全球变化与湿地有机碳循环的研究

全球变化与湿地有机碳循环的研究

雷霄

（华东师范大学资源与环境科学学院环科系，上海）

摘要：湿地生态系统的碳循环正在成为全球变化与陆地生态系统碳循环研究中的一大热点。由于湿地独特的水文条件,使得湿地碳循环具有与其他生态系统不同的特点。植被、气候条件及水文状况共同决定湿地生态系统的碳收支。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。本文通过研究湿地生态系统的碳循环以及影响湿地碳循环的因素进行了总结和归纳，对于了解湿地土壤有机碳的储存特点及其与陆地生态系统碳循环的关系,为评价和保护湿地生态系统提供依据具有重要的科学意义。

关键词：全球气候变化湿地生态系统碳循环

引言

随着人类活动的加剧,大气中CO

2、CH

4

等主要温室气体的浓度比工业革命前分别增加了约

28%、118% , 全球平均气温升高了约0. 3 ～0. 6 ℃。全球变暖是世界经济可持续发展和国际社会所面临的最为严峻的挑战。全球碳循环和碳收支是当前气候变化和区域可持续发展研究的

核心之一。湿地在化学元素循环中,特别是在CO

2和CH

4

等温室气体的固定和释放中起着重要的“开

关”作用,被称之为“转换器”。湿地生态系统是陆地生态系统的重要碳库，约占全球陆地生态系统碳库的10%。

CO

2和CH

4

是引起温室效应的主要气体,其增温效应分别占70%和23%。有关碳的全球生物地球

化学循环研究就显得格外重要。碳汇、源及通量的研究也受到重视。湿地碳通量研究主要关注这两种气体的排放问题以及影响它们蓄积或者排放的因素。由于湿地生态系统的复杂性,当前的湿地碳循环研究工作仍有许多困难。但不可否认的是,考虑到湿地生态系统对大气碳循环的可能贡献及对全球气候变化的可能影响,湿地碳循环研究工作将是全球生态环境问题的重要组成部分。

1湿地生态系统中碳循环的研究

1.1 湿地碳循环机制

碳循环是指碳元素在大气、水体、动植物、土壤等圈层中的迁移和转变的一系列物理化学和生物过程。湿地碳循环的过程主要表现为：植物吸收大气中的CO

2

与水分，通过光合作用生成

有机物和O

2

，有机物经过食物链传递被动物吸收，生物死亡后在好氧条件下腐蚀在土壤中的有机

质经微生物分解成CO

2又释放到大气中，在厌氧环境下则生成CH

4

释放到大气中，同时植物在呼吸

过程中也会释放出CO

2（图1）。湿地碳循环影响着CO

2

和CH

4

的平衡：湿地植物吸收大气中的CO

2

经

光合作用产生有机质供植物吸收并通过食物链传递给各级高级消费者，动植物残体在微生物的分解下形成腐殖质储藏于土壤中，起到固碳作用；同时湿地植物呼吸释放CO

2

，微生物在产生腐

殖作用的同时也在使有机质发生矿化，释放CO

2与CH

4

，由此可知，湿地土壤既是碳汇又是碳源，

由于人类的开垦利用，自然界中CO

2、CH

4

严重失衡，因此要增强湿地碳汇功能，发挥湿地在温

室气体减排中的作用。

图 1 湿地土壤温室气体循环

1.1 湿地土壤的碳储量

有关湿地碳的研究成果大多都来自于泥炭地(peatland)。另外,也有关于矿养泥炭沼泽( fen)、雨养泥炭沼泽( bog)、木本植物沼泽( swamp )的研究。后来,由于温室效应的增加,关于人工湿地的碳排放也引起了重视。湿地中的碳主要储存在土壤和植物体内。同其它陆地生态系统相比,湿地的生物生产量较高。例如,泥炭沼泽和沼泽等湿地生态系统的净初级生产量(NPP) 一般为300～1 000 g ·m-2·a-1。。由于植物残体在湿地多水、厌氧的环境下分解缓慢,形成富含有机质的湿地土壤和泥炭。因而,湿地土壤比其他类型土壤能储存更多的碳（表1）。

表1 各类型土壤碳储量

生态系统

面积

（106hm2）

碳储量/Gt 单位面积碳储量/（t·hm-2) 植被土壤总计植被土壤总计

热带森林1755 212 216 428 121 123 244 温带森林1038 59 100 159 57 96 153 北方森林1372 88 471 559 64 343 407 热带草原2250 66 264 330 29 117 146 温带草原1250 9 295 304 7 236 243 荒漠半荒漠4550 8 191 199 2 42 44 苔原950 6 121 127 6 128 134 湿地350 15 225 240 43 643 686 农田1600 3 128 131 2 80 82 总计15115 466 2011 2477 331 1808 2139

1.2 湿地的固碳作用

和森林、海洋一样,湿地也具有吸纳碳的作用,而且湿地吸纳碳的能力远远强于森林和海洋。湿地由于水分过饱和具有厌氧的生态特性,微生物活动相对较弱,植物残体分解释放二氧化碳的过程十分缓慢。因此,形成了富含有机质的湿地土壤和泥炭层,积累了大量的无机碳和有机碳,起到了固定碳的作用。据国际上典型科学研究,单位面积湿地的固碳作用是森林、海洋的9倍。

全球湿地面积约占陆地面积的6%，土壤有机碳储量却达到225-377Pg，约占全球陆地土壤碳库的1/3。在各种类型生态系统中湿地土壤平均碳密度较高。全球湿地土壤单位面积碳密度达到723 t/m2，Prentice采用模型计算全球湿地土壤密度也达到643t/hm2。而全球森林、草原、荒漠和农田土壤密度分别只有189 t/m2、160 t/m2、39 t/m2、80 t/m2，相比于其他陆地生态系统，湿地具有更好的固碳潜能。

1.3 湿地碳循环的特点

湿地生态系统的季节性变化是和大气气候条件的变化分不开的,温暖的春季和湿润的夏季会导致二氧化碳释放量的增加。目前,较为一致的看法是,热带湿地生态系统是大气主要来源。但北部高地湿地由于其巨大的碳贮量,同时对气候条件的变化相当敏感,因此,对大气碳循环的贡献巨大,目前已经成为湿地碳循环的焦点。

沿海滩涂湿地也具有很高的固碳能力，全球沿海湿地的分布面积大约为20. 3万km2,而沿海湿地的碳的积累速度为C ( 210 ±20) g/ (m2 ·年,要远远高于泥炭湿地。沿海湿地每年碳的固定量为C (42. 6 ±4. 0) Tg, 并且沿海湿地大量存在的SO2- 离子阻碍了甲烷的产生量,从而降低了甲烷的排放量。高的碳积累速率和低的甲烷排放量使沿海湿地对大气温室效应的抑制作用更加明显。

土壤对有机碳的固定作用实际上应该是易变形态成为难变形态,生物可利用形态成为不可利用形态。因此,土壤中有机碳与土壤粒子的结合可能受土壤中有机- 无机- 生物的相互作用特点所制约。土壤有机碳固定中团聚体保护机制可能说明有机碳的固定效应。因此,需要从微团聚体水平的有机碳转化与结合机制上研究土壤对有机碳的固定机制,并探讨促进其固定的技术措施。

2 湿地碳循环的影响因素

2.1 气候条件

气候条件决定湿地水文的季节变化、净初级生产力、化学活动能力、有机质的获得及沉积量等,是湿地碳循环的生物地球化学过程的重要驱动因素。大气环境中日益升高的二氧化碳浓度可以促进植物地上部分及地下部分的生物量产出,同时使土壤的碳循环速率加快。

温度的变化也是影响全球碳循环的重要因素。研究表明,高地湿地的碳动态与温度密切相关,温度升高,土壤中有机物分解加快,产生的二氧化碳或者甲烷释放到大气中去,直接参与了大气的碳循环进程。由于寒冷的气候有利于碳的积累,因此,科研工作者推测,逐渐升高的大气温度有可能加速原有碳库中碳的释放。在冻原地带的湿地生态系统中,这一现象已有报道。对于其它的湿地生态类型,温度则通过增加植物种群的初级生产力来增加土壤碳库的贮备。

2.2 水文条件

湿地水文状况是影响湿地碳通量的主要因素。水文条件不仅能直接改变湿地的理化性状,如养分的有效性、基质的缺氧程度、基质盐度、沉淀性质和pH等,而且也是最终选择系统生物群落

的主要因素之一,进一步影响到湿地的微生物群落。

2.3 湿地植被

Verville J H 等发现,湿地CO2释放的最重要的调节因素是植被组成,而不是土壤和空气温度或者水位深度。同时,湿地植被在CH

4

排放中也起到了不可忽视的作用,主要包括3方面: ①释放根

系分泌物和凋落物等,为产CH

4菌提供底物; ②为CH

4

排放提供通道; ③通过根系释放O

2

,从而在

根际形成微氧化环境,氧化内源CH

4

。

3 湿地温室气体排放影响因素

近年来湿地排放到大气中的CO

2、CH

4

、N

2

O 量日益增多，其影响因素颇多，主要涉及气温变

化、水位高度等因素，且因素多同时作用，影响机理较为复杂。

3.1 湿地CO2排放的影响因素

湿地土壤CO

2

排放量占全球排放量很大比例，其影响因素主要有植物根系呼吸、微生物分解、

土壤温度、土壤水分含量。。植物在生长旺期根系呼吸旺盛CO

2

排放量较大，而在生长后期根系生

长缓慢，CO

2

排放也减少。微生物在一定的水热条件下会分解土壤有机碳，使有机碳无机化，也

是湿地CO

2排放的原因之一。湿地CO

2

排放量的多少还受土壤温度与水位高低的限制，已有研究表

明：温度越高，土壤中有机质分解越剧烈，CO

2

排放量越大。在土壤水分达到饱和之前，土壤湿

度大，促进土壤呼吸作用，湿度增加CO

2产生量也增加，饱和之后由于缺少O

2

，土壤呼吸减缓，

CO

2

产生量减少。

3.2 湿地CH4排放的影响因素

CH

4是土壤有机质在厌氧环境下被分解生成，湿地水分含量高，具备缺氧条件，因此成为CH

4

的主要源，全球湿地CH4排放量为115×1012 g/ a。CH

4

排放量主要受到土壤水分、土壤温度、土壤氧化还原电位（Eh）、土壤pH值的影响。

3.3 湿地N2O排放的影响因素

大气中的N

2O 有70%来自土壤，湿地N

2

O的排放主要源于土壤中的硝化和反硝化作用。土壤中

温度、水分、植物、碳源等是N

2O 排放变化的主要因素。土壤中N

2

O的排放量随温度升高呈指数

增长，一定范围内，温度升高会提高土壤中硝化和反硝化细菌的活性，从而促进N

2

O 的大量排放。

水分对N

2O 的释放有重要的影响，干燥的土壤会阻碍微生物的反硝化作用，硝化作用成为N

2

O 的

主要源，灌溉后以反硝化作用为主，但长期淹水后N

2

O 排放量又会趋于零，因此频繁的干湿交替

会促进N

2O 的产生和释放，但过高的水分不与N

2

O 呈显著相关性。研究表明，土壤含水量在

45%-75%时，硝化和反硝化作用同时处于旺盛时期，共同产生大量的N

2

O。

4 结语

由此可以看出，湿地土壤有机碳储量与温室气体排放具有紧密的内在联系，特别是在人类开垦农业利用下，湿地土壤碳储量明显降低，温室气体排放量却急剧增加，湿地土壤已经由原先的碳汇逐渐过渡到了碳源，致使全球气温变暖，严重影响到人来的生存。

湿地碳循环研究,作为全球碳循环研究工作的重要部分,应充分考虑湿地生态系统与其它周围生态系统之间的碳流及其相互影响,将湿地碳循环过程与全球碳循环结合起来。

湿地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,在维护区域生态平衡和生物多样性保护等方面具有重要作用。其中，湿地土壤碳循环与全球气候变化研究仍需要加强。目前湿地生态环境变化和人类活动对湿地的影响已受到广泛关注,但对由此引起的湿地碳储量和碳排放通量的

变化及其对全球气候变化的影响仍缺乏充分的认识,有关湿地土壤碳循环过程对全球气候变化响应与反馈的研究也有待加强。

感谢：

上了全球变化这门课后，初步掌握了全球变化的理论基础，认识到全球环境问题的严重性主要在于人类本身对环境的影响已经接近并超过自然变化的强度和速率，正在并将继续对未来人类的生存环境产生长远的影响。感谢戴雪荣老师的指导，我能将全球变化的知识融入到湿地温室气体排放的研究中。

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GLOBAL CHANGE AND WETLANDS ORGANIC CARBON

CYCLE RESEARCH

Leixiao

(Department of environment science, College of Resources and Environmental Sciences,

East China Normal University)

Abstract: Global climate cycle and carbon balance are one of the cores of current research in climate change and regional sustainable development, also one of the top ics in a series of large - scale international cooperation in scientific research.Carbon cycle in wetlands is different f rom t he ot her type carbon cycle due to it’s special eco-hydrological process. The vegetation ,climate and hydrological conditions do affect toget her on t he carbon budget of wetland eco-system.This paper studies the wetland ecosystem carbon cycle an d carbon cycle of wetlands impact factors are summarized and grouped.It’s essential for us to study on the changes of organic carbon storage in wetland soil and it’s distribution in soil p rofiles, it’s also important for us to understand the relationship between carbon storage and carbon cycle in terrestrial ecosystem, and to p rovide scientific basis for evaluation and p rotection coastal wetland ecosystem.

Key words: Global Climate Change ; Wetland Ecosystem; Carbon Cycle