陳鷺真

地表高程監(jiān)測在濱海藍碳碳收支評估中的應用*

陳鷺真

(近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院 福建廈門 361102)

紅樹林、鹽沼和海草床等濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)是濱海藍碳的重要組成, 其沉積物碳埋藏遠高于陸地生態(tài)系統(tǒng), 是地球上重要的碳庫。沉積物碳埋藏速率(carbon accumulation rate, CAR)是衡量濱海藍碳生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的關鍵指標, 其定量測量方法是藍碳研究的前沿科學問題。文章系統(tǒng)闡述了國內外常用的CAR測定方法, 重點綜述了地表高程-標志層監(jiān)測體系(surface elevation table-marker horizon, SET)的原理及其在濱海濕地沉積速率監(jiān)測和CAR計量中的應用, 討論了CAR和儲量差分法在濱海藍碳碳收支評估中的應用。SET監(jiān)測體系符合聯合國政府間氣候變化專門委員會提出的最高精度要求, 未來需進一步完善我國濱海濕地SET監(jiān)測站點的布設, 使之更好地服務于濱海濕地的碳收支清單編制, 為國家碳中和戰(zhàn)略提供基礎觀測數據。

藍碳; 濱海濕地; 碳儲量; 碳匯; 碳埋藏速率

紅樹林、鹽沼和海草床等濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)是地球上最密集的碳匯之一。它們能夠捕獲和儲存大量有機碳, 并永久埋藏在沉積物中。這部分固定下來的碳被稱為濱海濕地藍碳或海岸帶藍碳, 即狹義的藍碳(blue carbon)。雖然, 濱海濕地僅占地球表面積的0.1%, 但其儲碳量達到海洋儲碳量的50% (Nellemann, 2009)。由于強大的儲碳和固碳能力, 濱海濕地對有效固定人為排放的二氧化碳(CO2)和減緩氣候變暖具有重要作用。

除植物光合固碳外, 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)捕獲和埋藏的碳遠高于陸地生態(tài)系統(tǒng)。沉積物是濱海濕地碳儲量的主要貢獻者, 生態(tài)系統(tǒng)總碳的50%～90%存儲于地下沉積物中, 且能長時間封存(Khan, 2007; Donato, 2011)。沉積物碳埋藏速率(carbon accumulation rate, CAR)可衡量沉積物碳庫的變化, 是濱海濕地固碳能力評估的關鍵指標(Rogers, 2019)。在濱海濕地沉積物測定中, 通?？蓱?10Pb-137Cs同位素測年獲得百年尺度的沉積速率、或應用水平標志層和地表高程-標志層監(jiān)測(surface elevation table-marker horizon, 簡稱SET-MH或SET)等方法獲得沉積速率的年際變化。將沉積速率乘以沉積物碳密度, 可獲得沉積物CAR。目前, SET體系是紅樹林和鹽沼CAR計量中廣泛應用的連續(xù)監(jiān)測方法, 在全球范圍已建立SET監(jiān)測網絡。我國近海多為強潮海區(qū), 河流沉積物入海通量大(Milliman, 1983), 沉積物的再懸浮和沉降頻繁、沉積速率較高, 引起地貌的顯著變化, 形成我國濱海濕地獨特的沉積物碳儲量快速增加的特征。濱海濕地植被加快了沉積速率(張喬民等, 1996; 陳一寧等, 2020)。我國海岸線存在淤漲和侵蝕兩種地貌特征, 并受到人類活動的干擾, 導致了河流入海的沉積物增多(Chu, 2009)。因此, 亟需對CAR開展動態(tài)監(jiān)測, 獲得沉積物碳庫的變量(增量或減量)。本文將著重介紹SET法在濱海濕地CAR監(jiān)測中及其在藍碳碳收支評估中的應用, 為我國濱海濕地藍碳生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力評估提供參考。

1 濱海藍碳沉積物碳埋藏特征

與陸地生態(tài)系統(tǒng)一樣, 濱海濕地植被光合作用將CO2轉換成有機碳, 并可在相對較短的時間內(幾年到幾十年)在植物活體中保存下來; 但是, 地表捕獲和固定的碳可長時間封存(封存時間達幾百到上千年)在沉積物中, 因此, 沉積物成為濱海濕地巨大的碳庫(Duarte, 2005; Lo Iacono, 2008)。這與濱海濕地沉積物的低氧生境和有機質陸源輸入豐富等兩個特征有關。

1.1 低氧和高沉積環(huán)境減緩有機質分解

與陸地生態(tài)系統(tǒng)相似, 濱海濕地沉積物的碳來源于凋落物分解或埋藏、細根周轉及其埋藏。由于陸地土壤富含氧氣, 好氧微生物將土壤中的有機質氧化并以CO2等形式返還到大氣中(Schlesinger, 2001); 但濱海濕地過飽和的水環(huán)境使沉積物保持低氧狀態(tài)(或幾乎無氧), 沉積物中的有機質難以分解, 可保持垂直方向上的固碳。因此, 濱海濕地沉積物的低氧環(huán)境大大降低了有機質的分解速率, 使大量細根還未分解就被埋藏下來、形成泥炭或富碳的有機土(有機質含量超過20%), 其有機質保存率高、礦化速率低。在一些人為擾動小的地區(qū), 濱海濕地甚至擁有10 cm至3 m深的有機土, 碳儲量遠高于陸地森林(Howard, 2014)。在伯利茲的一處紅樹林, 沉積物深度達10 m、歷史可追溯至7 000 a前(McKee, 2007; Lo Iacono, 2008)。新英格蘭北部的鹽沼形成了具有4 000 a歷史、3～5 m厚的沉積物(Johnson, 2007)。由于我國海岸帶地區(qū)人為擾動嚴重, 濱海濕地沉積物保持較高的碳埋藏速率(Chen, 2021a)。

1.2 地表徑流和潮汐的橫向輸入提供大量外源碳

地表徑流和潮汐作用帶來外源碳的橫向輸入, 是濱海濕地有別于陸地生態(tài)系統(tǒng)的最顯著特征。通過地表沉積等物理過程, 被固定和埋藏到沉積物中的有機碳是濱海濕地的碳來源之一。濱海濕地植被和氣生根等地上結構通過衰減水動力而捕獲細顆粒泥沙, 提高碳累積速率(Furukawa, 1996)。紅樹林的氣生根具有潛在的降低水流速度、促進沉積的作用(Young, 1996); 有支柱根生長的區(qū)域, 沉積速率高達11.0 mm/a (Krauss, 2003)。熱帶地區(qū)的紅樹林凋落物量高達44.4～66.2 Mg/(ha·a); 由潮汐從周邊區(qū)域帶來的凋落物量超過系統(tǒng)內年均凋落物量(Sukardjo, 2013)。這些過程為紅樹林、鹽沼和海草床的沉積物貢獻了大量的有機碳。當然, 在侵蝕地貌中, 沉積物中的有機碳可隨著沉積物侵蝕流失而被不斷釋放。

基于以上兩個因素, 濱海濕地比陸地生態(tài)系統(tǒng)具備更強的固碳能力。CAR可衡量單位時間和單位面積內有機碳被捕獲和埋藏到沉積物中的速率, 是評估濱海濕地固碳能力的關鍵參數。它還受到潮汐淹水周期、鹽度、養(yǎng)分狀況和沉積物輸運等因素的共同影響。

2 沉積物碳埋藏速率測定方法

受潮汐等潮間帶惡劣環(huán)境的影響, 濱海濕地沉積物CAR的測定方法較為特殊。目前常用測定沉積速率的方法主要有210Pb-137Cs同位素測年法、水平標志層法和SET法等。用沉積速率乘以表層沉積物的碳密度, 可獲得CAR。

2.1 210Pb-137Cs同位素測年法

210Pb過剩法和137Cs法是百年時間尺度內被廣泛應用的年代學測定和沉積速率測定的經典方法(Goldberg, 1963; Ritchie, 1990; Appleby, 1992)。其原理是: 地表中過剩210Pb主要來自大氣沉降的210Pb, 強顆粒活性使過剩的210Pb進入沉積物后不再遷移; 若沉積環(huán)境穩(wěn)定, 沉積物中210Pb隨時間的延長(或深度變化)將按指數規(guī)律衰減, 基于此分布特征計算百年尺度的平均沉積速率, 獲得沉積物沉積的年代(Sanchez-Cabeza, 2012)。210Pb測年可獲得某一地層的相對年齡(相對于表層的年齡)。137Cs測年是基于人類活動釋放到大氣中的137Cs在1963年達到峰值, 由此特征確定137Cs最大值所在的地層為1963年。在一些地區(qū)也可觀測到1986年切爾諾貝利事件導致的次級峰值。137Cs測年是絕對測年法, 可與210Pb測年結合, 獲得比較可靠的年代學。在密西西比三角洲、墨西哥灣和長江三角洲等濱海濕地都有相關測定(DeLaune, 1989; Milan, 1995; 張喬民等, 1996; Comeaux, 2012; Sun, 2019)。該方法獲得的沉積速率是過去百年尺度的均值; 若要獲得更短時間尺度的速率, 則需要定位觀測的手段。

2.2 水平標志層法

水平標志層法是比較直觀和準確的測定垂直淤積的方法。它是在沉積物表面鋪一層細沙、磚屑、白土或者長石粉等人工標記物。隨著時間推移, 人工標記層以上到地表的新沉積物厚度(精度為毫米, mm)為標記時間段內的垂直沉積(vertical accretion, VA)速率(Woodroffe, 1992; Callaway, 2013)。它用于計量短時間尺度(月和年的尺度)的沉積速率。在潮間帶, 新淤積的沉積物會通過重力作用而發(fā)生緊實和體積壓縮, 即淺部壓實作用, 進而使地表高程的變化低于垂直淤積的變化。應用該方法獲得的垂直沉積速率計算CAR, 其不足之處是未考慮到壓實作用, 當它乘以表層沉積物碳密度(壓實后的碳密度)后, 將高估沉積物的碳埋藏量。

2.3 地表高程-標志層監(jiān)測體系(SET-MH或SET)

自1993年起, 美國地質調查局(United States Geological Survey)建立了一種可監(jiān)測年際間地表高程變化和垂直沉積速率的監(jiān)測系統(tǒng), 即地面高程-水平標志層監(jiān)測系統(tǒng)(Lynch, 2015)。該系統(tǒng)分辨率高, 可測定地表高程變化(surface elevation change, SEC)和垂直沉積(vertical accretion, VA), 計算沉積物的淺層沉降(shallow subsidence, SS)或膨脹等淺層沉積物的變化, 測定精度達到±1.3 mm (Cahoon, 1995, 2003)。該系統(tǒng)可在多地布設固定標志樁。在一些研究中, 還可應用淺層SET監(jiān)測根系生長所導致的根區(qū)膨脹, 分析導致高程變化的原因(林秋蓮, 2019)。SET-MH系統(tǒng)主要包括兩個部分, 其中SET用于監(jiān)測高程的變化, MH用于監(jiān)測表層垂直沉積速率, 其工作原理如圖1所示。

圖1 地表高程-水平標志層法示意圖

SET系統(tǒng)由固定樁和測量手臂組成。固定樁是一個連續(xù)到水準點的不銹鋼桿, 在安裝時需直達地下巖石層的水準點, 使之不能繼續(xù)下推為宜。固定樁的頂部突出地表, 測定時連接測定手臂(即高程監(jiān)測儀)。測定手臂上配有測量針。測定時測量針垂直向下接觸沉積物表面。計量針頂端到測定手臂的高度, 即為測定時的地表高程。前后兩次測定測量針的高度差值即為高程的變化值(surface elevation change, SEC), 由此計算出單位時間內地表高程變化速率(SEC rate)。測定手臂可以轉換不同方向, 每個方向數據作為水平樣, 計算該固定樁的SEC。垂直淤積的速率由水平標志層(marker horizon, MH)獲得。在監(jiān)測的區(qū)域內布設水平標志層的小樣方, 在樣方內添加一層約1 cm厚的人工標記層, 一般為沙子、磚屑或長石粉, 間隔一定時間后切取標記層的沉積物樣品, 測定標記層以上的沉積物厚度, 即為該時間段中垂直沉積(vertical accretion, VA), 由此計算單位時間內的垂直沉積速率(VA rate)。將這兩個方法結合起來, 可以同時測定地表高程變化速率(SEC rate)和表層垂直沉積速率; 兩者的差值就是淺層沉降速率(shallow subsidence rate, SS rate)。

在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中, 表層沉積物的垂直沉積與淺層沉降共同作用下引起地表高程變化。該監(jiān)測體系可獲得單位時間的SEC。在淤積型海岸, 通過單位時間的高程變量SEC和表層沉積物碳密度(一般為沉積物柱狀樣0～10 cm層的碳密度, 即容重和沉積物碳百分含量的乘積), 可獲得年際尺度的沉積物碳埋藏速率CAR (Lovelock, 2014; Chen, 2021b; Cormier, 2021)。在侵蝕性海岸, 這一方法還可以確定每年沉積物的碳損失速率。通過對固定樁的長時間多次重復測定, 可準確計算特定區(qū)域沉積物碳庫的增量或減量。

CA=10·SE··, (1)

公式(1)中,CA為碳埋藏速率[單位: g/(m2·a)],為柱狀樣表層沉積物(通常為0～10 cm)的容重(單位: g/cm3),為沉積物碳的百分含量(單位: %),SE為地表高程變化率(單位: mm/a)。

3 SET監(jiān)測體系的全球應用

濱海濕地在減緩全球氣候變化中扮演著重要角色。但由于測定方法不同、SET監(jiān)測站點稀疏和觀測體系不完善等原因, 沉積速率的數據來源多樣、存在較大的變異, 由此計算得到的碳埋藏率也存在很大的不確定性。我國濱海濕地現有的碳埋藏量和固碳速率估算多來源于歷史數據整合。例如, 周晨昊等(2015)應用整合分析估算我國濱海濕地每年通過沉積物埋藏所固定的碳為0.349～0.835 Tg/a; 而Meng等(2019)整合已有數據, 獲得我國紅樹林、鹽沼和海草床三類濱海濕地的碳埋藏速率為0.84 Tg/a; 王法明等(2021)應用全球濱海濕地CAR均值估算了我國濱海濕地的碳埋藏速率為0.973 Tg/a。因此, 需要建立統(tǒng)一的、可計量的監(jiān)測方式, 準確獲得我國藍碳碳收支年際變化的高精度數據。

由于SET體系在監(jiān)測濱海濕地地表高程和沉積物碳埋藏速率的優(yōu)勢, 它已廣泛應用于美國、澳大利亞、英國、法國、新加坡、馬來西亞、印度尼西亞等國家的數百個紅樹林和鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中。2000年以來, 美國NOAA資助了其東部、西部和墨西哥灣等海區(qū)187個鹽沼濕地SET監(jiān)測站點(Cressman, 2020); 美國USGS在美洲大陸和太平洋地區(qū)建立了300多個SET站點(Krauss, 2014; Lovelock, 2015)。澳大利亞、新西蘭和東南亞等地也陸續(xù)建立一系列SET站點(Rogers, 2019)。因此, SET監(jiān)測站點已分布至全球熱帶至溫帶的濱海濕地。目前, SET監(jiān)測體系已經廣泛應用于濱海濕地應對海平面上升的脆弱性評估(Lovelock, 2015), 并應用在與濱海濕地海平面上升有關的碳匯評估中。近年來, 我國濱海濕地也逐步建立約30個SET監(jiān)測站點共200多個監(jiān)測樁, 形成監(jiān)測網絡(仇晴川等, 2009; 陳一寧等, 2020; Chen, 2021a); 監(jiān)測范圍北起遼河河口、南到海南文昌, 西達廣西北侖河口, 覆蓋紅樹林、鹽沼和海草床等三大濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)(圖2)。然而, 我國濱海濕地的SET站點數量仍然不足, 難以覆蓋到所有濱海濕地分布的海岸線。未來, 在我國沿海布設更多、更為密集的SET監(jiān)測體系, 有望構建濱海濕地CAR數據庫, 為藍碳生態(tài)系統(tǒng)的增匯能力評價提供統(tǒng)一的實測數據, 減少不同測定方法帶來的誤差。

4 藍碳生態(tài)系統(tǒng)的碳庫變化: 儲量差分法

2014年, 全球藍碳倡議科學工作組(Blue Carbon Initiative, BCI)編著的符合IPCC (聯合國政府間氣候變化專門委員會)最高精度等級——等級3的濱海濕地藍碳碳匯計量手冊, 即《濱海藍碳——紅樹林、鹽沼和海草床碳儲量和碳排放因子評估方法》(Howard, 2014; Howard, 2018), 已廣泛應用于全球濱海濕地。該手冊將儲量差分法用于評估濱海藍碳生態(tài)系統(tǒng)的碳庫變化。儲量差分法是通過測定兩個不同時間點的各個碳庫碳儲量的差異, 來計量濱海濕地的增匯速率(Kauffman, 2014)。

圖2 我國濱海濕地的SET監(jiān)測站點

儲量差分法的原理是跟蹤觀測兩個時間點生態(tài)系統(tǒng)各個碳庫的碳儲量變化值, 獲得生態(tài)系統(tǒng)的碳庫變量(增量或減量)。在第一次編制碳收支清單時, 需建立固定樣方, 隨后在固定樣方中對地上的活生物量、死生物量、地下生物量以及沉積物等各個碳庫的碳儲量進行監(jiān)測。沉積物的碳儲量變化是監(jiān)測技術的核心和難點, 在此專門闡述該方法。由于濱海濕地沉積物碳庫的變化非常緩慢, 如果沒有發(fā)生土地利用變化或生態(tài)系統(tǒng)類型的改變, 沉積物地表高程的變化速率將以毫米級的速率逐年變化(Krauss, 2014)。因此, 在沉積物碳庫儲量差分法的計算中, 可利用SET法獲得高分辨率的SEC, 進而獲得沉積物體積的變化率。如圖3所示, 在侵蝕海岸, 從T1到T2兩個時間點之間發(fā)生地表侵蝕, 沉積物中的碳將以CO2的形式釋放到大氣中; T1和T2的地表高程變化量SEC與表層沉積物有機碳密度(soil organic carbon, SOC)相乘可計算出沉積物碳庫中碳儲量的減量。相反地, 在淤漲海岸, 從T1到T2發(fā)生沉積物淤積, 增加的沉積物碳可從地表高程增量和表層沉積物SOC計算得到, 即為沉積物的碳埋藏量。SET固定樁的水準點是該方法的穩(wěn)定參考基準, 可保證在不同測定時間地表的穩(wěn)定性。

圖3 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)地表的侵蝕和淤漲對沉積物碳收支的影響

注: T1和T2分別表示2個時間點; SOC: soil organic carbon, 沉積物有機碳密度

儲量差分法在紅樹林碳收支清單編制中, 特別是在計量沉積物碳庫的增量時, 已得到許多應用(Kauffman, 2014; Chen, 2021b)。在應用時, 每個監(jiān)測時間(一般為每年或者每半年)獲得每個固定樁的平均測量針高度, 計算出測定時間段的地表高程變化SEC, 通過柱狀樣表層沉積物的容重, 計算得到隨著淤積過程在這個時間段中額外增加的碳, 并通過面積上推到區(qū)域尺度, 獲得區(qū)域的碳增量(表1)。在我國, 該方法已應用在深圳福田紅樹林沉積物碳庫增量的監(jiān)測中(Chen, 2021b)。Chen等(2021b)監(jiān)測了由于高大喬木疏伐、林下老鼠簕灌草叢爆發(fā)性生長后研究區(qū)域的地表高程變化, 并發(fā)現由于老鼠簕灌叢在疏伐區(qū)暴發(fā)后加速沉積物淤積、進而加劇沉積物碳庫的增多; 在SET監(jiān)測區(qū)內, 沉積物SEC由疏伐前的25.1 mm/a顯著升高為疏伐后的46.5 mm/a, 應用儲量差分法計量出每年疏伐區(qū)域沉積物碳埋藏速率提升至49.9 Mg/ha。

表1 地表高程監(jiān)測數據計算沉積物碳庫增量

Tab.1 The sediment carbon gain calculated from surface elevation change monitoring in coastal wetlands

注: SEC: surface elevation change, 可測定地表高程變化

由于SET監(jiān)測體系可克服潮間帶的惡劣生境, 開展高密度站點的高精度反復測量, 并獲得與測定時間相匹配的地表高程變化, 已經在全球濱海濕地的垂直沉積速率和地表高程變化的研究中得到廣泛應用, 成為紅樹林和鹽沼生態(tài)系統(tǒng)地表高程變化的標準方法; 也成為衡量濱海濕地地表高程變化速率、沉積物埋藏速率和碳庫增量的科學方法。

5 展望

近年來, 我國不斷完善自然資源的調查和監(jiān)測體系, 實施紅樹林、鹽沼和海草床等典型藍碳生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的調查評估。隨著對藍碳生態(tài)系統(tǒng)的固碳和減排功能認識的不斷深入, 濱海濕地緩解氣候變暖的作用得到廣泛認可。因此, 亟需對濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力進行精確計量。SET監(jiān)測體系符合IPCC最高精度要求, 并已在全球許多濱海濕地沉積物碳埋藏和碳匯監(jiān)測中廣泛應用。我國的濱海濕地已初步建立SET監(jiān)測體系, 建議未來進一步加密監(jiān)測站點, 特別是在重要的河口濕地和地貌變化迅速的濱海濕地加密監(jiān)測, 形成對我國濱海濕地類型的全面監(jiān)測。通過重復測定, 有望獲得翔實的長時序CAR實測數據, 計算準確的沉積物碳庫增量, 編制濱海藍碳的碳收支清單。

紅樹林、鹽沼和海草床已納入IPCC國家溫室氣體清單指南, 并被美國和澳大利亞等國家采用。紅樹林也成為聯合國氣候變化框架公約(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)認可的、在清潔發(fā)展機制框架下可進行碳證貿易的碳匯林。目前, 全球已經通過建立藍碳碳匯交易平臺、開展藍碳交易。未來, 藍碳還將作為經濟杠桿, 推動海洋生態(tài)系統(tǒng)保護和修復, 成為自然保護的潛在融資機制。濱海藍碳碳收支清單編制中, 對計量方法的需求也是建立全國藍碳市場的共同需求。因此, SET監(jiān)測體系將為科學家、自然保護工作者、社會團體和藍碳市場提供標準化的計量方案, 為應對氣候變化行動計劃提供理論依據, 服務于我國碳中和戰(zhàn)略。

致謝 自然資源部第二海洋研究所陳一寧研究員在本文撰寫中提供了寶貴建議。廈門大學張家林、林秋蓮和顧肖璇協(xié)助文字工作。特此感謝！

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APPLICATION OF SURFACE ELEVATION TABLE FOR CARBON BUDGET ASSESSMENTS IN COASTAL BLUE CARBON ECOSYSTEMS

CHEN Lu-Zhen

(State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Key Laboratory of the Ministry of Education for Coastal and Wetland Ecosystems, College of the Environment and Ecology, Xiamen University, Xiamen 361102, China)

Mangroves, salt marshes, and seagrass beds are important components of coastal blue carbon, with much higher carbon burials in sediment than those in terrestrial ecosystems. Carbon accumulation rate (CAR) is a key index to evaluate the carbon sequestration capacity of coastal blue carbon ecosystems. This review introduced the principle of a long-term monitoring system, the surface elevation table-marker horizon (SET-MH), and its application in CAR evaluation in coastal wetlands. The SET-MH methods have been globally used in blue carbon sequestration capacity assessment. The establishment of the SET monitoring systems in the coasts of China will obtain in situ data set of surface elevation change and CAR, which will serve for the blue carbon assessments and provide basic information for the national carbon neutrality strategy.

blue carbon; coastal wetland; carbon stock; carbon sink; carbon accumulation rate

*國家自然科學基金面上項目, 42076176號, 41476071號; 福建省自然科學基金項目, 2020J01048號。陳鷺真, 博士生導師, 教授, E-mail: luzhenchen@xmu.edu.cn

2021-08-09,

2021-10-11

P736.21

10.11693/hyhz20210800177