不同驱动力影响下秋茄红树林主要有机碳过程动态预测

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本文以植被恢复进程、海平面上升、高位虾池废水排放影响下的秋茄红树林有机碳过程现场调查数据为基础,结合该生态系统中各有机碳过程的相互关系,用matlab语言编写的函数文件,分别建立了两种主要人类活动(植被恢复和水产养殖)及一种主要全球变化效应(海平面上升)影响下的秋茄红树林主要有机碳过程的经验模型,实现区域一定时间尺度下秋茄红树林有机碳过程的预测,较好地反映出秋茄红树林主要有机碳过程在人类活动及海平面上升影响下的变化规律。福建九龙江口于1998年、1986、1962年开展了三次秋茄红树林植被恢复工作。至2020年,在该区域秋茄红树林恢复时间分别为22年(22K)、34年(34K)、58年(58K)的三片秋茄红树林。模型运行结果表明,植被从恢复22年至58年,生态系统有机碳储量增长了 163.45 t C ha-1,生态系统有机碳储量表现出22K58K。“S”型生长曲线能较好地体现恢复过程中植物生物量的变化规律,决定系数R2为0.9933。由于恢复后期(58K),植物生物量增长缓慢,而凋落物年产量较为稳定,地上部分凋落物占净初级生产力(NPP)比例随时间推移而呈现上升趋势。凋落叶有机碳归宿中的蟹类摄食量、微生物分解量、潮水输出量均受凋落叶产量的控制。各林地内日平均淹水时间相同,微生物的分解速率决定了凋落叶各归宿的配比,且因淹水时间较短,淋溶输出量较小,可忽略不计。各林地内凋落叶半分解期较为接近,微生物分解量占凋落叶总量平均值约为42.34%,潮水输出量占45.48%。因此,该区域潮水的输出是凋落叶主要的归宿。红树林底质不仅是凋落物的一个归宿,而且以矿化的方式向大气排放CO2,随着植被恢复时间的延长,底质-大气碳通量的增长缓慢,不及底质有机碳积累速率。因此,认为红树林植被的成功恢复能够在较长的时间内,特别是在恢复前期因植被生长效率、净初级生产力高,有着较高的碳汇潜能。在厦门曾营海岸,人工堆填出三个不同高程的秋茄红树林样地,分别代表海平面上升80 cm、40 cm、0 cm(SLR 80、SLR 40、SLR 0)。对这三块样地的模型预测得出,无论是短期(2020年)还是较长的时间尺度(至2099年),生态系统有机碳储量表现为SLR 0>SLR 40>SLR 80。随着时间的推移,SLR 80与SLR 0生态系统间有机碳储量差异从2020年的73.63 t C ha-1扩大至2099年的98.87 t C ha-1,而SLR 40与SLR 0间生态系统有机碳储量差异从2020年的2630tCha-1增长至2099年的38.55 t C ha-1。然而,底质碳储量随着海平面上升与时间变化呈现出不同的规律。在2020年,底质碳储量的规律为SLR0>SLR40>SLR80,而到2099年,该规律则为SLR80>SLR40>SLR0,这是由于SLR40和SLR80的底质-大气碳通量较SLR 0小,从而减少了底质有机碳的输出。各样地日均淹水时间不同而引起有机碳潮水输出量的改变,这是凋落叶有机碳各归宿配比发生改变的主要原因。SLR 0的潮水输出凋落叶有机碳量占年凋落叶有机碳总量的36.17%,低于 SLR 40 的 43.92%与 SLR 80 的 49.03%。SLR 0、SLR 40、SLR 80有机碳淋溶输出量占有机碳潮水输出总量的比值分别为2.86%,14.46%,27.49%。因此,潮水输出量的差异主要体现在淋溶有机碳的输出上。本文除考虑林地内干湿交替的日变化外,还耦合微生物分解过程,结果表明:在全年的时间尺度上,微生物对于凋落叶的分解作用仍强于与淋溶作用,体现于淋溶量与微生物分解量之比(DOCtide/Cmicrobe),且该值随着淹水时间的减少逐渐降低。虽然长时间的淹水环境加剧了土壤厌氧的状况,好氧呼吸受到阻碍,使得底质-大气CO2碳通量随着海平面上升而减少,但由此也引起植被生长受阻,生长前期净初级生产力下降。总体而言,海平面上升将不利于整个生态系统碳汇潜能的正常发挥。福建九龙江口南岸有两块于2004年(N2)及2010年(N1)开始受到虾池养殖清塘废水直排影响的秋茄红树林样地。为衡量干扰的强度,引入邻近未直接受到废水影响的区域R。模型运行结果表明,至2020年,生态系统有机碳储量表现为:N1>R>N2,分别为,406.22、296.40、259.29tCha-1,虾池废水的干扰强度与排放时间点不同影响了植被后续的生长模式。养殖废水中氮元素进入红树林底质后加速了对应的地球化学过程,使得受影响的N1、N2样地底质CO2通量约为对照区R的两倍,线性回归方程很好地反应了这点。N1、N2以及R林地淹水时间相同,有机碳潮水输出量、微生物分解量以及蟹类摄食量主要受到凋落叶年产量的控制。R、N1、N2样地微生物分解的凋落叶量占凋落叶产量的比例分别为36.19%、36.12%、32.94%,与凋落叶的半分解周期密切相关。因此,该区域内微生物分解凋落叶的速率是影响凋落叶归宿配比的直接因素。在一定的时间点向红树林排放适量养殖废水,不仅能够促进植被生长、增强其碳汇潜能,而且能加快碳元素的生物地球化学循环。
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