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(duì)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(kù)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(chǔ)量，在陸地及全球碳循環(huán)過(guò)程中起到重要作用[3]。濕地碳循環(huán)過(guò)程包括植物經(jīng)光合作用固定大氣中 CO2，同時(shí)消耗部分光合產(chǎn)物釋放 CO2；以及植物死亡后殘?bào)w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(guò)飽和形成的厭氧環(huán)境會(huì)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(guó)沿海地區(qū)11省份濕地總面積 1246.60萬(wàn) hm2，占全國(guó)濕地總面積的23.26%，其中濱海濕地面積達(dá)579.59萬(wàn)hm2，占全國(guó)濕地總面積的 10.85%。濱海濕地占地面積雖然相對(duì)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(guò)程可以作為增加全球碳匯、緩解全球氣候變暖問(wèn)題的重要研究方向。

1 濱海濕地的固碳能力

近年來(lái)，隨著人們對(duì)生態(tài)問(wèn)題的重視程度增加，對(duì)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(zhǎng)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(guò)同位素測(cè)年法測(cè)定了鹽沼濕地碳含量，結(jié)果表明其碳含量相對(duì)較高并短期內(nèi)固碳能力較強(qiáng)。林光輝等[10]研究了紅樹(shù)林等濱海濕地碳庫(kù)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)全球的鹽沼、紅樹(shù)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(duì)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(gè)最重要的碳庫(kù)是植被和土壤，而土壤碳庫(kù)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(duì)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(duì)全球無(wú)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(guò)程。目前植物作為去除和儲(chǔ)存大氣碳的潛在碳匯作用也越來(lái)越受到人們關(guān)注。Ca等[15]對(duì)研崇明東灘蘆葦帶濕地植被的生物量和初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行了研究，長(zhǎng)江口典型蘆葦帶濕地植被的平均碳儲(chǔ)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(guó)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(duì)遼河三角洲盤(pán)錦地區(qū)濕地植被進(jìn)行的研究表明，其儲(chǔ)碳、固碳能力高于崇明東灘。

通過(guò)比較，濱海濕地的固碳能力具有時(shí)間和空間差異，自然和人為活動(dòng)的發(fā)展使固碳能力隨時(shí)間推移而變化；而地區(qū)差異帶來(lái)的土壤環(huán)境、植被生長(zhǎng)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(lái)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(kù)，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(guò)程

濱海濕地是一個(gè)高度動(dòng)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(guò)程：有機(jī)碳無(wú)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(chǔ)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(huì)對(duì)濱海濕地碳循環(huán)過(guò)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(wú)機(jī)碳，及顆粒有機(jī)碳也會(huì)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(zhǎng)江口濱海濕地不同潮汐過(guò)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(guò)小溪遷移輸出可溶性有機(jī)碳大約為 5～40g·m-2·a-1，說(shuō)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(guò)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(shuō)明濱海濕地可以通過(guò)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(duì)深入理解碳源、碳匯、碳收支至關(guān)重要，在未來(lái)的研究中，要更好地理解不同類(lèi)型、不同地域?yàn)I海濕地碳循環(huán)過(guò)程與人為干擾和氣候變化的關(guān)系，重視其對(duì)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(jí)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(lái)的不良影響，致濕地水體中無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷的含量顯著升高，造成濕地水質(zhì)污染，中國(guó)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(guò)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(shuō)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(lái)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(guò)地球物理和光譜分析，受侵蝕的濕地土壤碳沒(méi)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(guó)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(guó)建立景觀(guān)濕地來(lái)凈化城市環(huán)境[31]，中國(guó)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(guò)水動(dòng)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(kù)是大氣二氧化碳庫(kù)的一個(gè)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(lèi)活動(dòng)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(lái)，避免分析過(guò)程中的誤差，目前和未來(lái)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(dòng)，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(guò)程，可以增加碳儲(chǔ)量，平衡碳收支，緩解全球變暖的環(huán)境問(wèn)題，更好地為評(píng)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(lèi)的不合理開(kāi)發(fā)利用的雙重影響下，使濱海濕地面積日漸縮小，對(duì)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。