濱海濕地碳循環(huán)過程的研究進(jìn)展

陳卓然

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津300457；2. 天津泰達(dá)水業(yè)有限公司 天津300457)

0 引 言

全球三大生態(tài)系統(tǒng)包括森林、海洋以及濕地，而濕地因其對大氣中 CO2良好的封存和固定能力，一直被認(rèn)為是全球最大的碳庫之一[1-2]。全球濕地面積雖然只占陸地面積的 4%～6%，但包含全球 30%以上的碳儲量，在陸地及全球碳循環(huán)過程中起到重要作用[3]。濕地碳循環(huán)過程包括植物經(jīng)光合作用固定大氣中 CO2，同時消耗部分光合產(chǎn)物釋放 CO2；以及植物死亡后殘體在微生物作用下分解轉(zhuǎn)化，形成顆粒有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳，在水介質(zhì)中直接氧化或經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為 CO2[4]；此外由于濕地水分過飽和形成的厭氧環(huán)境會使 CH4大量產(chǎn)生，有研究表明其排放量約占CH4自然排放量的80%[5]。

濱海濕地是介于海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)間的自然緩沖區(qū)，其森林—河流—海洋復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的特殊交互作用孕育了豐富的濕地資源和多樣的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)信息，目前我國沿海地區(qū)11省份濕地總面積 1246.60萬 hm2，占全國濕地總面積的23.26%，其中濱海濕地面積達(dá)579.59萬hm2，占全國濕地總面積的 10.85%。濱海濕地占地面積雖然相對較小，但其中碳的積累速率遠(yuǎn)高于泥炭濕地[6]，且由于 SO42-的大量存在抑制了甲烷的產(chǎn)生，使其具有極低的甲烷釋放速率[7]，在固碳方面起到重要作用。因此，研究濱海濕地碳循環(huán)過程可以作為增加全球碳匯、緩解全球氣候變暖問題的重要研究方向。

1 濱海濕地的固碳能力

近年來，隨著人們對生態(tài)問題的重視程度增加，對海洋“藍(lán)碳”方面的研究逐漸深入，濱海濕地的碳匯功能也成為研究重點(diǎn)。梅雪英等[8]研究了長江口典型濱海鹽沼濕地，結(jié)果表明其碳存在形式主要為植物生物量碳、微生物量碳、顆粒有機(jī)碳、溶解有機(jī)碳及氣態(tài) CH4和 CO2等。索安寧等[9]考察了遼河三角洲濕地，其固碳能力平均值為 1.77kg·m-2·a-1，固碳能力較高。Choi等[7]通過同位素測年法測定了鹽沼濕地碳含量，結(jié)果表明其碳含量相對較高并短期內(nèi)固碳能力較強(qiáng)。林光輝等[10]研究了紅樹林等濱海濕地碳庫的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)全球的鹽沼、紅樹林和海草床等呈現(xiàn)較強(qiáng)的固碳能力，其每年固定的碳可以抵消全球由交通工具釋放碳量的1/3左右。

濕地的形成對固碳能力有顯著影響，曹磊等[11]在研究中認(rèn)為濱海濕地 2個最重要的碳庫是植被和土壤，而土壤碳庫是其固碳能力的重要體現(xiàn)。張緒良等[12]考察了黃河三角洲濱海濕地，其平均固碳能力為 0.35kg·m-2·a-1，受到土壤干旱和鹽漬化影響，整體固碳能力不強(qiáng)。郝翠等[13]分析天津?yàn)I海濕地由于土壤屬于鹽堿地，有機(jī)質(zhì)容易降解，植被覆蓋率低，使其平均有機(jī)碳密度相對較低，固碳能力較差。Wang等[14]在膠州灣濱海濕地采集了不同鹽度和堿度的土壤樣品，探究濱海鹽堿濕地對全球無機(jī)碳的吸收，發(fā)現(xiàn)增加土壤鹽分和堿度可以提高土壤固定大氣中 CO2的能力，濱海鹽堿濕地豐富的水源和高堿度的土壤有利于其固碳過程。目前植物作為去除和儲存大氣碳的潛在碳匯作用也越來越受到人們關(guān)注。Ca等[15]對研崇明東灘蘆葦帶濕地植被的生物量和初級生產(chǎn)力進(jìn)行了研究，長江口典型蘆葦帶濕地植被的平均碳儲量為 4.02kg/m2，是地上部分的 3倍左右，其固碳能力達(dá) 1.11～2.41kg·m-2·a-1，是全國陸地植被平均固碳能力的2.3～4.9倍，全球植被平均固碳能力的 2.7～5.9倍。Touchette等[16]對遼河三角洲盤錦地區(qū)濕地植被進(jìn)行的研究表明，其儲碳、固碳能力高于崇明東灘。

通過比較，濱海濕地的固碳能力具有時間和空間差異，自然和人為活動的發(fā)展使固碳能力隨時間推移而變化；而地區(qū)差異帶來的土壤環(huán)境、植被生長情況、氣候、水文條件等不同，也給不同地區(qū)濱海濕地的固碳能力帶來影響。目前濱海濕地較強(qiáng)的固碳能力是減弱溫室效應(yīng)的重要碳庫，增加植被生物量是增強(qiáng)濱海濕地固碳能力的有效途徑，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中如何增加濕地固碳、減少碳排放是研究的主要方向。

2 濱海濕地碳循環(huán)過程

濱海濕地是一個高度動態(tài)和復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，處于海洋、陸地、大氣 3大生態(tài)系統(tǒng)相互作用的活躍地段，其碳循環(huán)主要包括外部循環(huán)過程：有機(jī)碳無機(jī)碳的浸出/吸收和碳貯存，內(nèi)部循環(huán)作用包括氧礦化、厭氧礦化、碳酸鹽的形成和儲存[17]。多種氣候變化因素，如海平面上升、氣溫升高、潮汐變化等，植被環(huán)境、生產(chǎn)條件、人為因素干擾，如圍墾土地、生物入侵等，都會對濱海濕地碳循環(huán)過程造成影響[18]。Matthews等[19]認(rèn)為濱海濕地碳循環(huán)主要是濕地土壤(水)-大氣界面和植被-大氣界面垂直方向的 CO2交換，及可能存在 CH4交換。Stern等[20]總結(jié)除了氣態(tài)碳垂直方向交換之外，土壤中可溶性有機(jī)碳和可溶性無機(jī)碳，及顆粒有機(jī)碳也會隨著潮汐/流遷移進(jìn)濱海濕地而形成水平方向碳交換。費(fèi)蓓莉等[21]研究了長江口濱海濕地不同潮汐過程中潮溝水體可溶性有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳的季節(jié)變化，認(rèn)為潮溝系統(tǒng)是濱海濕地與外界環(huán)境之間橫向碳輸出或輸入的重要通道。Shurpali等[22]研究了加拿大北部濕地通過小溪遷移輸出可溶性有機(jī)碳大約為 5～40g·m-2·a-1，說明水文條件控制著水位和水流速度，溫度和降水是主要環(huán)境因子，通過濕地土壤的水通量影響濕地可溶性有機(jī)碳輸出。甲烷氣體的產(chǎn)生、氧化和排放也是濕地碳輸出的一種主要形式，其排放受濕地多種物理、化學(xué)性質(zhì)共同影響[23]。此外陳增奇等[24-25]的研究說明濱海濕地可以通過生物地球化學(xué)行為促進(jìn)空氣及 C、H、S等關(guān)鍵元素的循環(huán)，有利于環(huán)境的良好發(fā)展。

濱海濕地與近岸環(huán)境之間的碳交換對深入理解碳源、碳匯、碳收支至關(guān)重要，在未來的研究中，要更好地理解不同類型、不同地域?yàn)I海濕地碳循環(huán)過程與人為干擾和氣候變化的關(guān)系，重視其對全球碳循環(huán)的影響和貢獻(xiàn)，保證濱海濕地碳匯功能的可持續(xù)發(fā)展和利用。

3 濱海濕地的退化與修復(fù)

濱海濕地具有有機(jī)物生產(chǎn)力水平高的特點(diǎn)，特別是各種潮上帶鹽沼濕地。但受到氣候或環(huán)境因素，如持續(xù)的干旱、高含鹽率土壤等因素的影響，濕地初級生產(chǎn)力明顯下降并出現(xiàn)較大的年際變化，并且由于人為因素圍墾、資源不合理利用、工業(yè)和城市廢水、農(nóng)業(yè)施肥、養(yǎng)殖廢水增多等帶來的不良影響，致濕地水體中無機(jī)氮、無機(jī)磷的含量顯著升高，造成濕地水質(zhì)污染，中國大約有 40%的重要濕地受到嚴(yán)重退化的威脅，并仍處于受損、退化和消亡過程中[26]。在多種因素作用下濱海濕地面積逐步縮減，生態(tài)功能也出現(xiàn)退化，Armentano等[27]研究說明濕地土壤中有機(jī)碳的分解速率加快與濕地生態(tài)系統(tǒng)受到破壞有直接關(guān)系，有機(jī)碳分解出的 CO2成為大氣中溫室氣體的來源之一。Haywood等[28]研究巴拉塔里亞灣海岸濕地發(fā)現(xiàn)，大量的碳流失與的海岸侵蝕有關(guān)，經(jīng)過地球物理和光譜分析，受侵蝕的濕地土壤碳沒有在鄰近的河口重新沉積，而是繼續(xù)被侵蝕和降解，濕地的退化和喪失使大量碳元素一起喪失。

目前較為大眾認(rèn)同的修復(fù)方式是濕地工程修復(fù)，歐美等國以受損濕地附近疏浚、疏挖等產(chǎn)生的工程棄土為基底原料，用原位吹填法直接恢復(fù)濕地基底[29-30]；韓國建立景觀濕地來凈化城市環(huán)境[31]，中國在濱海濕地恢復(fù)工程中也取得了一定成效，如杭州灣濕地生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱，面臨消亡，通過水動力調(diào)控、基底修復(fù)、種植植物等方式恢復(fù)鹽沼濕地，建成了城市濱海濕地——鸚鵡洲濕地[32]。

濕地土壤碳庫是大氣二氧化碳庫的一個潛在的重要貢獻(xiàn)者，全球范圍濱海濕地的恢復(fù)和保護(hù)可以有效抵消人類活動向大氣排放的CO2，為達(dá)到良好的恢復(fù)效果，要將自然因素和實(shí)際情況結(jié)合起來，避免分析過程中的誤差，目前和未來都需要在保護(hù)和修復(fù)濱海濕地、減少濕地退化和喪失方面進(jìn)行深入研究。

4 研究方向與展望

濱海濕地可以進(jìn)行海水養(yǎng)殖、圍海造地等活動，也可以達(dá)到提供水源、凈化水質(zhì)、降解環(huán)境污染物的作用。具體量化濱海濕地固碳能力，深入了解碳循環(huán)過程，可以增加碳儲量，平衡碳收支，緩解全球變暖的環(huán)境問題，更好地為評估濱海濕地生態(tài)影響提供基礎(chǔ)。

目前在自然因素和人類的不合理開發(fā)利用的雙重影響下，使濱海濕地面積日漸縮小，對濱海濕地的合理利用和修復(fù)至關(guān)重要，要多方面考慮不同影響因素的耦合作用。因此，如何減少不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)破壞，制定符合實(shí)際又經(jīng)濟(jì)的修復(fù)方案值得更進(jìn)一步研究。