湿地的固碳作用初探

湿地的固碳作用初探
作者：李孟颖
来源：《南水北调与水利科技》2010年第03期
摘要:在全球气候变化背景下,针对区域水环境和温室气体排放等问题,研究了湿地系统的碳汇功能,湿地变化对增加温室气体的作用以及保护湿地的效益。

以京津冀地区为案例,透过历年湿地面积变化及其相应的大气调节功能效益分析,尝试论证湿地系统的保护和恢复,能改善区域水环境和减缓温室气体排放等问题,对于应对全球气候变化具有固碳之服务功能效益。

进而指出,南水北调工程投入运行之后,有必要使湿地保护与修复成为其基本功能之一。

关键词:碳汇;湿地系统;生态系统服务功能;全球气候变化
中图分类号:X171.1文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)03-0060-05
A Preliminary Study on the Carbon-sink Function of Wetlands with a case study for the Jingjinji Area
LI Meng-ying
(School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Abstract: This paper investigated the beneficial aspects of wetlands regarding to their function of carbon sink, with special focus on the contribution of them to green house gas emissions. Taking the Jingjinji area as an example, the absorption and emission balances of carbon by estimating the changes of wetlands in the past decades indicated clearly the efficiency of wetland’s ecosystem service. The author proved that wetlands are important part of element that contributed to the increase of green house gases and better protection of wetland system can provide us better living conditions under present pressure of climate change. And then suggest that South-to-North Water Diversion Project ca n provide an important function for supporting Jingjinji’s wetland system protection and rehabilitation.
Key words: carbon sink; wetland system; ecosystem service; global climate change
0 引言(全球气候变化与湿地)
全球气候变化对我国自然生态系统和经济社会发展带来威胁,主要体现在农牧业、林业、自然生态、水资源及沿海生态脆弱等地区。

同时,我国正处于经济快速发展阶段,如何在发展经济的同时应对气候变化、减缓温室气体排放是一项艰巨任务。

如何应对全球气候变化成为我国城市化进程中需要面对的难题。

这不只涉及城市的经济生产,还包含了面对极端气候时人民生活安全等问题,如何架构现代都市之生态环境安全格局,更高的要求是架构一个能适应未来极端气候变化的安全格局,是现代城市需要制定必要的应对措施。

湿地是一种多功能且独特的生态系统,其多样的服务功能[1]紧紧渗透于人居环境自然、人类、社会、居住、支撑等五大系统[2]之中。

湿地的物理化学条件使其具有“碳汇”的功能[3],其碳的循环对全球气候变化有着重要意义,由此可见湿地的生态服务功能在全球气候变化中有着特殊的地位与作用,其效益能辐射于人居环境五大层次之中,这五大层次包括全球、区域、城市、社会、建筑[2]等,从而改善人类生存的环境。

1 湿地系统发挥气候调节作用(碳汇)
碳汇(Carbon Sink),“汇”是指物质归结之所,一般认为海洋、土壤与森林是地球上主要的碳汇,湿地的作用同样重要。

湿地的物理化学条件使其具有“碳汇”功能[4]。

大量研究显示,湿地生态系统是目前已知陆地生态系统中仅次于森林的重要碳汇,对全球范围的碳循环有着显著影响[5],能起到吸收大气中温室气体、减缓全球气候变暖等重要作用。

湿地生态系统是一种比较活跃的生态系统类型,它与陆地、大气圈、水圈作用的绝大部分生物地球化学通量有关。

光合作用的过程使大气中的二氧化碳转变成为植物形式的有机碳。

由于水分过于饱和的厌氧生态特性,湿地含有大量未被分解的有机物质,积累了大量的无机碳和有机碳,湿地植物从大气中获取大量的CO2,又通过分解和呼吸作用以CO2和CH4的形式排放到大气中,形成湿地碳循环[6](参考图1)。

全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%,即5.3×108～5.7×108 hm2 , 全球碳储量约为
3.00×1011～6.00×1011t [7]。

也有人认为湿地积累了2.00×1011~
4.45×1011t的碳,约占地球陆地碳总量的10%~35% [8]。

湿地碳循环对全球气候变化有重要意义。

图 1 湿地生态系统碳的生物化学过程[9]
湿地的碳汇功能主要以湿地的泥炭地和芦苇湿地的碳汇功能为主[10]。

泥炭地在全球碳循环和气候变化中起着重要作用[11-13]。

据统计,全球共有泥炭地面积3.985×107 hm2,每年积累碳素总量为9.85×107 t,固定在泥碳中的碳储总量达4.600×1011t[14]。

泥炭地占全球湿地面积的50%~70%,其碳储量相当于全球大气碳库碳储量的75% [15]。

我国泥炭地面积10 440.68 km2,其中泥炭沼泽面积占70.72%,为7 383.65 km2,储存着
1.503×109 t有机碳。

据穆尔等估算,全球沼泽湿地以每年1 mm 堆积速率计算,一年中将有
3.7×108 t碳在沼泽地中积累。

不同地区因环境条件,泥炭的垂直积累速率有所不同。

以我国泥炭沼泽湿地中泥炭的积累速率,每年可为我国堆积约 5.847×105 t泥炭,折合2.0×105 t有机碳的储量[16]。

由此可见,泥炭沼泽湿地是陆地生态系统中碳积累速率最快的生态系统之一,其吸收碳的能力要远远超过森林。

泥炭沼泽湿地所积累的碳对抑制大气中CO2上升和减缓全球变暖具有重要意义。

芦苇因适应力和繁殖力高而广泛分布于各类湿地中。

由于芦苇具有重要经济、生态价值,已成为重要的湿地类型。

芦苇湿地既是CO2的汇也是CH4的来源,芦苇湿地是温室气体的源或者汇主要取决于净CO2吸收与CH4释放的平衡关系[17]。

研究中发现,芦苇湿地在生长季节是净碳源,冬季则释放少量的CO2和CH4(甲烷释放量大约为湿地固碳的9%),芦苇湿地从长期来看是净汇[17]。

如对盘锦芦苇湿地CO2通量的研究结果表明,芦苇湿地对
CO2具有较强的碳汇作用[18]。

在芦苇生长季节,白天表现为碳吸收,夜间为碳排放,白天碳通量绝对值比夜间大[10]。

2 湿地变化对碳平衡的影响
湿地是全球氮、硫、甲烷等物质的重要控制因子[19],是各种主要温室气体的“源”与“汇”。

湿地中有机残体的分解过程产生CO2和CH4,某些特殊情况下,湿地可能作为甲烷的汇,但湿地也可能是甲烷的源[14]。

如泥碳地,很多自然或人为因素影响泥炭地的碳储存能力。

据估计,在过去近200年内,全球泥炭湿地的碳储量已减少了4.1×109 t,其中60%是因人为开发导致湿地消失的结果[20]。

由于农业排水和开垦使氧气进入土壤,泥炭地中储存的有机物质开始被分解所致。

尽管排水或开垦后的泥炭地的CH4排放量有所下降但是CO2和N2O的排放量明显增加,与未排水的泥炭地相比,用于农业的排水有机土壤增加温室气体排放量为CO 2 1 t/(hm2•a) [21]。

以东北三江平原为例,由于该地区沼泽湿地大面积开垦,现在泥炭库中有机碳量与20世纪80年代相比减少了35%左右。

通过土壤呼吸数值的计算,对三江平原土壤碳释放碳估算表明,泥炭土、草甸沼泽土、泥炭沼泽土和腐殖质沼泽土年碳释放量分别为1.57×108 kg、1.244×109 kg、2.550×109 kg。

特别是湿地开垦或退化改变了湿地原有环境特征,使得大量土壤中储存的碳释放到大气中[9]。

近年来,湿地的碳汇作用正在丧失。

对泥炭低洼地的预测研究表明,其碳汇的功能将从35%下降到26% ,对CO2和CH4的储存能力也将从15.9 g/ (m2•a ) 降低到11.2 g/ (m2•a)[22]。

农业排水和开垦导致泥炭地大面积减少,促使大量碳加速自然氧化,这是泥炭地由“碳汇”转为“碳源”的主要原因之一。

湿地是温室气体的源还是汇主要取决于CO2的净汇与CH4释放之间的平衡。

通过研究表明[17],多数湿地的CO2吸收量都远高于CH4的释放量,有机质被大量储存在土壤和淤泥中,在水的保护下,湿地植物净同化的碳仅有15%被释放到大气,因此多数天然湿地都是CO2的净汇,表现为负性温室效应,能平衡大气中含碳温室气体[23-24]。

湿地碳储量取决于湿地类型、面积、植被、土壤厚度、地下水位、营养物质、pH值等因素[7]。

因此,大量开垦和破坏湿地会增加大量的温室气体排放。

相反,若及时保护、稳定、甚至恢复湿地,其固碳作用将会得到保护,甚至增大。

如果湿地遭到破坏,湿地的固碳功能将减弱,同时湿地中的碳也会氧化分解,湿地就会由“碳汇”变成“碳源”,加剧全球变暖的进程。

因此完善的湿地系统保护与恢复,是湿地成净碳汇的关键所在。

大量研究表明,湿地的泥炭地和芦苇湿地是重要的碳汇,对于减少大气中温室气体浓度、应对气候变暖起到重要作用。

但湿地受到自然和人为因素的影响,其泥碳地和芦苇湿地的碳汇功能也受到影响,导致泥碳地的碳积蓄能力下降,湿地因此逐渐由“碳汇”转变为“碳源”。

而芦苇湿地虽然是CH4等温室气体的来源,但对CO2具有较强的碳汇作用,综合来看芦苇湿地仍是温室气体的净汇[10]。

湿地成为甲烷的汇或源,从泥炭地和湿地植物目前相关研究的结果显示,湿地的合理开发利用以及湿地保护与恢复,为湿地具有净碳汇的关键。

由于近几十年来全球气候变暖和人类活动的影响,已对人居环境造成影响,其中,水环境受到的冲击为最严重,而湿地面积逐渐萎缩、消退,导致湿地碳汇功能不断减弱。

现在应对全球气候变化的观念已开始大力推行,在碳金融驱动下,各种应对政策往往以硬件层面的低碳改良为主,却忽视了自然生态系统自身所具备的碳汇服务功能。

湿地即为一个具有碳汇功能的生态系统之一。

关于湿地为碳的汇与源的问题,经过多位学者论证,结果显示,湿地生态环境的保护与恢复,保护其面积和栖息地是达到“净碳汇”的关键。

由此在全球气候变化背景下,湿地系统的保护与恢复更具时代意义,湿地系统的保护规划能改善水环境,湿地的固碳功能更具应对全球气候变化之服务能力。

3 保护恢复湿地为形成净碳汇的关键
本文所探讨的京津冀地区,正是人类活动与水系变迁之间的紧密互动的一个实际案例。

海河于历史过程中,受到自然因素和人类活动的影响,长期变动、迁徙,最终形成现在的海河水系,并奠定了当今京津冀地区的水环境基底。

海河水系在自然和人为影响下的变化至稳定过程,孕育
出丰富的湿地资源,现在则因人为因素消退许多。

特别是白洋淀湿地的大量萎缩,已经对周围生态环境造成了巨大的影响。

水是人类赖以生存的基础和经济发展的保障,水也是湿地系统赖以健康生存的基本。

长年人为活动导致整个海河流域水环境的恶化,上游修水库、超采地下水或不合理使用水资源,工业及生活废水大量排放等加剧了海河流域的水资源短缺和水质污染,也成为湿地生态环境恶化甚至消失的主要原因。

人类活动对海河流域水环境和湿地的资源过量使用,导致生态环境破坏问题,最根本原因在于人口持续增长和相应的土地需求增长。

随着人口增长,逐步扩大对水土资源的开发,于是人类活动越发影响自然环境恶化。

目前海河流域严重的水环境问题主要源于近50多年来过度开采水资源的结果。

海河流域近100年特别是50多年来灌溉事业的发展,已彻底改变了京津冀地区社会经济发展的面貌,但也彻底改变了该地区的水环境、生态环境的面貌。

水环境受到破坏不仅影响到人居环境安全,也造成自然湿地数量减少(参考图2),湿地受到严重污染而生态质量下降,湿地生态系统服务功能因此衰退。

严重的水污染成为经济社会可持续发展的重要制约因素,对生态环境造成了很大的破坏和持久的影响。

再加上气候变化对海河流域水资源的改变,水环境格局的安全和湿地保护更面临考验。

图2 1980年、1995年、2000年湿地系统类型面积比较
京津冀地区水环境受到破坏,影响人居环境生活安全,更破坏陆地生态系统、水生生态系统、海洋生态系统等流域整体性的破坏。

流域内生态关系链局部被切断、湖泊萎缩、湿地面积减少不仅导致生物种栖息地空间减少,并降低湿地调节水资源、净化污水的功能。

而湿地调节气候、固碳的功能也降低(参考图3,图4)。

参考多位学者研究成果,本文初步计算了湿地碳汇以芦苇和水稻田的大气调节价值,(由于数据的原因未能将湿地泥碳地的碳汇效益考虑进去,若将湿地泥碳地的固碳价值一并考虑,京津冀地区湿地系统的碳汇价值将更加提高。

),其公式如下[25-27]:
大气调节价值(元)=固定CO2价值(元)+释放O2价值(元)-释放CH4值(元)
固定/释放气体价值(元)=湿地面积(km2)×单位面积生物量(g/km2) ×单位生物量固定大气价值(元/g)
图3 湿地碳汇服务功能之芦苇大气调节价值概算比较
图4 湿地碳汇服务功能之水稻田大气调节价值概算比较
若湿地受到破坏,其固碳能力就会降低,则会渐渐转变为碳源,对气候变化的负面影响则随之增加。

若湿地受到系统性的保护,其固碳能力则会提高,稳定的成为碳汇,起到减少温室气体排放的功用,有助于应对气候变化。

由此,湿地系统的保护极为重要。

湿地生态系统服务功能的下降最直接的影响就是对亟待整治的水环境失去其服务功能,也丧失服务于人居环境的综合功能。

京津冀地区水环境、湿地受到破坏,影响人居环境生活安全。

而湿地生态系统服务功能的下降,导致丧失湿地服务于人居环境的综合功能,其中最重要的如湿地对区域水环境失去其调节水资源、净化污水,生物栖息地等服务功能。

文中并针对湿地大气调节功能价值做初步试算,得出湿地调节气候中的固碳功能也因此降低。

由此更明确看出保护湿地系统,恢复其生态系统服务功能,稳定湿地系统对净碳汇的重要性和急迫性。

必须保护、恢复和管理消失的京津冀湿地资源。

区域尺度的湿地生态系统保护规划对京津冀地区生态环境和战略安全提供基础保障。

湿地系统对京津冀未来整体发展具有重要战略意义,因此京津冀地区湿地面积的保护和恢复急待规划。

4 湿地系统保护与恢复策略建议
水环境是气候变化背景下和快速城市化进程中受到冲击最大的脆弱环境,水亦为湿地的重要生命命脉,水环境的破坏致使湿地退化、消亡,从而丧失湿地所能提供的生态系统服务功能。

同时湿地生态系统服务功能的退化,将进一步对区域甚至全球环境问题产生负面影响,成为一个恶性循环。

区域水环境的健康能帮助城市化水平的提高,辅助区域健康发展,而湿地系统则是辅助区域水环境健康的重要组成,区域水环境流域规划与湿地系统保护、恢复规划应相辅相成。

水环境恶化、干旱缺水、洪涝灾害、水土流失是京津冀地区可持续发展的主要限制,在应对全球气候变化背景问题下,建议从这4大限制因素作为深化主线。

进而提出,应积极运用湿地系统,作为京津冀地区水环境减缓与调适策略。

以水为骨架梳理气候变化背景下的水环境问题,是京津冀地区湿地系统规划的重要战略方针。

应当从河川流域系统整体规划的角度思考,探讨流域上中下游整体治理之解决方案。

湿地为软性治理流域水环境和应对气候变化的重要环节之一,流域尺度的湿地系统规划与河川流域系统整体规划应当紧密结合,编制流域整体规划,上游、中游、下游的湿地治理策略。

并结合天
然水系(自然流域)和人工水系(南水北调)的规划,确定足够水源、水量,以支撑区域湿地系统的健全,并发挥其生态服务功能效益。

建议以“区域山体、山麓丘陵、平原、滨海和海河水系”为骨架,形成多层次的系统性的区域湿地整体布局,与京津冀地区城镇群,相辅相成,紧密联系。

并根据水文地貌分类法和湿地类型、海河流域水功能/生态功能区化、生态敏感性等进行整合,将京津冀地区湿地系统分区由山地到滨海依次划分为:山地湿地水源保护区、山麓丘陵湿地保育管制区、平原湿地易涝管制区、湿地廊道控制区以及湖泊控制区等。

京津冀地区湿地系统保护恢复最主要的战略目标,以维持“水安全”和“生态安全”作为区域可持续发展的基础。

唯有整体完善的生态网络架构,才能起到京津冀地区“调适与减缓之应对气候变化”的作用,并更进一步贡献于“人居环境安全”。

5 南水北调与京津冀湿地系统的支撑作用
京津冀地区属于缺水严重的地区。

南水北调的规划主要是供应北方城市用水。

但是,气候和降雨是非常复杂的随机过程,在工程沿线和北方地区降雨较多的年份,南水北调工程应该存在相当的弃水机会,充分利用好调水工程,恢复北方湿地,对切实改善北京周边生态环境、增加地下水补给都有利。

而且,京津冀地区原本湿地系统健全,充分利用调水过程带来的机会,更好地保护和维持当地湿地更具有重大的减碳价值。

因此,建议:南水北调的输水可以考虑京津冀地区湿地需水量,形成稳定供水的机制。

在健全的水环境下,湿地系统能健康发展,所能起到的固碳作用将随之提升,对于未来应对全球气候变化更有实际效益。

南水北调工程也能成为京津冀地区保护水环境及提升湿地系统生态环境效益的新契机。

6 结语
在全球气候变化大背景下,湿地为软性治理流域水环境和应对气候变化的重要环节之一,其作用应该引起高度重视。

本文以具体的数据讨论了湿地系统在固碳方面的作用,长期以来全球及京津冀地区湿地系统的变化情况以及长期以来湿地破坏等对增加温室气体的作用。

表明湿地系统除具有强大的改善生态环境作用外,也是人为控制或增加温室气体排放的重要来源之一。

因此,应该将流域尺度的湿地系统与天然水系系统和人工水系系统统筹规划、紧密结合,制定整体流域上游、中游、下游的湿地治理策略,建立湿地系统的保护、恢复以及日后管理的有效机制,为更好发挥湿地系统固碳作用创造条件。

建议将京津冀地区湿地系统分区由山地到滨海依次划分为:山地湿地水源保护区、山麓丘陵湿地保育管制区、平原湿地易涝管制区、湿地廊道控制区以及湖泊控制区,特别需要注意保
护白洋淀等重要的湿地。

在整体海河流域湿地系统分区框架下,保护、恢复和创造湿地,形成多层次的湿地系统整体布局,与京津冀地区城镇群,相辅相成的紧密联系。

同时,结合南水北调工程输水的适当时机和可能存在的弃水建立系统性的湿地补水机制,有计划地恢复白洋淀等的湿地生态系统。

使其在发挥改善区域生态环境和恢复北京地区地下水位等作用的同时,更好地发挥湿地的固碳和碳汇功能,为切实减少温室气体作出贡献。

切实保护京津冀区域湿地,可提高区域尺度湿地的“调”、“蓄”与“养”功能,发挥“调适与减缓之应对气候变化”作用,进一步改善周边“人居环境安全”。

南水北调工程投入运行之后,有必要使湿地保护与修复成为其基本功能之一。

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