LI-7500應(yīng)用案例 ：極具韌性的藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)——紅樹林

原文以Resilience to Hurricanes Is High in Mangrove Blue Carbon Forests為標(biāo)題發(fā)表在Global Change Biology(IF=10.8)上

作者 | David Reed，Selena Chavez等

紅樹林被認(rèn)為是重要的碳匯，除了其在地上、地下、土壤中具備的碳儲能力外，缺氧條件還抑制了需氧呼吸過程，這進(jìn)一步增強(qiáng)了其碳匯潛力。雖然紅樹林僅占全球沿海區(qū)域面積的0.5%，卻貢獻(xiàn)了全球沿海沉積碳儲量的10%–15%，以及10%–11%的顆粒碳向海洋的輸出。

同時(shí)，紅樹林也是全球受威脅最嚴(yán)重、消失速度最快的沿海生態(tài)系統(tǒng)之一。過去二十年間，超過35%的紅樹林因人類活動(dòng)而退化或消失。紅樹林分布在亞熱帶至熱帶沿海，常受熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)等極端天氣事件的影響。例如，南佛羅里達(dá)、墨西哥灣及加勒比地區(qū)的紅樹林經(jīng)常遭受颶風(fēng)襲擊。盡管氣候變暖使紅樹林的分布范圍在擴(kuò)大，風(fēng)暴等極端事件卻在不斷改變其結(jié)構(gòu)、功能及恢復(fù)軌跡。

在全球范圍內(nèi)，颶風(fēng)和熱帶氣旋是紅樹林面臨的最大非人為干擾因素。在北大西洋流域，過去25年間，約有15%的紅樹林（約28萬公頃）遭受颶風(fēng)影響。颶風(fēng)可造成10%–45%的紅樹林立即或延遲死亡，高大紅樹林（>10米）更易遭受結(jié)構(gòu)性破壞。盡管風(fēng)暴會(huì)引發(fā)紅樹林生物量和功能的顯著變化，研究表明其冠層光合作用可在1–5年內(nèi)恢復(fù)。

不同生態(tài)過程的恢復(fù)速度存在差異，這使得生態(tài)系統(tǒng)總體恢復(fù)時(shí)間難以精確評估。例如，2005年威爾瑪颶風(fēng)后，研究發(fā)現(xiàn)佛羅里達(dá)大沼澤地的紅樹林中，光合速率可在1年內(nèi)基本恢復(fù)，而生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）因枯枝落葉的持續(xù)分解，在風(fēng)暴后持續(xù)升高了4年，導(dǎo)致凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換（NEE）的恢復(fù)時(shí)間很長。類似現(xiàn)象在干旱熱帶森林中也有報(bào)道：風(fēng)暴后初級生產(chǎn)量下降約15%，土壤碳通量和氮素含量上升，呼吸與土壤溫度的關(guān)系也受到削弱。葉面積指數(shù)LAI的變化會(huì)對多個(gè)生態(tài)過程產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)，并在不同時(shí)間尺度上表現(xiàn)出來。

US-Skr: Shark River Slough（SRS-6 通量塔）大沼澤地 圖源/Ameriflux

針對紅樹林的結(jié)構(gòu)與功能恢復(fù)，本研究利用佛羅里達(dá)沿海大沼澤地兩個(gè)代表性紅樹林樣地的渦度相關(guān)通量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了2005年的威爾瑪颶風(fēng)和2017年的艾爾瑪颶風(fēng)的影響。研究者們通過分析葉面積指數(shù)（LAI）和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換（NEE）數(shù)據(jù)，量化了“恢復(fù)負(fù)債”——即生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后恢復(fù)到干擾前狀態(tài)所需的碳赤字補(bǔ)償。

研究結(jié)果表明，在大沼澤地的紅樹林中，LAI在一年內(nèi)即恢復(fù)至干擾前水平，而生態(tài)系統(tǒng)呼吸和最大光合速率的恢復(fù)則需要更長時(shí)間。高大林分初期恢復(fù)負(fù)債達(dá)178克碳/平方米，而低矮林分受影響較小。在景觀尺度上，初期恢復(fù)負(fù)債為0.40兆噸碳（Mt C）。在大多數(shù)沿海紅樹林中，這些碳損失可在4年內(nèi)全部恢復(fù)。盡管高強(qiáng)度風(fēng)暴可能對亞熱帶紅樹林結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長期影響，快速的冠層恢復(fù)則表明，紅樹林是極具韌性的碳匯系統(tǒng)。

LI-7500開路式渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)在本研究中的作用
自 2004 年 1 月起，高大林分站點(diǎn)開始使用 LI-7500開路式渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的 CO₂ 通量；低矮紅樹林站點(diǎn)從 2017 年 1 月起開始觀測。高大林分站點(diǎn)先后使用了兩款超聲風(fēng)速儀：Gill R3-50（2004–2021 年）和 Gill WindMaster Pro（2022–2023 年）。

2004–2012 年間，高大林分站點(diǎn)的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)方法處理，并上傳至 AmeriFlux 數(shù)據(jù)庫以進(jìn)行質(zhì)量控制和存檔。2017–2023 年，兩個(gè)紅樹林站點(diǎn)的數(shù)據(jù)使用 EddyPro 7.0.9 軟件，按照標(biāo)準(zhǔn)通量處理協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。高頻數(shù)據(jù)中，超過 2% 的尖峰數(shù)據(jù)被剔除，缺失數(shù)據(jù)則通過線性插值填補(bǔ)。通量數(shù)據(jù)經(jīng)過濕度和 WPL 修正，并采用高通和低通濾波處理。穩(wěn)態(tài)與湍流發(fā)展條件的質(zhì)量檢查基于動(dòng)量通量與 NEE 的相關(guān)系數(shù)，按照 Mauder 和 Foken（2004）的方法去除湍流條件不適宜的數(shù)據(jù)。最后，剔除了超出期望值范圍的數(shù)據(jù)（CO₂ 交換大于 100 或小于 −100 μmol m⁻² s⁻¹）。通量貢獻(xiàn)區(qū)使用足跡模型（Kljun 等，2015）進(jìn)行估算。

通量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理軟件——EddyPro®

高大林分站點(diǎn)在威爾瑪颶風(fēng)（2005 年）和艾爾瑪颶風(fēng)（2017 年）過后，塔及儀器均受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致觀測系統(tǒng)停運(yùn)一段時(shí)間。低矮紅樹林站點(diǎn)則受艾爾瑪颶風(fēng)影響較小，在颶風(fēng)后 2 個(gè)月（2017 年 11 月）即恢復(fù)了數(shù)據(jù)收集。缺失的輻射和溫度數(shù)據(jù)使用 ERA5 再分析資料（空間分辨率 0.25° × 0.25°，每小時(shí)產(chǎn)品）進(jìn)行填補(bǔ)。