)中的化學(xué)過程方面(黃國宏等,2001;劉景雙等,2003;遲傳德等,2006),如溫室氣體排放(王毅勇等,2003,2005;宋長春等,2004)、生源要素持留(呂憲國等,1995;呂憲國和劉曉輝,2008)、沼澤濕地墾殖與退耕還濕過程中土壤碳組分變化研究等(張文菊等,2003;宋長春等,2004)以及對全球變化的響應(yīng)等(Cao&Fox,2009;Cyranoski,2009;Pan&Wang,2009);對于應(yīng)用碳同位素對環(huán)境變化、土壤碳循環(huán)等方面也開展