湿地生态系统碳储量与碳汇研究理论基础

0.3.2.1 生态演替理论

演替是指，在植物（或植物群落）变化过程中，一种群落代替另一种群落的现象。演替理论认为，生态系统的特征、结构等状态在气候、土壤、地形、人类活动等干扰下不断向着某一方向演进，正向演替是生态系统向着结构复杂、功能健全方向发展，它是自然界生态系统的本质规定性之一。[61,62,63]生态系统演替有原生演替和次生演替。在不同的演替阶段，生态系统生物量和固碳能力的演替轨迹不同。原生演替是指由移植动态控制的群落向资源竞争控制的群落发展的变化过程。[50]在原生演替初期，生态系统生产力、生物量和土壤有机质含量均很低，其增长过程极其缓慢；演替中期，生态系统生产力和生物量快速递增，凋落物数量和品质也快速上升，分解作用和异养呼吸作用也不断增加（异养呼吸是碳损失的主要途径），在中期达到最大叶面积指数后又逐渐减少，同时植被和土壤不断地积累有机碳；到演替晚期，植物的营养受营养供应限制，导致生态系统生产力降低，异养呼吸增加，生物量积累速度降低，群落生物量达到相对平衡状态，生态系统的现存碳储量趋近于饱和水平。次生演替初始碳库和生物量增加量都会大于原生演替。在次生演替早期，植被覆盖率的降低导致土壤温度和含水量增加，加之大量凋落物使分解速率增加，生物量快速增加，当净初级生产力超过了分解作用，生态系统开始积累碳，初始碳库大小取决于干扰的性质和严重程度；演替中期，植被覆盖度增加引起土壤温度降低，导致分解过程减慢；演替晚期，分解作用减弱，生态系统保持碳平衡或低速率积累碳状态，这主要取决于环境对生产力和分解的限制作用。[50，61]

湿地生态系统受到饲草刈割、植被采集、河湖污染等人为活动干扰时，原来的植被生态功能丧失，甚至植被丧失，其生境被一些外界的先锋植物占领，开始了植被演替过程，在由早期向中期演替时，净初级生产力未达到峰值，当净初级生产力超过分解作用，生态系统开始积累有机碳[61]。生态系统自然演替过程是决定生态系统生产力和碳蓄积长期变化的关键驱动因子。生态演替理论是湿地生态系统基于自然过程增汇和基于人为活动增汇途径的理论基础。

银川平原地区湿地尤其是湖泊湿地在人类干预下正在正向演替，处于此阶段的湿地生态功能尤其是碳汇功能在迅速提升，演替理论对银川平原湿地碳汇功能提升以及空间规律探讨具有重要的指导意义。

0.3.2.2 碳汇理论

碳是地球上最为重要的生命元素，是地球上生命体的主要组成部分，在大气圈、水圈、土壤生物圈、岩石圈中以不同形态存在，在地表系统中形成不同的碳储库。其间由于各种各样的物质和能量循环使碳的存在形式相互转化，产生了碳的源和汇，这种碳以不同形式相互转换和运移的过程，就称为碳循环[64]。

碳汇理论产生于生态文明时代，《京都议定书》规定的温室气体排放权交易机制、联合执行机制、清洁发展机制是建立国际碳排放权交易的基础性制度。碳汇是生态文明时代的一种新型资源、一种新型金融性资产，在科学技术发展中在全球范围内创立。将碳汇作为一种资源，是人类社会发展的巨大进步和飞跃，其深刻的思想在于通过碳汇的经济运作，促进发展方式转变，将自然生态系统的价值货币化，以确保人类生态安全[46]。

碳汇理论认为，全球生态问题尤其是环境问题归结为碳的固定和排放问题。开垦草地、改造沼泽等人类活动使得温室气体增加[61,63]。增加碳汇的直接途径是植树造林，保护、恢复和管理好森林、草原、湿地、农田生态系统[63]。银川平原地区湿地数量众多，类型丰富，分布广泛，是宁夏乃至旱区重要的碳汇，其碳汇功能在迅速提升，碳汇理论对银川平原湿地碳汇功能提升以及探讨增汇途径具有重要的指导意义。

0.3.2.3 生态系统管理理论

生态系统管理理论形成于20世纪90年代，是集生态学、管理学、社会学以及其他学科原理于一体的新的管理理论。它指在一定的时空尺度范围内，将人类价值和社会经济条件整合到生态系统经营中，以恢复或维持生态系统的整体性和可持续性[66]。生态系统管理方法明确承认自然生态系统与经济、社会、政治和文化系统间的相互关系，通过生态、经济和社会因素综合控制生物学、物理学的人类系统，以达到管理整个系统的目的。[65,66,67]

根据生态系统管理理论，合理的管理措施可以增加湿地生态系统碳吸收，或减少湿地生态系统碳损失来固定更多的碳。湿地生态系统碳汇功能受自然因素和人为管理措施的共同作用，具体表现为碳汇或者碳源。银川平原地区实施了一系列湿地恢复与保护工程，增加湿地碳固定，减少湿地碳损失，使湿地碳汇能力提升。生态系统管理理论为分析湿地生态系统人为措施增汇或减排途径提供了理论依据。

0.3.2.4 生态发展理论

生态发展理论是基于区域是一个自然（生态）—经济—社会复合、开放的复杂系统，在人类干预下，系统中的自然（生态）、经济和社会要素和谐有序、相互影响、相互促进，使生物群落正向演替，生物多样性增加，生态资本的量和质双倍提高。[62]生态发展将生态环境作为经济发展和社会系统的内生变量看待，具有阶段性。对退化生态系统而言，第一阶段是植被的恢复和重建，高级阶段是生态系统结构、功能的改善，进而达到自然（生态）—经济—社会复合巨系统和谐演进[62,63]。

湿地生态系统碳汇能力决定于环境条件和植物生长发育过程、植被的演替阶段，以及群落功能状态的变化。生态系统的类型、区域环境以及人为干预措施等改变了生态系统的碳汇功能，基于生态发展理论，可以通过改变湿地覆被和生态系统管理提高银川平原湿地生态系统固碳能力。