2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
湿地与陆地和海洋并称为全球三大生态系统, 是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一[1].湿地长期处于淹水或周期性淹水条件下, 厌氧环境使湿地生态系统具有较低的分解活性, 植物残体分解缓慢, 土壤有机质含量高, 是自然界中重要的"碳汇" [2].目前, 全球湿地碳储量约为450 Gt (1 Gt=109 t), 占陆地生态圈表层碳总储量的1/4, 而面积仅占陆地总面积的1/20 [3].如果将全球沼泽排干, 碳的释放量相当于森林砍伐和化石燃料排放量的35%~50% [4-5].由于气候变化和人类活动双重驱动作用, 大气中温室气体不断升高, 引发了世界范围的温室效应问题.各国政府高度重视全球碳循环及碳减排, 共同签署了《巴黎协定》.湿地, 作为大气中CO2吸收的"贮碳库", 对温室效应具有一定的抑制作用, 同时厌氧环境使湿地成为大气CH4的排放源[6].因此, 湿地生态系统碳储量及植被固碳情况受到广泛关注.
从20世纪60年代开始, 有西方学者认识到了自然服务的价值, 随后对自然生态系统功能与服务评价的研究逐渐成为生态学的热点[7]. Constanza [8]在Nature上发表了《全球生态系统服务和自然资本的价值估算》, 对全球生态系统服务功能首次进行估价, 联合国"千年生态系统评估"(Millennium Ecosystem Assessment)显示全世界60%的生态系统服务功能下降, 严峻的形势为人类敲响了警钟[6].因此, 开展自然生态系统固碳服务功能评价, 科学、直观地衡量某一地区固碳及储碳情况非常必要.
1 研究区概况研究区选择黑龙江兴凯湖国家自然保护区.该区位于黑龙江省鸡西市境内, 地理位置131°58′~133°07′E、45°01′~45°34′N, 东以松阿察河为界, 西至白凌河, 南以大兴凯湖为界与俄罗斯相接, 北邻穆棱河, 总面积222 488 hm2.
兴凯湖自然保护区成立于1986年, 1994年被评为国家级自然保护区[9], 2002年被列入《国际重要湿地名录》 [5], 是我国唯一一个中外两国政府共同签署保护协定的保护区[10].
兴凯湖湿地属于冲积平原, 是三江平原大地貌中的一个单元[5, 11], 地貌类型以河漫滩和湖滩为主, 地势东西低, 南北高, 多古河道、牛轭湖及大面积的湖积平原[12].兴凯湖是地壳断裂凹陷形成的构造湖[5], 分为大、小兴凯湖, 以堤岸分隔, 环湖多沼泽和农田[12].区内有水域、沼泽、草甸、灌丛和农田等生态类型, 是一个非常复杂的生态系统.
兴凯湖流域主要包括穆棱河水系、兴凯湖水系、松阿察河水系.其中, 松阿察河是中俄界河, 是乌苏里江的源头之一, 也是兴凯湖唯一的出水口[5].
兴凯湖保护区高等植物共53目104科450种[5], 兴凯湖松是特有植被[9].区内分布着以兴凯湖松、蒙古栎等乔木为主的森林植被[10].沼泽中以毛果苔草沼泽分布面积最大, 伴生有芦苇和一些藓类.典型草甸主要由小叶樟和一些杂草组成[9].
兴凯湖自然保护区地理位置独特, 以松阿察河及大兴凯湖与俄罗斯兴凯湖国家自然保护区接壤, 是东北亚最大的鸟类迁徙通道和停歇繁殖地[10].区内有世界濒危鸟类14种.鱼类中青梢红鲌、兴凯湖油鲦、兴凯鱊是这里的特有种, 翘嘴红鲌(兴凯湖大白鱼)为全国四大淡水名鱼之一[9].
兴凯湖地区属温带大陆性季风气候[11].保护区包括兴凯湖农场、八五七农场、八五六农场等所管辖的部分范围, 农场内主要种植水稻、玉米和大豆[9].
2 样品和分析 2.1 采样及测试根据文献, 湿地土壤中的碳集中分布于土壤表层(即0~20 cm处) [13], 故本研究只采集地下0~20 cm表层土壤样品. 2019年6~10月, 按照兴凯湖国家级湿地自然保护区不同的土壤类型分区采样, 共采集土壤样品282个, 其中暗棕壤6个、白浆土89个、草甸土40个、泥炭土6个、沼泽土141个, 各采样点按照4 km2的网格均匀间隔分布(图 1).采样时除去地表枯枝、落叶等杂物, 利用刻槽法垂直采集地表至20 cm深土壤, 保证上下均匀采集[14].将野外采集的土壤样品自然风干, 研磨并过60目筛, 四分法取样, 直至最后取样40 mg, 用TOC仪(Multi N/C 3100, 德国耶拿)测土壤样品含碳量[15].
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图 1 兴凯湖自然保护区土壤类型及采样点分布图 Fig.1 Distribution of soil types and sampling sites in Xingkai Lake Nature Reserve 1—暗棕壤(dark brown soil); 2—白浆土(albic soil); 3—沼泽土(boggy soil); 4—草甸土(meadow soil); 5—泥炭土(peat soil); 6—采样点(sampling site) |
兴凯湖保护区生态系统固碳服务功能总量为土壤储碳(t)量与植物固碳量(t)之和[16].兴凯湖保护区某土壤类型储碳量SOCi的计算公式[13]为:
| $ {\rm{SO}}{{\rm{C}}_i} = C \times D \times H \times {S_i} \times {10^{ - 7}} $ | (1) |
其中: C为土壤含碳量(10-3); D为土壤容重(g/cm3); H为土壤厚度(H=20 cm); Si为兴凯湖保护区内某土壤类型分布面积(m2), i=沼泽土、草甸土、泥炭土、白浆土、暗棕壤; 10-7为单位转换系数.
本研究中将兴凯湖自然保护区植物固碳量定义为绿色植物参与光合作用吸收CO2并释放CH4的总和, 忽略植物进行呼吸作用释放的碳含量.根据文献[4, 17-19], 某植被群落类型植物固碳量CTn的计算公式为:
| $ {\rm{C}}{{\rm{T}}_n} = \left( {4.4 \times B - 1.8 \times {{10}^{ - 5}} \times D \times {Q_n}} \right) \times S \times {10^{ - 3}} $ | (2) |
其中: B为植物净初级生产力(g/cm2); D为植物生长期(d); Qn为甲烷排放通量(mg·m-2·h-1), n=毛果苔草群落、阔叶林地、水稻田; S为植物群落面积(m2).
3 生态系统固碳功能评价及价值核算根据兴凯湖自然保护区土壤类型分布图(图 1), 利用ArcGIS软件计算不同土壤类型面积及全碳含量, 通过查阅文献[3, 20-21], 三江平原沼泽土、泥炭土、草甸土、暗棕壤及白浆土的表层土壤容重估算为0.284、0.15、0.35、1.14、1.11 g/cm3.根据兴凯湖保护区土壤储碳量SOC的计算公式, 计算出兴凯湖湿地沼泽土、泥炭土、草甸土、暗棕壤和白浆土的土壤储碳量分别为25.92、0.25、8.11、20.14和100.04 t, 兴凯湖保护区土壤碳储量为154.46 t.
利用遥感解译获得兴凯湖自然保护区土地利用图(图 2).根据当地植被区系组成、植被群落优势种光合作用及甲烷排放情况, 主要提取稻田、沼泽化草甸及林地3种土地利用类型计算兴凯湖自然保护区植物固碳总量.由于自然生态系统是一个复杂的系统, 植被交错分布且长势不均衡, 难以统计同一植被类型中每一珠植株的生物量, 因此本研究在计算植物初级净生产力(NPP)时以理想化单一物种(群落优势种)生物量核算.
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图 2 兴凯湖自然保护区土地利用图 Fig.2 Land use map of Xingkai Lake Nature Reserve 1—城乡、工矿、居民用地(urban-rural, industrial-mining and residential land); 2—旱田(dry field); 3—沼泽化草甸(swamp meadow); 4—林地(forest land); 5—水域(water area); 6—水田(paddy field) |
三江平原沼泽最主要的植被类型是毛果苔草[22], 林地类型为阔叶林, 利用ArcGIS软件计算毛果苔草沼泽植物群落、阔叶林地及水稻田面积, 已知毛果苔草[20]、阔叶林[23]及水稻[17]的植物净初级生产力分别为1302、1043、1393 g/m2.水位变化对甲烷排放的影响最为强烈, 水位越低, 甲烷产生和排放就越少[20].沼泽湿地是CH4最主要的自然源, 稻田湿地次之[24].兴凯湖湿地主要甲烷排放植被类型为毛果苔草湿地及水稻田, 其CH4排放通量[17]分别为17.29、16.1 mg /(m2h), 按照当地的植物生长期150 d估算, 根据公式计算当年生态系统植物固碳总量为6.46×105 t, 兴凯湖保护区生态系统固碳服务功能总量为6.5×105 t.利用瑞典碳税法和中国造林成本法的均值(1990年不变价), 生态系统单位固碳价值以759元/t估算, 则兴凯湖保护区生态系统固碳服务功能价值为4.9亿元[7-8, 25-26].
4 结论经测算, 兴凯湖自然保护区年固碳速率为180 t/(km2 a), 高于同纬度且同位于东北平原的莫莫格湿地生态系统固碳速率[173.61 t/(km2 a)] [19]及全国内陆沼泽平均固碳速率[41.46 t/(km2 a)] [27], 湿地固碳服务功能高于全国平均水平, 湿地固碳服务价值较高.
三江平原作为我国面积最大的沼泽化低平原和沼泽湿地集中区, 是我国重要的碳库[1, 3, 24].兴凯湖湿地位于三江平原东南端的完达山南麓, 是三江平原湿地的重要组成部分, 也是我国穆棱-三江平原湿地最具代表性、保存最好、面积最大的区域[9], 从西向东随着地势的不同, 有规律分布着草甸、沼泽、湖泊和森林等植被, 形成完整、复杂的湿-陆结合的生态系统.近年来, 在气候变化和人类垦殖的驱动下, 农田逐渐成为该地区主要的景观类型, 成为我国商品粮后备基地与黑龙江省绿色食品产业区.
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