付碩章,柯文山,陳世儉

(1.湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430062;2.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所,湖北 武漢 430077)

0 引言

CO2是大氣中主要的溫室氣體,大量的觀測(cè)和研究表明,自工業(yè)革命以來(lái),由于受人類活動(dòng)的影響,CO2濃度正以前所未有的速度增加,導(dǎo)致溫室效應(yīng)增強(qiáng)并有可能引起全球性氣候變暖[1-3].因此,自20世紀(jì)70年代以來(lái),有關(guān)溫室氣體的研究越來(lái)越受到世界各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[4].所謂固碳(carbon fixation),指以捕獲碳并將其安全封存的方式來(lái)取代直接向大氣中排放CO2的技術(shù)[5].根據(jù)碳固定的方式,可將其分為人工固碳減排和植被自然固碳兩類,其中,植被的自然固碳功能是碳的自然封存過(guò)程,不需人工提純CO2,從而節(jié)省了捕獲、分離和壓縮CO2氣體的成本.因此,植被自然固碳成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外碳匯研究的熱點(diǎn)[6],但過(guò)去的研究多集中在森林、草原和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)上[7-9].濕地具有很高的初級(jí)生產(chǎn)力,濕地植物可通過(guò)光合作用固定大氣中的CO2,具有很強(qiáng)的儲(chǔ)碳、固碳能力,在全球碳循環(huán)中占有重要地位.據(jù)估計(jì)儲(chǔ)存于不同濕地中的碳約占全球陸地總碳量的15%[10],是重要的陸地碳庫(kù),在全球碳循環(huán)中也具有十分重要的研究意義.濕地植被碳儲(chǔ)量的研究,是進(jìn)行濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)特別是碳循環(huán)研究的重要基礎(chǔ),也是全球變化研究的重要組成部分.當(dāng)前對(duì)于濕地植被碳儲(chǔ)量的研究已經(jīng)取得了不少成果,但是對(duì)于湖泊型濕地植被碳儲(chǔ)量的研究還較少[11-13].洪湖是湖北省最大的湖泊,也是長(zhǎng)江中下游的大型淺水湖泊之一,在長(zhǎng)江中下游淺水湖泊中具有代表意義.目前,對(duì)洪湖典型濕地植被的儲(chǔ)碳、固碳能力的研究尚少見(jiàn)報(bào)道.本研究以洪湖菰群落生長(zhǎng)帶為例,研究洪湖典型挺水植物菰的儲(chǔ)碳、固碳能力,探討其固碳潛力,為該地區(qū)的碳循環(huán)研究提供依據(jù).

1 區(qū)域概況和研究方法

1.1區(qū)域概況洪湖位于湖北省東南部(113°12′～113°26′E,29°40′～29°58′N),屬亞熱帶中緯度南緣季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.9～16.6 ℃,年均降雨量1 000～1 300 mm;年均蒸發(fā)量為1 354 mm.平均日照數(shù)為1 987.7 h,無(wú)霜期在250 d以上.洪湖集水面積3 314 km2.集水區(qū)的地表徑流主要通過(guò)四湖總干渠入湖,由若干涵閘對(duì)湖泊水位和水量進(jìn)行調(diào)控,經(jīng)內(nèi)荊河等河閘與長(zhǎng)江相通.洪湖是我國(guó)重要的淡水漁業(yè)基地.冬排夏蓄,是一個(gè)以調(diào)蓄為主,兼具灌溉、漁業(yè)、航運(yùn)、飲水等多種功能的湖泊,在長(zhǎng)江中下游淺水湖泊中具有代表意義.2000年成為湖北省首家濕地類型的省級(jí)自然保護(hù)區(qū).洪湖濕地已被列入《中國(guó)濕地保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃》和《中國(guó)重要濕地名錄》.

1.2研究方法野菰是洪湖沿岸呈環(huán)帶狀分布的優(yōu)勢(shì)挺水植物.本研究于2009年11月—2010年9月對(duì)洪湖濕地菰帶進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,在調(diào)查基礎(chǔ)上選擇洪湖濕地保護(hù)試驗(yàn)基地和居民島野菰生長(zhǎng)良好的群落為典型樣地進(jìn)行調(diào)查采樣.由于野菰群落主要為菰單優(yōu)群落,故按對(duì)角線法選取12塊樣地,每樣地以手持式GPS記錄坐標(biāo)為中心25 m2,每樣地設(shè)置3～5樣方取樣調(diào)查.同時(shí)于洪湖濕地保護(hù)局收集全湖野菰分布面積.

地上部分生物量測(cè)定:將樣方內(nèi)(1 m×1 m)菰齊地割取,稱鮮重.統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)菰的株數(shù),計(jì)算密度,在每樣方內(nèi)隨機(jī)取菰18株,標(biāo)號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重.地上部分生產(chǎn)力為現(xiàn)存生物量和凋落物之和.

地下部分生物量:將地上部分齊地割去后,用大鐮刀挖出樣方內(nèi)地下部分沖洗、濾去表面水,稱鮮重.隨機(jī)選取地下部分分當(dāng)年生和往年生根,留取1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室烘干、稱干重.地下部分生產(chǎn)力以現(xiàn)存地上部分生產(chǎn)力的30%～80%計(jì)算[14],便于計(jì)算取50%[15].

碳的換算:以洪湖菰帶濕地有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)為基礎(chǔ),根據(jù)光合作用反應(yīng)方程式推算每形成1 g干物質(zhì)需1.62 g CO2,進(jìn)而計(jì)算固定碳的數(shù)量.

2 結(jié)果與分析

2.1野菰群落碳儲(chǔ)量及分配格局洪湖野菰因生長(zhǎng)快速、根莖交織成網(wǎng),往往形成單優(yōu)群落.表1顯示,野菰地上現(xiàn)存生物量為0.52～0.96 kg·m-2,平均0.75 kg·m-2,現(xiàn)存碳儲(chǔ)量0.23～0.42 kg·m-2,平均0.33 kg·m-2;地下部分的生物現(xiàn)存量平均為1.47 kg·m-2,約為地上的2倍.其碳儲(chǔ)量地下部分平均為0.65 kg·m-2,也約為地上的2倍,因此洪湖野菰地下部分為主要儲(chǔ)碳部分.然而,兩個(gè)樣地現(xiàn)存生物量和碳儲(chǔ)量有明顯差異(表1):居民島地上菰生物量平均0.89 kg·m-2,碳儲(chǔ)量平均為0.39 kg·m-2,均分別約為試驗(yàn)基地的1.5倍;地下現(xiàn)存生物量和碳儲(chǔ)量也高于試驗(yàn)基地.這種差異可能與水體營(yíng)養(yǎng)狀況有關(guān),試驗(yàn)基地處于洪湖核心保護(hù)區(qū),遠(yuǎn)離農(nóng)田及居民點(diǎn),水質(zhì)清潔,而洪湖居民島野菰水質(zhì)處于中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),利于野菰種群的生長(zhǎng).

表1菰的現(xiàn)存生物量及現(xiàn)存碳儲(chǔ)量kg·m-2

項(xiàng)目生物量碳儲(chǔ)量試驗(yàn)基地居民島平均試驗(yàn)基地居民島平均地上部分0.61±0.030.89±0.070.75±0.140.27±0.020.39±0.030.33±0.06地下部分1.30±0.581.64±0.041.47±0.380.57±0.260.73±0.020.65±0.17合計(jì)1.91±0.482.53±0.382.22±0.470.84±0.211.12±0.170.98±0.21

2.2野菰群落固碳能力由于洪湖氣候適宜,在9月之后到10月底,孤莖大量產(chǎn)生分蘗高20～40 cm不等[16].因此,菰地上部分生物量在11月份基本為全年總量.洪湖濕地菰其地上部分凈初級(jí)生產(chǎn)力包括調(diào)查期間的現(xiàn)存生物量以及生長(zhǎng)代謝過(guò)程中的凋落物部分,平均合計(jì)達(dá)0.75 kg·m-2·a-1,加上地下部分,平均為1.2 kg·m-2·a-1.固碳能力為0.53 kg·m-2·a-1,其中居民島固碳能力最高,平均為0.63 kg·m-2·a-1,高于試驗(yàn)基地(表2).

表2洪湖野菰群落凈初級(jí)生產(chǎn)力和固碳能力kg·m-2·a-1

項(xiàng)目?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力固碳能力試驗(yàn)基地居民島平均試驗(yàn)基地居民島平均Ⅰ 現(xiàn)存量0.61±0.030.89±0.070.75±0.140.27±0.020.39±0.030.33±0.06 凋落物0.06±0.000.09±0.010.07±0.020.02±0.000.04±0.000.03±0.01Ⅱ 0.31±0.020.45±0.040.38±0.160.14±0.010.20±0.020.17±0.07合計(jì)0.98±0.061.43±0.221.20±0.110.43±0.030.63±0.100.53±0.08

Ⅰ,地上部分(凋落物:將樣方內(nèi)的枯葉、枯莖收集后稱重);Ⅱ,地下部分.

表3不同生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力[15]kg·m-2·a-1

3 結(jié)論與討論

野孤又稱菱草,廣泛分布于我國(guó)內(nèi)陸水體,在湖北省洪湖,野孤是沿岸呈環(huán)帶狀分布的優(yōu)勢(shì)挺水植物.由于該湖年平均水深僅1.35米,底泥肥沃,適于野孤生長(zhǎng)繁殖,同時(shí)野菰生長(zhǎng)迅速,群落面積由20世紀(jì)90年代早期占總湖面積的38.5%,發(fā)展已達(dá)90年代末期22.7萬(wàn)畝,占該湖總面積的42%[18-19].每年生產(chǎn)莖葉干物質(zhì)由9.5萬(wàn)噸上升達(dá)13萬(wàn)噸以上,儲(chǔ)碳量由4.2萬(wàn)噸上升到5.8萬(wàn)噸以上.因此,洪湖野菰是洪湖濕地重要的碳庫(kù).但野菰是沼澤化的先鋒植物,生長(zhǎng)迅速,形成沼澤化威脅.在90年代后期,因洪湖養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展及防止洪湖沼澤化,多數(shù)野菰群落被砍除,面積迅速減少,成零星分布.隨著洪湖濕地被納入湖北省及國(guó)際保護(hù)對(duì)象,洪湖植被開(kāi)始恢復(fù),野菰群落也逐漸恢復(fù)到目前4.002×107～4.667×107m2[17],全湖干物質(zhì)產(chǎn)量恢復(fù)到90年代初的三分之一,碳儲(chǔ)量也達(dá)1.5萬(wàn)噸以上.

濕地植被一般具有較高的地下/地上生物量比率,尤其是多年生植物更是如此,其根莖全年都保有.野菰的地下生物量是地上生物量的2倍多,碳儲(chǔ)量是地上部分的2倍以上.因此,地下的根莖部分是洪湖野菰濕地植被碳儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所.這種儲(chǔ)存模式與蘆葦相同,而與海三棱藨草相反[15].

洪湖是典型的淺水湖泊,是長(zhǎng)江汛期重要的納水調(diào)節(jié)湖泊;同時(shí),野菰生物特性如同蘆葦,可利用的碳量在空氣中要高出在水中幾個(gè)數(shù)量級(jí),具有與陸生植物相似的氣生葉,可直接利用空氣中的CO2進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn),有利于對(duì)碳素的吸收利用[20];發(fā)達(dá)的根莖、密實(shí)的葉子能維持足夠的凈光合作用產(chǎn)物[21],且群落郁閉度很高,常形成單優(yōu)群落.因此,洪湖濕地野菰也具有較高的儲(chǔ)碳、固碳能力.洪湖野菰固碳能力為0.53 kg·m-2·a-1,高于全國(guó)陸地植被平均固碳能力(2000年中國(guó)陸地植被固碳能力平均0.49 kg·m-2·a-1)[22]和全球植被平均固碳能力(全球植被固碳能力平均為0.41 kg·m-2·a-1)[23].與中國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力相比,由于洪湖濕地野菰種群郁閉度較高,其平均固碳能力強(qiáng)于城市、河流等生態(tài)系統(tǒng),明顯高于其他湖泊生態(tài)系統(tǒng)(表3).

[1] IPCC. Climate change: impacts, adaptation and vulnerability[R]. Cambridge: Cambridge University Press,2001:5-25.

[2] Bluemle J P, Sabel J M, Karlen W. Rate and magnitude of past global climate changes[J]. Environmental Geosciences,1999,6:63-75.

[3] Adams J M, Piovesan G. Uncertainties in the role of land vegetation in the carbon cycle[J]. Chemosphere,2002,49:805-819.

[4] Falkowski P, Scholes R J, Boyle E, et al. The global carbon cycle: a test of our knowledge of earth as a system[J]. Science,2000,290:291-296.

[5] 李新宇,唐海萍.陸地植被的固碳功能與適用于碳貿(mào)易的生物固碳方式[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2006,30(2):200-209.

[6] 索安寧,趙冬至,張豐收.我國(guó)北方河口濕地植被儲(chǔ)碳、固碳功能研究——以遼河三角洲盤(pán)錦地區(qū)為例[J].海洋學(xué)研究,2010,28(3):67-70.

[7] 周廣勝,張新時(shí).全球氣候變化的中國(guó)自然植被的凈第一性生產(chǎn)力研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),1996,20(1):11-19.

[8] 陳泮勤.中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支與增匯對(duì)策[M].北京:科學(xué)出版社,2008:35-42.

[9] Hat Tenschwiler S, Korner C. Biomass allocation and canopy development in spruce model ecosystem under CO2and increased N deposition[J]. Oecologia,1998,113:104-114.

[10] 傅國(guó)斌,李克讓.全球變暖與濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].地理研究,2001,20(1):120-128.

[11] 陳宜瑜,呂憲國(guó).濕地功能與濕地科學(xué)的研究方向[J].濕地科學(xué),2003,1(1):7-12.

[12] 黎明,李偉.濕地碳循環(huán)研究進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(1):116-124.

[13] 于泉洲,張祖陸,袁怡.山東省南四湖濕地植被碳儲(chǔ)量初步研究[J].云南地理環(huán)境研究,2010,22(5):88-93.

[14] 張修峰,何文珊.介紹一種以產(chǎn)氧量為指標(biāo)的旅游區(qū)環(huán)境容量測(cè)算方法[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2004(S1):206-207.

[15] 梅雪英,張修峰.崇明東灘濕地自然植被演替過(guò)程中儲(chǔ)碳及固碳功能變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(4):933-936.

[16] 李孝慈.洪湖水生維管束植物調(diào)查[Z]/洪湖水生植物資源(二),1982:37-51.

[17] 荊州市政協(xié)人口資源環(huán)境委員會(huì).洪湖濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)建設(shè)面臨的問(wèn)題與建議[EB/OL].2008-4-6.http://www.hbjzszx.gov.cn/.

[18] 王業(yè)勤,馮勃.洪湖野菰及其化學(xué)成分分析[J].水生生物學(xué)報(bào),1989,13(1):51-56.

[19] Jones M. B. Photosynthetic responses of C3 and C4 wetland species in a tropical swap[J]. J Eco L,1988,76:253-262.

[20] 孫剛,祝廷成.蘆葦光合作用與蒸騰作用的日進(jìn)程[J].生物學(xué)雜志,1999,16(3):24-26.

[21] 李博,劉存歧,王軍霞,等.白洋淀濕地蘆葦儲(chǔ)碳和固碳能力研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(12):2603-2607.

[22] 何浩,潘耀忠,朱文泉,等.中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值測(cè)量[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005,16(6):1122-1127.

[23] 李銀鵬,季勁鈞.全球陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳交換的模擬研究[J].地理學(xué)報(bào),2001,56(4):379-389.