潮汐恢复以减少淡水蓄留，沿海湿地的温室气体排放 - 沿海生态系统管理

大佬陈 · 发表于海洋科普 2024-5-31 20:29:32

文|春风

图|春风

沿海湿地是“蓝碳”生态系统，因为它们在土壤中积累了大量的有机碳，并且可以进行管理以减缓和适应气候变化。

沿海湿地生态系统是植被，受潮汐影响的湿地，包括红树林，潮汐沼泽和海草草甸。

它们占海洋面积的不到2%，占海洋沉积物中近50%的碳埋藏，是重要的碳汇。由于人为活动，全球湿地面积在上个世纪迅速减少。沿海湿地地区的丧失导致储存在其生物质和土壤中的碳再矿化，增加了温室气体（GHG）排放。

据估计，沿海湿地的改变增加了甲烷（CH4）排放量增加1-2个数量级。将沿海湿地转变为农业用地也增加了肥料对土壤的氮输入，导致更高的一氧化二氮（N2O）排放，另一种有效的温室气体。

土地利用和土地覆盖变化影响沿海湿地的碳封存能力，使储存在土壤中的碳再矿化，最终将其从汇转化为源。然而，虽然许多研究都集中在土地利用和土地覆盖变化对碳储量的影响上，但很少有研究分析对温室气体排放的影响。

沿海湿地的高初级生产力和缺氧土壤不仅有利于碳埋藏，而且有利于CH4和 N2O。高有机碳和氮密度提供了为产甲烷菌和氮化剂/反硝化剂（负责CH的微生物）提供燃料的基质4和 N2O 排放。

这些生态系统中的水涝条件导致氧化还原电位低，并促进CH4产甲烷菌和N2o 通过反硝化生产（减少不2−到 N2O 通过反硝化细菌）。湿地是最大的单一自然CH4来源，排放约四分之一的全球CH4排放，而人为CH4排放量占全球总通量的54-72%。

盐度也会强烈影响CH4排放，多盐潮汐沼泽（盐度>18‰）排放量明显低于其他沼泽。这是由于海水中硫酸盐的浓度较高，在有机物周转中，硫酸盐还原剂优于产甲烷菌。因此，具有高碳储量和低CH4排放，沿海湿地被认为是减少温室气体排放的自然气候解决方案。

【方法】

例如减少森林砍伐和森林退化造成的排放计划、生态系统服务付费和适合本国的缓解行动。这些导致人们对沿海湿地恢复以抵消温室气体排放的潜力越来越感兴趣。

然而，CH4沿海湿地的排放量是可变的，而盐度与CH4在潮汐沼泽中已经确立，最近的研究表明，它不适用于红树林和海草草甸等其他沿海湿地。

此外，虽然湿地是反硝化的热点，但氮的主要天然来源2O 大气中的排放，这些生态系统是作为全球来源还是汇，仍然存在不确定性2o 由于缺乏调查 N 的研究2沿海湿地中的 O 通量。

因此，迫切需要调查恢复过程中发生的温室气体通量变化，以支持这种基于自然的解决方案方法。潮汐入侵的限制一直是导致沿海湿地减少的重要因素。

在澳大利亚的大堡礁（GBR）集水区，建造了1950年代的土墙，为牛提供旱季后期饲料，保护沿海淡水资源免受潮汐入侵，形成蓄水的淡水湿地。除了农业之外，这些淡水湿地还可能支持多种服务，例如生物多样性和水质改善。

然而，虽然湿地提供碳减排服务，但它们从沿海湿地转变为淡水蓄水湿地影响了生态系统碳平衡，氮增加2O 和 CH4排放量分别为 7 倍和 200 倍。此外，潮汐堤坝还可能造成杂草丛生的生态系统，水质差，需要实施昂贵的恢复和持续的维护计划来恢复其价值和服务。沿海湿地蓄水通过盐度和植被群落的变化改变了湿地的功能。因此，虽然在改造中需要权衡服务，但在人工蓄水的湿地中恢复潮汐可以永久避免CH4排放并增加土壤和植物碳封存。

澳大利亚的减排基金是一项旨在提供减排激励措施的国家自愿计划，它认为引入或重新引入潮汐流是实现国家碳排放目标的有前途的缓解策略之一。为了支持这一策略，有必要调查CH4和 N2O 蓄水条件下和潮汐流重新连接后的排放。对在GBR开发沿海恢复项目的兴趣日益浓厚，为调查受到潜在潮汐恢复活动影响的自然和改良沿海湿地的基线温室气体排放提供了独特的机会。

1.研究地点

布尔德金集水区位于澳大利亚干燥热带地区，年平均降雨量为 656 毫米。洪泛区经过高度改造，包含澳大利亚最大的甘蔗区。卡拉米亚溪（19°30′06.0“S，147°29′18.9”E）是一个经过改造的沿海湿地，在小溪的下部建造了一个淡水水库，以支持甘蔗种植。此外，小溪口的养虾场将盐水泵入和抽出小溪。

养虾场和水库之间的小溪盐度很低，这是由于上游灌溉排水网络的淡水处理，进入上游河口。低盐度导致盐沼和红树林的丧失，取而代之的是淡水入侵植物，如Eichhornia crassipes，以及水库前出现富营养化停滞的水体。这些特征与在种植园（南纬19°32′03.0“，东经147°29′23.7”）和梅里普莱恩溪（南纬19°44′05.2“，东经147°31′08.4”）发现的特征相似，这是本研究中采样的另外两个地点。

这三条小溪最近被纳入一项管理战略计划，通过维护和恢复河岸和沿海湿地，减少细小沉积物径流到GBR。已经进行了水草清除，目的是提高水质，防止溶解氧的枯竭，并改善横跨洪泛区的本地鱼类迁徙的栖息地。

对于三个地点中的每一个，我们采样了一个被称为“潮汐连接”的相邻地点，该地点具有相对天然的红树林和盐沼植被，以提供参考值进行比较。红树林以卡拉米亚的苜蓿属和根瘤菌属为主，种植园溪的红树林、红树林以苜蓿属、丝根树属和苜蓿属为主，在梅里普兰溪以红树林为主。盐沼物种以盐角藻属和处女孢子虫为主。因此，每个地点都由三种类型的湿地组成：淡水蓄水、盐沼和红树林。

2.土壤和水的理化特征

淡水蓄水湿地土壤顶部5 cm土壤中碳和氮密度较高（33.5 mg C cm−3和 2.5 毫克 N 厘米−3）比红树林（17.8 毫克 C 厘米−3和 1.1 毫克 N 厘米−3）和盐沼（12毫克C cm−3和 0.9 毫克 N 厘米−3），特别是在种植园溪。

淡水蓄水湿地的氧化还原电位始终为负（-100 mV），而红树林和盐沼的氧化还原电位始终为正（分别为49 mV和82 mV）。红树林和盐沼的土壤密度较高（在0.9至1.2 g cm之间）−3），与种植园和梅里普莱恩溪的淡水蓄水湿地（低于0.7克厘米）相比−3).然而，在卡拉米亚溪，红树林的土壤密度最低（低于0.7克厘米）。

PCA显示了不同湿地类型土壤理化参数的差异，处理簇在水平轴上清晰而显著地分离（ANOSIM，R2= 0.44，p < 0.01）。PCA1轴解释了样地之间70.2%的土壤理化参数方差，可能代表了处理的效果。PCA2轴解释了这种方差的15.2%，可以代表位点的影响。

与淡水蓄水变化呈正相关的主要媒介是土壤水分和碳氮密度。与红树林和盐沼群呈正相关的主要病媒是土壤密度和氧化还原。淡水蓄水湿地的特点是碳和氮密度较高，土壤湿度高，而与淡水蓄水湿地相比，红树林和盐沼的特点是氧化还原和土壤密度较高。

淡水蓄水湿地是氮的汇2所有位点的 O （−0.72 ± 0.18 μg N2欧米−2小时−1);而红树林和盐沼是来源（0.35 ± 0.29 和 1.32 ± 0.52 μg N2欧米−2小时−1，分别）。与CH相似4，湿地类型对氮素有显著影响2O 排放量（p < 0.05;）。

淡水蓄水湿地的氮排放量明显减少2O比卡拉米亚（p < 0.01）和种植园溪（p < 0.01）的盐沼，并且显著低于N2O比Merryplain Creek的红树林（p < 0.01，）。位点对N没有影响2O 排放。

一氧化碳的排放湿地类型和地点相似，淡水蓄水排放220±17.8毫克一氧化碳2m−2小时−1，红树林排放 150 ± 23 毫克 CO2m−2小时−1和排放 248 ± 32 毫克 CO 的盐沼2m−2小时−1）。湿地类型对CO的影响2场址内和场址之间的排放（p < 0.01，）。

在种植园溪，盐沼排放的二氧化碳明显更多2比淡水蓄水区和红树林湿地。种植园溪盐沼排放的二氧化碳明显更多2比Merryplain Creek盐沼（p < 0.05），而Merryplain Creek红树林排放的CO明显更多2比种植园溪红树林（p < 0.05;）。

3.温室气体排放与土壤理化特征

氧化还原（R2= −0.65， p < 0.01），碳（R2= 0.72，p < 0.01）和氮密度（R2= 0.70，p < 0.01），土壤湿度（R2= 0.64，p < 0.01）和堆积密度（R2= -0.49，p < 0.05）均与CH显著相关4排放量（n = 27;）。更高的通道4在土壤湿度、碳和氮密度高的地点测量排放量，而CH4在土壤氧化还原（>0 mV）和容重（>90 g cm）高的地点测量排放量−3)。

此外，氧化还原（R2= 0.48，p < 0.01），土壤湿度（R2= −0.49，p < 0.01）和堆积密度（R2= 0.51，p < 0.01）是记录的N的强行列式2O 排放（n = 27）。高氮2在土壤氧化还原和容重高的地点测量O排放量，而氮含量较低的地点2在土壤湿度高（>40%）的地点发现了O排放。没有单一的土壤理化参数与CO相关2排放量（>0.05;n = 27）。

【讨论】

沿海湿地的温室气体排放是其碳封存潜力的一个重要方面，因为它们可以抵消其碳掩埋能力。淡水蓄水湿地的潮汐恢复是一项重要的气候缓解策略，如果它能减少温室气体排放。建立淡水蓄水湿地的基线温室气体排放对于了解潮汐恢复以减少温室气体排放的潜力至关重要。我们的研究旨在提供基线数据，并概述潮汐恢复作为气候缓解策略的潜力。

这里检查的淡水蓄水湿地排放了更多的CH4比潮汐湿地。我们研究地点的潮汐限制已将盐水转变为淡水湿地，这推动了CH的增加。4排放。与我们的假设相反，淡水蓄水湿地是N的净汇。22021年<>月的O通量，而潮汐湿地的氮源一般较小2O.。

总体而言，这种减少的 N2O排放没有补偿CH的增加4排放，淡水蓄水湿地排放91±20克二氧化碳2-当量m−2小时−1与 0.8 ± 0.2 和 0.7 相比 0.2 g CO ±2-当量m−2小时−1分别用于红树林和盐沼。一氧化碳的排放2与湿地类型中的土壤呼吸相关相似。淡水蓄水湿地土壤理化性质为氧化还原（≤40 mV）较低，表土碳含量较高（≥24 mg cm−3）和氮（≥1.9毫克厘米−3），以及与红树林和盐沼相比的土壤容积密度。

淡水蓄水土壤平均排放量是CH的137倍和278倍4分别比红树林和盐沼土壤，。此外，CH的排放4在 2021 年的冷干和干热季节之间没有变化。因此，潮汐限制在沿海湿地造成淡水蓄水条件可能是导致高CH的主要因素。

高有机物可用性是CH的另一个驱动因素4排放。种植园溪淡水蓄水湿地的排放量较高，是相邻红树林和盐沼湿地的700倍，这可以通过其高表层土壤碳密度来解释，这远高于这里检查的其他湿地。梅里普莱克溪淡水蓄水湿地氧化还原潜力最低，为生产CH4产甲烷菌。这些土壤参数与CH呈正相关关系4排放支持这些陈述并解释了较低的CH4在卡拉米亚溪发现的排放物。

淡水蓄水湿地充当氮的汇2O 在 2021 年，而红树林和盐沼是 N 的来源2O.以前的研究显示了类似的结果，但N较低2O 与潮汐连接湿地相比，潮汐限制的排放。这可能是由于淡水湿地能够充当氮的汇2O当营养生长和微生物活性高时。

但是，N2O受季节变化较大的影响，干热季节排放量较高;因此，我们从 2021 年 <> 月（冷旱季节）开始的结果可能低估了沿海湿地 N2O 排放。淡水湿地作为氮源或汇的多功能性2O 由 N 的高变异性支持2O 在淡水池塘牧场中发现的季节排放，受溶解无机氮可用性和水停留时间的影响。描述N季节性的进一步研究2O 淡水蓄水湿地和潮汐小溪的排放可以解开潮汐限制对氮的影响2O 排放。

CH的排放量4来自我们的红树林研究地点（27 ± 8 μg CH4m−2小时−1）和盐沼（13±8微克CH4m−2小时−1）处于红树林全球范围的下限（-45至48，000微克CH4m−2小时−1）和盐沼（−62至63，000微克CH4m−2小时−1;）。

同样，N 的范围2红树林中的 O 排放量（0.35 ± 0.29 μg N2欧米−2小时−1）处于全局范围的下限，从 −8.3 到 262 μg N2欧米−2小时−1。盐沼的N更高2O 排放（1.32 ± 0.52 μg N2欧米−2小时−1），与文献中报道的其他结果相似。总体而言，我们的结果支持潮汐沿海湿地是温室气体的低来源的假设。

【结论】

我们的研究有助于认识到潮汐恢复是减少温室气体排放的策略。我们证明了这些生态系统中潮汐流的限制导致CH的显著增加4排放，增加沿海湿地的辐射力。这些结果与澳大利亚其他热带地区先前的研究相似，这些研究表明，积水淡水湿地的排放量要多得多。4而不是它们通常取代的天然沿海湿地。最近在北美进行的一项研究也表明，清新蓄水条件导致CH4排放量与盐水潮汐湿地的比较。

此外，一项关于将沿海湿地转变为人工湿地、农田或水产养殖池塘的影响的荟萃分析发现，与土地利用和覆盖变化相关的全球变暖潜能值增加了 7 到 25 倍。结合我们的结果，这些研究概述了潮汐恢复作为减少温室气体排放的策略的前景。尽管有限的程度阻碍了它们对气候产生任何实质性的全球影响，但它们对于寻求在全球范围内实现气候变化减缓目标的国家尤其重要。潮汐进入以前积水的湿地已被纳入澳大利亚通过减排基金的第一个蓝碳方法，作为朝着减排迈出的重要第一步。它将创造机会，通过碳封存和避免的温室气体排放产生碳信用额。

潮汐恢复还可以带来广泛的共同惠益，例如增加生物多样性和提供沿海保护，从而形成更具弹性和功能性的GBR生态系统。然而，对以前被蓄水的湿地进行潮汐恢复也会减少GBR中的人工淡水湿地生境;其中一些湿地是目前淡水物种仅存的栖息地，包括许多鸟类，它们在较低的洪泛区失去了栖息地。

此外，CH 还有一个重要的变化淡水蓄水湿地的排放，一项研究表明，有些可能充当CH的汇4。通过潮汐恢复恢复沿海湿地可能以失去这些人工淡水湿地提供的生态系统服务为代价，而不会减少温室气体排放。

GBR 中的潮汐恢复项目应考虑每种湿地类型的价值，并避免“一刀切”的方法，这可能导致不适当的恢复结果。使用与恢复目标相关的相关指标将使利益攸关方能够找到进行潮汐恢复的适当地点并促进其成功。尽管需要考虑更广泛的生态系统服务价值，但被扣留的淡水湿地的潮汐重新连接可以为推进澳大利亚的碳减排目标提供温室气体减排选择。

参考文献：

雅培BN，华莱士J，尼古拉斯DM，卡里姆F，沃尔瑟姆新泽西州（2020）外滩清除以重建潮汐流，清除水草并恢复沿海湿地服务-澳大利亚北昆士兰州。

Adame MF， Arthington AH， Waltham N， Hasan S， Selles A， Ronan M （2019）管理威胁并恢复澳大利亚大堡礁集水区内的湿地。水生保护：海洋和淡水生态系统。

Al-Haj AN，Fulweiler RW （2020）浅层植被沿海生态系统甲烷排放的综合。全球变化生物学。

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