紅樹林碳埋藏過程對海平面上升、氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)*

徐慧鵬 ，劉 濤**，張建兵

(1．廣西大學(xué)海洋學(xué)院，廣西南寧 530004；2．廣西地表過程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530001)

0 引言

紅樹林廣泛分布于熱帶、亞熱帶低能海岸的潮間帶上部，作為重要的海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)，提供一系列生態(tài)服務(wù)功能，包括海岸防護(hù)、木材生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和生態(tài)旅游等[1]。紅樹林具有很高的初級生產(chǎn)力，據(jù)保守估計(jì)，全球紅樹林的初級生產(chǎn)力(以碳計(jì))平均值可達(dá)到(218±72) Tg/a[2]。同時(shí)，紅樹林內(nèi)沉積速率快，周期性浸水形成的土壤厭氧環(huán)境使得有機(jī)物分解相對緩慢，從而在沉積過程中埋藏大量的有機(jī)碳[3]。盡管紅樹林只占全球海岸帶面積的0.5%，其埋藏碳卻占海岸帶沉積物埋藏碳的10%-15%(24 Tg/a)，相當(dāng)于陸地輸出到海洋顆粒有機(jī)碳的10%-11%[4]。這種碳庫效應(yīng)對于緩解當(dāng)前大氣二氧化碳總量的增加具有重要意義。深入研究紅樹林碳埋藏特征及其控制因素，探討全球變化背景下紅樹林碳埋藏儲(chǔ)量和通量的變化趨勢，將有助于理解海岸帶碳循環(huán)對于當(dāng)前全球變化的響應(yīng)，并為保護(hù)紅樹林提供理論依據(jù)和策略。本文對近年來關(guān)于紅樹林碳埋藏和沉積過程對于氣候變化、海平面上升和人類活動(dòng)響應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，分析氣候變化、海平面上升和人類活動(dòng)等因素對于紅樹林碳埋藏的影響，以期為今后深入探討紅樹林碳庫效應(yīng)、研究紅樹林覆蓋面積變化的動(dòng)態(tài)過程和紅樹林保護(hù)提供有益的參考。

1 全球紅樹林碳儲(chǔ)量、碳埋藏速率特征及控制因素

全球紅樹林單位面積凈初級生產(chǎn)力為11.1 Mg/(hm2·a)，與熱帶陸地森林相當(dāng)，紅樹林碳儲(chǔ)量平均可達(dá)937 Mg/hm2[5]。紅樹林濕地的碳儲(chǔ)量分為兩個(gè)部分：其一為紅樹林生物碳儲(chǔ)量，包括地面生物碳儲(chǔ)量、地下生物碳儲(chǔ)量以及地表凋落物；另一部分為土壤碳儲(chǔ)量,可占到紅樹林總碳儲(chǔ)量的50%-90%[1]。印度洋-太平洋熱帶地區(qū)的紅樹林土壤碳儲(chǔ)量平均為1 023 Mg/hm2，為全球最高[1]。亞熱帶紅樹林碳儲(chǔ)量明顯低于熱帶紅樹林。例如，我國紅樹林的平均碳儲(chǔ)量為(355.25±82.19) Mg/hm2，僅相當(dāng)于熱帶地區(qū)紅樹林的1/3[6]。熱帶地區(qū)高溫多雨氣候條件下生長的紅樹林具有植株高大和根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，其根系可向地下延伸3-5 m，甚至可深達(dá)20 m[7]。紅樹林發(fā)達(dá)的地下根系代謝產(chǎn)物使得厚度很大的沉積土壤層中富含有機(jī)碳，因而具有很高的碳儲(chǔ)量。相對而言，亞熱帶紅樹林由于植株普遍矮小，根系分布深度也有限，因此土壤碳儲(chǔ)量較低。在我國紅樹林當(dāng)中，超過80%的埋藏有機(jī)碳分布在1 m深度的土壤層以內(nèi)[6]。值得注意的是，在一些亞熱帶地區(qū)，由于持續(xù)的海平面上升導(dǎo)致紅樹林灘面不斷加積，可以形成厚度較大的紅樹林土壤層，從而具有很高的埋藏碳儲(chǔ)量。例如，在干旱的美國佛羅里達(dá)西部Baja海岸，近1 500年來海平面以2 mm/a的平均速率上升，紅樹林以累積根系有機(jī)碳的方式保持著灘面高程增加速率與海平面上升速率相一致，長期以來發(fā)育了厚度超過3 m的紅樹林泥炭層，其碳埋藏儲(chǔ)量高達(dá)900-3 000 Mg/hm2，甚至超過大多數(shù)熱帶紅樹林[8]。

碳埋藏速率是指在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)，被埋藏進(jìn)沉積物的有機(jī)碳質(zhì)量。這一參數(shù)可以反映紅樹林沉積物封存有機(jī)碳的能力，對于定量理解碳循環(huán)過程和評估紅樹林濕地碳庫潛力具有重要意義。不少學(xué)者對全球紅樹林有機(jī)碳埋藏速率進(jìn)行估算，Duarte等[9]的估算值為129 g/(m2·a),Bouillon等[2]的估算值為134 g/(m2·a)，Alongi[5]的估算值為174 g/(m2·a)。本文根據(jù)已發(fā)表的部分文獻(xiàn)中關(guān)于紅樹林碳埋藏速率和沉積速率的數(shù)據(jù)繪制圖1，并整理了相關(guān)研究區(qū)的沉積環(huán)境和樹種等信息(表1)?？梢钥闯觯?dāng)前對于紅樹林碳埋藏研究的熱點(diǎn)區(qū)域主要集中在河口環(huán)境，并且碳埋藏速率主要受沉積速率控制。這是因?yàn)樵谟袡C(jī)物輸入通量不變的情況下，較高的沉積速率有利于有機(jī)質(zhì)被迅速埋藏，可以降低有機(jī)質(zhì)分解率。此外，對于同一處紅樹林，較高的沉積速率一般意味著更長的灘面淹沒時(shí)間和更加缺氧的灘面環(huán)境，同樣有利于抑制有機(jī)質(zhì)的分解，從而增加碳埋藏速率。在巴西Tamandaré紅樹林，沉積速率和有機(jī)碳埋藏速率從紅樹林前緣、過渡帶到紅樹林內(nèi)側(cè)逐漸降低，沉積速率依次為7.3,5.0,2.8 mm/a，相應(yīng)的有機(jī)碳埋藏速率分別為1 129,949,353 g/(m2·a)[10]。在該處紅樹林沉積速率最快的前緣地帶，其有機(jī)碳埋藏速率是紅樹林內(nèi)側(cè)區(qū)域的3倍。

圖1 紅樹林沉積速率和有機(jī)碳埋藏速率的關(guān)系

Fig.1 Relationship between mangrove sedimentation rate and organic carbon accumulation rate

表1 文獻(xiàn)中的紅樹林研究區(qū)信息

Table 1 Mangrove study area information in the literature

地理位置Geographical location沉積環(huán)境Sedimentary en-vironment樹種Varieties沉積柱長度Length of column (cm)潮差Tidal range (m)文獻(xiàn)Literature巴西塔曼達(dá)雷Tamandaré,Brazil海灣Bay/40,34,36/[10]新西蘭莫那努努河Moanaanuanu,New Zealand河口Estuary白骨壤Avicennia marina50/[11]越南坎吉奧Can Gio,Vietnam河口Estuary紅樹Rhizophora apiculata344[12]越南檳椥Kien Vang,Vietnam河口Estuary紅樹Rhizophora apiculata40/[12]帕勞 Palau島嶼Island海桑、紅樹Sonneratia alba,Rhizophora apiculata402[12]佛羅里達(dá)大沼澤地Everglades,Florida河口Estuary紅樹、白骨壤Rhizophora apiculata,Avicennia marina50/[13]

2 紅樹林碳埋藏過程對海平面上升、氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

2.1 紅樹林碳埋藏過程對海平面上升(SLR)的響應(yīng)

圖2展示了紅樹林碳埋藏過程對海平面上升、氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)，下面就這3種響應(yīng)機(jī)制分別進(jìn)行探討。

在加勒比海伯利茲Twin Cays紅樹林和佛羅里達(dá)西部Baja海岸紅樹林，對其地質(zhì)鉆孔中紅樹林沉積層的年代學(xué)研究,結(jié)果表明，紅樹林灘面高程增速在數(shù)千年里始終和海平面上升速率保持一致(圖3)[14]。在澳大利亞Moreton灣，對紅樹林灘面沉積速率的長期監(jiān)測表明，海平面上升速率加快可以導(dǎo)致沉積速率增加(圖4)[15]。而在世界上其他區(qū)域也有紅樹林灘面沉積速率正相關(guān)于海平面上升速率的報(bào)道[16]。

實(shí)線箭頭代表正響應(yīng),虛線箭頭代表負(fù)響應(yīng)

The solid arrow represents positive response,the dotted arrow represents negative response

圖2 紅樹林碳埋藏對海平面上升、氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

Fig.2 Response of mangrove carbon sequestration to sea level rise,climate change and human activities

可見，當(dāng)海平面上升速率低于一定閾值時(shí)，紅樹林能夠通過增加灘面沉積速率、促進(jìn)地下根系生長的方式，使灘面高程增速與海平面上升速率保持一致。因此，適度的海平面上升有利于保持甚至增加灘面沉積速率和土壤有機(jī)碳含量，也就起到了保持或提高有機(jī)碳埋藏速率的效果。如果海平面上升速率過快，超過灘面高程增加速率，紅樹林則會(huì)因?yàn)檠蜎]時(shí)間過長而死亡，封存在紅樹林土壤層中的有機(jī)碳會(huì)因侵蝕作用而暴露，進(jìn)而分解并重新進(jìn)入大氣。在巴西南部海岸的觀測顯示，2012年海平面上升速率為4 mm/a，而灘面沉積速率僅為2 mm/a，紅樹林前緣位置呈現(xiàn)出向陸地方向顯著退縮的趨勢，原來的紅樹林泥質(zhì)沉積層受到侵蝕[17]。相關(guān)研究表明：在印度洋-太平洋熱帶地區(qū)，以當(dāng)前的紅樹林灘面高程增加速率，預(yù)期海平面上升將會(huì)在21世紀(jì)末威脅到約70%的紅樹林濕地，其中位于潮差較小和沉積物供給不足地區(qū)的紅樹林最早可能會(huì)在2070年被淹沒[18]。

圖3 加勒比海地區(qū)紅樹林灘面高程增速與西大西洋海平面上升

Fig.3 Mangrove elevation speed increase in the Caribbean area and SLR in Western Atlantic

2.2 紅樹林碳埋藏過程對氣候變化的響應(yīng)

在亞熱帶地區(qū)，隨著全球變暖，冬季極端低溫天氣出現(xiàn)頻率降低，有利于紅樹林幼苗存活，進(jìn)而導(dǎo)致紅樹林取代原有鹽沼，相應(yīng)地增加了當(dāng)?shù)氐奶悸癫乜偭亢屯縖19]。在佛羅里達(dá)東海岸， 2003—2010年紅樹林向鹽沼顯著擴(kuò)張，紅樹林面積增加69%，當(dāng)?shù)乜偺純?chǔ)量則增加22%[19]。新生紅樹林單位面積的碳儲(chǔ)量可達(dá)到鹽沼的2倍，碳儲(chǔ)量的增加速率為2.7 Mg/(hm2·a)[20]。在廣西南流江河口區(qū)，一處大型紅樹林的覆蓋面積在1988—2013年從60 hm2增加到134 hm2。其中，1988—1993年和2005—2013年是臺(tái)風(fēng)頻率和冬季低溫事件發(fā)生頻率偏低的2個(gè)時(shí)期，紅樹林面積在這2個(gè)時(shí)期顯著增加，截止2013年紅樹林埋藏碳儲(chǔ)量增加約5 556 Mg[21]。

圖4 紅樹林灘面高程變化與海平面波動(dòng)的關(guān)系

Fig.4 Relationship between mangrove surface elevation change and sea level fluctuation

降雨量增加可以促進(jìn)紅樹林碳埋藏過程。一方面，降雨量增加會(huì)導(dǎo)致紅樹林內(nèi)土壤鹽度降低，可以提高紅樹林的生產(chǎn)力和幼苗存活率，進(jìn)而促進(jìn)紅樹林面積擴(kuò)張。如澳大利亞Moreton灣的紅樹林?jǐn)U張侵入鹽沼，其中以1972—1990年降雨量較多的年份紅樹林的擴(kuò)張速率最快[22]。另一方面，降雨量增加一般意味著入海河流輸送的更多泥沙供應(yīng)，紅樹林沉積速率有可能加快，從而提高碳埋藏通量。再者，降雨量增加會(huì)導(dǎo)致沿岸水體鹽度減小，有利于減緩表層土壤中有機(jī)碳的分解速率。反之，降雨量減少會(huì)造成沿岸水體和紅樹林土壤鹽度升高，導(dǎo)致紅樹林生產(chǎn)力降低，進(jìn)而降低紅樹林碳埋藏速率。極端干旱事件甚至可以造成紅樹林的死亡和土壤碳釋放。如1997—1998年El-Nino事件期間，極端干旱導(dǎo)致密克羅尼西亞紅樹林土壤鹽度升高，對紅樹林產(chǎn)生了脅迫，造成紅樹林死亡事件[23]。

全球變暖會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)熱帶氣旋出現(xiàn)頻率增加[24]，強(qiáng)熱帶氣旋可能會(huì)引發(fā)風(fēng)暴潮和河流洪水。林帶寬度較寬，植株較為密集的紅樹林可以有效耗散潮流和波浪能量，從而在風(fēng)暴潮過程中截留大量沉積物和顆粒有機(jī)碳。在廣西北海大冠沙紅樹林的沉積物中，近30 年來的風(fēng)暴潮沉積所占比重超過50%，此處紅樹林的沉積速率與臺(tái)風(fēng)登陸頻率之間呈明顯正相關(guān)[25]。對佛羅里達(dá)大沼澤地紅樹林沉積速率和有機(jī)碳碳埋藏速率的分析顯示：2005年Wilma颶風(fēng)期間紅樹林沉積速率和有機(jī)碳埋藏速率分別為5.9-6.5 mm/a和260-393 g/(m2·a)，顯著高于多年平均沉積速率2.5-3.3 mm/a與151-168 g/(m2·a)的平均碳埋藏速率[13]。但是，對于林帶寬度不夠，植株較為稀疏的紅樹林，風(fēng)暴潮過程可能會(huì)造成外側(cè)紅樹林灘面侵蝕，降低其沉積速率，從而不利于碳埋藏。例如，越南Ba-Lat河口紅樹林濕地中，在正常天氣狀況下，紅樹林外側(cè)區(qū)域的沉積通量遠(yuǎn)高于內(nèi)側(cè)，但是其長期沉積速率反而低于內(nèi)側(cè)，風(fēng)暴事件造成的灘面侵蝕可能是主要原因[26]。

2.3 人類活動(dòng)對紅樹林碳埋藏過程的影響

人類對紅樹林的破壞性活動(dòng)，主要包括采伐樹木、開挖蝦塘、海岸帶開發(fā)建設(shè)等，是導(dǎo)致最近一百年來紅樹林面積縮減的主要原因，必然造成紅樹林碳儲(chǔ)量減少[27]。紅樹林的大量破壞會(huì)導(dǎo)致土壤埋藏碳被釋放，成為大氣CO2的重要來源[28]。近100年來，人類活動(dòng)造成紅樹林面積每年減少1%-2%，由此產(chǎn)生的碳排放為0.09-0.97 Pg[1]。在紅樹林面積覆蓋最大的印度尼西亞，近30年來由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展等原因損失約40%的紅樹林，紅樹林被破壞后每年排放的碳相當(dāng)于0.07-0.21 Pg的CO2[29]。加勒比海地區(qū)的多米尼加紅樹林碳儲(chǔ)量為706-1 131 Mg/hm2，在開挖成蝦塘并被廢棄后，其碳儲(chǔ)量降低到95 Mg/hm2，僅為原來碳儲(chǔ)量的11%，由紅樹林轉(zhuǎn)變?yōu)槲r塘，潛在的碳排放相當(dāng)于2 244-3 799 Mg/hm2的CO2[30]。紅樹林的破壞和退化屬于熱帶地區(qū)因土地利用轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的最大碳排放量之一。

此外，人類活動(dòng)會(huì)破壞地表，加劇水土流失，導(dǎo)致河流輸送泥沙增多，充足的沉積物物源供給使得紅樹林沉積速率增加，進(jìn)而增加碳埋藏速率[31]。在入海河流中上游河段的筑壩和修建水庫會(huì)截留泥沙，造成河口沉積物補(bǔ)給減少，使得部分地區(qū)紅樹林灘面高程增加速率無法與海平面上升速率保持一致，可能會(huì)成為未來這些地區(qū)紅樹林消亡的重要原因[18]。例如，在泰國湄南河三角洲，人類筑壩導(dǎo)致泥沙供應(yīng)量降低，并且過度抽取地下水，導(dǎo)致紅樹林灘面高程降低，已經(jīng)使得海岸線后退數(shù)千米[32]。另一方面，隨著海岸帶城市發(fā)展的加速，工業(yè)廢水和生活污水排放導(dǎo)致近岸水體富營養(yǎng)化在許多地區(qū)已成為不爭的事實(shí)。營養(yǎng)鹽的增加會(huì)促進(jìn)紅樹林根系和幼苗的生長，有利于紅樹林?jǐn)U張和生產(chǎn)力的增加，但硝酸鹽輸入過多，會(huì)導(dǎo)致氧化還原電位增加，造成土壤碳的分解[14]。也有學(xué)者認(rèn)為，相對于根系而言，營養(yǎng)鹽的增加主要是促進(jìn)嫩枝和幼苗的生長[33]。因此，在高鹽度、低濕度的干旱環(huán)境下，當(dāng)海岸帶富營養(yǎng)化促進(jìn)了嫩枝生長時(shí)，也增加了對根系吸收水分的需求。但根系可能無法滿足這種需求，這就增加了高鹽、干旱環(huán)境下的紅樹林死亡率，從而不利于碳埋藏過程[33]。

隨著對于紅樹林生態(tài)效應(yīng)認(rèn)識的加深和紅樹林面積日益縮減的嚴(yán)峻形勢，人們已經(jīng)開始意識到保護(hù)紅樹林的重要性。在REDD+計(jì)劃的框架下，許多國家和相關(guān)組織開展人工種植紅樹林的活動(dòng)，并取得顯著成果[34]。雖然，人工栽種的紅樹林土壤碳儲(chǔ)量要低于自然生長的紅樹林，但遠(yuǎn)高于裸地和其他土地利用類型[35]。并且，隨著紅樹林林齡的增加，人工紅樹林的生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量會(huì)逐漸恢復(fù)到接近于自然狀態(tài)的紅樹林水平[36]。

3 展望

在全球變化背景下，紅樹林碳埋藏過程能夠?qū)夂蜃兓?、海平面上?SLR)和人類活動(dòng)做出不同的響應(yīng)。降雨量增加可以促進(jìn)紅樹林?jǐn)U張，增加灘面沉積速率，從而有利于紅樹林碳埋藏；降雨量減少則會(huì)起到相反作用。全球變暖導(dǎo)致亞熱帶地區(qū)的冬季低溫事件減少，已經(jīng)造成許多地區(qū)紅樹林面積顯著擴(kuò)張，從而提高了紅樹林碳埋藏量。就當(dāng)前而言，除去澳大利亞等少數(shù)區(qū)域外，全球變暖在大多數(shù)地區(qū)對于紅樹林碳埋藏具有促進(jìn)作用。在短期內(nèi)，較低的海平面上升速率背景下，紅樹林可以通過增加灘面沉積速率和促進(jìn)根系代謝的方式，達(dá)到保持或提高碳埋藏速率的效果。但是從長期來看，不斷增加的海平面上升速率可能會(huì)對紅樹林碳儲(chǔ)量最高的熱帶地區(qū)紅樹林濕地造成嚴(yán)重威脅，如果不能采取有效措施維持這些紅樹林濕地的灘面高程增加速率，則這些紅樹林很有可能會(huì)在21世紀(jì)末由碳庫轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚础Ｄ壳埃祟悓τ诩t樹林的破壞性活動(dòng)已經(jīng)造成紅樹林面積和碳埋藏儲(chǔ)量的劇烈減少，沿岸水體富營養(yǎng)化總體上對于紅樹林碳埋藏有促進(jìn)作用。

綜合考慮以上各因素，為維持和增加紅樹林碳庫儲(chǔ)量，在熱帶地區(qū)應(yīng)著眼于維持和提高大型紅樹林濕地的灘面高程增加速率，這就需要科學(xué)管理河流入海水沙通量、控制海岸帶地下水開采量，并采取適當(dāng)措施增加流域泥沙供應(yīng)。在亞熱帶地區(qū)，應(yīng)該在適宜紅樹林生長的地區(qū)開展人工種植活動(dòng)，以期擴(kuò)大紅樹林面積。