洪湖湿地野菰群落储碳、固碳功能研究

2013-11-19付硕章柯文山陈世俭

湖北大学学报(自然科学版) 2013年3期

付硕章,柯文山,陈世俭

(1.湖北大学生命科学学院,湖北武汉 430062;2.中国科学院测量与地球物理研究所,湖北武汉 430077)

0 引言

CO2是大气中主要的温室气体,大量的观测和研究表明,自工业革命以来,由于受人类活动的影响,CO2浓度正以前所未有的速度增加,导致温室效应增强并有可能引起全球性气候变暖[1-3].因此,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[4].所谓固碳(carbon fixation),指以捕获碳并将其安全封存的方式来取代直接向大气中排放CO2的技术[5].根据碳固定的方式,可将其分为人工固碳减排和植被自然固碳两类,其中,植被的自然固碳功能是碳的自然封存过程,不需人工提纯CO2,从而节省了捕获、分离和压缩CO2气体的成本.因此,植被自然固碳成为近年来国内外碳汇研究的热点[6],但过去的研究多集中在森林、草原和农业生态系统上[7-9].湿地具有很高的初级生产力,湿地植物可通过光合作用固定大气中的CO2,具有很强的储碳、固碳能力,在全球碳循环中占有重要地位.据估计储存于不同湿地中的碳约占全球陆地总碳量的15%[10],是重要的陆地碳库,在全球碳循环中也具有十分重要的研究意义.湿地植被碳储量的研究,是进行湿地生态系统物质循环特别是碳循环研究的重要基础,也是全球变化研究的重要组成部分.当前对于湿地植被碳储量的研究已经取得了不少成果,但是对于湖泊型湿地植被碳储量的研究还较少[11-13].洪湖是湖北省最大的湖泊,也是长江中下游的大型浅水湖泊之一,在长江中下游浅水湖泊中具有代表意义.目前,对洪湖典型湿地植被的储碳、固碳能力的研究尚少见报道.本研究以洪湖菰群落生长带为例,研究洪湖典型挺水植物菰的储碳、固碳能力,探讨其固碳潜力,为该地区的碳循环研究提供依据.

1 区域概况和研究方法

1.1区域概况洪湖位于湖北省东南部(113°12′～113°26′E,29°40′～29°58′N),属亚热带中纬度南缘季风气候区,年平均气温15.9～16.6 ℃,年均降雨量1 000～1 300 mm;年均蒸发量为1 354 mm.平均日照数为1 987.7 h,无霜期在250 d以上.洪湖集水面积3 314 km2.集水区的地表径流主要通过四湖总干渠入湖,由若干涵闸对湖泊水位和水量进行调控,经内荆河等河闸与长江相通.洪湖是我国重要的淡水渔业基地.冬排夏蓄,是一个以调蓄为主,兼具灌溉、渔业、航运、饮水等多种功能的湖泊,在长江中下游浅水湖泊中具有代表意义.2000年成为湖北省首家湿地类型的省级自然保护区.洪湖湿地已被列入《中国湿地保护行动计划》和《中国重要湿地名录》.

1.2研究方法野菰是洪湖沿岸呈环带状分布的优势挺水植物.本研究于2009年11月—2010年9月对洪湖湿地菰带进行实地调研,在调查基础上选择洪湖湿地保护试验基地和居民岛野菰生长良好的群落为典型样地进行调查采样.由于野菰群落主要为菰单优群落,故按对角线法选取12块样地,每样地以手持式GPS记录坐标为中心25 m2,每样地设置3～5样方取样调查.同时于洪湖湿地保护局收集全湖野菰分布面积.

地上部分生物量测定:将样方内(1 m×1 m)菰齐地割取,称鲜重.统计样方内菰的株数,计算密度,在每样方内随机取菰18株,标号带回实验室烘干称重.地上部分生产力为现存生物量和凋落物之和.

地下部分生物量:将地上部分齐地割去后,用大镰刀挖出样方内地下部分冲洗、滤去表面水,称鲜重.随机选取地下部分分当年生和往年生根,留取1 kg带回实验室烘干、称干重.地下部分生产力以现存地上部分生产力的30%～80%计算[14],便于计算取50%[15].

碳的换算:以洪湖菰带湿地有机质生产为基础,根据光合作用反应方程式推算每形成1 g干物质需1.62 g CO2,进而计算固定碳的数量.

2 结果与分析

2.1野菰群落碳储量及分配格局洪湖野菰因生长快速、根茎交织成网,往往形成单优群落.表1显示,野菰地上现存生物量为0.52～0.96 kg·m-2,平均0.75 kg·m-2,现存碳储量0.23～0.42 kg·m-2,平均0.33 kg·m-2;地下部分的生物现存量平均为1.47 kg·m-2,约为地上的2倍.其碳储量地下部分平均为0.65 kg·m-2,也约为地上的2倍,因此洪湖野菰地下部分为主要储碳部分.然而,两个样地现存生物量和碳储量有明显差异(表1):居民岛地上菰生物量平均0.89 kg·m-2,碳储量平均为0.39 kg·m-2,均分别约为试验基地的1.5倍;地下现存生物量和碳储量也高于试验基地.这种差异可能与水体营养状况有关,试验基地处于洪湖核心保护区,远离农田及居民点,水质清洁,而洪湖居民岛野菰水质处于中富营养状态,利于野菰种群的生长.

表1菰的现存生物量及现存碳储量kg·m-2

项目生物量碳储量试验基地居民岛平均试验基地居民岛平均地上部分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合计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气候适宜,在9月之后到10月底,孤茎大量产生分蘖高20～40 cm不等[16].因此,菰地上部分生物量在11月份基本为全年总量.洪湖湿地菰其地上部分净初级生产力包括调查期间的现存生物量以及生长代谢过程中的凋落物部分,平均合计达0.75 kg·m-2·a-1,加上地下部分,平均为1.2 kg·m-2·a-1.固碳能力为0.53 kg·m-2·a-1,其中居民岛固碳能力最高,平均为0.63 kg·m-2·a-1,高于试验基地(表2).

表2洪湖野菰群落净初级生产力和固碳能力kg·m-2·a-1

项目净初级生产力固碳能力试验基地居民岛平均试验基地居民岛平均Ⅰ 现存量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合计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:将样方内的枯叶、枯茎收集后称重);Ⅱ,地下部分.

表3不同生态系统的固碳能力[15]kg·m-2·a-1

3 结论与讨论

野孤又称菱草,广泛分布于我国内陆水体,在湖北省洪湖,野孤是沿岸呈环带状分布的优势挺水植物.由于该湖年平均水深仅1.35米,底泥肥沃,适于野孤生长繁殖,同时野菰生长迅速,群落面积由20世纪90年代早期占总湖面积的38.5%,发展已达90年代末期22.7万亩,占该湖总面积的42%[18-19].每年生产茎叶干物质由9.5万吨上升达13万吨以上,储碳量由4.2万吨上升到5.8万吨以上.因此,洪湖野菰是洪湖湿地重要的碳库.但野菰是沼泽化的先锋植物,生长迅速,形成沼泽化威胁.在90年代后期,因洪湖养殖业的发展及防止洪湖沼泽化,多数野菰群落被砍除,面积迅速减少,成零星分布.随着洪湖湿地被纳入湖北省及国际保护对象,洪湖植被开始恢复,野菰群落也逐渐恢复到目前4.002×107～4.667×107m2[17],全湖干物质产量恢复到90年代初的三分之一,碳储量也达1.5万吨以上.

湿地植被一般具有较高的地下/地上生物量比率,尤其是多年生植物更是如此,其根茎全年都保有.野菰的地下生物量是地上生物量的2倍多,碳储量是地上部分的2倍以上.因此,地下的根茎部分是洪湖野菰湿地植被碳储存的主要场所.这种储存模式与芦苇相同,而与海三棱藨草相反[15].

洪湖是典型的浅水湖泊,是长江汛期重要的纳水调节湖泊;同时,野菰生物特性如同芦苇,可利用的碳量在空气中要高出在水中几个数量级,具有与陆生植物相似的气生叶,可直接利用空气中的CO2进行物质生产,有利于对碳素的吸收利用[20];发达的根茎、密实的叶子能维持足够的净光合作用产物[21],且群落郁闭度很高,常形成单优群落.因此,洪湖湿地野菰也具有较高的储碳、固碳能力.洪湖野菰固碳能力为0.53 kg·m-2·a-1,高于全国陆地植被平均固碳能力(2000年中国陆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为0.41 kg·m-2·a-1)[23].与中国不同生态系统的固碳能力相比,由于洪湖湿地野菰种群郁闭度较高,其平均固碳能力强于城市、河流等生态系统,明显高于其他湖泊生态系统(表3).

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