碳储量与碳汇研究现状

自工业革命以来，大气中CO2、CH4、N2O等温室气体浓度显著增加，导致全球气候变化。自20世纪70年代以来，有关温室气体的研究越来越受到世界各国政府和学术界的关注。[68]从检索到的文献和相关著作看，目前对湿地碳汇的研究主要集中在湿地固碳与储碳能力、湿地碳汇计量方法、湿地碳汇潜力的评估、湿地碳汇控制因子的研究等方面。

0.4.2.1 湿地固碳与储碳能力

湿地植被可以通过光合作用吸收大气中的CO2，从而发挥储碳、固碳的重要生态服务功能，在全球碳循环中占有重要地位。[68,69]湿地储碳固碳研究成为近年来研究热点。目前对全球湿地碳储量总量的估计，有众多研究。DingWX等[70~77]从不同的角度研究了湿地的储碳固碳功能。Zhang等[79]认为，湿地碳库储量占陆地碳库总储量的15%～30%。Parish F[80]认为，全球所有湿地面积之和仅占地球陆地面积的4%～6%，但它却是全球最大的碳库，碳储量约为770×108 t，占到陆地生物圈碳素的35%，超过农业生态系统（150×108 t）、温带森林（159×108 t）及热带雨林（428×108 t）的碳储量总和。段晓男、王效科等[81]通过分析评价我国沼泽湿地土壤固碳速率，估测了我国各种类型沼泽湿地总的固碳能力为4.91TgC·a-1。刘晓辉、吕宪国[76]通过土壤和植物固碳功能的量化，估测了三江平原沼泽湿地的固碳总量为2.75亿t/a。这些学者虽然研究的角度不同，但均认为湿地生态系统具有很强的固碳能力，能够作为一个抑制大气CO2浓度升高的碳汇。[68]

图0-1　主要生态系统碳汇研究相关文献总数

图0-2　2000～2014年湿地碳汇研究相关文献总数

在湿地生态系统固碳与储碳能力的估算方面，国内外学者已经开展了广泛而深入的研究。Crill[82]等通过对北方泥炭地湿地植物的研究，得出其固碳能力约为0.31 kg·m-2·a-1；Aselmann[83]等通过研究认为，全球湿地植物的平均固碳能力为0.05～1.35 kg·m-2·a-1；我国学者马学慧[84]等通过对三江平原沼泽地碳循环的研究，计算得出湿地植物的固碳能力为0.80～1.20 kg·m-2·a-1；梅雪英[68]等以崇明岛东滩芦苇湿地为例，研究了长江口湿地植被的储碳固碳能力，得出其植物固碳能力为1.11～2.41 kg·m-2·a-1；李博[74]等在实地调查和实验室测定的基础上，研究了白洋淀湿地芦苇的储碳固碳功能，认为白洋淀湿地芦苇的碳储量为2.52～3.44 kg·m-2，其固碳能力为0.82～1.65 kg·m-2·a-1，是全国陆地植被平均固碳能力的1.7～3.4倍、全球植被平均固碳能力的2.0～4.0倍；李孟颖[85]以全球变化为背景分析了天津湿地生态系统的碳汇作用，估算了湿地（滨海、河流、湖泊、沼泽、人工湿地）碳汇总量；索安宁[69]等测算了辽河三角洲主要湿地植被的生物量和净初级生产力，研究了该地区湿地植被的储碳和固碳能力，得出该区植被的平均固碳量达17.68 t/hm2·a，是我国陆地植被平均固碳能力的3.59倍、全球植被平均固碳能力的4.31倍；张桂芹[89]等在采用3S技术及野外考察法对济南市湿地资源进行调查的基础上，估算了济南市不同湿地类型（河流、湖泊、沼泽、人工湿地）的碳储量，发现沼泽湿地的碳储量和当年碳增量最大，分别达到541万t和27万t；米楠[5]等通过对宁夏旱区湿地生态系统碳汇功能的研究，得出宁夏湿地总碳储量为1502.80万t，约占宁夏旱区5种主要生态系统（林地、灌木、草地、湿地、特色经果林）碳汇的45.03%，比全球湿地总碳储量占全球陆地生态系统碳库的百分比（10%～35%）高出10多个百分点；李鸿鹄[86]根据当前的气候环境情况，从扎龙湿地的土壤和植被入手，研究了扎龙自然保护区的碳汇功能，并对影响扎龙湿地碳汇功能的因素进行了探讨，提出了保护湿地的措施；吕铭志[92]等对比分析了不同气候条件下红树林湿地生态系统碳源、碳汇特征及其影响因素，认为红树林湿地在固碳速率和固碳潜力方面都要高于泥潭沼泽和苔藓泥炭沼泽。

0.4.2.2 湿地碳汇测定方法

湿地碳储量包括土壤碳储量、植被碳储量和水体碳储量。湿地植被碳储量包括地上生物量、地下生物量、枯死木生物量、枯落物生物量[88~90]；水体碳库主要包括水生植物生物量、水体碳和沉积物碳[91，92]。湿地碳储量估测的理论基础的研究，是湿地碳储量的科学计量、精确报告、有效核查的概念框架、方法论和技术体系建立的重要支撑[50]。关于湿地碳储量及碳汇效应的理论基础的专门研究比较少，学者们主要是针对森林、农田、草地等陆地生态系统的研究开展的。主要理论有生态系统生产力理论、生态系统演替理论、生态系统管理理论、碳循环理论、景观生态学原理、湿地恢复理论等。于贵瑞等[50]提出了生态系统生产力是分析生态系统固碳量、固碳速率和潜力的理论基础，固碳速率会因生态系统类型、区域性环境条件以及人为干预措施的影响而改变是定量分析和认证生态系统固碳能力与固碳速率的生态学基础；同时提出生态演替理论、生态系统管理理论等是提高碳汇潜力的理论基础；提出通过生态系统管理水平的提高增加生态系统碳汇功能和增汇潜力必将成为应对气候变化的重要途径，是必须给予高度重视的碳汇。湿地碳汇功能研究的这些理论和方法的进一步整合以及新理论和方法的引入及提出，是未来碳汇功能理论研究的一个新趋势。

湿地碳汇测定与评估方法是碳汇研究中的重要科学问题。崔丽娟等[92]对湿地生态系统各组成部分碳储量估测方法进行分析研究，指出湿地生态系统碳储量估测应当充分融合水域和陆域各碳储存库的估测方法。目前，学者们运用和探讨的固碳量估测方法，主要是针对湿地植被生物量、植被含碳量以及湿地土壤碳储量的估测。湿地生物量测算方法研究是精确估测湿地生态系统碳汇功能的一个支撑，也是学者们讨论最为广泛和深入的。湿地地上生物量的估测方法主要有样地实测法、非破坏性估算法、基于遥感信息估测法和生物量遥感估测模型等。[5，8]其中，样地实测法是最基本、最可靠、最成熟的方法，广泛应用于小尺度生物量估测。[4，92]梅雪英、张修峰等学者[34~36，68，92]开展了深入的讨论和研究，采用了传统的生物量测算法、经验公式法、回归等式法估测湿地生物量。但这些方法在中到大尺度实施难度较大，且难以形成一个通用的、行之有效的估测方法。而遥感估测植被生物量法在大尺度范围内植被生物量的估算中则显现出优势[92，93]，主要方法有遥感信息参数拟合生物量的方法、遥感数据与过程模型相结合的方法、人工神经网络模型法和基准样地法等。[93]遥感信息参数拟合生物量的方法是在分析植被指数、主成分、纹理特征值等遥感信息参数与实测植被生物量相关性的基础上，通过建立生物量估测模型来反演植被生物量；遥感数据与过程模型相结合的方法是应用遥感数据反演过程模型中生态系统内部各种生理生态参数，该方法估测结果更为可靠。[93]朴世龙、方精云[94]基于GIS和遥感技术，利用CASA模型对湿地生物量进行估测，具有较高的精度，同时克服了地面站点数据难获取的缺点，表明遥感技术应用于湿地固碳量估测的可行性，为湿地生态系统生物量和NPP的精确测算提供了新的分析估测方法。同时3S技术等现代手段逐步应用，提高了湿地生物量测算的精度。目前，使用遥感波段信息和植被指数与生物量实测数据建立一元线性模型是生物量反演的主要方式。将光谱信息、纹理特征、植被指数、实测数据结合建立生物量估测模型，能够提高生物量估测精度。湿地植物地下生物量的测定方法主要包括挖掘收获法、钻土芯法、内生长土芯法、微根区管法、根冠比法、同位素法、元素平衡法等。[92]其中，钻土芯法和根冠比法是目前应用较广的方法，尤其是根冠比法在大、中尺度范围生物量的估算中得到了更为广泛的应用，采用与地上生物量的比值来估算地下生物量。[5]利用遥感估测植被碳含量常用的方法是分析植被生物量与植被指数、叶面积指数等之间的关系，建立植被生物量估测模型进而反演出植被生物量，然后乘以碳含量转换系数[92]。

目前，国内对湿地生态系统碳汇的系统研究较少。在湿地生态系统碳汇的估算中，主要依据Whittaker[95]和Schlesinge[96]提出的碳汇估测方法，进而确定相应的估算方法。张桂芹、米楠、米文宝[5]等也采用此方法估算了不同地区湿地生态系统的碳汇。

土壤有机碳含量的测算也是当前全球碳循环研究的热点之一，但不同学者之间的估测值差异较大。从估测方法看，主要有基于土壤剖面的直接估测法和基于生态系统碳循环过程模型的间接估测法。这两种方法各有优缺点，将遥感的高时空分辨率特征、反映生态系统碳循环动态变化的过程模型、实际测量的土壤有机碳结合起来，保证了土壤有机碳总量估测的准确性。周涛、史培军等[97]采用碳循环过程模型估测了中国典型土壤碳储量。陈泮勤、王效科等[44]等利用固碳速率、土壤碳密度、土壤有机碳含量、土壤容重等参数，对中国湿地、三江平原湿地、若尔盖高寒沼泽湿地储碳固碳能力进行了研究。模型模拟是预测有机碳长期变化的重要方法，为大量的观测数据、分析和预测大尺度的生态系统过程提供了有力工具。张文菊[98]等采用湿地观测和湿地生态系统碳循环模拟模型，研究了东北三江平原重点湿地沉积物剖面有机碳的组分与分布特征。乔婷[93]采用遥感反演方法研究了东洞庭湖湿地碳含量。马琼芳[99]用实地调查—实验室测定—遥感集成的方法研究了若尔盖高寒沼泽生态系统碳储量。苗正红[100]采用GIS和地统计学方法及遥感集成方法研究了三江平原土壤有机碳储量动态变化。

从已有的研究来看，土壤有机碳含量的测算主要有土壤剖面估测法和模型估测法，这两种方法各有优缺点。在土壤碳储量的估算上确定的公式[95]为Cstock=BD×Corg×D×A，式中，Cstock为碳储量（t·hm-1），BD为土壤容重（g·cm-3），Corg为土壤有机质含量（%），D为图层厚度（m），A为面积（hm2）。李鸿鹄[86]等在测算扎龙湿地碳储量时也选用了与此类似的计算模型，即USC=TOC×D×S×104×ρ。式中，USC表示某一深度范围内单位土壤有机碳含量（t），D表示计算深度（m），S为样品代表的土壤面积（hm2），104为土壤面积换算系数，ρ为土壤容重（t/m3）。将遥感的高时空分辨率特征、反映生态系统碳循环动态变化的过程模型、实际测量的土壤有机碳结合起来，保证了土壤有机碳总量估测的准确性。模型估测法是通过各种土壤碳估测模型来估测土壤有机碳储量，主要有相关关系模型、机理过程模型和基于实测数据和遥感数据的模型等[93，97]。目前，基于实测数据和遥感数据的模型估测方法也取得了很多成果。一些学者发现TM影像1、2、3、4和5波段与土壤有机质相关性最大，3S技术和样地实测数据相结合可以解决由点到区域的土壤碳储量估测问题[93，97]。

以上研究工作的开展，从不同角度不同层面研究了我国湿地碳储量现状和分布特征，丰富了湿地固碳能力研究的理论和实践方法，推动了理论的深化和方法的创新。但应该看到，这些研究方法在湿地固碳量测算中各有优缺点。因此，采用3S技术加以典型样地调查和非破坏性采样技术及湿地遥感—碳估测模型数据集成的综合方法，是湿地生态系统碳储量及碳汇功能研究的新进展。

旱区湿地碳储量研究是陆地生态系统碳循环研究中不可缺少的重要组成部分，但目前尚未引起学术界的足够重视。关于旱区湿地碳储量及碳汇能力的系统研究成果比较少，其湿地植被碳储量和土壤碳储量及其变化过程仍不明晰。卜晓燕、米文宝等[101]研究了宁夏平原湿地土壤有机碳及其空间分布规律。张雪妮、吕光辉[102]研究了艾比湖湿地自然保护区土壤碳库。这些学者的研究在不同程度上为旱区湿地碳汇能力的研究提供了科学依据。总体来说，目前学术界对旱区湿地碳储量及碳汇能力的综合研究还较为薄弱，研究的典型区见诸刊物的主要有新疆艾比湖、博斯腾湖，中亚干旱区咸海，研究方法和研究内容比较单一，尤其缺乏新技术、新手段与新方法的集成应用对干旱区湿地碳储量及碳汇效应进行综合分析和评估。

0.4.2.3 湿地碳汇潜力评估

随着湿地生态系统碳汇研究的推进，其碳汇潜力的评估也越来越受到众多学者的重视。2008年，段晓男[81]等通过资料调研和分析，对中国湿地生态系统的固碳现状和潜力进行了评估，得出我国各类湿地生态系统的总固碳能力为4.91TgC·a-1。2010年，闫明[103]等探讨了滩涂芦苇在固碳减排和构建高碳汇生态系统中的作用与意义。林光辉[104]等通过综述红树林、盐沼、海草床等滨海湿地碳循环研究的最新进展，研究了红树林等滨海湿地碳库的现状及其碳汇潜力。庄洋[105]估算出内蒙古湿地有机碳储量是6.41×1010 t，河流和湖泊湿地的固碳潜力分别为4.02×105 t/a和3.44×105 t/a。李自民[106]以自然湿地（杭州西溪湿地和白洋淀芦苇湿地）和人工湿地（嘉兴稻田湿地生态系统）为研究对象，分析了其植硅体和植硅体动态碳含量变化特征，探讨了典型生态系统中植硅体的碳汇潜力。同时，探究湿地植物碳汇经济价值的研究也已经开始。如于婷[107]计算了我国典型芦苇湿地的碳汇经济价值，认为芦苇碳汇对调节温室效应具有积极作用。

0.4.2.4 实地碳汇控制因子分析

湿地生态系统因其自身的结构组分特征而成为地球表层系统中最重要的碳汇，但在一定条件作用之下，其碳蓄积能力也会下降甚至转化为碳源。[108、109、110]针对这一问题，先后有学者对其控制因子进行了探讨。孟伟庆[111]等从湿地生态系统的水分、植物类型、土壤厚度、微生物（底物、p H、温度、氧化还原条件）等方面分析总结了影响湿地碳源与碳汇过程的控制因子和临界交替条件，认为水位是影响湿地碳源/汇功能最为主要的因素。李鸿鹄[86]通过对扎龙湿地碳汇功能的分析研究，将影响扎龙湿地碳汇功能的因子总结为气温、地下水位、区域温度、水文周期变化、土壤p H值、土地面积变化以及人为因素等。李玉强[49]等通过对陆地生态系统碳源与碳汇及其影响机制研究，发现CO2施肥效应、氮沉降增加、污染、全球气候变化以及土地利用变化等因素是影响陆地生态系统碳储量的主要生态机制，但并不确定哪一种机制起主要作用。

综上所述，湿地碳储量及碳汇能力研究经过学者的探索，在理论和方法等方面取得了重要进展。但是过去的研究主要通过定位监测、样带观测及国家尺度上的分析，定量评估中国湿地生态系统碳库及其动态变化，往往仅针对某个区域的湿地植被或土壤碳库及其动态特征，或评估某个生态组分的碳库及其变化（植被或土壤部分）。其固碳量估测方法一般运用生物量法，CASA模型、公式法等进行估测。但不同的固碳量测算方法其应用条件存在差异，有不同的适宜性。因此，到迄今为止对中国湿地生态系统固碳量及碳汇能力的测算和评估，还没有一个较为统一的方法体系。目前，遥感技术在湿地研究中已得到广泛应用，如在湿地分类、面积分布、分区划界、监测湿地动态变化及制图等方面取得了一些成果，并将遥感和基于TM遥感影像应用于湿地植被生物量的测定之中。