高 翔,劉西漢,程 林

(河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所,河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050011)

0 引言

海洋是地球上最大的碳庫,《藍(lán)碳:健康海洋固碳作用的評估報告》[1]對海洋碳匯 (簡稱藍(lán)碳)進(jìn)行了定義,指一定周期內(nèi)海洋儲碳的能力或容量,其中有機碳主要以顆粒態(tài)(POC) 和溶解態(tài)(DOC) 存在,無機碳則主要以溶解態(tài)(DIC)的形式存在[2]。海洋碳匯主要通過物理溶解碳泵、生物碳泵以及海洋碳酸鹽泵來固碳[1,3]。海岸帶藍(lán)碳介于海洋藍(lán)碳和陸地綠碳之間。最近幾年,海岸帶藍(lán)碳被定義為海岸帶鹽沼濕地、紅樹林和海草床等海岸帶植物固定的碳[4,5]。海岸帶既受到海水和潮汐的控制,又生活著鹽沼植被和紅樹林等濕地高等植物以及海草等海底高等植物。鹽沼、河口和海草床等生態(tài)系統(tǒng)作為海岸帶藍(lán)碳的主要貢獻(xiàn)者,具有強大的光合作用能力,單位面積生產(chǎn)力和固碳能力很高[4,7]。此類生態(tài)系統(tǒng)占據(jù)全球海洋總面積的比例僅為0.2%,但其中沉積物累積的碳占據(jù)全部海洋沉積物碳儲量的比例可能高達(dá)50%[6]。

關(guān)于海岸帶藍(lán)碳的研究集中在海洋碳匯資源本底現(xiàn)狀及分布[8]、固碳能力[9,10]、固碳過程及機制[11,12]、碳儲量及影響因素[13,14]等方面。其中,中國海岸帶藍(lán)碳的實證研究也積累了一定的成果。從研究方法看,唐劍武等人[15]從碳通量測量、碳庫測量、模擬實驗、模型研究等4個方面對海洋碳匯定量研究方法進(jìn)行了總結(jié);基于紅樹林、鹽沼和海草床等不同生態(tài)系統(tǒng)特征及結(jié)構(gòu),李捷等人[16]歸納總結(jié)出海岸帶藍(lán)碳計量方法。上述部分方法在國內(nèi)部分地區(qū)開展的海洋碳匯相關(guān)研究中得以應(yīng)用[17-19]。從固碳量看,周晨昊等人[20]、Meng等人[21]、Wang等人[22]等依照不同的方法和參數(shù),分別對我國海洋碳匯生態(tài)系統(tǒng)年均固碳量進(jìn)行了估算。

近幾年,河北省沿海地區(qū)城市建設(shè)進(jìn)程加快,區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)迅猛發(fā)展,大量污染物入海、海洋環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、海洋生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。同時,海洋的過度開發(fā)使得部分地區(qū)海洋資源、生態(tài)負(fù)載都已經(jīng)處于過載的狀態(tài)。海岸帶植物生境的退化,導(dǎo)致海岸帶碳匯的儲存量與固碳能力下降。但目前大多數(shù)研究集中于國家尺度,針對河北省內(nèi)的海岸帶碳匯研究和核算較少,其碳匯儲量及增匯潛力亟須研究和評估。

1 河北省海岸帶碳匯現(xiàn)狀

河北省海岸線487 km,位于渤海灣西部和北部,在38°07′14″N～40°01′37″N,117°23′07″E～119°57′02″E之間,研究區(qū)域涉及秦皇島、唐山和滄州3個地級市,海岸帶碳匯主要類型為包括鹽沼、海草床、河口等自然生境。河北省三大海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)生境區(qū)域分布中鹽沼主要集中在北戴河沿海濕地、昌黎黃金海岸濕地、曹妃甸南堡濕地、滄州南大港濕地、黃驊濱海濕地、海興濕地。沿岸有海河流域、灤河流域、遼河流域三大水系,包含灤河、戴河、湯河、洋河、石河等大小河流入?？?7處,河口岸線主要分布在唐山市(以樂亭和灤南為主),秦皇島市次之,滄州市最少。海草床則主要分布在曹妃甸龍島西北側(cè)淺水海域。

2 數(shù)據(jù)采集、處理和評估模型

2.1 采樣方法

采樣方法總體依照GB 17378—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》進(jìn)行,具體方法分別依照GB 17378.7—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第7部分:近海污染生態(tài)調(diào)查和生物監(jiān)測》、GB 17378.3—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第3部分:樣品采集、貯存與運輸》和GB 17378.5—2007 《海洋監(jiān)測規(guī)范 第5部分:沉積物分析》進(jìn)行。根據(jù)InVEST模型下的Blue carbon模塊,將每個海岸帶生境簡化為4個碳庫:植物的地上部分、植物的地下部分、凋落物部分以及土壤部分。將2022年野外采樣所得的本地相關(guān)數(shù)據(jù)與相近緯度的碳庫數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和對照。結(jié)果見表1。

表1 河北省碳匯生境碳庫數(shù)據(jù)表

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS 軟件對相關(guān)海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)集進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計,并利用InVEST模型下的藍(lán)碳(blue carbon)模塊對海岸帶碳匯進(jìn)行評估,藍(lán)碳模塊結(jié)合了以下信息來評估海岸帶自然生境碳存儲和碳封存能力:①海岸帶植被生境的分布;②具體生境中的碳儲存數(shù)據(jù);③具體生境的碳積累速率。此外,模型還結(jié)合了相關(guān)經(jīng)濟學(xué)因素,從而可以評估碳封存的價值。

根據(jù)模型要求將涵蓋鹽沼、河口、海草床3種生境分布的tif格式圖文件繪制于同一矢量圖層,輸出為GIRD格式并投影為WGS_1984_UTM_Zone_50N坐標(biāo)系,輸出為tif格式并提取掩膜。數(shù)據(jù)來源為第二次全國濕地資源調(diào)查、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署世界保護監(jiān)測中心(UNEP-WCMC)發(fā)布的全球海草床分布圖。圖1是根據(jù)濕地調(diào)查結(jié)果繪制的河口、海草以及鹽沼的分布示意圖。

圖1 海岸帶碳匯生境分布示意圖

2.3 評估模型

利用InVEST模型下的藍(lán)碳(blue carbon)模塊主要對碳儲量、碳累積和固碳價值進(jìn)行評估。

2.3.1 碳儲量

為了估算碳儲量,每種生境類型都被假設(shè)是分布均勻的。碳儲量的計算公式如下:

(1)

式中,Cxt為在柵格單元x中在時間為t內(nèi)的累計總碳儲量;Axjt為柵格單元中j類生境的面積(J為海岸帶生境的種類數(shù));Caj、Cbj、Csj、Clj分別為植物的地上、植物的地下、土壤以及凋落物四類碳庫中的碳密度。d為沉積物深度。

2.3.2 碳累積

碳累積計算公式如下:

(2)

式中,ACCxt為在柵格單元x中在時間為t內(nèi)沉積碳增加的速率。ACCxjt為每種海岸帶生境各自的增長速率。

2.3.3 固碳價值

固碳價值通過以下公式獲得:

(3)

價值評估主要運用碳稅法計算。碳的價格采用瑞典碳稅率——150 USD/Mt,ICP為相應(yīng)年份的通貨膨脹率。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳匯生境面積及分布

由表2可知,河北省海岸帶碳匯面積共計23 589.17 hm2。從生境類型角度分析,鹽沼面積在河北省海岸帶碳匯中的比重超過50%,目前鹽沼主要分布在唐山和滄州,比重分別為58.65%和37.55%;而河北省河口濕地和海草床面積大致相當(dāng),其中48.5%的河口濕地分布在唐山,為2 862.05 hm2,河口濕地在秦皇島和滄州的分布相差不大,面積在1 300 hm2以上;絕大多數(shù)的海草床分布在唐山,占比84.46%。

表2 不同生境及行政區(qū)域碳匯面積

從行政區(qū)域角度分析,唐山海岸帶碳匯總面積14 726.93 hm2,占河北省海岸帶碳匯面積比重為62.43%,生境類型以鹽沼濕地為主,其次為海草床,而河口濕地占比不足20%;滄州的海岸帶碳匯占河北省海岸帶碳匯比重為26.34%,其中鹽沼和河口面積分別占比72.02%和22.11%,而海草床面積占比不足6%;秦皇島的海岸帶碳匯總面積2 649.01 hm2,生境類型以河口為主,占比超過60%,其后依次為海草床和鹽沼。

鹽沼濕地是河北省的海岸帶最主要的生態(tài)系統(tǒng)之一。堿蓬(SuaedaglaucaBunge)、蘆葦(Phragmitescommunis)、互花米草(SpartinaalternifloraLoisel)、檉柳(TamarixchinensisLour)是河北省鹽沼濕地的典型植被物種,其中互花米草在河北省海岸帶已成為分布面積最廣的鹽沼植被,但是作為外來物種的互花米草泛濫已經(jīng)對濱海濕地的環(huán)境造成負(fù)面影響[23-26]。Wang 等人[22]的研究發(fā)現(xiàn)1984—2018 年我國鹽沼面積銳減,這可能與海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)受建設(shè)用地大量侵占和影響有關(guān);受海岸帶生態(tài)濕地的保護和修復(fù)力度加大的影響,2020 年以后鹽沼濕地呈現(xiàn)出波動增長的態(tài)勢。對海草床的研究發(fā)現(xiàn),21 世紀(jì)以來,我國海草群落快速消失,但隨著大規(guī)模海草床修復(fù)工作陸續(xù)開展,海草床生態(tài)保護取得重要進(jìn)展[27]。近年來黃渤海海域相繼新發(fā)現(xiàn)大面積海草床[28,29],其中在河北省唐山市曹妃甸龍島西北側(cè)淺水海域發(fā)現(xiàn)的鰻草(Eelgrass)海草床生態(tài)系統(tǒng)面積達(dá)4 275 hm2。相比于鹽沼濕地和海草床生態(tài)系統(tǒng),河北省內(nèi)河口濕地面積變化并不明顯。

3.2 碳儲量

將上述模型所需數(shù)據(jù)輸入InVEST下的藍(lán)碳模塊,得出了2022年河北省海岸帶濕地碳匯總儲量在2.23×106～49.63×106t之間,平均值為15.81×106t。不同生境類型的海岸帶碳匯儲量由生境面積和碳密度決定。從生境類型方面看,鹽沼濕地海岸帶碳匯儲量最大,占全部海岸帶碳匯儲量的比例達(dá)到50.15%;海草床碳儲量占全部海岸帶碳匯儲量的比例為27.13%;河口碳儲量最低,占比不足20%(見表3)。從行政區(qū)劃角度看,不同地市的海岸帶碳匯儲量由生境類型和面積決定。目前以唐山市海岸帶碳儲量最大,占全部海岸帶碳儲量的比例達(dá)到56.74%;其后依次為滄州和秦皇島,這與碳匯面積表現(xiàn)出來的規(guī)律一致。

表3 不同生境及行政區(qū)域海岸帶碳匯碳儲量

表4說明了不同碳匯生境中四個碳庫,即植物地上、植物地下、凋落物和土壤中的碳儲存量。由于缺少植被覆蓋,河口濕地所有海岸帶碳匯都儲存在土壤之中。海草床中由于凋落物和植物地上部分難以分辨,因此統(tǒng)一計入植物地上部分。在三個生境的各個碳庫中以土壤碳庫的碳儲量最高,海草床和鹽沼的土壤碳儲量在95%以上。除此之外,以植物地上部分占比較高,在鹽沼和海草床生境中占比達(dá)到4%左右,而植物地下部分的碳儲量占比極低,均不足1%。河口濕地所有海岸帶碳匯全部儲存在土壤之中。

表4 不同生境碳儲量在各碳庫中的分布

3.3 碳封存

經(jīng)計算河北省海岸帶碳匯碳封存量均值為6.38×104t/a。由于不同生境類型的面積和碳封存能力不同,不同生境類型碳封存量也不一樣。鹽沼濕地每年碳封存量最多,2022年達(dá)到4.12×104t/a,占總碳封存量的比例達(dá)到64.58%;碳封存排第二的是海草床,年碳封存量占總封存量的比例為22.1%,而河口碳封存量較低,僅為0.85×104t/a。從行政區(qū)劃角度看,唐山市海岸帶碳封存量占總碳封存量的比例達(dá)到62.91%,滄州碳封存量占比28.79%,秦皇島碳封存量,僅為8%左右(見表5)。

表5 不同生境及行政區(qū)域的海岸帶碳匯碳封存量

3.4 固碳價值

在計算固碳價值時,模型可將碳封存量貨幣化,直觀地表示出碳匯的價值。利用InVEST模型計算2022年生境情境下海岸帶碳匯的年價值,計算結(jié)果見表6。

表6 不同生境及行政區(qū)域海岸帶碳匯的碳封存價值

2022年生境情境下,海岸帶固碳年價值在607×108～3 859×108USD/a之間,平均值為1 213×108USD/a。從生境類型來看,由于鹽沼濕地面積最大,每年封存的碳最多,所以鹽沼濕地碳匯價值最高。鹽沼固碳年價值達(dá)到784×104USD/a;其次是海草床,年價值268×104USD/a;河口最低,為162×104USD/a。從行政區(qū)劃角度分析,2022年生境情境下,唐山海岸帶碳匯封存量最大,因此其碳封存價值最高;滄州年固碳價值中等;秦皇島固碳價值最低。

不同碳匯碳封存量是由碳匯面積和固碳效率共同決定的。河北省海岸帶碳匯價值數(shù)據(jù),見表7。其中以鹽沼的固碳效率最高,以12.83%的碳匯面積固定了45.43%的碳;其后依次為海草床生境,以6.22%的碳匯面積固定15.86%的碳;河口生境以6.35%的碳匯面積固定9.57%的碳(見圖2)。鹽沼的高固碳效率與其覆蓋植被有關(guān),互花米草、堿蓬、蘆葦、檉柳已成為河北省鹽沼濕地的主要覆蓋植被,其中又以互花米草分布范圍最廣。研究表明,鹽沼具備很強的固碳能力,其中互花米草鹽沼可能具有更高的固碳效率,上限約至1 950 gC/(m2·a)[30]。但有研究證實,當(dāng)互花米草鹽沼以外來物種入侵的形式擴張時,生態(tài)系統(tǒng)間的替換過程可能導(dǎo)致原有碳匯能力下降及土壤中老碳的加速釋放[31,32]。相較于其他省份,河北海岸帶固碳效率均值較低,這與河北省是承接京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要依托省份,各類生產(chǎn)排污影響海域環(huán)境,導(dǎo)致生物多樣性減少有一定關(guān)系。

圖2 各類型碳匯面積、碳封存量占比及固碳效率

表7 河北省海岸帶藍(lán)碳價值

3.5 問題與不足

近年來由于河北省有關(guān)海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)的保護及修復(fù)工作穩(wěn)步開展和深入,鹽沼、海草床等生境面積減少和被無序侵占的趨勢在一定程度上得到了遏制。但當(dāng)前依然存在海岸帶碳匯面積較小、生態(tài)系統(tǒng)功能退化、生物多樣性降低、外來生物入侵、氣候變化擾動等問題。同時,海岸帶碳匯功能尚未得到充分重視,碳匯收益仍然較低。綜合來看,沿海藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)主要面臨以下幾方面問題:①海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)受人為開發(fā)活動強烈,直接導(dǎo)致濕地面積減少和濕地功能退化。②海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)的保護與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展之間的矛盾突出,尚未形成協(xié)調(diào)發(fā)展的機制,協(xié)同增匯路徑仍需探索。③外來生物入侵和海岸帶富營養(yǎng)化等問題也對海岸帶碳匯造成一定威脅。

4 結(jié)論

1)對河北省海岸帶碳匯的調(diào)查得知,河北省現(xiàn)存鹽沼、河口、海草床三類海岸帶碳匯總面積2.36×104hm2,具有如下分布特征:三類海岸帶碳匯主要分布在唐山和滄州地區(qū),以鹽沼為主;秦皇島海岸帶碳匯以河口和海草床為主,其中河口面積占比超過60%;滄州海岸帶碳匯以鹽沼和河口為主,其中鹽沼面積超過70%,唐山海岸帶碳匯分布較為均衡。

2)河北省海岸帶碳匯總儲量約在2.23×106～49.63×106t之間,以唐山市儲量最大,其次為滄州和秦皇島。碳儲量中鹽沼濕地碳儲量最大,其次為海草床。對河北省海岸帶鹽沼、海草床、河口等3個碳匯的碳封存量系統(tǒng)估算。研究顯示,河北省3個碳匯生境每年從大氣中捕獲并封存的碳達(dá)到8.88 ×104t,相當(dāng)于每年實現(xiàn)了32.62 ×104t CO2減排。從固碳效率的角度看,鹽沼生境因其較高的固碳效率,碳封存量最多,其次是海草床和河口。

3)對河北省鹽沼、海草床、河口海岸帶固碳價值和固碳能力進(jìn)行了系統(tǒng)評估。海岸帶碳匯年固碳價值價值為0.121×108USD/a;其中鹽沼濕地固碳價值最高,年固碳價值達(dá)到784×104USD/a;其次是海草床,年固碳價值268×104USD/a;從行政區(qū)劃角度分析,唐山和滄州固碳價值比較高。研究顯示,固碳能力規(guī)律如下:鹽沼>海草床>河口,其中,鹽沼和海草床的固碳價值和固碳能力比較突出。

5 建議

作為陸海碳循環(huán)的重要聯(lián)結(jié),海岸帶碳匯具有保護生物多樣性、調(diào)氣候調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)徑流、提供食物及工業(yè)原料等作用,具備很高的單位面積生產(chǎn)力和固碳能力,是提升生態(tài)價值、經(jīng)濟價值的重要手段。保護海岸帶碳匯并創(chuàng)新開發(fā)利用模式和探索協(xié)同增匯路徑對于深入挖掘海岸帶碳匯能力、拓寬碳匯利用空間、制定修復(fù)與增匯的方案至關(guān)重要。就河北省海岸帶碳匯發(fā)展提出以下幾點優(yōu)化建議:

1)構(gòu)建海岸帶碳匯統(tǒng)籌核算和管理體系,對海岸帶碳匯進(jìn)行持續(xù)性的一體化監(jiān)測,繼續(xù)深入不同生態(tài)系統(tǒng)間固碳能力、作用機制及影響機理的研究,加強與海洋經(jīng)濟的關(guān)聯(lián)性分析。

2)融合多元數(shù)據(jù)和最新的技術(shù)方法,探索環(huán)境污染及治理、生態(tài)群落演替、人類活動等不同因素對海岸帶碳匯的影響機制,并構(gòu)建動態(tài)研究體系。

3)完善海岸帶碳匯的功能價值研究體系,在明確海岸帶碳匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ)上,重視碳匯資源經(jīng)濟價值的評估,推動經(jīng)濟體制機制的建立,參與海岸帶碳匯交易市場,加快碳匯產(chǎn)品的推廣。

4)立足于不同區(qū)域自然條件和社會經(jīng)濟環(huán)境的共性與差異,創(chuàng)新海岸帶碳匯增匯方案與發(fā)展路徑,積極開展海洋環(huán)境治理和海岸帶濕地修復(fù)工程,開發(fā)海岸帶碳匯與濕地景觀綜合利用模式。