湿地生态系统固碳潜力研究进展.doc

段晓男等：湿地生态系统固碳潜力研究进展 1095湿地生态系统固碳潜力研究进展段晓男1，王效科1，尹 弢2，陈 琳31. 中国科学院生态环境研究中心系统生态国家重点实验室，北京 100085；2. 山东省医药工业研究所，济南 250100；3. 教育科学出版社，北京 100101摘要：固碳是湿地生态系统一项重要的服务功能。文章通过对各种类型湿地的固碳量及其潜力进行分析，发现湿地的固碳潜力要高于其他类型的生态系统，维持和恢复湿地的固碳潜力对全球碳循环具有重要的意义。如果湿地遭到破坏或转为他用，其固碳能力就会随之下降，所以保护湿地是保证湿地固碳潜力优先考虑的管理措施。此外通过对泥炭湿地、沿海湿地、森林湿地和人工湿地的恢复措施及效果的分析，发现恢复和创造湿地可以恢复并增强湿地生态系统的固碳潜力，但针对湿地碳库的固碳措施需要进一步的探索和实践。关键词：湿地生态系统；固碳潜力；保护湿地；恢复和创造湿地中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）05-1091-05随着大气CO2浓度的升高和全球变暖的加剧，温室气体的减排工作得到越来越多的关注，如何利用陆地生态系统进行固碳活动也成了全球所关心的话题。京都议定书把陆地生态系统固定温室气体的能力用于充抵减排义务，但只是考虑了造林和再造林活体的生物量。实际上，其他类型生态系统的固碳能力也不容忽视，其中就包括湿地生态系统。全球所有湿地面积之和仅占地球陆地面积的4%6%，但它却是全球最大的碳库，碳储量约为770108 t，占到陆地生物圈碳素的35%，超过农业生态系统（150108 t）、温带森林（159108 t）及热带雨林（428108 t）的碳储量之和，在全球碳循环中发挥着重要作用1。同时，湿地具有持续的固碳能力，很多湿地生态系统从上一次冰河消融开始就成为碳汇2。本文通过对湿地生态系统固碳潜力的分析，以及对湿地固碳技术和措施的讨论，为发挥和提高我国湿地生态系统的固碳潜力提供科学依据。1 湿地的固碳潜力 湿地由于其自身的特点，在植物生长、促淤造陆等生态过程中积累了大量的无机碳和有机碳。加上湿地土壤水分过饱和状态，具有厌氧的生态特性，因此土壤微生物以嫌气菌类为主，活动相对较弱，湿地积累的碳每年大量堆积而得不到充分的分解，逐年累月形成了富含有机质的湿地土壤。因此许多类型的湿地都具有较高的固碳潜力。泥炭湿地分布广泛，主要分布在北纬4565之间，占全球湿地面积的50。由于泥炭湿地的厌氧条件，极大的限制了营养物质的转化和有机物质的分解，所以，尽管初级净生产量较低，但碳的储量仍不断增长。此外，碳的固定受到泥炭湿地表层结构（植被状况、淹水泥炭层的厚度）和泥炭沉积速率的影响，所以不同泥炭湿地固碳速率存在着差异，碳的积累速率大约在C 2050 gm-2a-1”之间3。在过去的6000 a里泥炭湿地积累的碳大约是200445 Gt4，相当于将大气中的CO2浓度降低5010-6 gm-35。沿海湿地也具有很高的固碳能力。全球沿海湿地的分布面积大约为203103 km2，而沿海湿地的碳的积累速度为C (21020) gm-2a-1，要远远高于泥炭湿地6。沿海湿地每年碳的固定量为C (42.64.0) Tg。并且沿海湿地大量存在的SO42-粒子阻碍了甲烷的产生量，从而降低了甲烷的排放量7。高的碳积累速率和低的甲烷排放量，使沿海湿地对大气温室效应的抑制作用更加明显。全球分布的红树林湿地的面积为1.81105 km28，也是全球CO2的重要吸收源之一。一方面，红树林湿地通常分布在沉积性的海岸线，沉积速率比较快，大约为C 2.97.9 kgm-2a-19；另一方面，红树林湿地的植物力较生产力高，并且地下根系周转较为缓慢。所以，高的沉积速率和低的分解速率导致红树林湿地的固碳能力较高。大约60输入湿地生态系统的碳都被固定下来，固碳速率介于C 99.6280.8 gm-2a-1之间9-10。红树林植物碳库为4.03 Pg C，其中的70主要分布在纬度010的热带地区；其生产力为12.08 Mghm-2a-1，推导到全球尺度上为C 0.16 Pga-1，土壤碳库为C 0.02 Pga-1。所以，全球红树林湿地每年的固碳量为C 0.18Pga-110。此外，湖泊湿地的固碳速率为C 572 gm-2a-1, 全球每年的固碳量为C 42 Tga-1, 水库生态系统的固碳速率为C 400 gm-2a-1,全球每年的固碳量为C 160 Tga-111。旱地生态系统（沙漠、温带森林、草原等）碳的积累速度在C 0.212 gm-2a-112。可见湿地的固碳潜力是要高于其他类型的生态系统。因此采取必要的措施，维持和发展湿地的固碳潜力，对于增加陆地碳库和缓解全球变暖具有深远的意义。2 保护湿地对于固碳的意义随着人口压力的加大以及社会经济的发展，湿地面临着破坏或转为他用的威胁。如果湿地的利用性质得到改变，则这种改变对它的固碳潜力有重要的影响。 将湿地排水农用是常见的土地利用类型的改变方式。排水后土壤中积累的有机质就会加速分解，变成一个大气CO2的排放源。1996年对美国大平原北部地区的204个不同类型的湿地研究结果表明，未被干扰的湿地的储碳量是将湿地排干农用的2倍13。北纬地区温带地区湿地排水农用所造成的碳的损失为C 119 thm-2a-114。泥炭的开采是对泥炭湿地一种常见的开发方式，加拿大有1.6104 hm2的泥炭地用于此种用途15。泥炭的开采使表层的水藓植物和75100 cm厚的泥炭层得到破坏。经过2550年的开发，开采的泥炭地就被废弃。由于泥炭的分解和氧化加剧，加上植物层很难自然恢复，所以成为了一个持续的CO2排放源16-18。泥炭开采可以使排放的CO2量增加400%19。此外，将湿地排水造林的泥炭面积达到15106 hm2，大约占到北半球泥炭湿地的4%20。排水后直接导致淹水水位的下降，表层土壤就处在好氧的条件下，凋落物和泥炭的分解速率就会加快，使碳汇功能降低，甚至转化成碳源。19861997年美国森林湿地减少了1.5106 hm2，收获、林地整理和水管理都会降低森林湿地土壤碳库20。这是由于这些措施改变了土壤温度、湿度等因素，加速了有机质的矿化。在美国Michigan的北部，Trettin等对矿质土森林湿地进行实验，发现收获和林地整理措施在开始的5年就显著的减少了土壤碳的含量21。对湿地的开发和破坏，降低了它的固碳能力，甚至使其由碳汇变成碳源，这将大大加剧全球气候变暖的进程，所以保护湿地是保证湿地固碳潜力的重要措施。并且保护和增强湿地固碳所采取的一系列管理行为，如控制人类干扰、保证水量、防止火干扰、防止湿地破碎化、建立区域清单、对碳储藏和固碳有重要意义的湿地制定管理计划等，和生物多样性保护目标和保护其他湿地功能的目标相一致。可以认为，保护湿地的碳汇功能和保护其他的湿地生态系统服务功能并不是相悖的，在湿地管理中应该优先考虑。3 创造和恢复湿地在固碳中的作用创造和恢复湿地是为了恢复自然湿地衰退或者破坏后造成的生态功能和价值的降低所采取的措施22。从湿地固碳功能的角度考虑，就是创造和恢复植物碳库和土壤碳库，主要方式就是改变或者恢复湿地的水文条件和种植能够成活的水生植物23。3.1 废弃泥炭地的恢复泥炭湿地是生物和非生物因素经过成千上万年的共同作用形成的，所以进行退化湿地恢复的时候，首先要明确限制因子，如气候、景观格局和长期的人类活动。采取的主要措施是恢复水文和植被条件。3.2.1 泥炭湿地的恢复措施在很多情况下，排水造成水量的缺乏，加上蒸发的影响，水成为恢复的胁迫因子。所以改善水文条件是首要的措施。具体做法包括：废除排水渠道，提高水位；增加集水区，保持恢复区湿地水位稳定；建立水利缓冲区24；改变地表结构（坡度等），调整微环境；减少蒸发25。其次是要恢复被破坏的植被层，具体措施包括引种、秸秆覆盖和施肥。所引进的主要物种是水藓植物（Sphagnum）。水藓植物可以直接利用泥炭地表层水和降水，比维管植物更有竞争力和适应性。在湿地管理方面，人工引种的恢复效果要好于机械引种26。在湿地上覆盖秸秆，是北美泥炭湿地的一种重要措施。一方面可以增加土壤湿度，调节泥炭表面温度，有助于提高水位、减少蒸发25。Petrone等认为和裸露的泥炭地相比，覆盖有秸秆的泥炭湿地的蒸发降低了20。另一方面，可以固定植物，有助于更快的建立植物群落16。通常情况下，排水和开采的泥炭湿地的P和K含量比较低。石灰和NPK施肥有助于水藓植物的存活和增殖26。3.1.2 泥炭湿地的恢复效果一旦植物群落确立起来，生产力可以很好的重建。CO2通量观测的结果证明恢复湿地的Sphagnum群落的生产力可以恢复到自然湿地的水平27。但恢复湿地碳的积累不仅需要高的生产力，而且需要降低分解所释放的碳。在恢复前期，由于覆盖的秸秆分解速度快，以及缺乏地表植被层，所以生态系统呼吸（包括植物和土壤呼吸）比较旺盛。随着秸秆的易分解有机质逐渐减少，而地表植物开始生长，生态系统就向着固碳的方向发展28。研究表明，废弃的泥炭经过恢复，可以增强固碳功能，转化成一个净的碳汇27-28。3.2 沿海湿地的恢复表1 DNDC-wetland模型对森林湿地150 a的碳变化的模拟Table 1 Stimulation of change of carbon storage of forest wetland by DNDC-wetland model研究地点造林150 a排水51100 a恢复101150 aMinnesota1076 tC-2049 t C444 t CFlorida4260 tC-5450 t C2647 t C“-”表示是碳的释放沿海湿地的恢复是为了利用它防止海岸线侵蚀和固定沉积物的生态服务功能，同时它对于恢复湿地的固碳能力也有重要的意义。和泥炭湿地的恢复类似，重建的途径也是通过恢复湿地的水文条件和植被状况来实现的。所常用的恢复植物类型为互花米草（Spartina alterniflora）和大米草（Spartina foliosa）。恢复湿地的植物碳库发展比较快，互花米草群落地上生物量只需要13 a就可以与自然湿地相似。地下生物量需要35 a就可以恢复29。Craft认为新建湿地的营养循环更加开放，有更多的N的积累，所以植物生物量增长比较快30。但在土壤固碳功能上，由于土壤微生物群落的发展要滞后于生产者，有机质的积累需要更长的时间才能恢复到自然湿地的水平。Craft认为至少经过2025 a的发展，有机质的含量才可能和自然湿地接近，恢复湿地的固定碳的速率（C 42 gm-2a-1）和自然湿地（根据137Cs 测得的C 43 gm-2a-1；根据220Pb测得的C 40 gm-2a-1）也相当。并且恢复和创造湿地的地上和地下生物量的分解速度（9）和自然湿地（6）也比较接近31。恢复湿地所固定的碳的组成也有别于自然湿地。相对于作参照的自然湿地（可溶碳36%53，木质素24%44），在恢复时间20 a的湿地里，固定的碳含有更多的可溶性碳（54%62），较少的木质素（14%34），这说明恢复湿地中植物根系分泌物的作用更加突出，而自然湿地包含更多的死根31。从固碳角度看，含有更多可溶碳的恢复湿地的固碳效率要低于自然湿地。影响湿地恢复的另一个主要因素是水文状况。低水位，长时间的淹水可以促进湿地植物和土壤碳库的恢复。Carolina北部恢复时间为3 a的湿地S.foliosa群落的生物量31要高于California的南部恢复时间为4 a的湿地32，就是因为美国西海岸的洪水的年际变化比较大，主要集中在每年9月到来年3月，而东南海岸的降水较多，并且平均分配在全年里。并且California南部湿地周围的景观和集水区遭到破坏，也减少了湿地恢复的效果和潜力32。从总体上讲，恢复湿地的效果是比较明显的，North Carolina的恢复25 a的湿地的碳的积累和自然湿地相当，如果将堤防转化成湿地，每年可以多积累C (2.43.6)1011 g31。3.3 森林湿地的恢复在美国，湿地占有60的森林区域，储藏了全国森林50的碳。在湿地上提高森林的生产力，可以提高固碳能力。因此恢复森林湿地被认为是提高陆地生态系统固碳的重要举措。恢复的途径是根据当地的具体情况，重建水文和土壤循环，并且短期的观测发现，这些措施可以导致很高的固碳速率33。虽然目前缺乏长期的观测数据，但模型模拟计算说明这种潜力是持久的。DNDCwetland模型模拟了Minnesota和Florida的两个湿地150年“造林排水恢复”长期变化过程，发现排水后，森林湿地变成一个碳源，而恢复后重新变成一个碳汇34（表1）。3.4 人工湿地的构建人工湿地的一般用途是为了去除污染物，同时也可以积累碳。人工湿地的处理对象主要是有机废水（市政污水和农田废水），碳的输入包括外源（有机废水）和内源（植物和微生物的残体），输出是碳的分解和流出的水所携带的碳。据观测，可以固定63%96的输入的碳，并且有机质形态也非常稳定。有机质的积累提供了一个长期的碳汇。Tanner用砾石滤池湿地处理不同水流速度的农田废水，有机质的积累速率达到C 1.75.8 gm-2d-1，5 a后的积累的有机质达到C 6.814.9 kgm-235。3.5 不确定性虽然从上文中看出，创造和恢复湿地的固碳效果明显，但由于目前增强湿地固碳潜力的案例比较少，缺乏长期观测结果，恢复湿地能不能成为稳定的碳汇，还没有定论；此外在过去的20 a里，为了减少城市化和农业活动对湿地生态系统的破坏，保护湿地和恢复湿地的活动逐渐增加，但湿地恢复的主要目标是野生动物生境保护、改善水质、控制侵蚀、恢复海岸线等生态系统服务功能，而不是固碳能力。所以针对碳库的保育上的措施需要进一步的探索和实践。4 展望 我国的湿地分布广阔，面积（包括滨海、河口、河流、湖泊和沼泽）大约 2.5107 hm2，占全国国土面积的2.6%。因此采取必要的措施保护和恢复湿地，利用湿地植物和土壤的固碳能力，对于我国环境保护与履行国际公约将起到十分重要的作用。与此同时，我国湿地的破坏也相当严重，全国三分之一的天然湿地存在被改变、丧失的危险。对我国湿地生态系统固碳能力进行评估，并提出有针对性的的管理手段和措施是亟需解决的科学问题。参考文献：1 PARISH F, LOOI C C. 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