滨海湿地碳循环过程的研究进展

陈卓然

(1. 天津科技大学海洋与环境学院 天津300457；2. 天津泰达水业有限公司 天津300457)

0 引 言

全球三大生态系统包括森林、海洋以及湿地，而湿地因其对大气中 CO2良好的封存和固定能力，一直被认为是全球最大的碳库之一[1-2]。全球湿地面积虽然只占陆地面积的 4%～6%，但包含全球 30%以上的碳储量，在陆地及全球碳循环过程中起到重要作用[3]。湿地碳循环过程包括植物经光合作用固定大气中 CO2，同时消耗部分光合产物释放 CO2；以及植物死亡后残体在微生物作用下分解转化，形成颗粒有机碳和可溶性有机碳，在水介质中直接氧化或经微生物作用转化为 CO2[4]；此外由于湿地水分过饱和形成的厌氧环境会使 CH4大量产生，有研究表明其排放量约占CH4自然排放量的80%[5]。

滨海湿地是介于海洋和陆地生态系统间的自然缓冲区，其森林—河流—海洋复合生态系统的特殊交互作用孕育了丰富的湿地资源和多样的生态环境。根据2019年统计信息，目前我国沿海地区11省份湿地总面积 1246.60万 hm2，占全国湿地总面积的23.26%，其中滨海湿地面积达579.59万hm2，占全国湿地总面积的 10.85%。滨海湿地占地面积虽然相对较小，但其中碳的积累速率远高于泥炭湿地[6]，且由于 SO42-的大量存在抑制了甲烷的产生，使其具有极低的甲烷释放速率[7]，在固碳方面起到重要作用。因此，研究滨海湿地碳循环过程可以作为增加全球碳汇、缓解全球气候变暖问题的重要研究方向。

1 滨海湿地的固碳能力

近年来，随着人们对生态问题的重视程度增加，对海洋“蓝碳”方面的研究逐渐深入，滨海湿地的碳汇功能也成为研究重点。梅雪英等[8]研究了长江口典型滨海盐沼湿地，结果表明其碳存在形式主要为植物生物量碳、微生物量碳、颗粒有机碳、溶解有机碳及气态 CH4和 CO2等。索安宁等[9]考察了辽河三角洲湿地，其固碳能力平均值为 1.77kg·m-2·a-1，固碳能力较高。Choi等[7]通过同位素测年法测定了盐沼湿地碳含量，结果表明其碳含量相对较高并短期内固碳能力较强。林光辉等[10]研究了红树林等滨海湿地碳库的现状，发现全球的盐沼、红树林和海草床等呈现较强的固碳能力，其每年固定的碳可以抵消全球由交通工具释放碳量的1/3左右。

湿地的形成对固碳能力有显著影响，曹磊等[11]在研究中认为滨海湿地 2个最重要的碳库是植被和土壤，而土壤碳库是其固碳能力的重要体现。张绪良等[12]考察了黄河三角洲滨海湿地，其平均固碳能力为 0.35kg·m-2·a-1，受到土壤干旱和盐渍化影响，整体固碳能力不强。郝翠等[13]分析天津滨海湿地由于土壤属于盐碱地，有机质容易降解，植被覆盖率低，使其平均有机碳密度相对较低，固碳能力较差。Wang等[14]在胶州湾滨海湿地采集了不同盐度和碱度的土壤样品，探究滨海盐碱湿地对全球无机碳的吸收，发现增加土壤盐分和碱度可以提高土壤固定大气中 CO2的能力，滨海盐碱湿地丰富的水源和高碱度的土壤有利于其固碳过程。目前植物作为去除和储存大气碳的潜在碳汇作用也越来越受到人们关注。Ca等[15]对研崇明东滩芦苇带湿地植被的生物量和初级生产力进行了研究，长江口典型芦苇带湿地植被的平均碳储量为 4.02kg/m2，是地上部分的 3倍左右，其固碳能力达 1.11～2.41kg·m-2·a-1，是全国陆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]对辽河三角洲盘锦地区湿地植被进行的研究表明，其储碳、固碳能力高于崇明东滩。

通过比较，滨海湿地的固碳能力具有时间和空间差异，自然和人为活动的发展使固碳能力随时间推移而变化；而地区差异带来的土壤环境、植被生长情况、气候、水文条件等不同，也给不同地区滨海湿地的固碳能力带来影响。目前滨海湿地较强的固碳能力是减弱温室效应的重要碳库，增加植被生物量是增强滨海湿地固碳能力的有效途径，在现实环境中如何增加湿地固碳、减少碳排放是研究的主要方向。

2 滨海湿地碳循环过程

滨海湿地是一个高度动态和复杂的生态系统，处于海洋、陆地、大气 3大生态系统相互作用的活跃地段，其碳循环主要包括外部循环过程：有机碳无机碳的浸出/吸收和碳贮存，内部循环作用包括氧矿化、厌氧矿化、碳酸盐的形成和储存[17]。多种气候变化因素，如海平面上升、气温升高、潮汐变化等，植被环境、生产条件、人为因素干扰，如围垦土地、生物入侵等，都会对滨海湿地碳循环过程造成影响[18]。Matthews等[19]认为滨海湿地碳循环主要是湿地土壤(水)-大气界面和植被-大气界面垂直方向的 CO2交换，及可能存在 CH4交换。Stern等[20]总结除了气态碳垂直方向交换之外，土壤中可溶性有机碳和可溶性无机碳，及颗粒有机碳也会随着潮汐/流迁移进滨海湿地而形成水平方向碳交换。费蓓莉等[21]研究了长江口滨海湿地不同潮汐过程中潮沟水体可溶性有机碳和颗粒态有机碳的季节变化，认为潮沟系统是滨海湿地与外界环境之间横向碳输出或输入的重要通道。Shurpali等[22]研究了加拿大北部湿地通过小溪迁移输出可溶性有机碳大约为 5～40g·m-2·a-1，说明水文条件控制着水位和水流速度，温度和降水是主要环境因子，通过湿地土壤的水通量影响湿地可溶性有机碳输出。甲烷气体的产生、氧化和排放也是湿地碳输出的一种主要形式，其排放受湿地多种物理、化学性质共同影响[23]。此外陈增奇等[24-25]的研究说明滨海湿地可以通过生物地球化学行为促进空气及 C、H、S等关键元素的循环，有利于环境的良好发展。

滨海湿地与近岸环境之间的碳交换对深入理解碳源、碳汇、碳收支至关重要，在未来的研究中，要更好地理解不同类型、不同地域滨海湿地碳循环过程与人为干扰和气候变化的关系，重视其对全球碳循环的影响和贡献，保证滨海湿地碳汇功能的可持续发展和利用。

3 滨海湿地的退化与修复

滨海湿地具有有机物生产力水平高的特点，特别是各种潮上带盐沼湿地。但受到气候或环境因素，如持续的干旱、高含盐率土壤等因素的影响，湿地初级生产力明显下降并出现较大的年际变化，并且由于人为因素围垦、资源不合理利用、工业和城市废水、农业施肥、养殖废水增多等带来的不良影响，致湿地水体中无机氮、无机磷的含量显著升高，造成湿地水质污染，中国大约有 40%的重要湿地受到严重退化的威胁，并仍处于受损、退化和消亡过程中[26]。在多种因素作用下滨海湿地面积逐步缩减，生态功能也出现退化，Armentano等[27]研究说明湿地土壤中有机碳的分解速率加快与湿地生态系统受到破坏有直接关系，有机碳分解出的 CO2成为大气中温室气体的来源之一。Haywood等[28]研究巴拉塔里亚湾海岸湿地发现，大量的碳流失与的海岸侵蚀有关，经过地球物理和光谱分析，受侵蚀的湿地土壤碳没有在邻近的河口重新沉积，而是继续被侵蚀和降解，湿地的退化和丧失使大量碳元素一起丧失。

目前较为大众认同的修复方式是湿地工程修复，欧美等国以受损湿地附近疏浚、疏挖等产生的工程弃土为基底原料，用原位吹填法直接恢复湿地基底[29-30]；韩国建立景观湿地来净化城市环境[31]，中国在滨海湿地恢复工程中也取得了一定成效，如杭州湾湿地生态系统极度脆弱，面临消亡，通过水动力调控、基底修复、种植植物等方式恢复盐沼湿地，建成了城市滨海湿地——鹦鹉洲湿地[32]。

湿地土壤碳库是大气二氧化碳库的一个潜在的重要贡献者，全球范围滨海湿地的恢复和保护可以有效抵消人类活动向大气排放的CO2，为达到良好的恢复效果，要将自然因素和实际情况结合起来，避免分析过程中的误差，目前和未来都需要在保护和修复滨海湿地、减少湿地退化和丧失方面进行深入研究。

4 研究方向与展望

滨海湿地可以进行海水养殖、围海造地等活动，也可以达到提供水源、净化水质、降解环境污染物的作用。具体量化滨海湿地固碳能力，深入了解碳循环过程，可以增加碳储量，平衡碳收支，缓解全球变暖的环境问题，更好地为评估滨海湿地生态影响提供基础。

目前在自然因素和人类的不合理开发利用的双重影响下，使滨海湿地面积日渐缩小，对滨海湿地的合理利用和修复至关重要，要多方面考虑不同影响因素的耦合作用。因此，如何减少不可逆转的生态破坏，制定符合实际又经济的修复方案值得更进一步研究。