滨海河口湿地生态系统对全球气候变化的影响

高　宇　刘鉴毅　张婷婷　张　涛　冯广朋　庄　平

(1.中国水产科学研究院东海水产研究所/农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海　200090；2.复旦大学生命科学学院生物多样性与生态工程教育部重点实验室，上海　200438)



滨海河口湿地生态系统对全球气候变化的影响

高宇1，2刘鉴毅1张婷婷1，2张涛1冯广朋1庄平1

(1.中国水产科学研究院东海水产研究所/农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海200090；2.复旦大学生命科学学院生物多样性与生态工程教育部重点实验室，上海200438)

【摘要】本文介绍了当前气候变化和区域可持续发展研究的热点，阐明了湿地生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用，分析了潮汐作用作为滨海湿地生态系统中最重要的变量，不仅可以影响到湿地生态系统的生产量、物种丰富度、有机物的积累及物质的循环，而且还可以影响近海及湿地生态系统中溶解有机碳和凋落物等的重新分布，但是其影响程度和规模目前的研究进展还无统一结论。因此，要充分结合国内外滨海河口湿地横向通量的研究进展，以潮汐过程为切入点，进一步深化滨海河口湿地碳收支研究，提高对不同区域及滨海河口滩涂湿地类型的固碳效率、碳库总量和生物地球化学循环过程的认识，从而改善滨海河口湿地碳通量估算的量化水平和精度。

【关键词】滨海河口；横向碳通量；潮汐；湿地

根据2015年巴黎气候大会气候变化评估报告，近年来，由于全球气候变化以及人类活动的强烈干扰导致大气CO2浓度的持续增加，并且增加的速率在加快。世界气象组织报告显示，2015年全球平均地表温度比常年平均值高出0.7℃，是全球有气象观测以来最热的一年；2011-2015年是有气象记录以来全球最暖的五年期，比常年平均值约高出0.6℃，五大洲均出现有记录以来最暖的五年期。在我国，2015年平均气温同样创历史新高，为10.5℃，较常年偏高0.95℃，为1951年有完整气象记录以来平均气温最高的一年。与此同时，全国平均降水量达648.8mm，较常年偏多3%，且空间分布不均匀。2013年发布的政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次报告指出，如果这种全球加速变暖的趋势得不到有效控制，全球升温幅度就有可能超过2℃的临界值。

这种全球气候变化趋势已经引起各国政府和科学界的极大关注和重视。定量研究温室气体的全球收支平衡，可分析碳源/汇水平以及在全球变化中的贡献，特别是碳循环研究，已成为当前国际重大环境科学计划如国际地圈—生物圈计划(International Geophere-Biophere Program，IGBP)、世界气候研究计划(World Climate Research Program，WCRP)、全球变化与陆地生态系统(Global Change and Terrestrial Ecosystems，GCTE)等多个核心计划的重要内容，已成为目前国内和国际上研究的热点与前沿问题[1-2]。

目前全球大气中的CO2浓度正以每年1.5～1.8ppm的速度增长。据IPCC 的预测21 世纪末将达到540～970ppmv，并且根据Keeling曲线(Charles Keeling在冒纳罗亚Mauna Loa火山测量的世界上关于大气中二氧化碳浓度的最长的连续记录的曲线)，CO2浓度的增加速度在加快。因此科学界和各国政府都提出了不少应对全球变化的政策。但国际能源机构(International Energy Agency)预测，即使目前所有考虑到的应对气候变化政策都能够实施，全球气温仍将上升3℃。

由此可见，碳循环研究不仅是当前气候变化和区域可持续发展研究的热点，也是全球变化研究的难点。尽管目前科学界对于全球变暖与大气温室气体浓度增加之间的因果关系有不同的见解，但大气温度的升高和温室气体浓度的增加对生态系统的影响是毋庸置疑的。自20世纪60年代以来，定量研究温室气体的全球收支平衡，特别是碳循环研究，一直是气候变化和区域可持续发展研究的核心问题之一，全球变暖与大气温室气体浓度增加之间的不确定性也很难在近期得到解决。为了保证地球生态系统的安全，《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)旨在“将大气CO2浓度稳定在某一水平以防止人类活动严重干扰气候系统”是明智之举，2015年的巴黎气候大会上近200个缔约方一致同意通过《巴黎协定》，各方将以“自主贡献”的方式参与全球应对气候变化行动；发达国家将继续带头减排，并加强对发展中国家的资金、技术和能力建设支持，帮助后者减缓和适应气候变化。我国作为一个发展中国家，尽管目前暂时还不需承担温室气体减排的义务，但受到国际上的压力越来越大。而如何为国家将来在CO2减排战略决策和对外谈判中提供可信的科学数据，则是研究全球气候变化的科学家和生态学家们不可推卸的责任[3]。

1湿地生态系统在全球碳循环中的重要作用

全球湿地面积为5.3×106km2，约占陆地总面积的6%，但据估计其有机碳储量约为120～260PgC，相当于陆地生态圈总碳储量的20%，仅次于森林生态系统的碳库[2]。

由此可见，湿地生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用。系统地研究湿地生态系统碳循环有助于加深对全球碳循环变化的理解，有助于我们预测其未来的变化趋势及气候变化。在全球气候变化研究中，陆地生态系统碳循环是核心内容，而湿地作为地球上一种重要的生态系统类型，其碳循环过程与特征研究在全球陆地生态系统碳循环中具有相当重要的地位。虽然湿地面积仅占全球陆地面积的6%，但在碳储存中却起着相当重要的作用。Glatzel等(2004)的研究表明，相比泥炭湿地中新泥炭的高降解性所导致的较低的碳封存，滨海湿地可能提供了显著的碳封存潜力。而且在较长的时间范围内滨海湿地相对于其它生态系统能更快地累积碳，在缓解全球变暖方面发挥着重要作用[4]。

河口湿地作为一种特殊的湿地类型，有着独特的能量收支(高潜热)，碳储量巨大。Costanza等(1997)在对全球生态系统服务和自然资本的计算中，河口湿地价值的估算是最高的，其中尤其以营养循环的生态价值为最高，而对滨海/沼泽湿地的估算由于缺乏营养循环的数据(猜测主要是由于开展的研究工作较少)，使得总价值偏低[5]。所以，目前对河口湿地的碳循环研究不足，对其过程及驱动模式知之甚少，这并不是由于其重要性不足，更主要的可能是由于过去观测技术的限制，缺乏长期连续的观测数据。许多研究表明，河口地区向大气释放CO2是碳循环的一个重要环节，对于大气CO2的影响可能是举足轻重的。类似的问题目前正受到国际上的普遍关注，比如国际地圈生物圈-上层海洋与低层大气研究计划(IGBP-SOLAS)中的“陆架边缘海在全球碳循环中的作用”，就是通过开展邻近海域碳循环和海-气界面CO2通量研究，揭示陆架边缘海碳源、汇的形成机制和发展趋势，确定邻近海域对大气CO2的吸收能力，对正确估价全球陆架边缘海在碳循环中的作用(是源还是汇，有多强，对大洋碳循环的贡献有多大)等方面具有重要意义。

根据估算，滨海河口湿地有最高的单位面积生态系统服务价值，其中营养循环比重最大[5]。滨海滩涂湿地具有很高的固碳能力，全球滨海湿地面积约为2.03×105km2，而滨海湿地的碳积累速率为210±20g/m2·a，要远远高于泥炭湿地[5]。滨海河口湿地由于具有较高的碳封存速率和相对较低的甲烷释放速率，在全球变暖的情况下，单位面积的滨海河口湿地可能是更有价值的碳汇，研究其碳循环过程具有着重要的意义[6]。特别是在中国，海岸线长约18000千米，同时还是世界上河流最多的国家，约有1500多条大中河流沿着3个地形斜面注入太平洋、印度洋和北冰洋，形成上千个大大小小的河口。据统计，中国河口和滨海湿地面积高达500万公顷，拥有各具特征的滨海河口生态系统和三角洲平原。显然，在全球变化背景下对极为敏感的滨海河口开展深入而系统的科学研究有着尤其重要的意义[7]。

2滨海河口湿地生态系统的特征

水是湿地生态系统中物质迁移最重要的媒介，与其他生物因子、非生物因子耦合作用于湿地的生物地球化学过程，影响湿地中元素的循环与转化、物质的滞留和去除、污染物净化、沉积等功能。湿地的水文过程直接控制着湿地生态系统的形成与演化，而水文情况制约着湿地土壤的诸多生物化学特征，从而影响到湿地生物区系的类型、湿地生态系统结构和功能，因此研究水文条件对湿地碳循环的影响是了解湿地碳循环的重要基础。如果仅从受到水的干扰来看，湿地生态系统与陆地系统相比，会周期性地经受水淹的作用，使得土壤经历厌氧/好氧的交替变化；而滨海湿地与淡水湿地相比，这种厌氧/好氧状态交替的周期性更强，更频繁，潮汐作用所导致的地下水位及土壤盐度、pH等变化构成了滨海湿地水文条件的重要内容，而且在全球升温情况下，滨海/河口湿地是最先受到海平面上升影响的生态系统之一；河口湿地受到海洋潮汐过程与河流淡水冲刷的共同作用，其盐度变化也比一般的滨海湿地要大得多。总之，滨海/河口湿地区别于其他湿地的重要水文特征就在于其潮汐过程，这使得滨海河口湿地的碳循环成为全球碳收支的一个动态分量[8]。例如，对于长江河口湿地来说，上游重大的水利工程(三峡大坝的修建和南水北调工程)以及近年来越来越多的风暴潮等特殊气候条件也可能通过改变泥沙沉积速度和潮汐作用而间接地影响滨海/河口湿地生态系统的碳收支。

2.1潮汐作用中的水文过程

潮汐作用是滨海湿地生态系统独特的水文条件。滨海湿地同时受到两类生态系统的影响，潮汐可以改变湿地的盐度，通过影响植物的生长及湿地植被结构来影响湿地生态系统对大气中碳的固定，而邻近河流则通过引入淡水，改变海水对湿地碳循环的影响。潮水的冲刷作用使滨海河口的滩涂湿地上形成了很多大小不一的潮沟。潮沟在滩涂上呈树枝状分布，是潮滩湿地重要的泄水通道，落潮时大量滩面归槽水进入潮沟，当滩面露出后，潮沟则成为潮滩湿地泄水的唯一通道，所以落潮时潮沟中的水位变化较慢。

滨海湿地生态系统中碳的储存与潮汐过程、地貌、气候等因素有关，其中潮汐作用控制了地表积水深度和地下潜水位，从而决定湿地氧化还原条件、水文循环状况及颗粒沉积物与有机质的迁移与沉积。在全球气候变化的背景下，滨海/河口湿地是最直接受到全球气候条件变化影响的生态系统之一，湿地水文和生物地球化学循环会产生复杂的季节性变化，海平面上升对改变滨海湿地水环境和溶解有机碳的迁移有着重要的影响。

鉴于气候条件对水文条件的影响，气候条件与水文条件的变化共同影响着湿地生态系统的碳循环进程。共同构成影响湿地生态系统碳循环进程的外部因素。目前国内外的研究初步证实了河口滩涂湿地生态系统的横向通量是不容忽视的，但是这些工作只进行了定性的或试探性的定量研究，尚缺乏具体的实验数据支撑，这对于全面理解自然干扰过程对生态系统的物质和能量通量的影响还远远不够，也无法准确估算河口滩涂湿地生态系统“真实”的物质和能量通量。

2.2横向通量的重要性

滨海河口湿地受潮汐作用影响，由此产生的水文过程是影响湿地土壤CO2通量的重要因素[9-10]。潮汐作用是对水文条件影响最大的因素之一，并且是地下水位补给的主要来源。滨海湿地的水文条件具有特殊性，在小潮期间(一天内没有潮水漫过地表的几天)，水文条件主要是地下水位的变化，而大潮期间(一天内有潮水漫过地表的几天)，潮汐水流的变化构成了水文条件的主体。另一方面，潮汐过程所带来的外来碳堆积对于滨海湿地碳累积与长期冲淤变化有着重要影响，且颗粒有机碳(POC)、溶解态有机碳(DOC)与无机碳(DIC)的横向输出对滨海河口湿地的碳库动态变化具有重要意义。

碳通量塔测定的是垂直方向上的碳通量，但对滨海湿地生态系统来讲，常分布有大量的积水洼地及流速变化的潮沟，它们在碳与生物链横向传输方面起着重要的作用，因此不能忽视横向碳通量。在滨海河口湿地区域，各生态系统相互交错，不仅有陆地与大气之间物质的垂直交换，还有河流、海洋和陆地等多个界面产生的横向的物质通量。

根据已有的研究报道，在对受到潮汐作用强烈影响的滨海/河口湿地中，河口-湿地-滨海之间的横向物质通量和能量通量是不可忽视的。Meybeck(1982)、Cai 等(2011)、Regnier 等(2013)和Bauer 等(2013)报道的内陆水体在向海洋的水平输送过程中，每年总有机碳(TOC)横向通量的范围约为 (0.27～0.85)PgCa-1，而这部分碳过去一直被包括在陆地的净固碳量中[3，8]。另一方面，滨海湿地向河口的输出也是河口地区碳横向输送的一条重要途径。例如，Alongi等(2014)研究发现红树林湿地每年向河口输出的碳共计达到0.129Pg Ca-1，相当于60%的红树林净初级生产力(NPP)[11]。

3横向碳通量研究成果

潮汐作用对滨海/河口湿地生态系统碳循环有极其重要的影响：

(1) 水淹能降低土壤含氧量和氧化还原电位(ORP)[12]，并能通过降低土壤中营养物的可利用性来限制植物生长。

(2) 潮汐作用有助于维持凋落物的湿度，而适当湿度能加快分解速率。Haynes (1986)的研究表明，当土壤湿度低于干重的30～50%及大于干重的100%～150%时，矿质土壤的分解速率都会下降[13]。Guo等(2009)的研究也表明，在潮汐来临时，土壤呼吸降低[14]。

(3) 潮汐作用影响近海及湿地生态系统中溶解有机碳和凋落物等的重新分布，但是其影响程度和规模目前还无统一结论。例如，Bouchard 等(1998)的实验表明有大约14%的死亡有机质被潮水冲走，Teal(1962)估测有45%的盐沼湿地生产力通过潮汐作用进入邻近的海洋。然而，也有研究发现只有1%或10%[15]的盐沼初级生产量被潮水以凋落物的形式带走，而大部分的凋落物还是保留在盐沼中。对此，Odum(2000)认为这主要取决于潮差的大小、盐沼湿地的大小、生产力水平及地形等，而且并非每次潮汐都会输出有机质，一般来说，大潮期间和暴风雨期间有机质输出的概率会比较大[16]。另外，潮汐作用所引起的水文变化直接影响着湿地土壤的理化性状，如温度、ORP、盐度和pH值等。

(4) 潮汐作用也提供了一个让其他生物进入滨海湿地进行摄食，繁殖等活动的通道，从而起到碳转移的作用，如一些鱼类在涨潮期间可进入滨海湿地，取食有机质，在退潮时离开。

(5) Haines和Dunn(1976)的实验表明潮汐作用所带来的盐分，会影响当地盐沼湿地生态系统的生产力。而盐度胁迫会影响维管植物的生产力[17]。潮汐作用还可通过改变光照条件来影响植物的光合能力以及通过悬浮沉积物的供给影响土壤碳累积速率。

作为近海与滨海湿地生态系统之间的联系媒介，潮汐作用能使CO2和其他形式的碳(比如植物残体，碳酸氢盐以及溶解的有机碳)发生迁移，并可能进去临近河口的海水中，最终迁出湿地。例如，Winter等(1996) 运用溶解无机碳，溶解有机碳和颗粒有机碳的聚合体量化从河口转移到海洋中的全碳量，结果表明每年4755 tons的碳被转移到海洋中[18]。全年有大量的大型植物凋落物通过潮汐从湿地进入海洋，而盐沼湿地和开阔水域之间碳的收支通常是净输出[19]。

顾永剑等(2007)利用涡度协方差技术研究崇明东滩湿地生态系统的CO2与能量通量，探讨了不同时间尺度上碳、水和能量通量的变化规律，并进行了通量贡献区分析和能量平衡闭合分析，指出了潮汐作用对滨海湿地生态系统的重要影响，为我们的进一步探索奠定了基础[20]。

Guo等(2009)进一步通过小波分析发现崇明东滩湿地受潮汐作用期间碳通量的振幅比报道的其他湿地生态系统要大，波动还呈现出与10-20天的潮汐活动周期相一致的波谱特征，并且低潮位的站点受潮汐作用的影响更加明显，这表明潮汐作用导致了不可忽略的横向通量的转移，并提出横向碳通量是研究滨海湿地碳源碳汇功能的重要组成部分[14]。

Yan等(2008)通过融合基于涡度协方差技术的实测数据和遥感技术的MODIS数据，尝试构建模型来揭示滨海湿地的潮汐过程对生态系统的碳收支平衡和NEE的影响，将潮汐作用可能导致的横向碳通量的影响整合到光利用效率(LUE)遥感模型中，与碳通量塔观测值进行比较发现整合后的模型极大地改善了滨海湿地碳通量的估算[21]。

我们的研究通过野外调查和植被遥感分类确定研究区域植物分布情况，同时测定潮汐过程中物质(包括凋落物、颗粒碳及可溶性碳)的横向转移，在三个方面进行探讨：①河口滩涂湿地周期性潮汐过程如何干扰生态系统的物质分配，并导致横向物质通量的发生；②如何合理利用同步进行的冲淤变化研究揭示在潮汐作用特殊条件影响下的水文动力学过程对碳平衡的影响；③闭合河口滩涂湿地生态系统碳收支的研究。这些研究有助于我们更准确估算河口滩涂湿地生态系统与大气和海洋之间“真实”的物质和能量通量，并对河口滩涂湿地生态系统在全球气候变化中所扮演的角色进行了分析和评价[22]。作为探讨在全球气候变化背景下最先、最直接受到海平面变化影响的生态系统之一，为闭合河口生态系统的碳循环提供重要的数据支撑。

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作者简介：高宇，博士，助理研究员，主要从事水生态修复和湿地生态学

通讯作者：庄平，研究员，博士生导师，主要从事渔业生态和河口生态学研究

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0016-04

The Effects of Coastal Estuary Wetland Ecosystems on Global Climate Change

GAO Yu1，2，LIU Jianyi1，ZHANG Tingting1，2，ZHANG Tao1，FENG Guangpeng1，ZHUANG Ping1

(1.Key Laboratory of Marine and Estuarine Fisheries，Ministry of Agriculture/East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，200090 Shanghai，P.R. China；2.Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering，School of Life Science Institute of Biodiversity Science，Fudan University，200438 Shanghai，China)

Abstract：The carbon cycle research not only is the current highlight in the study of climate change and regional sustainable development，it is also the difficult point in global change research，while wetland ecosystems play an important role in the global carbon cycle. To systematically study the wetland ecosystem carbon cycle helps to deepen understanding of the changes in the global carbon cycle and helps us to predict the future trends and climate change.

Keywords：coastal estuary；lateral carbon flux；tide；wetland

项目资助：长江口青草沙水库邻近水域生态修复专项和国家自然科学基金(No 31400410和NO30870409)

引用文献格式：高宇等.滨海河口湿地生态系统对全球气候变化的影响[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：16-19.