紅樹林碳埋藏過程對海平面上升、氣候變化和人類活動的響應(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實驗室，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，全球紅樹林的初級生產(chǎn)力(以碳計)平均值可達(dá)到(218±72) Tg/a[2]。同時，紅樹林內(nèi)沉積速率快，周期性浸水形成的土壤厭氧環(huán)境使得有機物分解相對緩慢，從而在沉積過程中埋藏大量的有機碳[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)，紅樹林碳儲量平均可達(dá)937 Mg/hm2[5]。紅樹林濕地的碳儲量分為兩個部分：其一為紅樹林生物碳儲量，包括地面生物碳儲量、地下生物碳儲量以及地表凋落物；另一部分為土壤碳儲量,可占到紅樹林總碳儲量的50%-90%[1]。印度洋-太平洋熱帶地區(qū)的紅樹林土壤碳儲量平均為1 023 Mg/hm2，為全球最高[1]。亞熱帶紅樹林碳儲量明顯低于熱帶紅樹林。例如，我國紅樹林的平均碳儲量為(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，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碳，因而具有很高的碳儲量。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，因此土壤碳儲量較低。在我國紅樹林當(dāng)中，超過80%的埋藏有機碳分布在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間、單位面積內(nèi)，被埋藏進(jìn)沉積物的有機碳質(zhì)量。這一參數(shù)可以反映紅樹林沉積物封存有機碳的能力，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)。可以看出，當(dāng)前對于紅樹林碳埋藏研究的熱點區(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。這是因為在有機物輸入通量不變的情況下，較高的沉積速率有利于有機質(zhì)被迅速埋藏，可以降低有機質(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間和更加缺氧的灘面環(huán)境，同樣有利于抑制有機質(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的響應(yīng)，下面就這3種響應(yīng)機制分別進(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道[16]。

實線箭頭代表正響應(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，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碳含量，也就起到了保持或提高有機碳埋藏速率的效果。如果海平面上升速率過快，超過灘面高程增加速率，紅樹林則會因為淹沒時間過長而死亡，封存在紅樹林土壤層中的有機碳會因侵蝕作用而暴露，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張，紅樹林面積增加69%，當(dāng)?shù)乜偺純α縿t增加22%[19]。新生紅樹林單位面積的碳儲量可達(dá)到鹽沼的2倍，碳儲量的增加速率為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年是臺風(fēng)頻率和冬季低溫事件發(fā)生頻率偏低的2個時期，紅樹林面積在這2個時期顯著增加，截止2013年紅樹林埋藏碳儲量增加約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，降雨量增加會導(dǎo)致沿岸水體鹽度減小，有利于減緩表層土壤中有機碳的分解速率。反之，降雨量減少會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]。

全球變暖會導(dǎo)致強熱帶氣旋出現(xiàn)頻率增加[24]，強熱帶氣旋可能會引發(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 人類活動對紅樹林碳埋藏過程的影響

人類對紅樹林的破壞性活動，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量減少[27]。紅樹林的大量破壞會導(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量為706-1 131 Mg/hm2，在開挖成蝦塘并被廢棄后，其碳儲量降低到95 Mg/hm2，僅為原來碳儲量的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，人類活動會破壞地表，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截留泥沙，造成河口沉積物補給減少，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。營養(yǎng)鹽的增加會促進(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，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，并取得顯著成果[34]。雖然，人工栽種的紅樹林土壤碳儲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)力和碳儲量會逐漸恢復(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⒑Ｆ矫嫔仙?SLR)和人類活動做出不同的響應(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對紅樹林碳儲量最高的熱帶地區(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在21世紀(jì)末由碳庫轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?。目前，人類對于紅樹林的破壞性活動已經(jīng)造成紅樹林面積和碳埋藏儲量的劇烈減少，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，以期擴大紅樹林面積。