北美湿地的碳平衡

原文作者 ：Scott D. Bridgham1，J. Patrick Megonigal，Jason K. Keller，Norman B. Bliss3，Carl Trettin

单位：俄勒冈大学生态与进化生物学中心

史密森尼环境研究中心

SAIC，USGS地球资源观测与科学中心

森林湿地研究中心美国农业部林业局

摘要：我们通过查阅和综合已发表的文献和土壤数据库来核算北美湿地的碳平衡。北美的湿地含碳量约为220 Pg（10¹⁵ g），其中大部分是泥炭。虽然这个估算值的不确定性大于100％，但其中最大的未知因素是沉积在淡水矿质土壤湿地中的固碳作用，它们是约49 Tg C /年的小到中等碳汇。我们估计北美湿地每年排放9 Tg甲烷，然而，这个估计的不确定性也大于100％。 除了河口湿地之外，湿地的碳排放可能在很大程度上抵消了土壤和植物固碳效应在气候强迫方面的任何积极效益。历史上，通过土地利用变化对湿地的破坏，北美湿地的碳通量和相应的辐射强迫产生了最大的影响。主要影响是它们隔离碳的能力（辐射强迫的小到中等增加），排水时土壤碳储量的氧化（辐射强迫的小幅增加）以及C排放量的减少（小到辐射强迫的大幅下降）。目前尚不确定全球变化将如何影响北美湿地的碳汇和通量。如果不知道温度，降水，大气二氧化碳浓度和氮和硫的大气沉降对碳平衡的综合影响，我们将无法准确预测湿地对人为全球变化的潜在积极或消极反馈的作用北美湿地。

关键词：碳；沼气；北美；植物；沉积物；土壤；湿地

前言

由于它们的土壤碳库大，甲烷（CH₄）排放量高以及在泥炭地层，沉积物沉积和植物生物量中存在碳封存潜力很大，因此湿地在全球碳动态变化中占有重要地位。例如，泥炭地占据陆地全球表面的约3％，但它们含有16~33％的土壤碳库（Gorham 1991，Maltby and Immirzi 1993）。 由于这种泥炭形成了数千年，这些地区代表了一个巨大的碳库，但积累速度相对较慢。相比之下，河口湿地一些淡水矿物土壤湿地通过沉积物埋藏迅速将碳固定为土壤有机质。 在全球和北美，大面积的湿地已经转化为其他土地用途（Dugan 1993, OECD 1996），这导致了大气中碳的净通量（Armentano and Menges 1986，Maltby and Immirzi 1993）。 此外，湿地每年排放92~237 Tg甲烷，这是年总体通量约600Tg甲烷很大一部分（Ehhalt等人，2001）。这一点很重要，因为CH₄是一种强大的温室气体，仅次于二氧化碳(CO₂)（Ehhalt等人，2001）。

以前的一些研究已经研究了泥炭地在全球碳预算中的作用（Mitra等2005年的综述），Roulet（2000）重点关注了加拿大泥炭地在京都进程中的作用。在这里，我们通过考虑所有类型的湿地（不仅仅是泥炭地）来增加以前的研究，并整合新的数据来检查加拿大，美国和墨西哥湿地的碳平衡。 我们还简要比较这些值与全球湿地的值。 我们将这一审查范围限制在碳预算的那些在年际基础上导致与大气净气体交换的组成部分，并且不考虑其他内部碳通量。 我们不考虑来自湿地的溶解有机碳（DOC）通量，虽然它们可能很大（Moore1997，Trettin and Jurgensen 2003），因为DOC的氧化将被计算为接收生态系统下游CO₂和CH₄的大气通量，我们不想重复计算通量。 作为美国气候变化计划（Bridgham等人，2007）的一部分，本评价的部分内容最初是作为北美碳循环状况报告（SOCCR）的一章撰写的，但是，这一审查已经更新，并且在方法、假设和支持数据的描述方面更加广泛。

考虑到许多未受干扰的湿地是二氧化碳的天然汇聚地，也是CH₄的来源，因此在解释我们的数据时要谨慎小心，这一点很重要。使用政府间气候变化专门委员会（IPCC）的术语，辐射强迫这一术语表示“地球气候系统辐射能量预算中外部施加的干扰”（Ramaswamy等人，2001）。 因此，湿地温室气体通量基线状况的变化构成辐射强迫，这将影响气候变化，未受干扰的湿地中的碳通量仅在建立基线条件时才是重要的。例如，湿地甲烷排放的历史稳态速率净辐射强迫为零，但由气候变暖引起的甲烷排放量增加将构成正向辐射强迫。同样，湿地土壤固碳速率净辐射强迫为零，但排水湿地的固碳能力和现存土壤碳库的氧化均为正辐射强迫。

方法

我们在这里提供了本文综合的数据源，假设和方法的概述。关于如何推导出个别估计值的进一步细节可以在各个表格的脚注中找到。尽管评估不确定性对评估我们的估计至关重要，但定量不确定性估计通常是不可能的，因为不确定性估计不在原始来源中，或者多个来源合成得出单一估计。在可能的情况下，我们已经报告了不确定性和/或估算范围。此外，我们在表格和图表中使用了整体定性分级系统，以便对每项估算的质量给出最佳专业判断。

我们根据推动碳循环的主要生态差异来考虑以下几类湿地：泥炭地（大于40 cm表层有机质），有或没有永久冻土，淡水矿质土壤（FWMS）湿地（小于等于40 cm表面有机质），以及以草本植物（潮汐沼泽），红树林和未植被（泥滩）为主的河口湿地。

当前湿地面积和损失率

在本文中，当前和原始（即大规模人为干扰之前）湿地面积和损失率是进一步估计湖泊和通量的依据。估计北美湿地土壤碳库和通量的能力受到加拿大，美国和墨西哥国家库存（或缺乏）的约束（Davidson等人，1999）。虽然湿地面积已由ecoregion（国家湿地工作组，1988）绘制，但尚未开展加拿大湿地国家定期清查工作。最近的的努力已经绘制出加拿大泥炭地的图谱（Tamocai 1998，Tarnocai等人，2005）。我们计算出加拿大FWMS湿地当前面积为国家湿地工作组（1988年）给出的淡水湿地总面积与泥炭地面积之间的差值。FWMS湿地的原始面积来自于鲁贝克（1996年）。加拿大的盐沼估计数取自Mendelssohn和McKee(2000年)的一份汇编。 汇编不包括咸淡水或淡水潮汐沼泽，我们无法找到这些系统的其他区域面积估计。这些沼泽的原始面积是从国家湿地工作组（1988年）估算的，但它高度不确定。加拿大没有可靠的全国泥滩面积估计数据，但根据Hanson和Calkins（1996）报道的泥滩面积与盐沼面积比值，可以进行高度不确定的推断。

美国的国家湿地清查计划（NWI）使用航空照片和更有限的现场验证，对数千个湿地进行多次采样。 这些相对较高质量的数据汇总在一系列报告中，详细描述了1950年代中期到1970年代中期美国毗连地区湿地面积的变化(Frayer等人)。1983年，七十年代中期至八十年代中期（Dahl and Johnson，1991年）和1986年至1997年（Dahl，2000年）。然而，NWI库存报告对碳预算的用处受限于Cowardin等人用于界定湿地类别的分类水平。（1979）湿地分类系统。在国家现状和趋势报告中所使用的水平上，植被淡水湿地按照主要的地貌植被类型分类，并且不可能在泥炭地和FWMS湿地之间做出重要区分。 这些数据与美国农业部自然资源保护局（NRCS）的土壤地图结合来区分两种类型的湿地（T.Dahl，pers.Comm.）的空间分辨率不够。由于这些数据的局限性，我们使用泥炭地的NRCS土壤清单（(即土组织土和柱状土，或泥炭地，分别为无永久冻土和有永久冻土的泥炭地）来估计泥炭地的原始面积（Bridgham等人，2000年），并将这些数据与（Armentano和Menges，1986）估算当前美国的泥炭地面积。我们通过从总湿地面积中减去泥炭地面积来计算当前美国的FWMS湿地面积（Dahl，2000）。这种方法受Armentano和Menges泥炭地面积数据限制，这些数据直到1980年代初才被更新，尽管此后泥炭地的大量损失不大可能发生。

结果与讨论

北美湿地是一个很大的碳库，主要是因为以泥炭形式存储，并且是一个小到中等的碳汇（不包括CH ₄效应）。湿地碳预算中最大的未知数是FWMS和河口湿地的沉积量和淡水湿地的甲烷排放量。除河口湿地外，湿地的CH₄排放可能在很大程度上抵消了土壤和植物固碳的积极效应。鉴于这些结论，虽然许多其他生态系统服务为其提供了正当理由，但将碳封存作为保护和恢复FWMS湿地的基本原理可能是没有根据的。然而，保护和恢复泥炭地将阻止其土壤碳的损失（至少长期来说），并且维持或增加河口湿地可能有助于净碳固存，即使在考虑到碳排放之后。

就目前美国当前的碳通量而言，进一步科学研究的最重要领域是建立一个无偏差（即分层随机）景观层次抽样方案，以确定FWMS和河口湿地中的沉积碳固存以及年度甲烷排放量可以更好地限制这些重要通量。 如果对Cowardin等人充分详细地收集了大约十年的国家湿地清查（NWI）状态和趋势数据，这也将是有益的。（1979）分类方案来确定矿物土壤湿地和泥炭地之间的变化。

加拿大缺乏任何定期的湿地土地清单，因此，难以量化土地利用对其碳通量和水库的影响。 虽然关于加拿大泥炭地的碳循环的大多数方面都有优秀的科学数据，但加拿大FWMS和河口湿地的研究相对较少，尽管在土地利用变化方面遭受了较大的比例损失。墨西哥的湿地数据几乎完全没有。因此，任何可以改进的事情都会有所帮助。所有的湿地库存都应该量化河口泥滩的面积，它有可能隔绝大量的碳并且对碳封存方面的了解很少。

最大的未知是全球变化将如何影响北美湿地的碳汇和通量。我们无法准确预测北美湿地作为潜在的积极或消极的人为气候变化反馈的作用，而不知道温度变化，降水量，大气二氧化碳浓度以及大气中氮和硫沉降的综合影响湿地内部生态系统驱动因素的背景。据我们所知，在北美任何一个湿地中，没有任何操纵性的实验能够同时测量两种以上的干扰，而且在任何地方都没有做过这种干扰。在过去的几年里，湿地碳动态的建模专业知识迅速提高（Frolking等人，2002年，Zhuang等人，2004年，及其中的参考文献），但这需要进一步的发展，包括FWMS和河口湿地。

致谢

感谢“北美碳循环状况报告”(SOCCR)协调委员会发起这一进程，提出了有益的意见，并为S.Bridgham提供了部分资金。圣· Ve Campbell(USDA NRCS，OR)综合了国家土壤信息数据库，对我们有一定的参考价值。约瑟夫·摩尔(USDA NRCS)提供了关于特定状态下湿地土壤的信息。 AK)、Robert Weihrouch(USDA NRCS，WI)和Susan Platz(USDA NRCS，MN)。Charles Tarnocai提供了关于加拿大泥炭地的宝贵数据。Thomas Dahl(美国FWS)探讨了合并核武器的可能性 i美国土壤图数据。奈杰尔·鲁莱特(McGill Univ.)就最近的参考文献给出了宝贵的建议。R.Kelman Wieder提供了关于加拿大泥炭地的有用的初步资料。两位匿名人士的评论 美国评论员和刘曙光(美国地质勘探局地球资源观测和科学中心)大大改进了这份手稿。我们感谢编辑Douglas Wilcox和副编辑Randall Kolka 为及时出版本条提供便利。

参考文献

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