人工紅樹林碳通量變化特征及其影響因素分析

申沖 王春林 趙曉松 盧燕宇 唐鈺琦 夏北成 李婷婷

0 引言

紅樹林濕地是重要的濱海藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)之一,具有極大的固碳速率以及長期且持續(xù)的固碳能力[1]．紅樹林的全球儲(chǔ)碳量高達(dá)3.7～6.2 Pg[2],其平均碳埋藏率約為 38.3 Tg·a-1(以C計(jì),下同),比熱帶陸地森林高50倍以上,能夠抵消人為CO2年排放量的 0.43%[3]．另外,紅樹林濕地還是重要的甲烷自然源之一,其CH4排放通量約為11.1～20.3 g·m-2·a-1[4]．在20 a的時(shí)間尺度內(nèi),紅樹林的CH4排放抵消了20%的藍(lán)碳埋藏[5]以及其吸收CO2所造成的50%的凈輻射冷卻效應(yīng)[6]．基于紅樹林濕地既是重要碳匯也是重要碳源的特性,需綜合考慮兩部分來研究紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳收支平衡情況,分析其對(duì)全球碳收支的影響,評(píng)估其對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)．

若要科學(xué)定量地評(píng)估紅樹林緩解氣候變化的潛力,需準(zhǔn)確量化紅樹林的碳通量收支．早期紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳通量主要采用箱式法進(jìn)行觀測(cè)[7-9],該方法觀測(cè)成本低且易于使用,但其測(cè)量只在地表或生物量的一小部分區(qū)域進(jìn)行,數(shù)據(jù)缺乏空間整合[10],且箱的影響可能會(huì)造成測(cè)量樣本的不確定性．近年來,渦動(dòng)相關(guān)法(EC)被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳交換觀測(cè)以克服這些問題．與箱式法相比,EC法能夠長期且連續(xù)地測(cè)量提供生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換(NEE),在生態(tài)系統(tǒng)尺度上集成連續(xù)通量信息．雖然EC法在紅樹林的應(yīng)用越來越多[11-13],但是相比于其他生態(tài)系統(tǒng),采用EC法對(duì)紅樹林濕地進(jìn)行碳通量觀測(cè)的研究較少,且研究多針對(duì)自然成熟紅樹林．近年來,利用EC法對(duì)碳通量開展的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)也揭示了影響紅樹林濕地碳交換的環(huán)境因子．紅樹林的碳交換過程同時(shí)受到氣候因子(溫度、降水和輻射)和非氣候因子(潮汐、高鹽度和海風(fēng))的影響．溫度是決定紅樹林空間分布和生長的主導(dǎo)因素[14],直接影響植物光合作用及呼吸作用,間接通過影響微生物活性,改變土壤有機(jī)碳(SOC)的礦化速率以及CH4的產(chǎn)生和氧化過程[15];降水可促進(jìn)紅樹林植物的生長,改變厭氧環(huán)境和鹽分等因素從而影響凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解過程,進(jìn)而改變CH4和CO2的凈交換和濕地的固碳速度[16];太陽短波輻射可促進(jìn)紅樹林植物光合作用的發(fā)生[17];潮汐淹浸直接影響紅樹林的淹水環(huán)境,使得缺氧條件下生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生的二氧化碳更少[18],間接影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸和光合作用;鹽脅迫會(huì)抑制紅樹林葉片表面積增長,從而減少光合作用,進(jìn)而減少紅樹林的碳積累[19];海風(fēng)通過冷卻作用緩解高溫,濕潤作用緩解高飽和水汽壓差(VPD)產(chǎn)生的大氣應(yīng)力,從而降低生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用并增加GPP[20]．Zhu等[20]利用EC測(cè)量碳通量得出環(huán)境影響對(duì)日NEE的重要性依次為光合有效輻射、氣溫、海風(fēng)、VPD、潮汐鹽度和潮汐淹浸．

隨著人口密度的增加,過去半個(gè)多世紀(jì)大面積紅樹林濕地被轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖場(chǎng)、農(nóng)田或城鎮(zhèn)．全球紅樹林面積減少了30%～50%,導(dǎo)致0.02～0.12 Pg·a-1的CO2釋放到大氣中,約占全球毀林排放CO2的10%[21]．我國紅樹林面積在1950—2000年間減少了50%～70%[22]．自1970年代以來,紅樹林的生態(tài)價(jià)值逐漸被認(rèn)可,世界各地采取了一系列保護(hù)和恢復(fù)紅樹林的措施[23]．某些溫室氣體減排計(jì)劃已將紅樹林保護(hù)和恢復(fù)作為其氣候緩解的優(yōu)先事項(xiàng)[24]．2000年以后,考慮到紅樹林濕地巨大的生態(tài)效益,我國開展了大量紅樹林生態(tài)恢復(fù)重建工作,使得我國紅樹林濕地恢復(fù)了近4 000 hm2[22]．人為恢復(fù)、重建的紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳交換過程因位置、氣候、沉積物類型、海岸地貌以及再生或再造林方法呈現(xiàn)出巨大的差異[25];此外,由于植物生物量積累率和土壤固碳率在不同恢復(fù)階段發(fā)生變化,會(huì)影響與光合作用以及呼吸作用相關(guān)的碳交換過程[26]．然而,迄今為止對(duì)于受到人為影響的恢復(fù)及重建紅樹林的碳通量觀測(cè)及機(jī)理研究較少．因此有必要對(duì)我國人工恢復(fù)紅樹林的碳交換特征及機(jī)制進(jìn)行深入研究．本研究采用EC法對(duì)位于珠江河口人工恢復(fù)紅樹林濕地進(jìn)行CO2和CH4通量觀測(cè),并分析其碳交換變化特征及影響因素．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域(113.64°E,22.60°N,圖1)位于中國廣州南沙濱海濕地公園內(nèi),屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,冬季盛行西北風(fēng),夏季盛行東南風(fēng)．該區(qū)域全年平均氣溫為21.8 ℃,平均年降水量1 635.6 mm[27]．南沙濕地屬于低沉積平原的河口濕地,是人工圍墾改造影響下河流和海洋的泥沙不斷淤積形成的灘涂．南沙濕地公園總面積約6.5 km2,濕地公園Ⅰ區(qū)為1994年恢復(fù),面積為2.4 km2,濕地公園Ⅱ區(qū)為2008年恢復(fù),面積為4.1 km2．渦動(dòng)相關(guān)(EC)系統(tǒng)位于Ⅱ區(qū)．濕地的紅樹林群落以黃槿(70%)和無瓣海桑(17%)為主,黃槿群落的冠層高度為3～4 m,林冠密度0.7～0.8．紅樹林排布呈條紋狀,植被冠層約占森林的60%．濕地公園內(nèi)水面比例為40%左右,水體鹽度在1%～8%．

圖1 南沙紅樹林濕地公園及通量觀測(cè)示意圖a.中國東南部及濕地公園位置(紅點(diǎn));b.南沙紅樹林濕地范圍及觀測(cè)塔位置(紅星);c.渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)塔Fig.1 Illustration of study site and eddy covariance systema.map of Southeast of China and location of study site (red dot);b.location of Nansha wetland park;c.photo of the eddy covariance tower

1.2 通量觀測(cè)方法

測(cè)量碳通量用到的方法為渦動(dòng)相關(guān)法(EC法),EC系統(tǒng)安裝在濕地公園中心高度為5 m的塔樓內(nèi)(圖1)．該系統(tǒng)由近距離紅外氣體分析儀(AGG,ABB-Los Gatos Research,USA)和三維聲波風(fēng)速儀(WindMaster Pro,Gill Instruments,USA)組成．CR3000數(shù)據(jù)記錄器以10 Hz的頻率記錄H2O、CO2和CH4的通量測(cè)量值．測(cè)量的氣象和土壤要素包括日平均氣溫(Ta,℃)、相對(duì)濕度(RH,%)(HMP155,Vaisala,Finland)、風(fēng)速(WS,m/s)和風(fēng)向(WD,°)(03002,RM Young,Inc.USA),以及5 cm和10 cm土壤溫度(Ts,℃)(109,Campbell Scientific,Inc.USA)和土壤水分(SWC,cm-3·cm-3)(CS616,Campbell Scientific,Inc.USA)．土壤鹽度(Hydra Prob 2,Campbell Scientific,Inc.USA)在土壤深度5 cm處測(cè)量了幾個(gè)月．所有測(cè)量值取30 min平均值,均由CR1000數(shù)據(jù)記錄器記錄．安裝在水面下1 m管道內(nèi)的水位探頭以30 min頻率測(cè)量水位和水溫(CS456,Campbell Scientific,Inc.USA)．

觀測(cè)系統(tǒng)收集了2019年和2020年的全年數(shù)據(jù)．在2020年6月之前,EC系統(tǒng)安裝在5 m高度層．系統(tǒng)可觀測(cè)范圍同時(shí)覆蓋紅樹林林分和開闊水域,源區(qū)范圍為觀測(cè)點(diǎn)周圍100～200 m[28]．隨著紅樹林林分的增長,樹冠向5 m高的塔樓靠近,縮小了通量源區(qū)域．為滿足EC通量觀測(cè)要求并保持下表面的代表性,在2020年6月將塔樓調(diào)整為10 m高．系統(tǒng)隨塔樓升至10 m高度,源區(qū)范圍擴(kuò)大到觀測(cè)周圍500～600 m．

30 min的氣象數(shù)據(jù)來自附近(1 km內(nèi))的標(biāo)準(zhǔn)氣象站(十九涌),太陽輻射數(shù)據(jù)來自廣州國家氣象站(113°19′E,23°08′N),這部分?jǐn)?shù)據(jù)用于填補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失．從MOD13Q1/MYD13Q1產(chǎn)品(空間分辨率250 m)中提取16 d歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)．

1.3 數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)插補(bǔ)

基于EddyPro軟件v6.1.0的FLUXNET標(biāo)準(zhǔn)程序,對(duì)通量數(shù)據(jù)做后處理．對(duì)10 Hz原始通量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行野點(diǎn)剔除[29]、延遲時(shí)間校正[30]、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)(二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))[31]、頻率響應(yīng)修正[32]、超聲虛溫修正和密度(WPL)修正[33]等過程．最后,分別去除33%的CO2通量數(shù)據(jù)和38%的CH4通量數(shù)據(jù)．通過隨機(jī)森林方法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ),獲得完整時(shí)間序列的通量數(shù)據(jù)．

渦動(dòng)相關(guān)法觀測(cè)的通量值為凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換NEE,生態(tài)系統(tǒng)呼吸Re和總初級(jí)生產(chǎn)力GPP需要通過NEE來推算．為了從NEE中分離GPP和Re,通常的方法是應(yīng)用下面的表達(dá)式:

GPP=NEE-Re.

(1)

在夜間,沒有光合作用,因此GPP=0,Re=NEE．而在生長季的白天,基于白天呼吸速率對(duì)溫度的響應(yīng)與夜間相同的假設(shè),應(yīng)用夜間通量對(duì)溫度的響應(yīng)方程來估算白天的呼吸[34],然后再計(jì)算GPP[35]．凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換NEE為正值,表示植被向大氣中釋放CO2,NEE為負(fù)值表示植被凈吸收大氣中CO2．NEE的符號(hào)均表示方向,而不代表大?。瓽PP通常也用負(fù)值表示,代表植被吸收CO2．

1.3.2 通徑分析

應(yīng)用通徑分析方法解析環(huán)境因子與通量之間的關(guān)系[36]．通徑分析是基于多元回歸和相關(guān)分析的基本原則,通過計(jì)算直接和間接通徑系數(shù),使得環(huán)境因子具有解釋性的結(jié)構(gòu)．在分析一個(gè)因變量與多個(gè)自變量間的關(guān)系時(shí),可以很好地解釋自變量對(duì)因變量的直接、間接作用．分別對(duì)GPP、Re和NEE日值進(jìn)行通徑分析,通過參數(shù)化對(duì)NEE的標(biāo)準(zhǔn)化直接效應(yīng)和總效應(yīng),統(tǒng)計(jì)識(shí)別顯著影響NEE的氣候驅(qū)動(dòng)因素,并量化其相對(duì)重要性．本研究中與CO2和CH4通量相關(guān)的環(huán)境因子包括總輻射(Ra)、氣溫(Ta)、土壤溫度(Ts)、水汽壓(ea)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(WS)、土壤含水量(SWC)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和水面積比例(Pw)．利用逐步回歸的方法,建立環(huán)境因子與CO2和CH4通量之間的線性回歸方程,得到環(huán)境因子之間的直接通徑系數(shù),同時(shí)得到環(huán)境因子與通量之間的相關(guān)系數(shù)和各環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)．間接通徑系數(shù)=rij·Pjy,表示自變量xi通過自變量xj對(duì)因變量y的間接作用．其中:rij為自變量xi與xj的相關(guān)系數(shù);Pjy為自變量xj對(duì)因變量y的直接通徑系數(shù)．通徑系數(shù)大小表示自變量xi對(duì)因變量y的影響大小,正負(fù)分別表示正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)．

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境因子變化特征

研究區(qū)為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季溫暖濕潤,冬季涼爽干燥．總輻射(Ra)的季節(jié)變化呈單峰型(圖2a),受降水等天氣現(xiàn)象影響,日值波動(dòng)較大,其變化范圍為10～325 W·m-2,最大值出現(xiàn)在8月．在春季或夏季受連續(xù)降水影響,可能出現(xiàn)低值區(qū),如2020年7月．日均氣溫(Ta)季節(jié)變化明顯(圖2b),其變化范圍在9.5～ 32.1 ℃；土壤溫度(Ts)的波動(dòng)小于氣溫．2019年年均氣溫為24.2 ℃,略高于2020年的23.9 ℃．水汽壓(ea)與氣溫的變化趨勢(shì)一致(圖2c),日均值在0.5～3.4 kPa之間,峰值多出現(xiàn)在降水少、氣溫高的夏秋季．植被指數(shù)NDVI的季節(jié)變化呈倒V型(圖2d),最大值0.8左右,出現(xiàn)在9—10月,最小值0.2左右,出現(xiàn)在2—3月．2019年和2020年年降水量分別為2 085和1 356 mm．2019年是偏濕潤的年份,而2020年是偏干旱的年份．

圖2 南沙紅樹林濕地環(huán)境因子變化特征Fig.2 Variation of environmental factors over Nansha wetland park during 2019-2020

2.2 CO2和CH4通量日變化特征

CO2通量具有明顯的日變化特征,即白天負(fù)值凈碳吸收,夜間為正值凈碳排放(圖3a)．在1—5月,白天NEE的碳吸收在-5～-10 μmol·s-1·m-2之間,與夜間的呼吸作用Re量級(jí)相當(dāng)．隨著植被生長和溫度升高,白天和夜間NEE強(qiáng)度均有增加的趨勢(shì)．白天NEE最大值出現(xiàn)在9—10月,峰值可達(dá)到-20～-28 μmol·s-1·m-2．這一時(shí)期的夜間呼吸作用強(qiáng)度為15～20 μmol·s-1·m-2．受全年風(fēng)向的影響,NEE對(duì)應(yīng)的下墊面水面比例也有所不同,水面比例變化在 20%～70%之間,平均為40%左右(圖3c)．CH4通量表現(xiàn)為凈排放(圖3b),夏季(6月)之前和秋季(10月)之后CH4通量的晝夜差異不大,排放速率在0.2 μmol·s-1·m-2左右．CH4通量的排放峰值出現(xiàn)在8月,與溫度的峰值高度一致,日內(nèi)最大排放速率可達(dá)1.2 μmol·s-1·m-2,時(shí)間出現(xiàn)在正午．

圖3 CO2,CH4通量及下墊面水面積比例日變化特征Fig.3 Daily variations of CO2,CH4 flux and water cover percentage

為進(jìn)一步分析NEE波動(dòng)及其成因,將NEE分為日間CO2通量(Fc)和夜間呼吸(Re)(圖4)．月均NEE變化在-1～2 μmol·s-1·m-2之間,無明顯的季節(jié)變化規(guī)律．日間Fc變化在-2 ～-6 μmol·s-1·m-2之間,顯著低于成熟紅樹林的日間CO2交換速率(-8～-18 μmol·s-1·m-2)[12]．而夜間Re范圍在3～7 μmol·s-1·m-2范圍,與成熟紅樹林呼吸速率相當(dāng)(2～7 μmol·s-1·m-2)[12]．日間Fc和夜間Re的季節(jié)變化均呈單峰型,但其峰值出現(xiàn)的時(shí)間不同,日間Fc峰值出現(xiàn)在8—11月,而夜間Re峰值一般出現(xiàn)在8—9月．1—6月期間,白天凈吸收速率為-2 μmol·s-1·m-2左右,小于夜間呼吸速率3～4 μmol·s-1·m-2,因此NEE為正值,表現(xiàn)為碳釋放．當(dāng)7—11月白天凈吸收峰值(-5～-6 μmol·s-1·m-2)而夜間呼吸逐漸下降時(shí),NEE逐漸表現(xiàn)為碳匯,并在9—11月達(dá)到凈碳吸收最大．12月隨著光合和呼吸作用的減弱,NEE又轉(zhuǎn)為碳源．

圖4 日間、夜間和凈CO2交換的季節(jié)變化箱式圖Fig.4 Boxplot of monthly variations of daytime CO2 exchange (Fc),nighttime respiration (Re),and daily NEE in 2019

2.3 CO2和CH4通量季節(jié)變化特征

圖5所示,NEE無明顯的季節(jié)變化規(guī)律,在2—4月NEE為正值,排放速率達(dá)到2～3 g·m-2·d-1(以C計(jì),下同),在8—11月呈現(xiàn)吸收峰值,達(dá)到-2 g·m-2·d-1．為了方便GPP與Re比較,圖5中將GPP均用正值表示．GPP和Re呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化．Re峰值出現(xiàn)在8月,GPP峰值滯后．GPP日變化范圍在-0.5～-7 g·m-2·d-1之間,受到降水增多的影響3—4月波動(dòng)較大．8月達(dá)到峰值,在8—10月均維持在較高的值(-4.5 ～-6.8 g·m-2·d-1)．GPP的變化與NDVI的變化具有一致性．Re季節(jié)波動(dòng)較小,在3～6 g·m-2·d-1之間,呈典型的單峰曲線變化,在8月達(dá)到最大值,隨后迅速下降．2019年和2020年最大月GPP分別為-150和-145 g·m-2·month-1(圖5b)．

圖5 CO2和CH4通量日尺度和月尺度變化特征，NEE,Re和GPP日變化(a)和月變化(b),CH4日變化(c)和月變化(d)Fig.5 (a)Daily variation of NEE,Re and GPP;(b)monthly variation of NEE,Re and GPP;(c)daily variation of CH4 flux;and (d)monthly variation of CH4 flux

NEE的季節(jié)變化是GPP和Re共同作用的結(jié)果．2019年月Re最大值為160 g·m-2·month-1,出現(xiàn)在8月.在8月之前月Re大于GPP,導(dǎo)致NEE為正,并在3月達(dá)到最大值30 g·m-2·month-1．8月以后,Re逐漸下降,而GPP仍處于高值,NEE轉(zhuǎn)為負(fù)值,吸收峰分別出現(xiàn)在2019年10月(-10 g·m-2·month-1)和2020年11月(-12 g·m-2·month-1)．總體而言,2019—2020年GPP為-1 334.8～-1 465.7 g·m-2·a-1,Re為1 398.7～1620.70 g·m-2·a-1,紅樹林濕地公園凈CO2通量為74.9～138.4 g·m-2·a-1．

CH4排放通量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征,排放高值出現(xiàn)在夏秋季,低值出現(xiàn)在冬春季(圖5c)．其季節(jié)變化與溫度具有很好的一致性．CH4日通量范圍為0.02～0.15 g·m-2·d-1(圖5c),2019年8月峰值為4.5 g·m-2·month-1,2020年7月峰值為4 g·m-2·month-1(圖5d)．2019—2020年紅樹林濕地CH4排放通量為25.1～25.9 g·m-2·a-1,為CH4碳源．

2.4 CO2和CH4的環(huán)境影響因素分析

凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量受光合作用和呼吸作用兩個(gè)生理過程控制,而GPP和Re的變化又受到各種生物物理因素和植物物候?qū)W的驅(qū)動(dòng)[37]．由于環(huán)境因子相互作用信息重疊,先采用通徑分析方法判斷各環(huán)境因子對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量的影響．根據(jù)多元回歸分析,日尺度NEE主要受Ra、Pw和ea三個(gè)因素影響,R2=0.43,回歸方程只能解釋43%的NEE日變化．由于NEE與GPP和Re直接相關(guān),進(jìn)一步分析環(huán)境因子通過GPP和Re對(duì)NEE的間接影響．通徑分析的結(jié)構(gòu)圖顯示(圖6a),NEE與GPP的直接通徑系數(shù)更高．雖然GPP和Re被認(rèn)為在空間和時(shí)間上都是耦合的,但在響應(yīng)變化的環(huán)境條件時(shí),GPP往往是NEE的主要驅(qū)動(dòng)因素．Ra、Ta、NDVI、ea和Pw通過影響GPP和Re進(jìn)而間接影響NEE．通徑系數(shù)顯示(表1),無論直接還是間接作用,Ra和Pw均對(duì)NEE有高的負(fù)相關(guān)作用．盡管Ta和ea與NEE的直接通徑系數(shù)很高,但由于它們對(duì)GPP和Re的作用相反,因此對(duì)NEE的間接作用反而降低．雖然NDVI對(duì)NEE的直接作用很小,但其通過與GPP的高度相關(guān)性,而對(duì)NEE有很高的間接影響．綜合直接和間接通徑關(guān)系,Ra為最重要的影響因子,而Ta、NDVI和Pw主要通過影響GPP而間接影響NEE．

圖6 環(huán)境因子與NEE(a)和CH4(b)通量的通徑分析(實(shí)線箭頭表示直接通徑,數(shù)值表示通徑系數(shù)；虛線箭頭表示相關(guān)性,數(shù)值表示相關(guān)系數(shù))Fig.6 Path diagrams illustrating direct and indirect effects of environmental factors on NEE and CH4 fluxes.Solid arrows denote direct path effect,values on which are direct path coefficients.Dashed arrows denote the relationship between parameters,values on which are correlation coefficients

表1 環(huán)境因子對(duì)NEE的直接和間接通徑系數(shù)Table 1 Direct and indirect path coefficients of environmental factors on daily NEE

多元回歸分析顯示,CH4日通量的影響因子為Ta、Re和NDVI,直接通徑系數(shù)分別為0.43、0.35和0.23(圖6b),R2=0.72,說明方程能解釋72%的CH4通量日變化特征．同時(shí)Ta和NDVI又通過影響Re而間接影響CH4通量．通徑分析顯示了環(huán)境因子的這種直接和間接影響結(jié)構(gòu),Ta和NDVI對(duì)CH4的間接通徑系數(shù)分別為0.22和0.12．

2.5 人工紅樹林與自然紅樹林碳通量對(duì)比分析

南沙紅樹林濕地公園人工恢復(fù)12 a后,仍然為CO2和CH4源,2019—2020年CO2通量為74.9 ～138.4 g·m-2·a-1,CH4通量為25.1～25.9 g·m-2·a-1．而已有研究中人工恢復(fù)20～30 a的紅樹林碳交換為-851±195 g·m-2·a-1[11,37-39],自然紅樹林碳交換為-664±171 g·m-2·a-1[12,20,40-42],均為強(qiáng)的碳匯(圖7,為便于比較,圖中用正值表示GPP)．對(duì)比GPP和Re發(fā)現(xiàn),南沙紅樹林的GPP明顯低于其他人工恢復(fù)和自然紅樹林,而Re卻接近其他紅樹林的高值．已有研究中的人工紅樹林往往選擇生長快且樹木高的無瓣海桑進(jìn)行種植,恢復(fù)20～30 a左右的無瓣海桑植被高度可達(dá)12～15 m,其植被生產(chǎn)力更高[11,41]．而自然紅樹林通常為3～6 m高的秋茄,白骨壤和桐花樹等植被群落[12,20,40-42],因此,這些人工恢復(fù)紅樹林具有更高GPP和Re,碳匯強(qiáng)度也高于自然紅樹林(圖7)．本研究中的人工紅樹林為黃瑾群落,植被高度4～6 m,林齡短且植被的面積只有60%左右,使得群落GPP偏低．同時(shí),高達(dá)40%的水面,造成水體CO2的高排放,使得生態(tài)系統(tǒng)呼吸增強(qiáng)．植被光合作用生產(chǎn)的GPP無法抵消植被、土壤和水體的呼吸作用,最終使得南沙紅樹林濕地成為CO2碳源．

圖7 人工和自然紅樹林碳通量對(duì)比分析Fig.7 Comparison of carbon exchange between restored and natural mangroves

紅樹林通常被認(rèn)為是CH4源[5]．南沙紅樹林濕地CH4年排放量為25.1～25.9 g·m-2·a-1,顯著高于其他紅樹林CH4排放(1.2～11.7 g·m-2·a-1)[6,20,42-43]．造成本研究紅樹林濕地CH4排放高的原因：一方面,濕地公園不受潮汐的影響,水體鹽度較低,CH4排放不受鹽度高的抑制作用;另一方面,水面比植被具有更高的CH4排放速率,而濕地公園高的水面比例(40%)也是造成CH4排放高的重要原因．

在全球范圍內(nèi),土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)造成的天然濕地?fù)p失約為33%～57%[43]．LUCC(1990—2018年)每年至少會(huì)導(dǎo)致0.96±0.22 Gt CO2-eq的溫室氣體釋放到大氣中,占IPCC 2014年全球溫室氣體年排放量的8.0%～9.6%[43-44]．濕地恢復(fù)的建設(shè)有望彌補(bǔ)全球范圍內(nèi)土地利用/土地覆蓋變化造成的碳損失，但不同類型濕地生態(tài)系統(tǒng)向碳匯轉(zhuǎn)化的持續(xù)時(shí)間不同．溫帶濱海濕地恢復(fù)12 a后仍然是碳源[45]．恢復(fù)20 a的紅樹林碳吸收能力可達(dá)到-851 g·m-2·a-1[37]．湄公河三角洲人工紅樹林恢復(fù)35 a后與自然紅樹林的碳儲(chǔ)存水平相似[46]．隨著植被生長,GPP進(jìn)一步增加,然而,溫度升高會(huì)增加CH4和Re的排放,因此,南沙紅樹林濕地達(dá)到碳平衡還需要很長的時(shí)間．南沙濕地為了鳥類保護(hù)和休閑娛樂,而保留了大面積的水域．盡管紅樹林濕地目前仍是碳源,但其在環(huán)境保護(hù)和生態(tài)旅游等方面仍發(fā)揮著重要的作用．

3 結(jié)論

本研究基于渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù),分析珠江口人工恢復(fù)紅樹林濕地CO2和CH4通量特征及其影響因素．研究發(fā)現(xiàn),NEE的季節(jié)波動(dòng)較大,日NEE以正值碳排放為主,碳吸收出現(xiàn)在9—11月．GPP和Re均呈單峰型季節(jié)變化,Re的峰值出現(xiàn)在8月,GPP峰值滯后且持續(xù)時(shí)間長．CH4通量季節(jié)變化與溫度具有很好的一致性,排放最大值出現(xiàn)在7—8月．2019—2020年紅樹林濕地CO2通量為74.9～ 138.4 g·m-2·a-1,CH4通量為25.1～25.9 g·m-2·a-1,均為CO2和CH4的源．總輻射是控制NEE季節(jié)變化的最主要因素,盡管氣溫、NDVI均對(duì)NEE和CH4排放產(chǎn)生影響,但其影響途徑不同．氣溫和NDVI對(duì)NEE的影響是通過GPP產(chǎn)生間接作用,而對(duì)CH4通量的影響則是通過Re．由于南沙紅樹林濕地水面比例較高,其達(dá)到碳平衡還需要很長的時(shí)間．