洪湖濕地野菰群落儲碳、固碳功能研究

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.中國科學(xué)院測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,大量的觀測和研究表明,自工業(yè)革命以來,由于受人類活動的影響,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,有關(guān)溫室氣體的研究越來越受到世界各國政府和學(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國內(nèi)外碳匯研究的熱點[6],但過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生產(chǎn)力,濕地植物可通過光合作用固定大氣中的CO2,具有很強(qiáng)的儲碳、固碳能力,在全球碳循環(huán)中占有重要地位.據(jù)估計儲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,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)前對于濕地植被碳儲量的研究已經(jīng)取得了不少成果,但是對于湖泊型濕地植被碳儲量的研究還較少[11-13].洪湖是湖北省最大的湖泊,也是長江中下游的大型淺水湖泊之一,在長江中下游淺水湖泊中具有代表意義.目前,對洪湖典型濕地植被的儲碳、固碳能力的研究尚少見報道.本研究以洪湖菰群落生長帶為例,研究洪湖典型挺水植物菰的儲碳、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四湖總干渠入湖,由若干涵閘對湖泊水位和水量進(jìn)行調(diào)控,經(jīng)內(nèi)荊河等河閘與長江相通.洪湖是我國重要的淡水漁業(yè)基地.冬排夏蓄,是一個以調(diào)蓄為主,兼具灌溉、漁業(yè)、航運、飲水等多種功能的湖泊,在長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自然保護(hù)區(qū).洪湖濕地已被列入《中國濕地保護(hù)行動計劃》和《中國重要濕地名錄》.

1.2研究方法野菰是洪湖沿岸呈環(huán)帶狀分布的優(yōu)勢挺水植物.本研究于2009年11月—2010年9月對洪湖濕地菰帶進(jìn)行實地調(diào)研,在調(diào)查基礎(chǔ)上選擇洪湖濕地保護(hù)試驗基地和居民島野菰生長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.

地上部分生物量測定:將樣方內(nèi)(1 m×1 m)菰齊地割取,稱鮮重.統(tǒng)計樣方內(nèi)菰的株數(shù),計算密度,在每樣方內(nèi)隨機(jī)取菰18株,標(biāo)號帶回實驗室烘干稱重.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帶回實驗室烘干、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%計算[14],便于計算取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)而計算固定碳的數(shù)量.

2 結(jié)果與分析

2.1野菰群落碳儲量及分配格局洪湖野菰因生長快速、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碳部分.然而,兩個樣地現(xiàn)存生物量和碳儲量有明顯差異(表1):居民島地上菰生物量平均0.89 kg·m-2,碳儲量平均為0.39 kg·m-2,均分別約為試驗基地的1.5倍;地下現(xiàn)存生物量和碳儲量也高于試驗基地.這種差異可能與水體營養(yǎng)狀況有關(guān),試驗基地處于洪湖核心保護(hù)區(qū),遠(yuǎn)離農(nóng)田及居民點,水質(zhì)清潔,而洪湖居民島野菰水質(zhì)處于中富營養(yǎng)狀態(tài),利于野菰種群的生長.

表1菰的現(xiàn)存生物量及現(xiàn)存碳儲量kg·m-2

項目生物量碳儲量試驗基地居民島平均試驗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生產(chǎn)力包括調(diào)查期間的現(xiàn)存生物量以及生長代謝過程中的凋落物部分,平均合計達(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,高于試驗基地(表2).

表2洪湖野菰群落凈初級生產(chǎn)力和固碳能力kg·m-2·a-1

項目凈初級生產(chǎn)力固碳能力試驗基地居民島平均試驗基地居民島平均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,適于野孤生長繁殖,同時野菰生長迅速,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9.5萬噸上升達(dá)13萬噸以上,儲碳量由4.2萬噸上升到5.8萬噸以上.因此,洪湖野菰是洪湖濕地重要的碳庫.但野菰是沼澤化的先鋒植物,生長迅速,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際保護(hù)對象,洪湖植被開始恢復(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,碳儲量也達(dá)1.5萬噸以上.

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存的主要場所.這種儲存模式與蘆葦相同,而與海三棱藨草相反[15].

洪湖是典型的淺水湖泊,是長江汛期重要的納水調(diào)節(jié)湖泊;同時,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數(shù)量級,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),有利于對碳素的吸收利用[20];發(fā)達(dá)的根莖、密實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,高于全國陸地植被平均固碳能力(2000年中國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).

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