本文摘要：摘要濱海鹽沼較高的初級(jí)生產(chǎn)力以及緩慢的有機(jī)質(zhì)降解速率使其具有顯著的碳匯功能，對(duì)其凈固碳能力開(kāi)展定量化研究對(duì)于制定我國(guó)增匯減排政策、實(shí)現(xiàn)碳中和預(yù)期目標(biāo)具有重要的技術(shù)支撐作用。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕地凈碳匯量的觀測(cè)手段、計(jì)算思路及預(yù)測(cè)方法眾多，導(dǎo)致各種研究
摘要濱海鹽沼較高的初級(jí)生產(chǎn)力以及緩慢的有機(jī)質(zhì)降解速率使其具有顯著的碳匯功能，對(duì)其凈固碳能力開(kāi)展定量化研究對(duì)于制定我國(guó)增匯減排政策、實(shí)現(xiàn)碳中和預(yù)期目標(biāo)具有重要的技術(shù)支撐作用。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕地凈碳匯量的觀測(cè)手段、計(jì)算思路及預(yù)測(cè)方法眾多，導(dǎo)致各種研究成果的可比性不高。從碳通量原位觀測(cè)、碳收支過(guò)程測(cè)定、土壤碳儲(chǔ)量變化、碳循環(huán)過(guò)程模擬等角度出發(fā)，對(duì)濱海鹽沼凈碳匯能力研究方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理，在總結(jié)各類(lèi)方法優(yōu)缺點(diǎn)、剖析已有研究存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出未來(lái)濱海鹽沼凈固碳能力確定的主要研究方向：基于濕地生態(tài)系統(tǒng)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)理，結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)，構(gòu)建碳源/匯過(guò)程模型，將碳通量觀測(cè)及碳收支測(cè)量數(shù)據(jù)用于模型參數(shù)率定和校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空尺度鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳收支模擬，是定量評(píng)估濱海鹽沼凈碳匯能力的發(fā)展趨勢(shì)和有效途徑。
關(guān)鍵詞濱海鹽沼;碳通量;碳收支;土壤碳儲(chǔ)量;碳循環(huán)模擬;凈碳匯能力
氣候變化是關(guān)乎人類(lèi)生存和各國(guó)發(fā)展的重大問(wèn)題，是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)在氣候變化第五次評(píng)估報(bào)告中指出：1951—2010年，溫室氣體排放貢獻(xiàn)了地表平均溫度升高中的0.5~1.3℃。2018年10月IPCC發(fā)布的“全球升溫1.5℃特別報(bào)告”，預(yù)計(jì)全球氣溫在2030—2052年會(huì)比工業(yè)化前升高1.5°C，如果氣候變暖以目前的速度持續(xù)下去，世界將面臨前所未有的環(huán)境挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)這些變化的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)碳中和，基本途徑包括“減排”和“增匯”。生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力指系統(tǒng)-大氣界面單位面積、單位時(shí)間內(nèi)碳固定量減去碳排放量。濱海鹽沼是指受海洋潮汐周期性或間歇性影響、有鹽生植物覆蓋的咸水或淡咸水淤泥質(zhì)灘涂(仲啟鋮等,2015)。
其碳循環(huán)基本模式可概括為：植物通過(guò)光合作用吸收CO2形成初級(jí)生產(chǎn)力，并通過(guò)呼吸作用向大氣排放CO2;植物地上部分以凋落物回歸地面，再加上植物體死亡后的殘?bào)w，經(jīng)過(guò)泥炭化、腐殖化作用形成泥炭和腐殖質(zhì);土壤中有機(jī)質(zhì)由于微生物分解產(chǎn)生CO2或CH4排至大氣中;土壤中有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳在漲落潮作用下與近海水體發(fā)生交換。鹽沼較高的碳積累速率和較低的CH4排放量，使其碳匯作用更加明顯(Drakeetal.,2015)，成為海岸帶藍(lán)色碳匯(簡(jiǎn)稱(chēng)“藍(lán)碳”)的重要組成部分。研究表明，全球?yàn)I海鹽沼平均固碳速率為218g·m-2·a-1，比陸地森林生態(tài)系統(tǒng)高40倍以上(Mcleodetal.,2011)。
由于濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳收支涉及植被-大氣、土壤-大氣、水-大氣、土壤-近海等多介質(zhì)、多維度的碳素遷移轉(zhuǎn)化，同時(shí)受光照、溫度、降雨、水位、潮汐、鹽度等共同影響，因此，森林、海洋等生態(tài)系統(tǒng)的碳匯研究方法(王妍等,2006;周健等,2013;石洪華等,2014)，并不完全適用于濱海鹽沼濕地。雖然針對(duì)鹽沼濕地碳收支、碳循環(huán)過(guò)程等方面的研究成果已有學(xué)者進(jìn)行了概述(曹磊等,2013a)，但尚無(wú)關(guān)于凈碳匯量估算方法的綜述報(bào)道。本文系統(tǒng)梳理了鹽沼濕地碳收支、碳通量的觀測(cè)、測(cè)量、模擬技術(shù)，提出基于濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)、碳收支測(cè)定、土壤碳儲(chǔ)量變化、系統(tǒng)碳循環(huán)模擬四個(gè)方面的凈碳匯能力計(jì)算方法，可作為不同時(shí)空尺度濕地碳匯定量化研究的參考和依據(jù)。濱海鹽沼凈碳匯能力的準(zhǔn)確估算對(duì)于推動(dòng)我國(guó)藍(lán)碳納入碳交易市場(chǎng)、開(kāi)展國(guó)際氣候談判、如期實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
1濱海鹽沼凈碳匯能力研究方法
1.1基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的碳通量研究
生態(tài)系統(tǒng)碳通量為系統(tǒng)-大氣界面單位時(shí)間單位面積上通過(guò)的碳總量。針對(duì)有豐富植被群落的鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳通量測(cè)定，微氣象法可以在不破壞植被和土壤狀態(tài)的前提下，通過(guò)測(cè)量近地層湍流狀態(tài)和被測(cè)氣體濃度，來(lái)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的CO2、水汽和能量通量，具體包括渦度協(xié)方差法、空氣動(dòng)力學(xué)法、能量平衡法、質(zhì)量平衡法、渦度積累法、條件采樣法以及對(duì)流邊界層收支法等(王庚辰等,1997)。
渦度協(xié)方差法即某種物質(zhì)的垂直通量與其通過(guò)測(cè)定面的濃度和速度成協(xié)方差關(guān)系，其觀測(cè)技術(shù)理論源于1895年雷諾提出雷諾分解(Reynolds,1895)。20世紀(jì)80年代以后，高速響應(yīng)的三維風(fēng)速儀與開(kāi)路式紅外氣體分析儀的出現(xiàn)，使得渦度協(xié)方差觀測(cè)技術(shù)在碳通量研究領(lǐng)域得到迅速發(fā)展(Brachetal.,1981)。目前，渦度協(xié)方差法已獲得生態(tài)學(xué)家和微氣象學(xué)家們的一致認(rèn)可，成為開(kāi)展大時(shí)空尺度生態(tài)系統(tǒng)與大氣間CO2通量測(cè)定的主流方法(Baldocchi,2003)，其測(cè)量值可作為生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力。
通常情況，渦度協(xié)方差通量測(cè)量包括渦度相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全自動(dòng)微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。前者涵蓋紅外氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀，紅外分析儀高頻響應(yīng)CO2/H2O濃度，三維超聲風(fēng)速儀采集三維風(fēng)速和溫度，數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)記錄保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括眾多傳感器，用來(lái)測(cè)定空氣溫濕度、日輻射量、光合作用、降雨量、土壤溫濕鹽度等。據(jù)全球通量研究網(wǎng)絡(luò)Fluxnet的統(tǒng)計(jì)，全世界有500多個(gè)渦度通量塔正在運(yùn)行，主要位于北美洲、歐洲、亞洲。Lu等(2017)根據(jù)全球21個(gè)濱海濕地站點(diǎn)渦度協(xié)方差數(shù)據(jù)，計(jì)算出沿海濕地碳匯強(qiáng)度為208.37g·m-2·a-1。
中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)已納入全球通量網(wǎng)絡(luò)，研究站點(diǎn)(網(wǎng))已達(dá)79個(gè)(觀測(cè)塔83座)，覆蓋我國(guó)不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行著系統(tǒng)-大氣界面CO2、水汽和能量通量日、季節(jié)、年際變化的長(zhǎng)期觀測(cè)(www.chinaflux.org)。研究人員通過(guò)濕地站(網(wǎng))觀測(cè)資料，計(jì)算長(zhǎng)江口崇明東灘濕地生長(zhǎng)季CO2通量(王江濤等,2015)，分析黃河三角洲鹽沼凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NetEcosystemExchange,NEE)及影響因素(邢慶會(huì)等,2014)，并開(kāi)展黃河三角洲鹽沼溫室氣體與環(huán)境因子同步監(jiān)測(cè)，探究潮汐過(guò)程的影響(賀文君等,2018;賀文君等,2019)。
1.2基于碳收支的碳匯能力計(jì)算
濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力計(jì)算可解析為收支兩條線，其中碳吸收表現(xiàn)為植被光合作用同化CO2(記為①)，碳排放過(guò)程主要有植被呼吸釋放CO2(包含地上植株呼吸、根系呼吸，分別記為②、③)、土壤呼吸釋放CO2(包含根系呼吸、土壤異養(yǎng)呼吸，分別記為③、④)。根據(jù)鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)路徑，基于碳收支的凈碳匯能力計(jì)算可分為以下兩種方法。一是光合作用吸收的CO2減去生態(tài)系統(tǒng)(植被和土壤)呼吸作用釋放的CO2(即①-(②+③+④));二是植被凈碳固定量減去土壤異養(yǎng)呼吸釋放的CO2(即(①-②-③)-④)，其中(①-②-③)為植被生物量的增加。
第一種計(jì)算方法的“收”為植被光合作用吸收CO2，一般采用便攜式光合測(cè)量系統(tǒng)獲得植被凈光合速率數(shù)據(jù)(李群等，2019;陳琳等，2020)，即單位時(shí)間單位面積葉片吸收的CO2摩爾數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用釋放的CO2量可理解為夜間無(wú)光合作用條件下生態(tài)系統(tǒng)的NEE，可采用渦度協(xié)方差法測(cè)量的夜間數(shù)據(jù)或者暗箱法測(cè)量的生態(tài)系統(tǒng)呼吸數(shù)據(jù)。與第一種計(jì)算方法相比，第二種方法將植被吸收和釋放CO2的凈值作為生態(tài)系統(tǒng)層級(jí)上的碳吸收，與此對(duì)應(yīng)的碳排放則為扣除植被根系自養(yǎng)呼吸的土壤呼吸通量，這也是目前鹽沼濕地碳收支計(jì)算的常用方法，詳述如下。
1.2.1植被凈碳固定量測(cè)定
植被對(duì)大氣中CO2的凈固定能力可通過(guò)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity,NPP)描述，即濕地植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用固定的有機(jī)碳扣除本身呼吸消耗，用于植物生長(zhǎng)和生殖的部分(Liuetal.,1999)，表現(xiàn)為地上生物量、地下生物量和枯落物生物量。根據(jù)光合作用反應(yīng)過(guò)程中植物每形成1g干有機(jī)物質(zhì)需同化1.62gCO2，固定0.44gC，即可基于凈初級(jí)生產(chǎn)力推算植被固碳能力。
(1)地上生物量
根據(jù)不同研究尺度、濕地類(lèi)型和精度要求，鹽沼地上生物量的估算方法主要有樣地實(shí)測(cè)法、非破壞性估算法、基于遙感信息估測(cè)法和生物量遙感估測(cè)模型等(Estornelletal.,2011)。樣地實(shí)測(cè)法通過(guò)對(duì)樣地內(nèi)植物進(jìn)行收割，估算單位面積的地上生物量，該方法成熟、可靠，適合于小尺度生物量估算(Estornelletal.,2011)。遙感信息估算法利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及其相關(guān)的植被指數(shù)與濕地樣地生物量建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)估算，其宏觀、多時(shí)相、快捷的特點(diǎn)為大尺度范圍內(nèi)生物量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可能，但遙感圖像本身的精度以及處理過(guò)程的誤差將影響生物量估算的結(jié)果(崔麗娟等,2012)。
(2)地下生物量濕地地下生物量數(shù)據(jù)的采集和估算受生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性影響而顯得較為困難。一般來(lái)說(shuō)，其測(cè)定方法主要包括挖掘收獲法、鉆土芯法、內(nèi)生長(zhǎng)土芯法、微根區(qū)管法、根冠比法、同位素法、元素平衡法等(宇萬(wàn)太等,2001)。20世紀(jì)60年代土鉆被正式用于植物地下生物量的測(cè)定，通過(guò)采樣、沖洗并烘干后獲得根系干重并換算碳含量(Turneretal.,2004)。
根冠比法采用與地上生物量的比值來(lái)估算地下生物量并換算根系碳儲(chǔ)量，長(zhǎng)江口東灘濕地蘆葦?shù)牡叵?地上生物量比率為2.33~3.64(平均2.96)(梅雪英等,2007)，閩江河口濕地蘆葦?shù)叵?地上生物量比率為2.02~5.59、互花米草為0.51~1.69(張林海等,2008)，該方法一般應(yīng)用于區(qū)域尺度濕地的地下生物量估算。從機(jī)理或統(tǒng)計(jì)角度建立的模型方法和基于反射波譜的遙感方法，是將來(lái)探測(cè)植被地下生物量有效而快捷的方式(嚴(yán)月等,2017)。
(3)枯落物生物量濕地枯落物生物量通過(guò)樣方收獲枯落物進(jìn)行測(cè)算。不同濕地生態(tài)系統(tǒng)枯落物的分解速率不一樣，非草本植物的枯落物分解速率約為草本植物的2倍(Dorrepaaletal.,2005)�？萋湮镎伎偺純�(chǔ)量的比重也不一樣，需要視實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)估算。基于濕地生態(tài)系統(tǒng)NPP研究植被固碳能力是目前鹽沼碳匯研究的一個(gè)主要方向。
該方法簡(jiǎn)便易行，能夠體現(xiàn)濕地短期固碳效果。邵學(xué)新等(2013)采用樣地實(shí)測(cè)法和根冠比法獲得長(zhǎng)江口崇明島蘆葦、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計(jì)算凋落物量，統(tǒng)計(jì)得到崇明島濱海濕地全年能夠固定CO2約0.25Tg。王淑瓊等(2014)采用樣地實(shí)測(cè)法和挖掘收獲法分別得到杭州灣潮灘濕地植被地上和地下生物量，計(jì)算蘆葦、互花米草和海三棱藨草年固碳能力分別為1877、1855、274.1g·m-2·a-1。張緒良等(2012)在黃河三角洲濱海濕地，采用樣地實(shí)測(cè)法和根冠比法，計(jì)算得到鹽沼植被總固碳量達(dá)30.3×104t·a-1。
1.2.2土壤碳排放通量測(cè)定
由于微生物等作用，濕地土壤在一定時(shí)期和條件下釋放CO2、CH4，是系統(tǒng)碳輸出的重要方式，主要過(guò)程包括微生物呼吸、根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸和碳礦化物質(zhì)的化學(xué)氧化作用(Singhetal.,1977)。根據(jù)底物來(lái)源的不同，又可將土壤呼吸分為自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸兩大類(lèi)。自養(yǎng)呼吸即根系呼吸，所需的底物來(lái)自植物光合碳的積累;其余三個(gè)部分屬于異養(yǎng)呼吸，消耗的底物是土壤固存的碳。針對(duì)有植被覆蓋的鹽沼生態(tài)系統(tǒng)，測(cè)定土壤-大氣界面碳通量即土壤呼吸的方法主要為箱法，測(cè)量前需將地表活體植物割除。
根據(jù)箱體是否透明可分為明箱法和暗箱法，根據(jù)箱內(nèi)氣體循環(huán)特征分為靜態(tài)箱法和動(dòng)態(tài)箱法，根據(jù)箱體氣體是否與外界有交換可分為密閉式靜態(tài)箱法、密閉式動(dòng)態(tài)箱法和開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱法，常見(jiàn)的對(duì)箱內(nèi)氣體的檢測(cè)方法有堿吸收法、氣相色譜法、紅外氣體分析法等。根據(jù)箱體及測(cè)量方法的不同組合，目前主要有靜態(tài)箱-堿吸收法、靜態(tài)箱-氣相色譜法、動(dòng)態(tài)箱-紅外氣體分析法在濱海濕地土壤呼吸碳通量測(cè)定中得以應(yīng)用。
1.3基于碳儲(chǔ)量變化的固碳能力研究
濕地植物通過(guò)光合作用吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，形成自身生物量，一定的生命周期后凋落并經(jīng)微生物分解腐化，以有機(jī)質(zhì)的形式儲(chǔ)存于濕地土壤中，濕地土壤碳埋藏是濕地生態(tài)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間尺度上固碳能力的重要表現(xiàn)。另一方面，由于濱海濕地處于海陸交接的特殊位置，潮汐引起的波浪和潮流作用導(dǎo)致海岸帶泥沙運(yùn)動(dòng)和灘面淤積侵蝕，造成濕地土壤碳素在水沙的裹挾下發(fā)生橫向輸移�？梢�(jiàn)，濕地土壤碳的積累一方面為大氣中CO2通過(guò)植物體進(jìn)入土壤而埋藏，另一方面則是近海-濕地水沙交換產(chǎn)生的有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的橫向遷移。
1.3.1土壤沉積與碳埋藏
鹽沼土壤碳埋藏通量可以從以下兩個(gè)途徑計(jì)算：一是測(cè)定不同時(shí)刻土壤碳儲(chǔ)量的狀態(tài)量;二是通過(guò)土壤沉積速率反映碳在土壤中的埋藏過(guò)程。
1.3.2土壤碳素水平交換
海岸帶鹽沼受潮汐影響，發(fā)生間歇性淹水和裸露。漲潮過(guò)程中，近海水體進(jìn)入鹽沼后，主要發(fā)生以下變化：向前傳播的波浪受到灘面高程增加及鹽沼植物摩阻作用的影響而發(fā)生波能衰減;潮流進(jìn)入鹽沼后，由于植物莖葉的阻擋、摩擦和分流造成水動(dòng)能損失，導(dǎo)致水平流速減小，垂向流速剖面變化;鹽沼植物增加了灘面粗糙度，通過(guò)植株的分流、減小水流流速等作用，改變了邊界層紊動(dòng)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度;鹽沼植物通過(guò)降低水動(dòng)力強(qiáng)度以及莖葉粘附泥沙，進(jìn)而影響懸沙的運(yùn)動(dòng)，造成濕地-近海水域的碳素遷移。
落潮時(shí)，水位回落造成地表部分碳素的遷出。根據(jù)以上過(guò)程分析可知，鹽沼濕地水平碳交換的碳形態(tài)主要包括：溶解態(tài)有機(jī)碳(DOC)、溶解態(tài)無(wú)機(jī)碳(DIC)、顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)。海岸地貌、水文動(dòng)力特性、地球物理化學(xué)循環(huán)、植被生長(zhǎng)狀況是兩者間碳素交換的重要因素。已有的研究成果表明，鹽沼與近海水體的橫向碳交換是非常顯著的，某些鹽沼濕地初級(jí)生產(chǎn)量被潮水以凋落物形式帶走的比例甚至高達(dá)45%(Dankersetal.,1984)。
土壤微生物在分解利用DOC的同時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為DIC，并通過(guò)潮流與近岸水體進(jìn)行交換(Bouillonetal.,2008)，這部分碳通量可高達(dá)土壤間隙水DOC總量的40%(Shibataetal.,2001)，作為生物攝食和代謝產(chǎn)物主要形式的POC通量?jī)H次于DOC(Fiedleretal.,2008)。濕地土壤的干濕交替能夠改變土壤結(jié)構(gòu)和通氣條件，控制著好氧和厭氧呼吸作用之間的平衡，并影響土壤有機(jī)碳含量的穩(wěn)定性和土壤微生物活動(dòng)，以及溫度、鹽度、pH值等理化狀況，從而改變土壤碳動(dòng)態(tài)及其趨勢(shì)(韓廣軒,2017)，間接對(duì)濕地土壤和近海水體的水平碳交換產(chǎn)生一定影響。
1.4基于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模擬
濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究模型根據(jù)其模擬要素可大致分為過(guò)程模型和光能利用效率模型，亦可稱(chēng)為直接模擬模型。而另一類(lèi)模型，則是通過(guò)大氣CO2反推生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，稱(chēng)為大氣反演模型。
1.4.1過(guò)程模型
過(guò)程模型也稱(chēng)機(jī)理模型，主要通過(guò)模擬影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的生物地球化學(xué)過(guò)程，如土壤呼吸、植物光合作用等，定量描述系統(tǒng)中的碳收支，并估算生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力。比較常用的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程模型有評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的BEPS(Liuetal.,1997)、森林生態(tài)系統(tǒng)的BIOME-BGC(Kimballetal.,1997)、苔原和草原的PIXGRO(Adikuetal.,2006)以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的DNDC(Changshengetal.,1992)等。
濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型研究時(shí)間較森林、海洋生態(tài)系統(tǒng)晚，模型構(gòu)架多參照或利用其他類(lèi)似系統(tǒng)與影響因子函數(shù)，葛振鳴等(2010)結(jié)合已有成熟模型的結(jié)構(gòu)和重組，構(gòu)建基于“氣候-水文-植物生理生態(tài)-土壤”生態(tài)過(guò)程的濱海濕地碳循環(huán)模型，評(píng)估中國(guó)東部沿海濕地碳庫(kù)。
陸穎等(2015)通過(guò)碳過(guò)程模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)軟件的二次開(kāi)發(fā)，并耦合遙感反演模型，實(shí)現(xiàn)崇明東灘濕地潮間帶蘆葦群落碳收支的時(shí)空格局動(dòng)態(tài)模擬，以及人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化影響下的碳匯潛能預(yù)測(cè)�？傮w而言，由于濱海生態(tài)系統(tǒng)不同要素時(shí)空尺度的差異，以及相互因子間響應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜性，給濱海鹽沼碳循環(huán)模型原創(chuàng)性開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定困難和不確定性，目前相關(guān)模型的成功應(yīng)用案例較少。
2研究不足及展望
2.1現(xiàn)有研究的不足
傳統(tǒng)的濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)研究通常采用透明或不透明箱體罩于單個(gè)葉片或整個(gè)植株和土壤之上，通過(guò)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)氣體濃度變化來(lái)推算生態(tài)系統(tǒng)碳通量，然而箱體的抑制和封閉作用易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)值之間存在偏差。鑒于此，渦度協(xié)方差技術(shù)能夠在植被和土壤狀態(tài)不受干擾的前提下，測(cè)得不同時(shí)空尺度的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量，被越來(lái)越多地應(yīng)用于濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力研究。
但是，目前全球渦度通量塔觀測(cè)站點(diǎn)覆蓋范圍非常有限，其中我國(guó)濱海濕地站點(diǎn)主要位于長(zhǎng)江口崇明東灘濕地、黃河口三角洲以及南方沿海紅樹(shù)林等地區(qū)，其他海岸帶鹽沼濕地尚無(wú)渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)。另外，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中要求土壤表面的異質(zhì)性和地形條件相對(duì)簡(jiǎn)單，然而濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)在橫向上有著明顯的植被和水文梯度，使得單個(gè)渦度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的區(qū)域代表性較低。
同時(shí)，其采集的數(shù)據(jù)易受大氣、土壤表面和儀器設(shè)備的影響而發(fā)生失真和缺失，需進(jìn)行異常值剔除和缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)，因此系統(tǒng)誤差和人為誤差不可避免�；谔际罩У奶紖R能力計(jì)算方法能夠解析碳排放和碳固定兩個(gè)過(guò)程，成為定量研究濱海鹽沼小時(shí)空尺度碳匯量的有效方法。生態(tài)系統(tǒng)碳固定量可通過(guò)植被生物量反映，在高光譜的遙感影像或者高空間分辨率的遙感影像基礎(chǔ)上，結(jié)合地面調(diào)查資料，可實(shí)現(xiàn)不同植被群落及物候特征的信息提取，從而估算生物量和固碳量。土壤呼吸是生態(tài)系統(tǒng)碳排放的主要來(lái)源，通常采用箱法測(cè)定，目前應(yīng)用較多的動(dòng)態(tài)箱-紅外氣體分析法克服了傳統(tǒng)箱法的缺點(diǎn)，在濱海濕地土壤呼吸碳通量測(cè)定中得以應(yīng)用。
同時(shí)，該方法可搭配相應(yīng)的溫度、含水量監(jiān)測(cè)模塊，為探究土壤呼吸碳排放與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系奠定了良好基礎(chǔ)。值得注意的是，根據(jù)上述碳收支思路計(jì)算鹽沼生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力時(shí)，需要將根系呼吸從土壤呼吸通量中扣除，而根系呼吸的占比與植物物候特征密切相關(guān)，數(shù)值較難確定，計(jì)算中往往被忽略，這勢(shì)必給計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響�；邴}沼土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)碳匯量時(shí)，一般將土壤碳埋藏通量或不同時(shí)刻土壤碳儲(chǔ)量之差近似為濕地的碳匯量，往往忽視海岸帶水平碳交換造成的土壤碳儲(chǔ)量的變化。由于濱海濕地特殊的水文特征，極易導(dǎo)致濕地表層土壤中碳素在潮汐作用下進(jìn)入近海水體，同時(shí)，漲落潮造成地下水位周期性變化，使得部分DOC、DIC在地下水位橫向梯度作用下發(fā)生水平方向的交換。
目前，關(guān)于濱海鹽沼與近海水體的橫向碳交換監(jiān)測(cè)及影響因子研究，多基于較為成熟的河口海岸水動(dòng)力及泥沙輸移理論，而將鹽沼生態(tài)系統(tǒng)、大氣、近海視作一個(gè)多維整體，研究碳的垂向和橫向交換通量并計(jì)算鹽沼凈碳匯量的報(bào)道仍不多見(jiàn)。
濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模擬經(jīng)歷了從早期估算凈初級(jí)生產(chǎn)力的統(tǒng)計(jì)模型，到基于生理生態(tài)的過(guò)程模型，再到多尺度的集成模型。光能利用效率模型結(jié)合遙感技術(shù)估算植被生產(chǎn)力，建模相對(duì)簡(jiǎn)單，在近年的全球碳通量研究中取得了較大進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定缺陷，如光合有效輻射與植被吸收的光合有效輻射之間的關(guān)系、不同生態(tài)系統(tǒng)及不同季節(jié)下光能利用效率動(dòng)態(tài)變化等。另外，光能利用效率模型計(jì)算的是生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)或凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)，與凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)仍有一定差別，不可直接作為濕地凈碳匯能力的表現(xiàn)。過(guò)程模型基于生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行構(gòu)建，由于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)涉及不同尺度的生物、化學(xué)態(tài)碳素的轉(zhuǎn)化，再加上海岸帶復(fù)雜的水文動(dòng)力環(huán)境，給模型構(gòu)建帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。
另外，碳通量原位觀測(cè)技術(shù)不完善和長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失，亦給參數(shù)率定及驗(yàn)證帶來(lái)困難。目前，相關(guān)研究仍處于起步階段。綜上，濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力估算方法各有優(yōu)劣。鑒于影響濱海鹽沼碳循環(huán)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，在進(jìn)行固碳能力定量化研究時(shí)，可根據(jù)研究目的及時(shí)空尺度，采用上述多種方法互為補(bǔ)充、相互映證，以實(shí)現(xiàn)凈碳匯量的準(zhǔn)確估算。
2.2研究展望
鑒于目前濱海鹽沼碳匯量估算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，未來(lái)該領(lǐng)域可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作，以進(jìn)一步提高凈碳匯能力估算方法的科學(xué)性和預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(1)在實(shí)地監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)碳收支、碳通量、碳儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上，厘清鹽沼濕地碳動(dòng)態(tài)變化及調(diào)控機(jī)理，識(shí)別出生態(tài)系統(tǒng)主導(dǎo)的碳循環(huán)過(guò)程及關(guān)鍵控制因子，為過(guò)程模型構(gòu)建及模擬提供理論依據(jù)。
(2)濱海鹽沼區(qū)別于內(nèi)陸濕地的最大特點(diǎn)是其受潮汐作用發(fā)生周期性淹露交替現(xiàn)象，同時(shí)在地表漲落潮動(dòng)力和地下淋溶作用共同影響下，碳素在不同介質(zhì)間發(fā)生遷移和橫向輸移。因此，需要采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開(kāi)展不同鹽沼植被覆蓋下的濕地-近海碳素水平交換研究，并與垂向土壤碳庫(kù)時(shí)相變化測(cè)量相結(jié)合，探尋土-氣-水多相碳循環(huán)規(guī)律。
(3)將渦度通量塔測(cè)定、生態(tài)過(guò)程模型以及遙感技術(shù)進(jìn)行整合。一方面，建立通量-遙感的跨尺度觀測(cè)體系，遙感數(shù)據(jù)為碳通量分析提供更宏觀的地表覆蓋物信息;另一方面，碳通量資料為生態(tài)模型參數(shù)率定和檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐;此外，遙感技術(shù)為解決生態(tài)系統(tǒng)信息的尺度推延問(wèn)題提供了可能，將其與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型耦合，采用遙感反演信息和站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算多項(xiàng)碳收支指標(biāo)，是估算空間異質(zhì)性較高的濱海濕地碳匯能力的有效途徑，可較大改善區(qū)域及全球碳循環(huán)估算的精度，為我國(guó)制定碳減排政策和應(yīng)對(duì)全球變暖提供技術(shù)支撐。
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作者：申霞1,2王鵬3,4*王為攀5王勝艷6謝瑞1王永平1姬昌輝1
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