遼河三角洲河口蘆葦沼澤濕地植被固碳潛力

陳吉龍,何 蕾,溫兆飛,寥華軍,王炳亮,崔林林,李國勝,4,*

1 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院, 重慶 400714 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室, 南昌 330000 4 中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點實驗室, 青島 266071

遼河三角洲河口蘆葦沼澤濕地植被固碳潛力

陳吉龍1, 2,何 蕾3,溫兆飛1,寥華軍2,王炳亮2,崔林林2,李國勝2,4,*

1 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院, 重慶 400714 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室, 南昌 330000 4 中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點實驗室, 青島 266071

增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是一種有效應(yīng)對CO2濃度升高的措施。河口濕地是一類特殊的陸地生態(tài)系統(tǒng),是生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一。研究河口濕地的固碳潛力對準(zhǔn)確評估河口濕地碳匯、發(fā)揮和提高濕地固碳功能具有重要意義。通過野外調(diào)查和數(shù)值模型,量化研究了遼河三角洲河口沼澤濕地的植被固碳潛力。根據(jù)區(qū)域的實際情況,將植被的固碳潛力分為濕地演替、人工灌溉葦田和氣候變化的潛力。研究結(jié)果表明遼河三角洲河口沼澤濕地植被具有很高的固碳潛力,翅堿蓬(Suaedapterantha)群落擴張每年可遞增固碳潛力0.053—0.07GgC,灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)樘J葦(Phragmitesaustralis)沼澤每年可遞增固碳潛力0.07GgC,蘆葦、獐毛草甸(Aeluropussinensis)演替為蘆葦沼澤的固碳潛力為17.2 GgC/a,通過灌溉管理措施,蘆葦沼澤的固碳潛力為474.6—544.6 GgC/a。根據(jù)未來氣候變化情景和預(yù)測結(jié)果,到2030年、2050年、 2100年,蘆葦沼澤濕地的固碳潛力分別為576.9—655.1GgC/a,603.3—684.1GgC/a,680.9—769.4GgC/a,其中由人工灌溉葦田的潛力最大。

固碳潛力；凈初級生產(chǎn)力；人工灌溉；蘆葦沼澤；遼河三角洲

Abstract： Enhancing the carbon sink of terrestrial ecosystems has been suggested as a useful measure to ameliorate the greenhouse effect. Estuarine wetlands, characterized by high net primary productivity (NPP), have the highest carbon sequestration reported for terrestrial ecosystems. However, owing to the dynamic and complex environmental factors in estuarine wetlands, the enhancement of their carbon sink has not been well documented, and the amount of the carbon sequestration potential of estuarine wetlands remains unknown. Therefore, it is fundamental to investigate the carbon sequestration potential of estuarine wetlands to assess and enhance their carbon sink. The main objective of this study was to investigate the carbon sequestration potential of plants forPhragmitessalt marshes in the Liaohe River estuarine wetland using field observations and numerical modeling. According to the practice managements and environmental characteristics in the Liaohe River estuarine wetland, the carbon sequestration potential of plants can be classified by wetland plant succession,Phragmitesfield irrigation, and the effect of climate change. The carbon sequestration potential of plant succession was calculated using the area expansion by tidal deposition and NPP. The ratio of tidal deposition was obtained from the LiaoNing Province Geological Monitoring Report, and the NPP was observed at field sampling sites. The carbon sequestration potential ofPhragmitesfield irrigation was determined by the area ofPhragmitesfields and the maximumPhragmitesNPP, which was modeled with the relationship between NPP and soil moisture, salinity, and irrigation depth. Soil moisture and salinity were measured using a WET Sensor, and irrigation depth was obtained from the Liaohe River Estuarine Wetland Management Office. The carbon sequestration potential of climate change was modeled using the Carnegie Ames Stanford Approach (CASA) model. The parameters in the CASA model were measured using a Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data product and meteorological variables, including air temperature, precipitation, and solar radiation, which were obtained from predicted results under projected climate change scenarios. The results suggested that thePhragmitessalt marsh in the Liaohe River estuarine wetland has very high carbon sequestration potential, which could be enhanced by wetland succession and irrigation under the influence of the projected climate change in the future. NPP will be increased progressively by 53.18—70.91 MgC annually owing to the expansion of theSuaedapteranthasalt marsh, and by 70.32 MgC annually owing to the conversion of the tidal flat to aPhragmitessalt marsh. It will increase by 17.2 GgC annually owing to the succession ofAeluropuslittoralismeadows toPhragmitessalt marshes, and by 0.47—0.54 TgC annually owing to the irrigation ofPhragmitesfields. The NPP ofPhragmitessalt marshes will increase to 1.33—1.49 TgC in 2030, which is 0.58—0.66 TgC higher than that in 2011. More than 94% of the carbon sequestration potential is a result ofPhragmitesfield irrigation, whereas only 3.2% and 2.4% are a result of plant succession, and climate change, respectively. In 2050, the NPP ofPhragmitessalt marshes will increase by 0.61—0.68 TgC. The contribution of irrigation will decease to 90%, whereas the contribution of climate change will increase to 6% since the increasing temperature is favorable for plant photosynthesis. The NPP ofPhragmitessalt marshes will increase to 1.43—1.6 TgC in 2100, which is 0.68—0.77 TgC higher than that in 2011. The contribution of irrigation will decease to 80%, whereas the contribution of climate change will increase to 15%.

KeyWords: carbon sequestration potential; net primary productivity; irrigation;Phragmitessalt marsh; Liaohe River estuarine wetland

由溫室氣體濃度升高而導(dǎo)致的全球變暖受到廣泛影響,固碳和減排已成為國際社會的共識。《京都議定書》明確提出增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯是一種非常有效的固碳和減排機制[1]。為了能在氣候變化談判中取得優(yōu)勢,各國對陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力進(jìn)行了深入的研究。最初《京都議定書》只認(rèn)可通過造林、再造林、森林管理、農(nóng)地管理、草地管理以及植被恢復(fù)等人為活動增加的碳匯來抵消溫室氣體排放,濕地暫不在列,因而對固碳潛力研究集中于森林[2- 3]、草地[4- 5]和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[6- 7],而濕地固碳潛力并未引起重視。

濕地是水陸相互作用形成的獨特陸地生態(tài)系統(tǒng),雖然只占全球陸地面積的6%[8],但是高的凈初級生產(chǎn)力(NPP),以及水淹形成的還原環(huán)境抑制了有機物的分解[9],碳在土壤中大量累積,形成了陸地生物圈碳庫的最大組成部分[10]。近年來濕地的碳匯功能引起了人們的關(guān)注,政府間氣候變化專門委員會也決定對清單指南進(jìn)行補充,并發(fā)布了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南2013年增補：濕地》。可見,濕地的碳匯功能已引起了重視,研究濕地固碳潛力也必將成為碳循環(huán)研究的熱點方向。

盡管如此,目前仍缺乏一個廣泛通用的濕地固碳潛力的定義及計算方法。濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力受到濕地面積、NPP、異氧呼吸以及濕地土壤碳庫等因素的影響,則濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力就是在最適環(huán)境因素共同作用下,濕地固碳能力達(dá)到的理論最大值。由于濕地具有很高的NPP,增加濕地面積能夠固定更多碳[11],通過面積增加的潛力和固碳速率便可獲得濕地固碳潛力,這也是目前計算固碳潛力最常用的方法。段曉男利用此方法研究了我國不同類型濕地的固碳潛力,結(jié)果表明我國不同類型的濕地都具有可觀的固碳潛力[12]。另一方面,由于氣候變化和不合理的人為干擾引起濕地水文等結(jié)構(gòu)和功能變化,造成了現(xiàn)存大部分濕地NPP的下降。黃河三角洲的蘆葦濕地由于受水的制約,灌溉季節(jié)得不到及時的灌溉,嚴(yán)重制約了蘆葦?shù)漠a(chǎn)量[13]。對這些因缺水而面臨退化的濕地,人工灌溉補水是恢復(fù)濕地功能的重要措施[14]。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明人為灌溉補水能明顯提高蘆葦沼澤濕地的生產(chǎn)力[15- 16]。對扎龍濕地灌溉前后的蘆葦形態(tài)結(jié)構(gòu)對比研究表明,人工灌溉明顯促進(jìn)了蘆葦?shù)纳L[17]。James等發(fā)現(xiàn)恢復(fù)的泥炭濕地的群落生產(chǎn)力可以恢復(fù)到自然濕地的水平,固碳能力達(dá)到了自然泥炭濕地的2倍[18]。在北美森林濕地,通過水文重建恢復(fù)退化的森林濕地,固碳能力在短時間內(nèi)明顯提高[19]。在我國的黃河三角洲河口濕地,通過多種措施恢復(fù)濕地的水文條件,使退化的蘆葦沼澤濕地得到很好的恢復(fù),生產(chǎn)力也明顯增加[20]。由此可見,通過合理的人工濕地管理措施來恢復(fù)濕地水文等過程,提高現(xiàn)存濕地的NPP,也能夠增強生態(tài)系統(tǒng)的碳匯,而這種管理措施在濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力中往往被忽略。

濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力主要包括植被NPP和土壤碳庫兩部分,而植被的NPP又是土壤碳庫的最重要來源。不同的環(huán)境因素對兩部分的作用機制也不同,有利于增強植被NPP的環(huán)境因素有可能增加土壤碳的排放,比如溫度升高能夠提高植被NPP,但同時異氧呼吸碳排放也會急劇增加。因而模擬濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力較為復(fù)雜,而分別計算濕地植被和土壤固碳潛力則較易實現(xiàn)。鑒于此,本文對遼河三角洲蘆葦沼澤濕地植被的固碳潛力進(jìn)行剖析和定量計算,這對全面研究濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力具有重要意義,也為研究類似河口濕地的固碳潛力提供參考和借鑒。

遼河三角洲河口濕地是我國重要的河口濕地之一,是亞洲最大的暖溫帶濱海濕地[21],已建成由東郭、羊圈子、趙圈河和南圈河構(gòu)成的世界第二大葦場[22],修建了完善的水利排灌體系,人工灌溉成為管理蘆葦濕地主要措施。灌溉不僅為蘆葦補充了水分,而且?guī)ё吡硕嘤嗟耐寥利}分[23],從而影響著蘆葦沼澤群落的固碳能力。但由于種種原因,對濕地的研究和監(jiān)測開展較晚,濕地生態(tài)系統(tǒng)缺少長期、系統(tǒng)的觀測,濕地的研究還主要停留在景觀層面上[24],對其固碳潛力還缺乏定量的認(rèn)識。研究其植被固碳潛力,對全面研究河口濕地碳循環(huán)以及挖掘我國濕地的固碳潛力都具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

遼河三角洲河口濕地位于遼寧省西南部遼河平原南端,渤海遼東灣的頂部,西、北鄰錦州,東界鞍山,南臨渤海遼東灣(圖1),地理位置介于121°30′—122°24′ E,40°21′—41°21′ N,是由遼河、雙臺子河、大凌河、小凌河、大清河等一系列河流作用形成的沖海積平原。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候。四季分明,雨熱同季,年平均氣溫為8.6℃,年平均降水量為631 mm,主要集中在7—9月,全年日照時數(shù)為2768 h,其季節(jié)分布是春季大于秋季[25]。受海洋和陸地交互、咸淡水交匯作用,復(fù)雜動力機制造就了復(fù)雜多樣的濕地類型,發(fā)育了以蘆葦(Phragmitesaustralis)、翅堿蓬(Suaedapterantha)、獐毛(Aeluropussinensis)、香蒲(TyphaorientalisPresl)等作為建群種的濕地植物群落；其中蘆葦沼澤面積達(dá)到756 km2,是亞洲第一大蘆葦濕地[22]。

圖1 遼河三角洲河口濕地的位置及樣點的分布(背景為TM321合成真彩色影像)Fig.1 Location of the sampling sites in Liaohe river estuarine wetland

1.2 不同固碳潛力的計算方法

根據(jù)遼河三角洲河口濕地實際情況,將植被固碳潛力分為濕地演替、人工灌溉和氣候變化影響的潛力。

1.2.1 濕地演替固碳潛力的計算方法

濕地演替固碳潛力包括兩方面,一方面河口濕地位于河流入?？?河流所攜帶的泥沙淤積使?jié)竦孛娣e呈現(xiàn)增長趨勢。濕地面積增長的固碳潛力可表示為[12]：

Cevolution=Aevolution×NPP

(1)

式中，Cevolution表示濕地演替的固碳潛力,NPP表示不同演替階段各植被群落的凈初級生產(chǎn)力(利用野外樣方調(diào)查數(shù)據(jù)),Aevolution表示面積增長的潛力,利用潮灘淤進(jìn)速率和時間計算,淤進(jìn)速率利用多年歷史觀測數(shù)據(jù),同時考慮海平面上升對潮灘的侵蝕作用,利用布容法則計算侵蝕速率,計算公式為：R=S×cotθ[26],式中R為海岸線后退速率,S為海平面上升速率(利用已有的預(yù)測結(jié)果),θ為近海灘剖面的平均坡度(采用已有調(diào)查結(jié)果)。

濕地演替固碳潛力還包括植被演替引起的NPP變化。由于陸地、海洋和河流相互作用,復(fù)雜的動力過程引起水分和鹽度的分異[27],使遼河三角洲河口濕地呈現(xiàn)圖2所示的演替過程,以翅堿蓬群落→蘆葦、獐毛草甸→蘆葦沼澤正向演替過程最為典型。演替初期翅堿蓬群落NPP要低于蘆葦、獐毛草甸群落,而蘆葦、獐毛草甸又要低于蘆葦沼澤,這種植被正向演替也會提高濕地固碳能力；通過兩類植被NPP的差異和面積便可以計算出這類固碳潛力。

圖2 遼河三角洲河口濕地演替示意圖Fig.2 Sketch map of wetland succession for Liaohe river estuarine wetland

1.2.2 人工灌溉葦田的固碳潛力的計算方法

人工灌溉葦田的固碳潛力是通過模擬NPP與灌溉之間的關(guān)系,獲取在最佳灌溉措施下的潛在固碳速率,結(jié)合灌溉面積計算。但各葦場灌溉數(shù)據(jù)非常缺乏,難以構(gòu)建NPP與灌溉之間的關(guān)系模型。在遼河三角洲河口濕地,人工灌溉是通過改變水分和鹽度影響蘆葦沼澤的NPP[27]。因此,人工灌溉葦田的潛在NPP可通過構(gòu)建水分、鹽度和NPP的關(guān)系模型模擬獲取,這與通過NPP與灌溉之間的關(guān)系獲取潛在NPP在本質(zhì)上是一致的。人工灌溉葦田的固碳潛力用公式表示為：

Cmanage=Amanage×NPPmanage

(2)

式中，Cmanage表示人工灌溉蘆葦濕地的固碳潛力,Amanage表示灌溉葦田面積,NPPmanage表示蘆葦沼澤在最佳灌溉措施下可能達(dá)到的最大凈初級生產(chǎn)力,通過不同水鹽梯度樣點的數(shù)據(jù),構(gòu)建水分、鹽度與NPP的關(guān)系模型模擬獲取。

1.2.3 氣候背景下蘆葦沼澤的固碳潛力計算

未來氣候?qū)μJ葦沼澤NPP的影響是利用CASA模型[28-29],以遙感獲取植物光合生理參數(shù),結(jié)合氣候觀測數(shù)據(jù),模擬蘆葦沼澤的NPP。假定其它因素不變的情況下,利用各文獻(xiàn)報道的遼河三角洲氣候變化情景,以氣溫、降水、輻射為變量模擬出蘆葦沼澤濕地的NPP,并結(jié)合對應(yīng)時間的濕地面積,計算未來氣候變化情景下蘆葦沼澤濕地的固碳潛力。CASA構(gòu)架可表示為[28-29]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(3)

ε(x,t)=Tg1(x,t)×Tg2(x,t)×Wg(x,t)×εmax

(4)

式中,APAR(Absorbed photosyn- thetically active radiation)為吸收光合有效輻射,利用太陽總輻射量和歸一化植被指數(shù)NDVI計算[30]。εmax為最大光能轉(zhuǎn)化率利用已有報道的模擬值[31],Tg1和Tg2為溫度脅迫系數(shù),利用月平均氣溫和NDVI計算,Wg為水分脅迫系數(shù),根據(jù)Food and Agriculture Organization(FAO)推薦的作物潛在蒸散的Penman-Monteith方程[32]和Boucher提出的互補關(guān)系計算[33]。

1.3 野外調(diào)查

1.3.1 不同演替階段樣點設(shè)置與調(diào)查

不同演替階段各植被群落的NPP通過野外樣方調(diào)查獲得。在對濕地全面考查的基礎(chǔ)上,根據(jù)植被演替規(guī)律,選擇不同演替階段有代表性的植被群落。每個群落中設(shè)置一個大樣地(圖1,樣點1—3),大樣地面積設(shè)為30 m×30 m,每一樣地的四角和中心設(shè)置5個2 m×2 m小樣方。在生長季結(jié)束時按收獲法調(diào)查樣方植被的地上總鮮重,并取樣品一份(300—500 g左右),用于測定干物質(zhì)比率。同時收集樣方中所有調(diào)落物并測定鮮重,取樣品一份,測算調(diào)落物的干物質(zhì)比率。將樣品帶回實驗室烘干48 h(80℃)至恒重并稱重,然后根據(jù)干物質(zhì)比率及其總鮮重,推算樣方內(nèi)地上總干重,以5個小樣方的平均值代表樣地單位面積生物量地上部分,最后乘以碳轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45),換算成單位面積植被地上NPP。

1.3.2 不同水鹽梯度樣點設(shè)置與調(diào)查

根據(jù)遼寧省下遼河平原水文地質(zhì)普查報告,濕地鹽度由內(nèi)陸向濱海地區(qū)遞增,鹽化程度逐漸加重[34]。從濱海向內(nèi)陸地區(qū),潮水的影響逐漸減弱,土壤水分也發(fā)生規(guī)律性變化。根據(jù)此規(guī)律,在蘆葦沼澤濕地核心區(qū)域,不同的水鹽梯度下,設(shè)置了6個群落樣點(圖1,樣點4—9),采用與濕地不同演替階段NPP調(diào)查相同的方法,調(diào)查各個蘆葦沼澤群落樣點的地上NPP。同時在每個樣點利用內(nèi)徑為10 cm、長為50 cm不銹鋼土壤取樣器,鉆取40 cm深的土壤樣品,利用三針型土壤參數(shù)儀(WET Sensor)測定土壤鹽度和水分(圖3)。利用這些樣點的數(shù)據(jù),構(gòu)建蘆葦沼澤NPP與土壤水分、鹽度的數(shù)值模型,模擬出理想水鹽條件下蘆葦沼澤NPP的最大值。

圖3 土壤樣品采集與環(huán)境因素測定Fig.3 Soil sampling and measurements of environmental factors

1.4 生產(chǎn)力的動態(tài)配置

部分NPP在生長期分配到根部,經(jīng)過累積形成地下生物量。由于蘆葦具有發(fā)達(dá)的深根系,難以采集地下生物量,加上難以從根系生物量中分離當(dāng)年NPP。因此,本文樣地調(diào)查僅測定了植被地上部分生物量,采用根、莖、葉動態(tài)配置模式(Pierre′s model),根據(jù)可利用資源光(L)、水分(W)和營養(yǎng)(N)對不同器官進(jìn)行碳的動態(tài)配置[35],模擬出不同植被地上和地下部分的NPP分配模式,并利用測定的植被地上NPP,計算總NPP。

NPProot=3Nr(L/(L+2min(W,N)))

(5)

NPPstem=3Ns(min(W,N)/(2L+min(W,N))

(6)

NPPleaf=1-(NPProot+NPPstem)

(7)

式中,Nr和Ns代表沒有資源限制時,NPP分配到根和莖中的比率,默認(rèn)取值0.3。資源可利用性因子L、W、N取值介于0.1(資源限制)與1(資源充分并容易獲取)之間。L利用葉面積指數(shù)來估算,L=e-K×LAI,K為消光系數(shù),默認(rèn)取值為0.5。水分因子W取決于土壤濕度和土壤質(zhì)地。假營養(yǎng)因子N利用濕度和氣溫來計算,N=Fp×Ft,其中Fp=PPT/PET,Ft=2[(T-30)/10],PPT為降水量,T為平均氣溫,PET潛在蒸散,根據(jù)Boucher提出的互補關(guān)系計算[33]。

2 結(jié)果

2.1 濕地演替的固碳潛力

已有研究及多年監(jiān)測結(jié)果表明,遼河三角洲灘涂淤漲速率為100—150 m/a[36-37],利用布容法則、坡降調(diào)查[38]和海平面變化研究結(jié)果[39-40]計算海岸線后退速率為11—31 m/a,則潮灘淤漲速率約為90—120 m/a,結(jié)合潮灘海岸線長度,灘涂面積遞增潛力為3.78—5.04 km2/a,按照目前灘涂上翅堿蓬生長比例計算,翅堿蓬面積遞增潛力為0.49—0.65 km2/a,結(jié)合野外調(diào)查的翅堿蓬群落平均NPP 109.03 g C/m2計算,翅堿蓬面積擴張可遞增固碳潛力為0.054—0.071 GgC/a。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)濕地從初期翅堿蓬演替到中期蘆葦、獐毛草甸的面積非常有限,大部分被人工改造成蘆葦沼澤。遙感監(jiān)測結(jié)果顯示1988—2006年間,平均每年有0.076 km2的灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)樘J葦沼澤[27,32],其中翅堿蓬面積為0.048 km2[24]。按此速率結(jié)合調(diào)查的蘆葦沼澤平均NPP 994.6 gC/m2計算,總NPP可由0.0053 GgC/a提高到0.076 GgC/a,可遞增固碳潛力0.07 GgC/a。在葦場灌溉條件較差的地方,蘆葦沼澤明顯退化,獐毛、堿篷大量生長。通過人工灌溉將這部分草甸改造成為蘆葦沼澤,野外調(diào)查的蘆葦、獐毛草甸平均NPP 為369.73 gC/m2,總NPP可由10.08 GgC/a提高到27.28 GgC/a,可新增固碳潛力17.2 GgC/a。

2.2 人工灌溉葦田的固碳潛力

遼河三角洲蘆葦沼澤濕地具有很高的固碳能力,平均NPP達(dá)到940—1037 gC/m2。在水分和鹽度條件較好的地方,NPP超過1200 gC/m2。按照火電廠發(fā)1度電需要消耗400 標(biāo)準(zhǔn)煤,同時排放997克CO2計算,蘆葦沼澤濕地每年固定的CO2相當(dāng)于年發(fā)電量為27.2—30.2億度的火電廠一年排放量,相當(dāng)于節(jié)約了108.9—120.7萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,由此可見遼河三角洲蘆葦沼澤濕地的巨大減排能力。

然而實際樣點水分和鹽度并不一定是蘆葦沼澤生長的最理想環(huán)境,因此,通過適宜的灌溉管理措施調(diào)節(jié)蘆葦沼澤的水分和鹽度,NPP還有提升的空間。通過模擬樣點的NPP與土壤水分、鹽度之間的關(guān)系計算得出,在理想水鹽條件下,遼河三角洲蘆葦沼澤濕地的NPP可達(dá)到1700 gC/m2[34]。由于東郭、羊圈子、趙圈河和南圈河四大葦場都位于雙臺子河口自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),假定它們的景觀類型不發(fā)生轉(zhuǎn)變,則通過人工灌溉管理措施,四大葦場的總NPP可提高到1234.63 GgC/a,增長62.5%—78.9%,可新增固碳潛力474.6—544.6 GgC/a,。

除了4個大型的葦場外,在大遼河、遼河以及繞陽河的沿岸也分布有部分葦田。另外,潮灘面積擴大每年也會有部分灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)槿斕?。對這部分葦田也實行人工灌溉管理措施,到2030年,NPP可提高68.4—74.9 GgC/a；到2050年,NPP可提高69.5—75.9 GgC/a；到2100年,NPP可提高72.1—78.6 GgC/a。

2.3 氣候變化情景下蘆葦沼澤的固碳潛力

根據(jù)已有氣候變化研究及預(yù)測結(jié)果,遼河三角洲2011—2030年平均增溫約0.6℃[41],太陽輻射和降水量的變化不明顯；2011—2050平均增溫約1.8℃[42]；太陽總輻射增幅約為20 MJ m-210a-1)；降水量下降幅度約為15—20 mm/10a[43]；2100年平均氣溫將增加約3℃,年降水量將增加約100 mm[44]。以此氣候變化情景為基礎(chǔ),利用CASA模型模擬結(jié)果表明蘆葦沼澤NPP在2011—2100年呈增加趨勢,到2030年,蘆葦沼澤濕地的總NPP可達(dá)784.9—862.8GgC/a,新增固碳潛力14.3—15.7GgC/a；到2050年,蘆葦沼澤的總NPP可達(dá)809.3—889.4 GgC/a,新增固碳潛力37.2—40.9 GgC/a；到2100年,蘆葦沼澤的總NPP可達(dá)881.9T—968.8 GgC/a,新增固碳潛力106T—116.4 GgC/a。不同潛力大小見表1。

表1 遼河三角洲河口蘆葦沼澤濕地植被的固碳潛力(GgC)

3 討論

濕地具有很高的NPP,因而增加濕地面積能固定更多碳。在淤漲型河口濕地,由于河流所攜帶的泥沙淤積,使潮灘面積逐年擴大,濕地固碳能力逐年增長。但由于剛成陸的近海端環(huán)境惡劣,先鋒植物需要更多能量用于抵御環(huán)境的影響,需要更多代價才能獲得足夠營養(yǎng)以維持正常生命活動。因此,NPP較低[45],對固碳潛力貢獻(xiàn)有限。在遼河三角洲河口濕地,潮灘整體以淤進(jìn)為主,面積不斷擴大[36],固碳能力隨著時間推移不斷提高,但對新增固碳潛力貢獻(xiàn)較低。另一方面,盡管未來氣候變化會使蘆葦沼澤群落NPP提高,但氣候變化也能引起風(fēng)暴潮以及極端氣候事件頻率的增加,對剛成陸的灘涂沼澤濕地形成極大威脅[46]。因此,河口地區(qū)的淤積擴張對提高濕地固碳潛力具有一定的不確定性。

由于全球氣候變化和不合理的人為干擾,遼河三角洲河口濕地面臨著退化的威脅,影響了蘆葦沼澤濕地的固碳能力。本文研究結(jié)果表明采取有效保護(hù)和人工灌溉管理措施,蘆葦沼澤的NPP可提高62.5%—78.9%,表明合理的人工濕地管理措施具有十分可觀的固碳潛力。遼河三角洲是我國著名的商品糧基地,盤錦大米被冠以“中國名牌”和“中國馳名商標(biāo)”等殊榮。因此,水田需水歷來得到政府的優(yōu)先保證,水田面積擴張對水的需求量大,與葦田用水之間矛盾十分尖銳。近年來由于氣候變暖,徑流大幅減少,整個遼寧省處于普遍缺水狀況,分配給盤錦市的用水指標(biāo)甚至還無法保證水田的需求。過去有1/2的葦田能夠適時灌水,近年來能適時灌水的葦田只有1/3左右[47]。因此,上述所計算的人工灌溉蘆葦?shù)墓烫紳摿﹄y以達(dá)到。假設(shè)按照目前有1/3—1/2的葦田能夠有水源保障,通過灌溉管理提高水資源的利用效率,四大葦場的總NPP仍可提高26%—33%,增加固碳潛力197.6—231.4GgC/a。

4 結(jié)論

采用野外調(diào)查與模型模擬相結(jié)合的方法,研究了遼河三角洲河口濕地演替、人工灌溉葦田的和氣候變化的固碳潛力。河口濕地固碳能力隨著濕地的正向演替而不斷增強,其中,翅堿蓬面積擴張可遞增固碳潛力0.053—0.071 GgC/a,由灘涂轉(zhuǎn)變?yōu)樘J葦沼澤可遞增固碳潛力為0.07 GgC/a,而通過蘆葦、獐毛草甸演替到蘆葦沼澤可增加固碳潛力17.2 GgC/a。隨著未來氣溫的升高有利于植被的光合作用,氣候變化也具有一定的固碳潛力,對增強植被的碳匯有著積極的作用。通過人工灌溉管理措施,四大葦場固碳潛力為474.6—544.6 GgC/a,說明了人工灌溉管理措施對提高蘆葦沼澤的固碳能力具有十分顯著的效果,為將濕地管理活動納入減排和固碳機制提供了科學(xué)參考。

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CarbonsequestrationpotentialofaPhragmitessaltmarshintheLiaoheRiverestuarinewetland

CHEN Jilong1, 2, HE Lei3, WEN Zhaofei3, LIAO Huajun2, WANG Bingliang2, CUI Linlin2, LI Guosheng2,4,*

1ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,Chongqing400714,China2InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China3KeyLaboratoryofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch,MinistryofEducation,Nanchang330000,China4KeyLaboratoryofCoastalWetlandBiogeosciences,ChinaGeologicSurvey,Qingdao266071,China

國家自然科學(xué)基金(41401051, 41501096)；中國科學(xué)院西部之光項目；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(GZH201200503, 201511057)；重慶基礎(chǔ)與前沿項目(cstc2015jcyjA00007); 涪陵區(qū)科技計劃項目(2016ABB1040);鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室開放基金項目(ZK2015001)

2016- 05- 24; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ligs@igsnrr.ac.cn

10.5846/stxb201605241004

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