湿地碳通量与根系

文章来源：观沧海9月16日，作为全国科普日联合主办单位，自然资源部以线上、线下相结合的方式举办了丰富多彩的主场活动，其中直播节目《湿地“碳”究》格外引人注目。滨海湿地对于固碳释氧、应对气候变化等具有重要作用。调查发现，滨海湿地的碳主要分布在植物、土壤和水域中，但这些碳也会通过呼吸作用释放到大气中，俗称为碳在“水-土-气-生”多圈层中的循环过程。那么，这些过程是如何观测？又有哪些因素控制着碳在各圈层分布？气候变暖是如何影响碳汇过程的？这些都是科研工作者重点攻关的科学问题。直播节目中，自然资源部北方滨海盐沼湿地生态地质野外科学观测研究站（以下简称滨海湿地野外站）站长叶思源带领观众走进滨海湿地野外站位于江苏盐城的观测站点，用通俗易懂的语言讲解了滨海湿地的生态功能，介绍了该团队野外作业相关情况，展示了在滨海湿地碳汇调查和研究方面取得的工作成果，深化了公众对碳达峰、碳中和目标的理解，推广了关爱湿地、保护湿地的理念。滨海湿地野外站一角科研人员野外调查现场地上植物能固碳研究滨海湿地碳汇奥秘，离不开调查装备的“硬件”支撑。 “芦苇是盐沼湿地的典型植物，植物体中45%的成分是碳。科研人员可以利用仪器观测植物进行光合作用的过程，也就是植物的固碳过程。”在江苏盐城湿地的芦苇地，叶思源首先向观众展示了调查常用仪器——新一代光合仪。“显示屏上的这条曲线反映了测量时间段内二氧化碳浓度的变化，如果曲线下降，表明二氧化碳浓度降低，说明植物正在吸收二氧化碳。” 那么，科研人员是如何得知这些地上植物的碳储量的呢？“最直接的办法是将其割了、晒干、再称重，从而估算出它的碳储量。”叶思源介绍，由于湿地调查范围较大，科研人员通常采用样方调查方法，了解湿地植物的种群、数量和生长状况，并进行生物量的测算，从而对湿地的固碳能力作出评估。 目前，滨海湿地野外站根据芦苇的生长特征，设置了50厘米×50厘米样方。科研人员对样方范围内每一株植物进行体检，测量其身高、体重、“腰围”等，计算每个样方的生物量，并根据区域植被分布面积，评估湿地的生物量，再根据碳转换系数，得出区域内植被圈层的碳储量。地下的巨大碳库除了湿地植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，湿地的地下也存在一个巨大的碳库，而且地下碳的库存量远大于植被圈层的库存量。直播节目中，叶思源拿起一个刚从芦苇湿地取出的土壤柱状样品说：“由于湿地大部分时间处于静水水淹状态，缺氧的环境使得土壤中微生物分解碳的能力变得非常弱，再加上滨海地区河流较多，带来的泥沙快速埋藏植物残骸，形成长期稳定的碳库。我们通过仔细观察，可以看到土壤里面包含湿地植物的根茎，把土壤洗掉，称量植物的根，就能获得植物的地下生物量。”叶思源表示，在盐沼湿地中，土壤中的碳储量可占总碳储量的50%~98%。地上的芦苇，相当于一个加工厂，把碳生产出来，最后储存到土壤中。土壤的碳年复一年保存在这里，形成了一个巨大的碳库。水域固碳不容忽视此外，湿地中的水域固碳能力也不容忽视。叶思源介绍，湿地水域中生长的各类浮游植物也可以进行光合作用。浮游植物将水中游离的碳转化为有机碳，这样水里的碳少了，大气中的二氧化碳就会进入水体中进行补充，从而减少了大气中的二氧化碳，这就是水域光合固碳作用。直播节目中，叶思源向观众展示了一套可以测定浮游植物光合作用能力的实验装置。“我们通过监测发现，水质清澈的辽东湾水域比江苏近海浑浊水域初级生产力高出48倍，因此证明水的悬沙量对水域光合固碳效率影响很大。这提示我们，可以通过增加河流的漫游路径来减少浑浊度，进而增加近海水域的光合固碳能力。”叶思源说。监测温室气体排放速率调查发现，湿地生态系统中，储存于植物、土壤和水这3个圈层的碳并不是完全稳定储存的，有一部分通过呼吸作用和土壤矿化分解作用，以二氧化碳或甲烷的形式返回到大气中。那么，科研人员又是如何监测二氧化碳或甲烷等温室气体排放速率的呢？叶思源向观众介绍了一个形似黑箱的测量装置。“我们通过该封闭箱采集气体，用布罩住形成一个黑箱，连接仪器，可以看到在没有光合作用的情况下二氧化碳浓度的变化，从而测量湿地生态系统二氧化碳的释放速率。”叶思源介绍，总体来说，滨海湿地吸收的碳量远大于排放的碳量，是典型的负排放系统。滨海湿地野外站开展碳循环的研究工作，主要是围绕碳在不同圈层中的循环过程和控制因素，试图找到好的方法，能使生态系统多储存碳。研究发现，滨海湿地温度小于18摄氏度、盐度大于18‰时，二氧化碳和甲烷基本不排放。当盐度达到15‰时，湿地系统固碳能力可达到最佳状态。因此，科研人员可以通过调控湿地水的盐度增强其固碳能力。研究碳循环模式当前，在全球气候变化大背景下，碳循环模式发生了很大变化。叶思源介绍了一个用于研究湿地碳汇资源对全球变暖影响的增温模拟试验装置。该装置形似玻璃房，“房中”安装了很多传感器，可实时监测46个环境因子。叶思源表示，类似这种装置，滨海湿地野外站已布设于辽河三角洲、黄河三角洲、盐城3个湿地，覆盖了2种植被、3个纬度带，并与欧美国家同等的增温站联网，全球科学家共享数据，合作研究预测不同纬度、不同生境、不同地质演化阶段的滨海湿地在未来气候变暖情况下固碳能力的变化，为应对全球变暖提出科学建议。“我们初步研究发现，增温会破坏本土植物的固碳器官，但是会增强互花米草等入侵植物的固碳能力。”叶思源说，“当前该结论在学术界还存在争议，主要是增温的响应存在短期效应和长期效应的区别。为了更科学地认识湿地碳汇功能对增温响应的规律，我们必须在观测站进行长期监测，这也是建设该观测站点的目的。”直播节目尾声，叶思源向观众发出呼吁：“希望大家多多了解滨海湿地，保护湿地，关注全球气候变化，践行低碳生活，为实现‘双碳’目标作出自己的贡献。”链接：盐沼湿地如何固碳释氧地球上有四大碳库：岩石圈碳库、大气碳库、陆地生态系统碳库和海洋碳库。其中，海洋是地球上最大的活跃碳库，是陆地碳库的20倍、大气碳库的50倍。海洋每年吸收约30%的人类活动排放到大气中的二氧化碳。海洋储碳周期可达数千年，在全球气候变化中发挥着不可替代的作用。要实现碳达峰、碳中和目标，必须下大力减少大气中的二氧化碳，除了调整能源结构、推动产业结构转型、提升能源利用高效率、加速低碳技术研发推广，增加生态系统碳汇也是行之有效的方式之一。比如，滨海湿地生态系统单位面积的固碳速率是陆地生态系统的15倍和海洋生态系统的50倍。湿地是位于陆生生态系统与水生生态系统之间的过渡地带，泛指暂时或长期覆盖水深不超过2米的低地、土壤充水较多的草甸以及低潮时水深不过6米的沿海地区，包括咸水淡水沼泽地、湿草甸、湖泊、河流以及河口三角洲、泥炭地、湖海滩涂、河边洼地或漫滩、湿草原等。滨海湿地位于陆海交互带，是海岸带的一部分。天然的滨海湿地主要分为盐沼湿地、红树林湿地、珊瑚礁湿地、水草床湿地等类型。滨海湿地物种丰富，有很高的生态服务功能，在水土保持、岸线稳定、污染物质净化、碳埋藏与温室气体吸收以及为人类提供休息娱乐场所等方面具有很高的价值。作为滨海湿地的重要组成部分，盐沼湿地基本特性是地表水呈碱性且土壤中盐分含量较高，表层积累有可溶性盐，其上生长着盐生植物，如芦苇、互花米草、柽柳和赤碱蓬等。滨海盐沼湿地具有很高的初级生产力，其土壤除了表层数厘米或数毫米的氧化层外，下部还储有巨大的碳库。该生态系统碳库大致可分为3个部分，包括地上活生物量（灌木、禾本和草本等），地下活生物量（根系和根状茎）以及土壤碳库。盐沼湿地碳库主要由内源碳和外源碳组成。其中，外源碳是通过水系输入至盐沼系统，而内源碳主要来自盐沼湿地系统中的大型植物或藻类的光合作用，但内源碳大部分却以二氧化碳或甲烷的形式又返回到大气中了。植物是盐沼碳汇功能实现的关键所在。盐沼中的植物光合作用，又称初级生产过程。该过程以大气中的二氧化碳和土壤中的水为反应物，以光能为能源，以自身为反应器将光能转化成化学能固定于体内，完成碳元素从无机态向有机态的转化。盐沼中的植物与藻类生长能够通过光合作用快速固定大气中的二氧化碳。在潮下带盐沼中，主要初级生产者是浮游藻类和底栖藻类。这些藻类在空间上来源于海水水体、底部沉积物2个部分，海水水体固定的碳元素在潮汐水流的搬运作用下进行空间上的再分配，而底部沉积物固定的碳元素在空间上的分布较为稳定。在潮间带和潮上带盐沼中，大型植物类型是确定滨海湿地初级生产力的主要因素，大型植物固碳量普遍占滨海盐沼生态系统固碳量的90%以上。 UGGA 采用紧凑型设计，将所有组件集成于一只小巧的野外便携箱中。大大减少了体积，降低了重量，并提高了便携性。适合于各种测量载体，诸如汽车、飞机、舰船、无人机载，甚至单人人力携带。UGGA 可使用直流供电，且能耗低至 60W，内置 Wifi，可以通过多种电子终端进行遥控操作。UGGA 可以快速同时测量 CH4，CO2 和 H2O 浓度，操作简单，使用方便，是一款进行野外研究，泄漏检测，空气质量研究和土壤通量研究的理想设备。特点：● 便携式箱体设计● 体积小，重量轻 ● 可直流供电，且能耗低至 60W● 三种气体（CH4, CO2, H2O）同时测量● 内置 Wifi，可通过多种终端设备遥控操作性能指标：◆ 测量范围：● CH4：0~100 ppm● CH4：0~1％（需增加扩展量程选项）● CO2：0~20000 ppm● H2O：0~30000 ppm三种气体（CH4, CO2, H2O）同时测量内置 Wifi，可通过多种终端设备遥控操作◆ 可选测量范围：● CH4：0~1000 ppm● CH4：0-1%（需增加扩展量程选项）● CO2：0~3％● H2O：＜ 99%RH，无冷凝◆ 重复性 / 精度（1σ，1 秒 /10 秒 /100 秒）● CH4：1.4 ppb / 0.5 ppb / 0.2 ppb● CO2：300 ppb / 100 ppb / 30 ppb● H2O：50 ppm / 20 ppm / 10 ppm◆ 测量速度：0.01-1 Hz（用户可选）◆ 环境条件：● 操作温度：5~45 ℃● 环境湿度：0~100% RH，无冷凝◆ 输出：数字（RS 232）、模拟、以太网、USB◆ 电力需求：60 W (11–30 VDC) 66 W (100–240 VAC, 50/60 Hz)◆ 尺寸与重量：18cm（H）x 47 cm（W）x 36 cm（D），16.9 kg

2005年10月4日，安恒公司总经理万众华随同有关领导同志一同参观考察了北京翠湖万亩湿地修复工程，并对翠湖湿地规划原则自然为本、以水为本、原生为本中的水质实时在线监测系统进行了专项考察，回答了有关领导同志关于水质监测方面的问题，并就安恒公司致力于以水质监测分析为核心的水环境监测评价和供水水质安全的公司业务，向大家进行了详细的介绍。 《湿地公约》是历时8年之久的酝酿和多边谈判，终于在１９７１年２月２日于伊朗拉姆萨尔签署的一个旨在保护和合理利用全球湿地的公约《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约 》（简称《湿地公约》）。 《湿地公约》中对湿地是这样定义的：湿地系指不问其天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过６米的水域。湿地是自然资源和生态环境的重要组成部分，对促进可持续发展战略和保护人类生存环境具有重要意义。 湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统，具有维护生态安全、保护生物多样性等功能。 人们把湿地称为“地球之肾”、天然水库和天然物种库。湿地作为一种资源，在保护环境方面起着极其重要的作用。湿地可以调节降水量不均带来的洪涝与干旱，将过多的降雨和来水存储、缓冲，然后逐步放出，发挥蓄洪抗旱的功能；湖泊、江河、水库等大量水面及其水生植物可以调节气候，水体的热量调节和蒸发作用可以使设置地区的酷热降温，空气湿度增加；湿地植被的自然特性可以防止和减轻对海岸线、河口湾和江河、湖岸的侵蚀，使植物根系及堆积的植物体稳固基地、海浪和水流的冲力削弱、沉积物沉降，促淤造陆速度是裸地的３－５倍；在地热较低的沿海地区，下层基底是可以渗透的，淡水一般位于较深的咸水层上面，通常由沿海的淡水湿地所保持，因此，湿地可以防止海水入侵，保证生态群落和居民的用水供应，防止土地盐碱化；湿地流入到蓄水层的水，可以成为浅层地下水系统的一部分，使之得以保存和即时补充；湿地生态系统大量介于水陆之间，具有丰富的动植物物种，所以湿地保持生物多样性的功能，是其他任何生态系统无法代替的；另外，湿地中还有许多挺水、浮水和沉水植物，它们能够在其组织中富集金属及一些有害物质，很多植物还能参与解毒过程，对污染物质进行吸收、代谢、分解、积累及水体净化，起到降解环境污染的作用。 湿地还是许多珍稀野生动植物赖以生存的基础，对维护生态平衡、保护生物多样性具有特殊的意义。 湿地是全球价值最高的生态系统，据联合国环境署２００２年的权威研究数据表明，一公顷湿地生态系统每年创造的价值高达１．４万美元，是热带雨林的７倍，是农田生态系统的１６０倍。 全球湿地面积达５．７３亿公顷。中国首次湿地资源调查显示，我国现有湿地面积３８４８万公顷，居亚洲第一位，世界第四位 。 北京作为中国的首善之区，是国际化的大都市，将在2010年以前投资3。36亿元建设12个湿地保护区，总面积5万公顷，到时将增加约百亿立方米雨洪的调蓄和地下水源的补给来源，约占北京降水的总量的1/4，大大缓解北京地区的缺水状况。依据世界湿地公约、1992年里约环保公约、21世纪议程和中国湿地保护行动计划等，通过对湿地的标本采集的科学调查研究手段，对湿地中生态多样性和环境质量指示性动物群落完好性的生态系统进行研究、增加生态系统的稳定性、湿地修复工程和保护性开发。 翠湖湿地位于北京市海淀区西北的上庄镇，因南口的冲积、洪积成为海淀翠湖扇，使北京温榆河的上游，是首都的后花园，是北京的江南水乡，是北京近郊仅有的一片湿地，翠湖万亩湿地修复工程是保护和开发湿地，合理调控水资源的必然要求。在翠湖湿地修复工程中应用了美国HACH公司的Hydrolab多参数水质分析仪，对湿地修复工程的水质常年实时监测，以一个树立在湿地旁边巨大的电子屏幕实时公示给社会公众，通过对水质的监测和生态系统修复，建立城市湖泊湿地对郊区生活污水自然净化模型，为解决郊区农村生活污水处理提供样板；建立水利、生物、生态工程相结合的综合开发利用水模型，构成养水、用水、循环用水的可持续发展模式，并通过环境多样性—生物多样性—景观多样性—经济多样性的循环，形成都市农业经济、生态结构和可持续发展模型，实现城乡在环境互衬、经济互补、资源净化循环的互动，实现十六大中共中央关于我国经济社会发展的五个统筹和以人为本的科学发展观，建立以循环经济为特征的和谐社会。 万亩翠湖湿地正在逐步成为人与自然高度和谐的北京都市型绿色生态现代农业产业带和休闲光旅游产业带，成为上风上水上海淀的核心区域南沙河风景休闲旅游服务区的中心 HACH的hydrolab水质多参数探头和野鸭嬉戏，与环境和谐相处，奇妙无比！

近日，强冷空气在山西、宁夏和陕西等地凶猛登陆，带来了降温降雪的天气。没有冤情的四月飞雪，大自然再一次向人类展现了它的深邃。除了突如其来的降雪，大自然赋予的特殊天气，还有极端而持续的干旱。在干旱区，由于水资源缺乏，植物的生存和生长受到严重胁迫，促使生态环境进一步恶化。为了应对干旱气候，治理生态环境，相关的研究数不胜数。基于干旱区河岸湿地这一特殊的生态系统，今天我们来了解一篇研究植物水分利用模式的论文。干旱区河岸湿地优势种植物的水分利用模式植物水分循环是研究陆地生态水文学的关键环节。在干旱区，由于有限降水和强烈蒸发，水资源是影响植物生存、生长和植被恢复可持续性的重要限制因素。近年来，由于高温和干旱等极端天气事件更加频繁，土地退化加剧，使河岸湿地生态系统面临降水减少、不同程度水位下降等干旱问题。极端干旱会降低水资源的可利用性和植被生产力，并给植物带来不可逆转的死亡风险。因此，了解植物水分利用模式可以揭示植物的生存策略和对不断变化的水文气候条件的反应，这是良好的生态管理和植被恢复的先决条件。湿地是连接水域生态系统和陆地生态系统的功能过渡区，其生态功能非常突出。因此，定量研究河岸湿地水分来源、补给途径及其植物水分利用模式，是了解湿地生态水文循环的前提条件，将为干旱区湿地环境治理和生态安全提供理论依据与决策支持。干旱区是全球生态系统的的重要组成部分，河岸湿地具有水源供给、水文调节和土壤保持等生态功能。研究人员选取干旱区典型河岸湿地的优势种植物为研究对象，测定了降水、土壤水、木质部水和地下水的氢氧稳定同位素组成（利用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统（北京理加联合科技有限公司）提取土壤和木质部中的水分），利用这些数据拟解决以下问题：（1）阐明优势种植物水分利用模式的季节变化；（2）明确两种优势种植物水分利用模式的差异。本研究将有助于了解河岸湿地生态系统中植物-土壤-水关系的机制，旨在为干旱区河岸湿地生态系统恢复与重建提供理论依据与决策支撑。图1 (a)和(b)代表研究区域及采样点空间分布。(c)为东滩湿地，(d)为旱柳，(e)为紫翅猪毛菜。【结果】图2 紫翅猪毛菜（a）和旱柳（b）0-100 cm土壤水中δD和δ18O值的季节变化。垂直虚线表示木质部水的同位素组成。误差条表示标准误差。图3 潜在水源对猪毛菜（a）和旱柳（b）贡献百分比的月变化。图4 水体氢氧稳定同位素组成的关系。图中还显示了全球大气水线(GMWL，红色虚线)、局地大气水线(LMWL，黑色虚线)和土壤水线(SWL，黑色虚线)。(a)、(b)为紫翅猪毛菜，(c)、(d)为旱柳。图5 潜在水源对紫翅猪毛菜和旱柳水分来源贡献。【结论】水分来源及其植物水分利用模式是决定湿地植物区系组成、种群分布格局的关键因子，已成为干旱区受损湿地植被保护与恢复急需解决的关键问题。因此，本文基于稳定同位素技术研究降水、土壤水、植物水和地下水的同位素组成，探究不同水分来源对河岸湿地植物水分利用的贡献率。土壤水、植物水和地下水都位于大气降水线附近，说明降水对各水源均有补给作用，但并不显著。在该研究区，草地土壤蒸发强度大于林地。地表蒸发影响0-60cm土壤水，大于80cm的土壤水与地下水存在水力联系。Iso-Source结果表明，紫翅猪毛菜主要利用0-60 cm土壤水，对地下水利用率较低，平均值仅为7.14%。降水对紫翅猪毛菜的贡献比例存在显著差异（10.3%-46.5%）。9月份降水对紫翅猪毛菜吸水贡献率最大，这与9月份的降水高峰有关。持续从浅层土壤获取水分的紫翅猪毛菜可能难以在极端干旱条件下生存。旱柳表现出明显的吸水模式，主要利用20-100cm土壤水和地下水。随着季节的推移，其水源逐渐从浅层转变为深层，表明旱柳对于水分利用具有较强的可塑性和适应性。然而，由于旱柳能够持续从深层土壤和地下水中获取水分，因此可能减弱湿地水土保持能力，造成生态负面影响。建议减少种植密度，进行适量灌溉，有利于旱柳在干旱环境中的最佳生长。今后在干旱地区进行人工湿地植被恢复和重建中，应选择根系分布不一致的树种进行混交栽植，以合理利用水资源、维持湿地生态系统的稳定性。研究结果将有助于更好地了解植被恢复计划（人工林地和天然草地）对干旱区河岸湿地水文过程的影响，并为植物物种选择和水资源管理提供参考依据。