摘要
河口近岸地区是有机碳输运与埋藏的高度动态场所,在全球碳循环中发挥着重要作用,研究滨海湿地有机碳的动态变化对于评估滨海生态系统碳的“源/汇”效应具有重要意义。围绕河口地区的有机碳交换,明确了滨海湿地有机碳的垂向埋藏机制及其与近海地区的横向传输过程,梳理了当前有机碳来源示踪方法与有机碳通量估算方法。在长期野外观测和实验室测定有机碳的基础上,探讨了遥感技术在河口有机碳反演和估算方面的应用,并对国内外主要的滨海湿地生态系统碳循环模型研究成果进行了分析。建议未来研究进一步提高现有模型的适用性与稳定性,结合长期野外观测、室内实验室测定、卫星遥感监测及碳循环模型模拟等技术手段,对河口碳汇能力进行精准量化与高精度模拟预测。
2022年4月,IPCC第六次评估报告第三工作组报告《气候变化2022:减缓气候变化》正式发布。报告指出,2010—2019年全球温室气体年平均排放量处于历史上的最高水平,人类活动产生的温室气体引发了许多地区的气候极端事
滨海湿地是陆地和海洋之间物质交换的界面,具有巨大的经济价
滨海生态系统碳源/汇过程涉及河流‒河口‒近海等多界面碳素的迁移转化,具有较高的空间异质性,因此,本文在已有研究成果的基础上,综述了滨海湿地有机碳循环过程及通量估算方法,总结了当前河口近岸地区有机碳监测模拟研究进展,并阐述了河口碳汇能力量化与预测技术的挑战及发展方向,以期为增汇减排技术研究提供参考依据。本文通过文献检索网络平台,对已发表文献中的数据进行收集与分析。部分原始数据直接从文献表格或文本中获得。对于图形数据,则使用Origin(2021b,OriginLab)进行数字化提取后获得。
在全球范围内,滨海蓝碳生态系统的面积约为20.3×1
生态系统 | 面积 /1 | 年埋藏速率 /(g· | 年埋藏量 /Tg | 数据来源 |
---|---|---|---|---|
盐沼 | 4.2~6 | 168±7 | 87.2±9.6 |
文献[ |
红树林 | 8.1~13.8 | 194±15 | 34.4±5.4 |
文献[ |
海草草甸 | 16.1~17 | 138±38 | 48~112 |
文献[ |
温带森林 | 1 040 | 5.1±1 | 53 | |
热带森林 | 1 962.3 | 4±0.5 | 78.5 |
文献[ |
北方森林 | 1 370 | 4.6±2.1 | 49.3 |
中国滨海湿地面积约为5.1×1
湿地 | 主要植被 | 植被面积 /k | 年固碳能力 /(g· | 数据来源 |
---|---|---|---|---|
辽河三角洲 | 芦苇 | 841.7 | 4212 |
文献[ |
黄河三角洲 | 芦苇 | 272 | 540-860 |
文献[ |
崇明岛湿地 |
芦苇 海三棱藨草 互花米草 |
45.9 25.4 12.4 |
240±20 280-380 440±30 |
文献[ |
杭州湾南岸 |
芦苇 海三棱藨草 互花米草 |
28.4 18.4 11.3 |
1877 274.1 1855 |
文献[ |
河口近岸区域水体中的有机碳主要有两种形态,其中溶解态有机碳(dissolved organic carbon,DOC)占比约达到60 %,其余40 %则为颗粒态有机碳(particulate organic carbon,POC)。划分颗粒态与溶解态有机碳的临界值通常为0.45 ~0.70 μm,即可通过0.45 ~0.7 μm孔径滤膜的为DOC,而截留在滤膜上的有机碳则是PO
湿地沉积物中有机质的来源影响着滨海湿地的碳埋藏效率,并且不同的来源对湿地碳库的贡献也有所不同,需综合利用多种检测手段与方法对端元信号进行准确判别。在追踪湿地沉积物有机碳来源的研究中,C/N比值法、稳定同位素法(
(1)C/N比值法
不同生物体内主要有机物的种类不同,根据C/N比值的差异可区分沉积物中产生有机碳的植被类型。在藻类等水生植物内富含蛋白质、脂类等物质,其C/N值通常在5~8之间;陆生植物主要生产纤维素、木质素等有机物,蛋白质含量较低,其C/N值通常高于1
(2)碳氮稳定同位素法
由于不同植物在光合作用中的碳同化路径不同,植物体内
植物类别 | 植被类型 | 数据来源 | ||
---|---|---|---|---|
陆生植物 | C3 | -32~-21 | 0-11 |
文献[ |
C4 | -16~-10 | — |
文献[ | |
水生植物 | 海草 | -16~-10 | 6-12 |
文献[ |
海藻 | -16~-10 | 0-4 |
文献[ |
(3)生物标志物法
在有机碳降解过程中,
当前研究显示,元素(碳和氮)与其稳定同位素(
碳埋藏是滨海湿地生态系统参与到全球碳循环中的关键环节,而植被作为固碳的初级生产者,也是滨海湿地植物‒土壤系统碳循环的起点。通过光合作用,植物将大气中的CO2固定,通过枝干输运并储存光合产物至叶片、茎及根中。大部分通过植物固定的碳被储存在地下生物量中,并通过根系的生产进入土壤碳库。滨海湿地土壤中埋藏的部分有机碳经生物生理代谢会生成二氧化碳和甲烷被重新排放到大气中,部分会以DOC、POC等形式被潮汐运输,剩余有机碳则因其处于厌氧环境中难以分解而被稳定地埋藏在沉积物中,成为滨海湿地土壤碳库的重要组成部分。
土壤碳库的碳储量可占到盐沼湿地生态系统碳库的80 %以上,而湿地沉积物中存储的有机碳绝大部分来自于植物的生长。当前研究显示,盐沼湿地植被的地下生产力显著高于地上生产力,该现象在不同植被类型中普遍存
当前,气候变暖导致的海平面上升在一定程度上促进了滨海湿地植物的生产力,有利于盐沼增长。但高于一定限度后,海平面上升造成的潮汐基础水位的上升使滨海盐沼面临高盐环境和过度淹水的压力,盐沼植物的生产力随之降低,进而影响对沉积物与悬浮颗粒物的固定作用,这种负面反馈使盐沼滩面的演化受到相应限制,最终影响滨海湿地的有机碳埋藏。此外,外来生物,如互花米草的入侵,也会改变滨海湿地的碳汇过程。其高生产力与凋落物会为湿地土壤带来新的有机碳积累,但大量入侵和快速扩散对本地物种产生威胁,在群落演替过程中也可能造成土壤碳汇的丧失。
来自内源和外源的部分有机碳在滨海湿地土壤中不断沉积并最终埋藏,对其埋藏通量的研究结果可为滨海蓝碳生态系统固碳能力的预测提供基础数据。碳沉积速率为湿地土壤有机碳埋藏计算过程中的一个关键参数,与沉积物平均有机碳密度结合可得到所研究湿地的碳埋藏通量,具体计算如下公
TAMAR=WCC·VASR·nBD·10 | (1) |
式中:TAMAR为沉积物中有机碳的埋藏通量,g·
用于测量河口海岸地区碳沉积速率的方法有很多,如河流输沙法、不同时期海图对比法、GIS(地理信息系统)空间信息法、放射性同位素测年法等,当前研究中以放射性同位素测年最为常用。通过核素的半衰期与其在沉积物垂直剖面中的分布特征,可对沉积物的年龄、沉积过程与来源等特征进行判断。例如
滨海湿地一方面因其极高的生产力组成蓝碳系统的有效碳汇,另一方面滨海生态系统也在不断向近海地区输出有机碳,通过水沙运动实现溶解有机碳和颗粒有机碳的横向迁移。仝川
海岸地貌、水文动力特性、植被生长状况及水质与土壤理化特性均会影响滨海湿地与近海地区的横向有机碳交换。在潮汐的影响下,滨海湿地会发生间歇性的淹水和裸露。在涨潮过程中,波浪从低潮滩向高潮滩传播时能量不断衰减,加之植物茎叶的阻挡,水流动力作用逐渐减弱,垂向流速分布发生改变,进而改变边界层紊动的结构与强度,对悬沙运动产生影响。由于向河口上游地区水动力作用的减弱,粗颗粒物质较难到达高潮滩,从而导致沉积物的粒度分布发生改变。此外,在涨落潮过程中,细颗粒沉积物极易发生再悬浮作用,粗颗粒物质则在退潮过程中保留在潮间
滨海湿地与近岸水体横向有机碳交换频繁,被潮汐搬运的颗粒态有机物不断为湿地输入外源有机碳的同时,约有45 %的盐沼生物量以凋落物形式输出到近岸水体,以支持其生物多样性与水体养分再生。孔隙水交换是土壤中溶解态有机质输出到相邻河口的主要方式。Lehman
通过有机碳平均浓度与水流数据可计算得到滨海湿地与近海地区间的有机碳通量,常用正负表示陆向或海向通量,总通量为陆向与海向通量绝对值之和(忽略方向),净通量则为考虑方向的陆向通量与海向通量相加(考虑方向)。目前,针对河口地区有机碳横向通量的研究方法主要是现场观测和模型计算。现场观测方法常以水通量为基础参数对物质交换进行计算。模型计算法则是在现场实测有机碳浓度的基础上,通过水动力模型模拟水沙通量,从而实现对碳通量的估算。
对于颗粒有机碳通量,杨靓
fPOC(t)=q(t)·CPOC(t) | (2) |
式中:t为测流及采样时刻;q(t)为横向单宽流量,
河口近岸地区(含滨海湿地)有机碳循环包括内部各个碳库的垂向有机碳埋藏与横向碳通量两部分。当前已有多种技术用于监测有机碳传输过程中的动态变化过程。利用同位素等有机碳来源分析方法可对碳的来源与周转进行示踪。通过测定植被的地上与地下生物量来调查植被碳库的碳储量,对沉积物剖面取样可得到有机碳埋藏通量。野外监测水流运动和有机碳浓度可以实现横向有机碳通量的估算。然而,河口区域处于高度动态变化之中,实地调查与通量监测等方法存在观测样本有限、时间不连续以及空间代表性不足等问题,无法及时有效反映碳储量随时间的变化。因此,地面观测数据结合遥感技术与数学模型的方法得到了快速发展。
水色卫星遥感可针对目标河口水域实现大面积、实时同步观测,获得高时空分辨率与光谱分辨率的观测数据。卫星传感器能够获取的水质参数主要有叶绿素(Chl-a)、总悬浮物(total suspended matter,TSM)与有色可溶解性有机物(colored dissolved organic matter,CDOM)。经过生物地球化学过程,本身不具有光学活性的有机碳可与叶绿素、悬浮泥沙等物质及其固有光学特性联系起来,作为光学遥感的基础,实现有机碳的遥感反演。目前Landsat、MODIS、GOCI、MERIS等卫星数据已被广泛用于水体组分的反演。
基于遥感反射率的经验算法与基于有色溶解有机物CDOM吸收系数的反演算法可被用于河口水域DOC浓度的估算。通过卫星遥感所得光谱反射率与水体表层DOC浓度之间的关系可以确定最佳反演波段组合,以此建立基于遥感反射率的经验算法。然而,在实际应用中,基于CDOM吸收系数的反演算法最为常用。CDOM作为溶解有机物中能吸收紫外光和可见光的部分,可以直接反映光谱信号,通过在某一特定波段的吸收系数实现对DOC浓度的反演。
目前,对POC浓度的遥感反演算法主要有两种形式:基于遥感反射率、漫衰减系数等表观光学量的经验算法和基于颗粒物光衰减系数、后向散射系数等固有光学量的半分析算法。对于同时受陆源和海源影响的复杂水体环境,需充分考虑颗粒物的来源以利用真实数据进行模型检验,在研究过程中可考虑引入同位素示踪技术解决POC来源反演问题。此外,将三维水动力模型与卫星遥感监测相结合,可有效评估河口区域有机碳横向通量。如Cui
基于过程的数学模型在湿地生态系统碳循环模拟研究中较为常用。过程模型的建立以长序列的观测数据为基础,对生态系统碳循环的生物地球化学过程开展模拟研究,并对未来情景进行预测。气象因子、植被要素、水体性质等为湿地生态系统模型的主要驱动变量,通过改变输入参数,可实现系统碳收支与碳汇能力的定量描述。
滨海湿地生态系统碳循环模型的构建多参考森林与海洋生态系统,将类似系统的影响因子函数应用到本模型中,并考虑海水涨落潮和盐水入侵的影响。例如,葛振鸣
在复杂水动力和水环境影响下,河口近岸地区有机碳循环涉及不同尺度的生物地球化学过程。植物的净初级生产力、土壤初始碳含量、水位变化等输入条件对模型的模拟精确具有重要影响。为估算河口生态系统中的有机碳交换,可建立水沙运动力学与生物化学过程的耦合模型。Clark
(1)在全球气候背景下,滨海湿地碳汇功能备受关注,有机碳通量与储量的监测预测结果对评估滨海湿地碳汇能力和潜力具有重要指导意义。目前针对滨海湿地碳循环过程与碳通量估算研究方面均取得了一定成果。多种示踪方法、光谱技术与机器学习的综合运用有助于准确解析滨海湿地沉积物中有机碳的来源及其转化。基于放射性同位素的测年方法可广泛用于碳沉积速率的估算,定量评估湿地有机碳的埋藏通量。将原位观测技术、水动力模型模拟与卫星遥感监测相结合,可系统研究滨海湿地与近海地区有机碳横向传输过程,在未来河口碳汇能力量化研究中具有较大潜力。
(2)通过卫星数据对河口近岸水体有机碳浓度进行反演采用经验或半分析算法,多针对单一类型水体且精度有限。表层DOC遥感反演算法应进一步考虑生物地球化学作用对有机碳浓度的影响,并在算法中做定量表达。表层POC浓度遥感反演算法需厘清颗粒有机物来源与水体组分,以及不同光学特性对计算模型的影响。因此,整合复杂环境下不同卫星遥感数据,改进反演方法以估算滨海湿地碳汇能力是未来的重点研究方向。
(3)当前滨海湿地有机碳循环监测与评估方面还没有统一的规范和标准,区域尺度下的生态系统碳循环模型模拟精度仍需进一步提高,且现有模型受到时空动态变化与长序列观测数据缺失的限制,很难扩展到全球。建议今后可将遥感技术、三维水沙动力模型与湿地生态系统过程模型进行耦合,并结合机器学习等方法弥补有限样本的系统偏差,以提高河口近岸地区的碳源汇估算精度。此外,在厘清滨海湿地有机碳动态变化及调控因素的基础上,建立融合“卫星遥感观测‒地面定位观测‒数学模型预测”为一体的监测预测体系,为制定减排政策、实现固碳增汇提供有效的技术支撑。
作者贡献声明
陈仕哲:研究概念生成,数据分析,论文初稿撰写。
娄 厦:研究概念生成,研究资金获取,论文审阅与修订。
杨中元:实际调查研究。
FEDOROVA Viktorovnag Irina:设计验证与核实。
RADNAEVA Dorzhievna Larisa:研究概念生成。
NIKITINA Elena:论文审阅与修订。
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