河北省海岸带碳汇现状评估

高 翔,刘西汉,程 林

(河北省科学院地理科学研究所,河北省地理信息开发应用技术创新中心,河北 石家庄 050011)

0 引言

海洋是地球上最大的碳库,《蓝碳:健康海洋固碳作用的评估报告》[1]对海洋碳汇 (简称蓝碳)进行了定义,指一定周期内海洋储碳的能力或容量,其中有机碳主要以颗粒态(POC) 和溶解态(DOC) 存在,无机碳则主要以溶解态(DIC)的形式存在[2]。海洋碳汇主要通过物理溶解碳泵、生物碳泵以及海洋碳酸盐泵来固碳[1,3]。海岸带蓝碳介于海洋蓝碳和陆地绿碳之间。最近几年,海岸带蓝碳被定义为海岸带盐沼湿地、红树林和海草床等海岸带植物固定的碳[4,5]。海岸带既受到海水和潮汐的控制,又生活着盐沼植被和红树林等湿地高等植物以及海草等海底高等植物。盐沼、河口和海草床等生态系统作为海岸带蓝碳的主要贡献者,具有强大的光合作用能力,单位面积生产力和固碳能力很高[4,7]。此类生态系统占据全球海洋总面积的比例仅为0.2%,但其中沉积物累积的碳占据全部海洋沉积物碳储量的比例可能高达50%[6]。

关于海岸带蓝碳的研究集中在海洋碳汇资源本底现状及分布[8]、固碳能力[9,10]、固碳过程及机制[11,12]、碳储量及影响因素[13,14]等方面。其中,中国海岸带蓝碳的实证研究也积累了一定的成果。从研究方法看,唐剑武等人[15]从碳通量测量、碳库测量、模拟实验、模型研究等4个方面对海洋碳汇定量研究方法进行了总结;基于红树林、盐沼和海草床等不同生态系统特征及结构,李捷等人[16]归纳总结出海岸带蓝碳计量方法。上述部分方法在国内部分地区开展的海洋碳汇相关研究中得以应用[17-19]。从固碳量看,周晨昊等人[20]、Meng等人[21]、Wang等人[22]等依照不同的方法和参数,分别对我国海洋碳汇生态系统年均固碳量进行了估算。

近几年,河北省沿海地区城市建设进程加快,区域经济建设迅猛发展,大量污染物入海、海洋环境污染日趋严重、海洋生态系统遭到破坏。同时,海洋的过度开发使得部分地区海洋资源、生态负载都已经处于过载的状态。海岸带植物生境的退化,导致海岸带碳汇的储存量与固碳能力下降。但目前大多数研究集中于国家尺度,针对河北省内的海岸带碳汇研究和核算较少,其碳汇储量及增汇潜力亟须研究和评估。

1 河北省海岸带碳汇现状

河北省海岸线487 km,位于渤海湾西部和北部,在38°07′14″N～40°01′37″N,117°23′07″E～119°57′02″E之间,研究区域涉及秦皇岛、唐山和沧州3个地级市,海岸带碳汇主要类型为包括盐沼、海草床、河口等自然生境。河北省三大海岸带碳汇生态系统生境区域分布中盐沼主要集中在北戴河沿海湿地、昌黎黄金海岸湿地、曹妃甸南堡湿地、沧州南大港湿地、黄骅滨海湿地、海兴湿地。沿岸有海河流域、滦河流域、辽河流域三大水系,包含滦河、戴河、汤河、洋河、石河等大小河流入海口27处,河口岸线主要分布在唐山市(以乐亭和滦南为主),秦皇岛市次之,沧州市最少。海草床则主要分布在曹妃甸龙岛西北侧浅水海域。

2 数据采集、处理和评估模型

2.1 采样方法

采样方法总体依照GB 17378—2007《海洋监测规范》进行,具体方法分别依照GB 17378.7—2007《海洋监测规范 第7部分:近海污染生态调查和生物监测》、GB 17378.3—2007《海洋监测规范 第3部分:样品采集、贮存与运输》和GB 17378.5—2007 《海洋监测规范 第5部分:沉积物分析》进行。根据InVEST模型下的Blue carbon模块,将每个海岸带生境简化为4个碳库: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。将2022年野外采样所得的本地相关数据与相近纬度的碳库数据进行整理和对照。结果见表1。

表1 河北省碳汇生境碳库数据表

2.2 数据处理

利用ArcGIS 软件对相关海岸带碳汇生态系统空间数据集进行分区统计,并利用InVEST模型下的蓝碳(blue carbon)模块对海岸带碳汇进行评估,蓝碳模块结合了以下信息来评估海岸带自然生境碳存储和碳封存能力:①海岸带植被生境的分布;②具体生境中的碳储存数据;③具体生境的碳积累速率。此外,模型还结合了相关经济学因素,从而可以评估碳封存的价值。

根据模型要求将涵盖盐沼、河口、海草床3种生境分布的tif格式图文件绘制于同一矢量图层,输出为GIRD格式并投影为WGS_1984_UTM_Zone_50N坐标系,输出为tif格式并提取掩膜。数据来源为第二次全国湿地资源调查、联合国环境规划署世界保护监测中心(UNEP-WCMC)发布的全球海草床分布图。图1是根据湿地调查结果绘制的河口、海草以及盐沼的分布示意图。

图1 海岸带碳汇生境分布示意图

2.3 评估模型

利用InVEST模型下的蓝碳(blue carbon)模块主要对碳储量、碳累积和固碳价值进行评估。

2.3.1 碳储量

为了估算碳储量,每种生境类型都被假设是分布均匀的。碳储量的计算公式如下:

(1)

式中,Cxt为在栅格单元x中在时间为t内的累计总碳储量;Axjt为栅格单元中j类生境的面积(J为海岸带生境的种类数);Caj、Cbj、Csj、Clj分别为植物的地上、植物的地下、土壤以及凋落物四类碳库中的碳密度。d为沉积物深度。

2.3.2 碳累积

碳累积计算公式如下:

(2)

式中,ACCxt为在栅格单元x中在时间为t内沉积碳增加的速率。ACCxjt为每种海岸带生境各自的增长速率。

2.3.3 固碳价值

固碳价值通过以下公式获得:

(3)

价值评估主要运用碳税法计算。碳的价格采用瑞典碳税率——150 USD/Mt,ICP为相应年份的通货膨胀率。

3 结果与讨论

3.1 碳汇生境面积及分布

由表2可知,河北省海岸带碳汇面积共计23 589.17 hm2。从生境类型角度分析,盐沼面积在河北省海岸带碳汇中的比重超过50%,目前盐沼主要分布在唐山和沧州,比重分别为58.65%和37.55%;而河北省河口湿地和海草床面积大致相当,其中48.5%的河口湿地分布在唐山,为2 862.05 hm2,河口湿地在秦皇岛和沧州的分布相差不大,面积在1 300 hm2以上;绝大多数的海草床分布在唐山,占比84.46%。

表2 不同生境及行政区域碳汇面积

从行政区域角度分析,唐山海岸带碳汇总面积14 726.93 hm2,占河北省海岸带碳汇面积比重为62.43%,生境类型以盐沼湿地为主,其次为海草床,而河口湿地占比不足20%;沧州的海岸带碳汇占河北省海岸带碳汇比重为26.34%,其中盐沼和河口面积分别占比72.02%和22.11%,而海草床面积占比不足6%;秦皇岛的海岸带碳汇总面积2 649.01 hm2,生境类型以河口为主,占比超过60%,其后依次为海草床和盐沼。

盐沼湿地是河北省的海岸带最主要的生态系统之一。碱蓬(SuaedaglaucaBunge)、芦苇(Phragmitescommunis)、互花米草(SpartinaalternifloraLoisel)、柽柳(TamarixchinensisLour)是河北省盐沼湿地的典型植被物种,其中互花米草在河北省海岸带已成为分布面积最广的盐沼植被,但是作为外来物种的互花米草泛滥已经对滨海湿地的环境造成负面影响[23-26]。Wang 等人[22]的研究发现1984—2018 年我国盐沼面积锐减,这可能与海岸带碳汇生态系统受建设用地大量侵占和影响有关;受海岸带生态湿地的保护和修复力度加大的影响,2020 年以后盐沼湿地呈现出波动增长的态势。对海草床的研究发现,21 世纪以来,我国海草群落快速消失,但随着大规模海草床修复工作陆续开展,海草床生态保护取得重要进展[27]。近年来黄渤海海域相继新发现大面积海草床[28,29],其中在河北省唐山市曹妃甸龙岛西北侧浅水海域发现的鳗草(Eelgrass)海草床生态系统面积达4 275 hm2。相比于盐沼湿地和海草床生态系统,河北省内河口湿地面积变化并不明显。

3.2 碳储量

将上述模型所需数据输入InVEST下的蓝碳模块,得出了2022年河北省海岸带湿地碳汇总储量在2.23×106～49.63×106t之间,平均值为15.81×106t。不同生境类型的海岸带碳汇储量由生境面积和碳密度决定。从生境类型方面看,盐沼湿地海岸带碳汇储量最大,占全部海岸带碳汇储量的比例达到50.15%;海草床碳储量占全部海岸带碳汇储量的比例为27.13%;河口碳储量最低,占比不足20%(见表3)。从行政区划角度看,不同地市的海岸带碳汇储量由生境类型和面积决定。目前以唐山市海岸带碳储量最大,占全部海岸带碳储量的比例达到56.74%;其后依次为沧州和秦皇岛,这与碳汇面积表现出来的规律一致。

表3 不同生境及行政区域海岸带碳汇碳储量

表4说明了不同碳汇生境中四个碳库,即植物地上、植物地下、凋落物和土壤中的碳储存量。由于缺少植被覆盖,河口湿地所有海岸带碳汇都储存在土壤之中。海草床中由于凋落物和植物地上部分难以分辨,因此统一计入植物地上部分。在三个生境的各个碳库中以土壤碳库的碳储量最高,海草床和盐沼的土壤碳储量在95%以上。除此之外,以植物地上部分占比较高,在盐沼和海草床生境中占比达到4%左右,而植物地下部分的碳储量占比极低,均不足1%。河口湿地所有海岸带碳汇全部储存在土壤之中。

表4 不同生境碳储量在各碳库中的分布

3.3 碳封存

经计算河北省海岸带碳汇碳封存量均值为6.38×104t/a。由于不同生境类型的面积和碳封存能力不同,不同生境类型碳封存量也不一样。盐沼湿地每年碳封存量最多,2022年达到4.12×104t/a,占总碳封存量的比例达到64.58%;碳封存排第二的是海草床,年碳封存量占总封存量的比例为22.1%,而河口碳封存量较低,仅为0.85×104t/a。从行政区划角度看,唐山市海岸带碳封存量占总碳封存量的比例达到62.91%,沧州碳封存量占比28.79%,秦皇岛碳封存量,仅为8%左右(见表5)。

表5 不同生境及行政区域的海岸带碳汇碳封存量

3.4 固碳价值

在计算固碳价值时,模型可将碳封存量货币化,直观地表示出碳汇的价值。利用InVEST模型计算2022年生境情境下海岸带碳汇的年价值,计算结果见表6。

表6 不同生境及行政区域海岸带碳汇的碳封存价值

2022年生境情境下,海岸带固碳年价值在607×108～3 859×108USD/a之间,平均值为1 213×108USD/a。从生境类型来看,由于盐沼湿地面积最大,每年封存的碳最多,所以盐沼湿地碳汇价值最高。盐沼固碳年价值达到784×104USD/a;其次是海草床,年价值268×104USD/a;河口最低,为162×104USD/a。从行政区划角度分析,2022年生境情境下,唐山海岸带碳汇封存量最大,因此其碳封存价值最高;沧州年固碳价值中等;秦皇岛固碳价值最低。

不同碳汇碳封存量是由碳汇面积和固碳效率共同决定的。河北省海岸带碳汇价值数据,见表7。其中以盐沼的固碳效率最高,以12.83%的碳汇面积固定了45.43%的碳;其后依次为海草床生境,以6.22%的碳汇面积固定15.86%的碳;河口生境以6.35%的碳汇面积固定9.57%的碳(见图2)。盐沼的高固碳效率与其覆盖植被有关,互花米草、碱蓬、芦苇、柽柳已成为河北省盐沼湿地的主要覆盖植被,其中又以互花米草分布范围最广。研究表明,盐沼具备很强的固碳能力,其中互花米草盐沼可能具有更高的固碳效率,上限约至1 950 gC/(m2·a)[30]。但有研究证实,当互花米草盐沼以外来物种入侵的形式扩张时,生态系统间的替换过程可能导致原有碳汇能力下降及土壤中老碳的加速释放[31,32]。相较于其他省份,河北海岸带固碳效率均值较低,这与河北省是承接京津冀地区工业生产与产业转移的重要依托省份,各类生产排污影响海域环境,导致生物多样性减少有一定关系。

图2 各类型碳汇面积、碳封存量占比及固碳效率

表7 河北省海岸带蓝碳价值

3.5 问题与不足

近年来由于河北省有关海岸带碳汇生态系统的保护及修复工作稳步开展和深入,盐沼、海草床等生境面积减少和被无序侵占的趋势在一定程度上得到了遏制。但当前依然存在海岸带碳汇面积较小、生态系统功能退化、生物多样性降低、外来生物入侵、气候变化扰动等问题。同时,海岸带碳汇功能尚未得到充分重视,碳汇收益仍然较低。综合来看,沿海蓝碳生态系统主要面临以下几方面问题:①海岸带碳汇生态系统受人为开发活动强烈,直接导致湿地面积减少和湿地功能退化。②海岸带碳汇生态系统的保护与养殖业发展之间的矛盾突出,尚未形成协调发展的机制,协同增汇路径仍需探索。③外来生物入侵和海岸带富营养化等问题也对海岸带碳汇造成一定威胁。

4 结论

1)对河北省海岸带碳汇的调查得知,河北省现存盐沼、河口、海草床三类海岸带碳汇总面积2.36×104hm2,具有如下分布特征:三类海岸带碳汇主要分布在唐山和沧州地区,以盐沼为主;秦皇岛海岸带碳汇以河口和海草床为主,其中河口面积占比超过60%;沧州海岸带碳汇以盐沼和河口为主,其中盐沼面积超过70%,唐山海岸带碳汇分布较为均衡。

2)河北省海岸带碳汇总储量约在2.23×106～49.63×106t之间,以唐山市储量最大,其次为沧州和秦皇岛。碳储量中盐沼湿地碳储量最大,其次为海草床。对河北省海岸带盐沼、海草床、河口等3个碳汇的碳封存量系统估算。研究显示,河北省3个碳汇生境每年从大气中捕获并封存的碳达到8.88 ×104t,相当于每年实现了32.62 ×104t CO2减排。从固碳效率的角度看,盐沼生境因其较高的固碳效率,碳封存量最多,其次是海草床和河口。

3)对河北省盐沼、海草床、河口海岸带固碳价值和固碳能力进行了系统评估。海岸带碳汇年固碳价值价值为0.121×108USD/a;其中盐沼湿地固碳价值最高,年固碳价值达到784×104USD/a;其次是海草床,年固碳价值268×104USD/a;从行政区划角度分析,唐山和沧州固碳价值比较高。研究显示,固碳能力规律如下:盐沼>海草床>河口,其中,盐沼和海草床的固碳价值和固碳能力比较突出。

5 建议

作为陆海碳循环的重要联结,海岸带碳汇具有保护生物多样性、调气候调节、调节径流、提供食物及工业原料等作用,具备很高的单位面积生产力和固碳能力,是提升生态价值、经济价值的重要手段。保护海岸带碳汇并创新开发利用模式和探索协同增汇路径对于深入挖掘海岸带碳汇能力、拓宽碳汇利用空间、制定修复与增汇的方案至关重要。就河北省海岸带碳汇发展提出以下几点优化建议:

1)构建海岸带碳汇统筹核算和管理体系,对海岸带碳汇进行持续性的一体化监测,继续深入不同生态系统间固碳能力、作用机制及影响机理的研究,加强与海洋经济的关联性分析。

2)融合多元数据和最新的技术方法,探索环境污染及治理、生态群落演替、人类活动等不同因素对海岸带碳汇的影响机制,并构建动态研究体系。

3)完善海岸带碳汇的功能价值研究体系,在明确海岸带碳汇生态系统服务功能的基础上,重视碳汇资源经济价值的评估,推动经济体制机制的建立,参与海岸带碳汇交易市场,加快碳汇产品的推广。

4)立足于不同区域自然条件和社会经济环境的共性与差异,创新海岸带碳汇增汇方案与发展路径,积极开展海洋环境治理和海岸带湿地修复工程,开发海岸带碳汇与湿地景观综合利用模式。