2010—2018 年海南东寨港红树林湿地碳收支的变化分析

李翠华，蔡榕硕，颜秀花

（自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005）

自工业革命以来，人类活动排放的CO2等温室气体浓度的增加导致了地球气候系统显著变暖。根据联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（AR5）指出（IPCC，2014），1750—2011 年人类已经累计排放了515 [445～585] Gt C（约合1 890 [1 630～2 150] Gt CO2），使地球大气总辐射强迫显著增强，这是20 世纪中叶以来气候系统变暖的主要原因，这使得应对气候变化成为近几十年来国际社会的重要议题。从1998 年的《京都议定书》到2015 年的《巴黎协定》，国际社会将减少CO2排放作为遏制全球变暖的对策，提出了一系列减排措施。除此之外，增加自然生态系统的碳汇也成为减缓气候变化的重要措施。

海岸带生态系统由于其高效的固碳能力，可以潜在地缓解大气CO2浓度的升高，被列为抵消碳排放的重要途径之一。2009 年，联合国的相关报告首次提到了“蓝碳”的概念，确认了海洋在全球气候变化和碳循环过程中的重要作用（Nelle原mann et al，2009）。2014 年，IPCC 发布了《对2006 IPCC 国家温室气体清单指南的2013 增补：湿地》 （以下简称《湿地指南》） （IPCC，2014），蓝碳损失和增加被纳入国家温室气体清单工作中，成为温室气体排放和减排的一项内容。红树林、海草床和盐沼是3 种重要的海岸带蓝碳生态系统，其中，红树林湿地处于海陆交界带，是热带、亚热带海岸潮间带的重要湿地类型，也是生产力最高的海洋生态系统之一。作为生长在热带和亚热带地区潮间带的特殊湿地森林，由于红树林湿地的土壤长时间处于淹水状态，有机质分解缓慢，因而成为海岸带湿地碳库最重要的组成部分，被认为是潜在的碳库（Alongi，2012，2014）。尽管红树林的面积相对较小，但由于其拥有相对高的净初级生产力和相对低的土壤有机碳分解速率（Adame，2015），碳储存时间长，使红树林湿地具有很高的固碳能力。Sandilyan 等（2012）认为，红树林的碳汇能力是热带雨林的50 倍，全球红树林地上部分及土壤每年可以固定2.28伊107t C。然而，2019 年9 月25 日发布的IPCC-《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》 （SROCC）指出，全球变暖导致海平面正在不断上升。自20 世纪初以来，海平面上升速率不断加快（Oppenheimer et al，2019），这将直接或间接地影响海岸带生态系统的碳汇功能。人类围填海等土地开发利用活动也会对红树林等蓝碳生态系统的碳积累能力产生深刻影响（Kuenzer et al，2011）。由于红树林具有很高的固碳能力，如遭到彻底破坏，将对全球的气候变化及碳平衡产生巨大的影响。

目前，对红树林湿地的研究主要集中在碳储量方面，缺乏对短时期内红树林湿地碳储量动态变化的研究，而红树林湿地的碳储量变化与其管理和开发利用方式密切相关。《湿地指南》较为系统地提供了红树林湿地在不同利用方式下所导致的碳排放（源）与吸收（汇）的定量估算方法。为此，本研究开展了对红树林的群落调查和生物量测定，分析并给出了红树林湿地在不同开发利用背景下碳源、碳汇能力的参数值，评估了2010—2018 年期间海南东寨港红树林湿地面积的变化以及碳收支情况，这将为研究东寨港红树林的碳潜力及海洋增汇等应对气候变化的相关工作提供科学参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

海南东寨港国家级自然保护区位于海南岛东北部，处于海口市和文昌市的交界处，地理坐标为19毅51忆N—20毅01忆N，110毅32忆E—110毅37忆E。1986 年经国务院批准成为我国建立的第一个国家级红树林湿地保护区，也是我国首批列入《国际重要湿地名录》的7 个湿地保护区之一。保护区地处热带边缘，属于热带季风气候类型，总面积3 337.6 hm2，其中红树林面积1 578 hm2，滩涂面积1 759.6 hm2，保护区内分布有红树林植物19 科35 种，占全国红树林植物种类的97 %（资料来自海南东寨港国家级自然保护区管理局 http：//hndzg.haikou.gov.cn/），地理位置见图1。近50 年来，东寨港红树林的面积发生了较大的变化，从1959 年的3 213.8 hm2（王胤 等，2006） 减少到2013 年的1 607.6 hm2（李儒 等，2017），而2013 年以后关于东寨港红树林面积的研究较少。由于2010 年以前的Google 地图历史图像清晰度不高，因此，本研究主要关注2010—2018 年红树林湿地面积变动对碳排放和吸收的影响，这是本研究拟解决的主要问题。

图1 海南东寨港国家级自然保护区的地理位置示意图

1.2 研究方法

本文利用《IPCC2006 国家温室气体排放清单指南》 （IPCC，2006） 和《湿地指南》 （IPCC，2014）提供的方法来计算海南东寨港红树林湿地碳储量，评估了东寨港红树林湿地面积变化对红树林湿地碳储量的影响。《湿地指南》提供了3 个不同层次的方法学建议，本研究中采用第二层次方法学，仅采用《湿地指南》提供的方法，利用2018 年7 月在东寨港红树林湿地的调查数据及已有的研究成果代替《湿地指南》给出的参考值。

1.2.1 东寨港红树林面积的测定

本文以研究区域2010 年7 月和2018 年7 月的Google 地图信息为数据源，结合实地调查对研究区域红树林面积进行解译，提取2010 年和2018年东寨港红树林的面积，重点识别了2010—2018 年间红树林与周边水域、养殖塘和其他土地的转换面积。

1.2.2 群落结构调查及地上生物量测定

（1）群落结构调查

2018 年7 月4—9 日，参照《全国红树林资源调查技术规定》对东寨港红树林保护区开展系统调查，共布设44 个样方，样方大小包括10 m 伊10 m、6 m 伊6 m 和2 m 伊2 m，记录每个样方内的群落类型、样点坐标、红树林的生长情况，以及株高、胸径、叶面积指数、林下幼苗等指标。本研究选取了其中6 m伊6 m 的21 个典型样方来计算红树林群落的生物量，见图2。

（2）地上生物量测定

由于本文的研究对象位于国家保护区内，出于对红树林植物保护的需要，本文主要应用王树功等（2004）的经验公式法，估算红树林地上部分的生物量：

式中：B 为单株生物量（kg）；h 为树高（m）；DBH 为胸径（cm）。

1.2.3 《清单指南》方法

《IPCC 2006 国家温室气体排放清单指南》（IPCC，2006）将红树林碳循环系统简单概括为3个碳库，植被生物量碳库（地上生物量碳库与地下生物量碳库之和）、死亡有机物碳库（枯木碳库与凋落物碳库之和） 和土壤碳库。 《湿地指南》根据不同的利用方式，提供了红树林碳排放与吸收的估算方法（IPCC，2014）。

（1）碳储量的估算方法

《湿地指南》给出的红树林生物量碳储量的计算公式如下：

图2 2018 年7 月海南东寨港红树林湿地调查站位分布图

式中：C 为红树林群落的碳储量（t C·hm-2）；B 为红树林单位面积地上部分生物量碳储量（t·hm-2）；R 为红树林地下部分生物量与地上部分生物量的比值；CF 为红树林的碳含量（t·（t）-1）。

（2）碳排放（源）的估算方法

红树林湿地在开发利用过程中，由于地表植被清除，因此假设植被生物量和死亡有机质中的碳储量全部损失，而土壤中的碳储量与开发利用方式密切相关。

淤红树林生物量碳储量变化

式中：吟CB-CNVERSION为由开发利用活动导致的碳储量的变化（t C·hm-2）；BAFTER为开发利用活动后单位面积地上部分生物量，默认为0；BBEFORE为开发利用活动前单位面积红树林地上部分生物量（t·hm-2）。

于在开发利用期间，由于地表植物全部清除，死亡有机质中的碳储量随之减少为0，且同时没有新的碳进入到死亡有机质碳库。

盂以采掘为特征的开发利用活动后，单位面积土壤的碳储量默认为0；红树林湿地土壤排干情况下，土壤的碳排放系数为7.9 t C·hm-2·a-1。

（3）碳吸收（汇）的估算方法

淤红树林生物量碳储量的年变化

式中：GW为红树林地上部分生物量的年平均增长速度，默认值为9.9 t·hm-2·a-1；吟CG为由生物量增加引起的红树林群落碳储量的年变化（t C·hm-2·a-1）。

于死亡有机质碳库的变化是指枯死木与凋落物中碳储量的变化。《湿地指南》中假设枯死木和凋落物的碳储量处在平衡状态，因此，死亡有机质碳库和土壤碳库的碳排放为0。

本研究主要分析和量化在开发利用和保护湿地恢复背景下红树林湿地的碳排放和吸收情况，进而评估碳储量的变化，以期为红树林湿地的动态保护与管理提供依据。

2 研究结果与分析

2.1 东寨港红树林湿地面积动态变化分析

根据Google 地图信息的解译结果，对2010年、2018 年东寨港的红树林面积进行统计，并将2010年的红树林范围叠加到2018 年地图上，如图3 所示，分析2010—2018 年期间红树林与周边其他地域类型的转换情况。

图3 2010—2018 年东寨港红树林湿地的动态变化图

根据统计结果，2010 年东寨港红树林的面积为1 627.21 hm2，与罗丹等（2013）基于RS 和GIS技术通过遥感影像得到的1 600.20 hm2红树林面积（2010 年）基本一致。2018 年东寨港红树林的面积为1 665.42 hm2，2010—2018 年东寨港红树林面积有微弱的增加趋势。基于红树林保护区的建立以及民间对红树林生态系统认知度的增加，2010—2018 年期间红树林生态系统得到了很好的保护。通过对比分析，仅有2 块红树林图斑面积减小，共减少了1.37 hm2，演变为水域，未发现有红树林被开发为养殖塘或其他土地的现象。保护区南部的红树林图斑面积增加明显，主要为周边的养殖塘退塘还林，其中29.9 hm2的养殖塘变为红树林，9.68 hm2的其他土地变为红树林，见表1。

表1 2010—2018 年东寨港红树林面积动态变化情况（hm2）

2.2 海南东寨港红树林碳储量的估算

2.2.1 红树林碳含量

本次调查在每个红树林群落中选取3 棵样本进行碳含量测定，东寨港红树林各个群落碳含量见表2。由表2 可以看出海南东寨港红树林不同物种的碳含量存在一定的差异。本次调查的7 个红树林群落中，海漆的碳含量最低，为41.0 %，尖瓣海桑的碳含量最高，为49.5 %，海南东寨港红树林碳含量平均为45.6 %，与《湿地指南》给出碳含量默认值45.1%较为一致。

表2 海南东寨港红树林群落的碳含量

2.2.2 红树林生物量

红树林植被的生物量包括地上部分和地下部分。地上部分生物量根据树高、胸径（1.3 m 处）及株数，采用公式（1）进行计算。红树林群落地上部分生物量占总生物量的67.1 %，地下部分占32.9%（张宏达等，1998），即红树林地下部分生物量与地上部分生物量之比为0.49。本研究以海南东寨港红树林21 个样方的实测数据为基础，采用经验公式计算得到海南东寨港红树林群落地上部分生物量平均值为78.9 t·hm-2，地下部分生物量平均值为38.6 t·hm-2，总的生物量为117.5 t·hm-2。

2.2.3 红树林碳储量

本研究中采用经验公式（1） 计算得到21 个样方的红树林地下部分、地上部分和总生物量，2018 年调查得到的东寨港红树林碳含量平均值为45.6%，可以计算得到每个样方红树林的碳储量，见表3。植被生物量碳储量最大的是海漆-海莲-榄李红树林群落，为153.6 t C·hm-2；最小的是红海榄群落，为12.3 t C·hm-2；生物量碳储量平均值为53.6 t C·hm-2。由于调查时间限制及红树林湿地土壤取样难度较大，本次实地调查未对凋落物和土壤进行采样，本文主要参考以下已有的调查研究成果。

凋落物的产生及红树林本身的代谢功能与气温、湿度、风速等气象因子及土壤理化条件有关，与人类和动物干扰也有关系（周如琼，2011）。颜葵等（2015）收集的2012 年6 月—2013 年5 月东寨港的白骨壤、角果木、桐花树、红海榄4 个群落的凋落物数据，得到经过分解后残余在地表的凋落物生物量为12.34 t·hm-2。本次调查未进行凋落物的收集，研究中采用上述已有的凋落物结果计算碳储量，则东寨港红树林湿地凋落物中碳储量为5.49 t C·hm-2。

表3 海南东寨港红树林保护区各个样方生物量和碳储量

由于红树林湿地土壤取样相对困难，所以对红树林土壤有机碳储量及分布规律的研究相对较少。本次调查未针对红树林土壤碳储量研究进行野外取样，主要参考已有的研究成果。在0～120 m土层的整个土壤剖面上，海南东寨港红树林山尾、竹山区域的6 种红树林土壤有机碳储量在272.91～909.93 t C·hm-2，平均值为536.3 t C·hm-2（詹绍芬 等，2015）。而胡杰龙等（2015） 估算的海南东寨港红树林保护区单位面积土壤碳储量仅为170.64 t C·hm-2。由于上述成果均为对海南东寨港红树林湿地的实地调查结果，本文采用上述研究中土壤碳储量的平均值353.47 t C·hm-2作为海南东寨港红树林湿地土壤碳储量水平，在一定程度上可以反映东寨港红树林湿地土壤碳储量的真实情况。

针对东寨港红树林湿地，对应《湿地指南》给出相应的参考值，见表4。

表4 海南东寨港红树林湿地的参考值

综上，海南东寨港红树林植被的碳储量为53.6 t C·hm-2，凋落物和枯死木等死亡有机质中碳储量为5.49 t C·hm-2，土壤有机碳储量为353.47 t C·hm-2，则海南东寨港红树林湿地单位面积碳储量为412.56 t C·hm-2。

2.3 海南东寨港红树林碳储量的变化

红树林湿地开发利用导致红树林湿地破坏，面积减少，使得储存的碳被氧化，以CO2的形式释放到大气中，成为大气的温室气体排放源。而红树林湿地本身通过光合作用自大气中吸收CO2，形成碳汇。

2.3.1 红树林湿地本身产出的碳吸收（碳汇）

《IPCC2006 国家温室气体排放清单指南》中以20 年为期限，将森林分为过渡期林地和成熟林地。海南东寨港国家级自然保护区自1986 年成立至2010 年已有24 年，因此，将2010 年以前保留下来的红树林假设为成熟林地，2010 年之后通过退塘还林等手段恢复的红树林假设为过渡期林地。

海南东寨港国家级自然保护区属于热带湿润地区。根据《湿地指南》，选取热带湿润地区的参数，红树林生物量的增长速度取9.9 t·hm-2·a-1。红树林地下部分与地上部分生物量的比值（R） 取0.49，则海南东寨港红树林单位面积的固碳量为6.65 t C·hm-2·a-1。《湿地指南》假设红树林为成熟林地，死亡有机物和土壤的碳库处于平衡状态，默认值为0，以红树林群落每年的固碳量来代表红树林碳吸收能力，即碳汇能力为6.65 t C·hm-2·a-1。

对于2010 年之后通过湿度恢复技术增加的处于过渡期的红树林湿地，除了红树林生物量增加导致碳储量增加，凋落物和土壤中也会开始碳的积累。《湿地指南》 给出的成熟林地碳汇是在假设红树林湿地死亡有机质和土壤碳库处于平衡状态的前提下，未考虑红树林湿地凋落物和土壤的碳吸收。由于红树林具有很高的凋落物生产量（陈雅萍 等，2013），因此，在计算过渡期红树林湿地的碳汇能力时不可忽视。东寨港红树林群落凋落物的年产量为12.34 t·hm-2（颜葵等，2015），凋落物中碳储量为5.49 t C·hm-2·a-1。另外，《湿地指南》给出土壤有机碳的积累速率为1.62 t C·hm-2·a-1。因此，当通过湿度恢复手段增加过渡期的红树林湿地时，碳汇强度为13.76 t C·hm-2·a-1。

2.3.2 红树林湿地损失引起的碳排放（碳源）

红树林湿地被港口、码头、海盐池、养殖塘建设等以采掘为特征的海岸带湿地开发利用后，由于红树林被砍伐、地表的凋落物和枯木等被移除、土壤被挖掘，直接导致红树林湿地土壤、植被中储存的有机碳被快速氧化，释放进入大气，成为温室气体排放源。根据《湿地指南》中的假设，海南东寨港红树林湿地开发利用后红树林生物量、死亡有机物和土壤中的碳储量全部变为0，则开发利用过程中红树林湿地释放到大气中的碳量为412.56 t C·hm-2。

红树林湿地在开发利用过程中转变为其他土地类型，按照《湿地指南》 中的红树林湿地排水情况来计算。红树林及地表的凋落物和枯木等被移除，其中的碳储量全部损失，碳排放分别为53.6、5.49 t C·hm-2；排水导致土壤干燥，通常会增加有机物分解的速率，从而通过释放CO2导致土壤碳储量的损失，《湿地指南》给出土壤的碳排放系数为7.9 t C·hm-2·a-1。红树林湿地在开发利用过程中转变为海洋和河流等水域时，红树林及地表的凋落物和枯木等也被认为全部移除，其中的碳储量全部损失，碳排放分别为53.6、5.49 t C·hm-2；土壤部分则由于被水淹没与大气隔绝，因此，假设土壤的碳储量不会损失。

红树林湿地在管理与开发利用过程中的碳源与碳汇见表5。其中，港口、码头、海盐池、养殖塘建设等以采掘为特征的红树林湿地开发利用对碳储量的影响最大，红树林湿地变为农田等其他陆地释放的碳储量次之。

表5 东寨港红树林湿地的碳源与碳汇

2.3.3 2010—2018 年海南东寨港红树林湿地的碳收支

红树林湿地生态系统是一种重要的海岸湿地类型，具有重要的生态服务功能，但由于其直接经济价值不高，以往人们低估了其生态价值和重要性。因此，1960 年以来在东寨港红树林湿地开展了围海造田、养殖、城市建设等不合理开发活动，使得东寨港红树林湿地面积减少了约50 %。1986 年成立红树林自然保护区后，随着保护意识和措施的加强，东寨港红树林面积减少的趋势得到了有效的遏制。2010、2018 年湿地面积分别为1 627.21 hm2、1 665.42 hm2，假设2010 年之前保留下来的红树林均为成熟林，2010 年后由其他地域类型转换为红树林的均为过渡期林，红树林与其他土地类型的转换假设在2010 年全部完成，如表6 所示。

表6 2010—2018 年东寨港红树林湿地的碳收支情况

海南东寨港红树林生态系统的碳收支是红树林碳储量的变化与红树林遭到破坏后产生的碳排放之间相互作用的结果。根据2018 年实地调查的结果，成熟红树林的碳储量为412.56 t C·hm-2；过渡期红树林的碳储量为过渡期林地的碳汇乘以时间，即110.08 t C·hm-2。2010 年成熟红树林的碳储量为2018 年成熟红树林碳储量减去随着时间增加的碳储量（成熟红树林碳汇乘以时间），即359.66 t C·hm-2。

2010、2018 年红树林湿地的面积分别为1 627.21 hm2、1 665.42 hm2。由表5 可知，2010 年东寨港的红树林全部为成熟红树林湿地，碳储量为5.85伊105t C；2018 年成熟的红树林湿地面积为1 625.84 hm2，碳储量为6.71伊105t C，过渡期林地面积为39.58 hm2，碳储量为4.36伊103t C，总碳储量为6.75伊105t C。2010—2018 年期间东寨港红树林碳储量增加了9伊104t C；红树林在此期间退化为水域的面积是1.37 hm2，释放了81.36 t C。综上，2010—2018 年期间东寨港红树林湿地碳收支为8.99伊104t，整体上表现为净碳汇。随着人们对红树林生态效应的认识及保护力度的加强，通过湿地恢复增加的红树林面积有所增多，同时红树林被破坏的现象在近几年鲜有发生。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 评估方法的适用性

《湿地指南》 的发布主要是为了填补《2006 IPCC 国家温室气体清单指南》有关湿地的温室气体排放和吸收方法学的空缺，客观反映了人类活动对湿地温室气体源排放和吸收影响的最新科学认识和进展（郑聚锋等，2014）。本文的研究对象是红树林，《湿地指南》 则针对人类活动的特点与类型，更新了红树林的建造、疏伐、木炭生产等活动所导致的红树林生物量和枯死木变化的碳排放与吸收的估算参数，也提供了红树林在破坏和恢复情况下的碳排放与吸收的估算方法（张称意等，2014）。本研究在《湿地指南》估算方法的基础上，根据已有文献和作者的实地调查数据替代了《湿地指南》中碳含量、地下生物量/地上生物量、地上生物碳储量、死亡有机质碳储量和土壤碳储量等相关参数，提供了东寨港红树林湿地本身产生的碳吸收以及红树林湿地损失过程中产生的碳排放参考值，进一步评估了2010—2018 年东寨港红树林湿地碳排放、碳吸收变化和碳收支情况，因此，评估方法适用于东寨港红树林湿地碳收支变化的分析，具有一定的地域代表性。

3.1.2 红树林湿地碳收支变化的原因与措施

红树林湿地具有高效的固碳能力，通过光合作用吸收储存大气中的CO2，对于降低温室效应有不可替代的作用（唐博等，2014）。但是当红树林湿地在开发利用过程中被破坏时，碳储量被氧化为CO2释放到大气中，成为大气的温室气体排放源。因此，红树林生态系统的碳收支的变化主要是由红树林遭到破坏或修复所引起的。保护与修复红树林湿地的作用则相当于稳定或增加碳汇，这对于减缓气候变化有重要的作用。红树林生态系统具有较高的碳储量和碳汇能力，其退化和消失有可能扰动到1 m 深度的土壤碳储量变化（Trisha et al，2014）。本研究表明，以采掘为特征的海岸带湿地开发利用方式（港口、码头、海盐池、养殖塘建设等） 对碳循环的破坏最大，碳排放为412.56 t hm-2，而红树林湿地的碳储存一旦被破坏，即使重建红树林，也难以在短时间恢复。本次研究分析并给出了红树林湿地在不同开发利用背景下碳源、碳汇能力的参数值，但由于所针对红树林变动的年限较短，没有体现红树林在以采掘为特征的开发利用过程中巨大的碳储量损失。这些工作对于评估红树林生态系统在全球碳平衡及气候治理中的作用具有重要的意义，有待在今后的工作中继续完善。

3.2 结论

本文通过实地调查和参考文献提供的数据、经验公式和《湿地指南》等手段，研究了海南东寨港红树林湿地碳收支情况，得到了以下几点结论：

（1） 根据Google 地图信息的目视解译成果，2010 年东寨港红树林的面积为1 627.21 hm2，2018年东寨港红树林的面积为1 665.42 hm2，2010—2018 年东寨港红树林面积没有明显的变化。通过对比分析，2010—2018 年期间，红树林面积减小了1.37 hm2，演变为水域，未发现有红树林被破坏；保护区南部红树林周边的其他地域类型恢复为红树林，其中29.9 hm2的养殖塘变为红树林，9.68 hm2的其他土地变为红树林。

（2） 采用实测和文献数据作为参数，利用《湿地指南》提供的方法计算出2010 年东寨港成熟红树林湿地总的碳储量为359.66 t C·hm-2；2018年成熟红树林地总的碳储量为412.586 t C·hm-2，过渡期红树林地碳储量为110.08 t C·hm-2。

（3）2010—2018 年期间，东寨港红树林湿地受人类开发利用活动的影响，湿地面积出现波动现象，因而出现相应的碳排放或碳吸收等变化。2010 年东寨港红树林总的碳储量为5.85伊105t C，2018 年总碳储量为6.75伊105t C，2010—2018 年期间红树林碳储量增加了9.0伊104t C。另外，红树林湿地转变为水域的面积为1.37 hm2，释放了81.36 t C。因此，2010—2018 年期间东寨港红树林湿地碳收支为+8.99伊104t，整体上表现为净碳汇。

致谢：参加本文外业调查工作的人员除了本文作者外，还有自然资源部第三海洋研究所的陈顺洋、邢炳鹏、谭红建、郭海峡以及北京师范大学的许映军、龙爽、黄靖玲、周华真和徐粒等人，在此谨表谢忱！