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        紅樹林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和潛力研究進(jìn)展

        2018-03-19 01:21:02陳孟晨姜劉志李欠男梅立永
        山東林業(yè)科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:紅樹紅樹林潛力

        陳孟晨 ,陳 義 ,姜劉志 ,李欠男 ,王 石 ,胡 月 ,梅立永

        (1.深港產(chǎn)學(xué)研基地,廣東 深圳 518057;2.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司,廣東 深圳 518055;3.北京大學(xué)深圳研究生院,廣東深圳 518055)

        隨著土地利用變化和化石燃料使用等人類活動的干擾,生物圈和土壤圈的有機(jī)碳大量釋放,大氣中CO2等溫室氣體濃度不斷升高,對地球系統(tǒng)的影響日益加劇[1]。全球氣候變化已嚴(yán)重威脅人類的生存與發(fā)展,政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)預(yù)測,到2100年全球地表溫度將上升1.1~6.4℃,全球海平面不斷上升,這種全球尺度的氣候變化給陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來了深遠(yuǎn)影響[2]。為了應(yīng)對氣候變化,CO2的減排增匯是當(dāng)前國際地學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

        紅樹林是分布在熱帶、亞熱帶潮間海岸帶的木本植物群落,它具有獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生理生態(tài)過程,對潮間帶灘涂環(huán)境有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力[3]。紅樹林不但具有防風(fēng)消浪、保護(hù)堤岸、促淤造陸、凈化水體等多種功能,還是一些海禽、魚、蝦和貝類的重要棲息地[4]。然而自20世紀(jì)50年代以來,由于自然因素和人類活動的干擾,紅樹林遭受了較大的破壞,全球35%的紅樹林已經(jīng)消失,我國紅樹林總面積呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢[5]。受海岸帶開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及圍墾等因素影響,上世紀(jì)我國紅樹林面積急劇減少,但近年來由于相關(guān)部門意識到紅樹林資源的重要性,實(shí)施了一系列紅樹林生態(tài)恢復(fù)工程,紅樹林的面積得以逐漸恢復(fù)增加[6]。

        紅樹林作為典型的濱海濕地“藍(lán)碳”,是海陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)交換的場所,在全球碳循環(huán)中扮演重要角色[7]。目前,關(guān)于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和潛力的研究相對較少,且缺乏綜合性的論述。本文將從紅樹林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和潛力的研究現(xiàn)狀、研究方法、環(huán)境因子對紅樹林固碳功能的影響及紅樹林保護(hù)和增匯措施幾個方面,對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能和潛力進(jìn)行初步分析,以期加深對紅樹林固碳功能的認(rèn)識,并為我國紅樹林森林碳匯的建設(shè)和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

        1 紅樹林固碳功能和潛力研究現(xiàn)狀

        1.1 固碳功能和潛力

        生態(tài)系統(tǒng)固碳主要指森林、草地、農(nóng)田、荒漠、濕地和海洋等生態(tài)系統(tǒng)在光合作用過程中捕獲大氣中CO2的過程。生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能取決于碳素輸入速率和碳素輸出速率的對比,碳素輸入過程主要通過植物凈光合作用實(shí)現(xiàn),而碳素輸出過程主要指森林土壤和動物的異養(yǎng)呼吸過程以及凋落物的礦質(zhì)化過程[8]。

        不同學(xué)者對固碳潛力的定義不同,Cannell[9]認(rèn)為固碳潛力包括理論固碳潛力和實(shí)際固碳潛力,理論固碳潛力是由植物自身生長特性、氣候和環(huán)境條件共同決定的;實(shí)際固碳潛力是在社會、經(jīng)濟(jì)因素和管理?xiàng)l件限制下所能達(dá)到的固碳潛力。于貴瑞等[10]將固碳潛力定義為特定目標(biāo)年和環(huán)境背景下,生態(tài)系統(tǒng)可能達(dá)到的最大固碳能力。目前,國際上對于固碳潛力并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的定義,但當(dāng)前研究中的固碳潛力,多指在未來氣候變化背景和推薦的管理措施下,大氣中CO2封存在生態(tài)系統(tǒng)中的最大量。

        1.2 紅樹林植被固碳研究現(xiàn)狀

        目前,全球紅樹林總面積約為1.5×108hm2,主要分布于南、北回歸線間的熱帶地區(qū)[11],我國紅樹林總面積約為3.3×104hm2,分布在廣西、廣東、海南、福建和臺灣等省份[5]。由于紅樹林水熱環(huán)境優(yōu)越,植被生產(chǎn)力較高,并且地下根系周轉(zhuǎn)較為緩慢,較高的沉積速率和較低的分解速率使得紅樹林生態(tài)系統(tǒng)有著較高的固碳能力[1](段曉男等,2006)。Twiley等[11]研究發(fā)現(xiàn),全球紅樹林植物的碳儲量約為4.03 Pg,其中分布在緯度0-10°地區(qū)的紅樹林碳儲量約占總量的70%,這可能是因?yàn)檫@些地區(qū)紅樹林面積較大且水熱條件優(yōu)越所致。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的高低取決于其分布面積和固碳速率,全球紅樹林濕地每年的固碳量約為0.18 Pg,其中紅樹林植被固碳量約為 0.16 Pg·a-1,土壤固碳約為 0.02 Pg·a-1,是全球重要的碳匯之一[11]。胡杰龍等[12]研究發(fā)現(xiàn),海南東寨港紅樹林的固碳總量為29.56×104t,單位面積固碳量為187.54 t·hm-2,相比其他生態(tài)系統(tǒng)具有較高的固碳能力。毛子龍等[13]研究發(fā)現(xiàn)秋茄(Kandeliacandel)紅樹林的植被碳密度高達(dá)104.07~239.51 t·hm-2,顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng),其植被碳密度約為西雙版納熱帶雨林的2~3倍。

        2 紅樹林固碳功能和潛力研究方法

        根據(jù)研究對象的時空尺度和研究手段,可以大體將研究方法分為 3類:樣地調(diào)查法、異速生長方程法和遙感估算法。利用光合反應(yīng)方程式計(jì)算植物的碳儲量,每生產(chǎn)1 g干物質(zhì),需要1.62gCO2,即固定純碳量0.44g。

        2.1 樣地調(diào)查法

        樣地調(diào)查法以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過收獲法精確測定紅樹植物地上地下生物量、枯落物和土壤等碳庫的碳儲量,在連續(xù)測定的基礎(chǔ)上可以分析紅樹林生態(tài)系統(tǒng)各部分碳庫之間的流通量,進(jìn)而推算出紅樹林的植被固碳能力。由于紅樹林資源的保護(hù)性及所處生境的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的樣地調(diào)查方法更適合小尺度或均質(zhì)區(qū)域的研究,難以適應(yīng)于大尺度的紅樹林生態(tài)系統(tǒng)研究[3]。

        2.2 異速生長方程法

        許多數(shù)學(xué)者采用異速生長理論評估紅樹林生物量,通過測量紅樹植物胸徑和樹高來構(gòu)建異速生長方程,即伐倒少許樹木,確定生物量與胸徑和樹高的回歸關(guān)系,然后利用回歸關(guān)系和所有樹木的實(shí)測胸徑和樹高推算生物量,進(jìn)而推算紅樹林植被的碳儲量和固碳潛力[14]。

        不同紅樹植物的異速生長方程具有差異性,目前研究者建立了多種紅樹植物的異速生長方程,一些研究者還嘗試建立具有普適性的異速生長方程來預(yù)測群落生物量[15]。異速方程法適用于估算具有明顯單一主干紅樹植物的生物量,如木欖(Bruguiera gymnorrhiza)、海 蓮(Bruguiera sexangula)、 海 桑(Sonneratia caseolaris)屬植物,而對于分枝生長類型的紅樹植物生物量估算則存在一定難度。

        2.3 遙感估算法

        遙感技術(shù)已被應(yīng)用于紅樹林濕地監(jiān)測、生物量、碳儲量和固碳能力等多個方面的研究,在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)固碳研究中發(fā)揮了巨大作用[16]。利用遙感來反演紅樹植被碳儲量,即建立遙感參數(shù)與植被生物量之間的關(guān)系,進(jìn)而求得植被的碳儲量及固碳能力。目前主要有光學(xué)遙感和雷達(dá)遙感兩種方法,核心是擬合植被指數(shù)或雷達(dá)散射系數(shù)與植被生物量之間的關(guān)系[17]。Rodriguez等[18]利用SRTM數(shù)據(jù)構(gòu)建了紅樹植物平均高度與生物量之間的關(guān)系,獲得美國大沼澤地國家公園生物量地圖。黎夏等[19]基于雷達(dá)后向散射系數(shù)建立了紅樹林植被生物量的估算模型,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)雷達(dá)后向散射系數(shù)模型相較NDVI模型具有更高的精度。

        3 紅樹林固碳潛力的影響因素

        紅樹林生長環(huán)境復(fù)雜,其固碳功能和潛力受溫度、海水鹽度、土壤、植被類型和潮汐等多種因素制約,空間差異較大[3,20]。

        3.1 物種組成對紅樹林固碳潛力影響

        生物量決定了紅樹林植被的碳儲量,樹種組成及林齡是影響紅樹林植被的碳儲量及固碳潛力的重要因素。一般而言,木本植物在幼年時的固碳速率較高,隨著林齡的增加,固碳速率逐漸降低,但植被碳儲量會在達(dá)到成熟林前不斷增加[21]。彭聰姣等[22]研究深圳福田紅樹林保護(hù)區(qū)不同紅樹群落發(fā)現(xiàn),白骨壤(Avicennia marina)、秋茄、海桑和無瓣海桑(Sonneratia apetala)群落的植被碳儲量分別為29、128、100、74 t hm-2,各群落的凈初級生產(chǎn)力分別為8.75、7.67、9.60、11.87 t C·hm-2·a-1, 這種差異主要受物種和群落密度的影響。此外,樹種會改變土壤理化性質(zhì)和微生物活性,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的密度[23]。

        3.2 溫度對紅樹林固碳潛力影響

        溫度(氣溫、土壤溫度和水溫)決定了紅樹林的分布范圍及生產(chǎn)力,是調(diào)節(jié)紅樹林生長的重要環(huán)境因素[24]。一般而言,隨著緯度的降低,紅樹植物的種類不斷增加,且紅樹植物的碳儲量與其株高和所處緯度呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性,隨著緯度的降低,紅樹植物的碳儲量及其株高也隨之上升[24]。陳鷺真等[25]研究發(fā)現(xiàn),冬季低溫抑制了紅樹林的固碳能力,是限制紅樹植物在高緯度地區(qū)分布的主要原因。

        溫度是影響紅樹林固碳潛力的主要環(huán)境因素[26,27]。一方面,溫度通過對植物光和呼吸作用的影響改變紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳輸入,適宜的溫度下,紅樹植物有較高的生產(chǎn)力,而當(dāng)溫度過高或過低時,其固碳能力都會受到抑制[26];另一方面,溫度通過對土壤微生物分解作用的影響來改變土壤呼吸,在一定范圍內(nèi),土壤呼吸隨土壤溫度的增加而升高[27]。

        3.3 鹽度對紅樹林固碳潛力影響

        紅樹植物具有獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生理生態(tài)過程,能夠在特殊的海水鹽度環(huán)境中定居。不同的紅樹植物具有不同的鹽度適應(yīng)范圍,一般而言,紅樹植物的最適生長鹽度為10‰~20‰[28],當(dāng)鹽度過低或過高時,紅樹植物的光合作用、蛋白質(zhì)合成和能量代謝等生理生態(tài)過程就會受到抑制,進(jìn)而降低了其固碳能力。金川[20]發(fā)現(xiàn)鹽度顯著影響秋茄和無瓣海桑葉片中的葉綠素含量,且隨著鹽度的增加,葉綠素含量呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢。

        鹽度通過改變紅樹植物組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其光合作用,如鹽脅迫會造成葉綠體雙層膜損壞,基粒片層之間的連接出現(xiàn)斷裂,最終影響光合作用。廖巖等[29]發(fā)現(xiàn)海桑、無瓣海桑與紅海欖在不同鹽度脅迫下,其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率與鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。高鹽度環(huán)境中,小花木欖的葉片氣孔面積減少,葉肉厚度及細(xì)胞間隙顯著降低,結(jié)構(gòu)上的變化限制了CO2擴(kuò)散,降低了光合作用,進(jìn)而減小了紅樹植物的固碳能力[20]。

        3.4 土壤沉積物對紅樹林固碳潛力影響

        土壤沉積物是影響紅樹林固碳潛力的重要環(huán)境因子,紅樹林可以生長分布在砂質(zhì)、泥炭、基巖和珊瑚礁海岸上,但是以淤泥質(zhì)潮灘分布最廣、生長最好。Nitto等[30]研究發(fā)現(xiàn)紅樹林生物量與沉積物中粒徑大于0.02 mm的顆粒百分含量有關(guān),含量越高紅樹林生物量越大[31]。梁文等[32]研究發(fā)現(xiàn)土壤條件影響著紅樹林的組成、分布和生長,且不同紅樹植物通過促淤保灘等作用又對土壤產(chǎn)生不同影響。

        3.5 人類活動對紅樹林固碳潛力影響

        由于人們對紅樹林餓功能和作用認(rèn)識不足,大面積的紅樹林受到人類活動的干擾破壞。人類活動不僅直接擠占了紅樹林的立地空間,還間接導(dǎo)致了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的退化[6]。世界各地的紅樹林廣泛遭受城市污染、溢油、水運(yùn)發(fā)展等人類活動的威脅,造成我國紅樹林退化的主要原因有污染、圍墾、城市建設(shè)、過度捕撈和采集、外來物種入侵[33]。

        人類活動的強(qiáng)度直接影響著紅樹林固碳潛力的發(fā)揮,一般性的生活污水排放增加了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入,可以提高紅樹林的固碳潛力[34],而徐頌軍等[35]發(fā)現(xiàn)重污水會降低紅樹林植物葉片的光合作用、葉綠素濃度、酶活力等,從而降低了紅樹林的固碳潛力。賈明明[5]研究發(fā)現(xiàn)圍墾不僅直接減少了紅樹林分布面積,還導(dǎo)致紅樹林生境破碎化,降低了紅樹林的固碳潛力。毛子龍等[36]研究發(fā)現(xiàn),外來種薇甘菊(Mikania micranthaH.B.K.)的入侵顯著降低了紅樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及固碳潛力。

        4 紅樹林保護(hù)及增匯對策

        紅樹林生態(tài)系統(tǒng)因其特殊的生存環(huán)境,在植物生長、促淤造陸等生態(tài)過程中積累了大量的有機(jī)碳。當(dāng)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)受到干擾破壞后,它會由碳匯變?yōu)樘荚矗⑨尫糯罅繙厥覛怏w[37,38]。因此,保護(hù)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)及增強(qiáng)其碳匯能力具有生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

        增強(qiáng)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力,既要加強(qiáng)對現(xiàn)存紅樹林資源的保護(hù)和管理,也要重視受破壞紅樹林的修復(fù)工作。我國在紅樹林保護(hù)方面首先應(yīng)注意以下幾個方面:

        (1)制定紅樹林宜林指標(biāo),采用“3S”技術(shù)和野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法選取紅樹林宜林地,合理選擇樹種進(jìn)行人工林建設(shè),增加紅樹林濕地面積;

        (2)加強(qiáng)紅樹林管理水平,堅(jiān)持“以防為主、綜合治理”的方針,建立紅樹林監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),嚴(yán)防森林火災(zāi),采用物理、化學(xué)和生物多種手段進(jìn)行病蟲害及生物入侵防治;

        (3)建立國際重要濕地、國家重要濕地、紅樹林濕地自然保護(hù)區(qū)和紅樹林濕地公園等多級別的紅樹林保護(hù)體系,完善紅樹林保護(hù)管理法規(guī)制度,通過立法形式,為紅樹林濕地保護(hù)管理提供法律保障,嚴(yán)格處罰破壞紅樹林的行為;

        (4)加強(qiáng)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)研究,利用先進(jìn)技術(shù)提高紅樹林的保護(hù)水平,進(jìn)一步開展病蟲害和外來種監(jiān)測,并研究防治技術(shù);

        (5)增強(qiáng)居民的環(huán)境保護(hù)意識,采用生態(tài)補(bǔ)償?shù)榷喾N手段,協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)發(fā)展與紅樹林保護(hù)之間的矛盾。

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