LI-7500應用案例 | 【Global Change Biology】非常韌性的藍碳生態(tài)系統(tǒng)——紅樹林

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

作者 | David Reed，Selena Chavez等

紅樹林被認為是重要的碳匯，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，這進一步增強了其碳匯潛力。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，紅樹林也是全球受威脅最嚴重、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，常受熱帶風暴和颶風等天氣事件的影響。例如，南佛羅里達、墨西哥灣及加勒比地區(qū)的紅樹林經(jīng)常遭受颶風襲擊。盡管氣候變暖使紅樹林的分布范圍在擴大，風暴等事件卻在不斷改變其結構、功能及恢復軌跡。

在全球范圍內(nèi)，颶風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）遭受颶風影響。颶風可造成10%–45%的紅樹林立即或延遲死亡，高大紅樹林（>10米）更易遭受結構性破壞。盡管風暴會引發(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。

不同生態(tài)過程的恢復速度存在差異，這使得生態(tài)系統(tǒng)總體恢復時間難以精確評估。例如，2005年威爾瑪颶風后，研究發(fā)現(xiàn)佛羅里達大沼澤地的紅樹林中，光合速率可在1年內(nèi)基本恢復，而生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）因枯枝落葉的持續(xù)分解，在風暴后持續(xù)升高了4年，導致凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換（NEE）的恢復時間很長。類似現(xiàn)象在干旱熱帶森林中也有報道：風暴后初級生產(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系也受到削弱。葉面積指數(shù)LAI的變化會對多個生態(tài)過程產(chǎn)生級聯(lián)效應，并在不同時間尺度上表現(xiàn)出來。

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

針對紅樹林的結構與功能恢復，本研究利用佛羅里達沿海大沼澤地兩個代表性紅樹林樣地的渦度相關通量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了2005年的威爾瑪颶風和2017年的艾爾瑪颶風的影響。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“恢復負債”——即生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后恢復到干擾前狀態(tài)所需的碳赤字補償。

研究結果表明，在大沼澤地的紅樹林中，LAI在一年內(nèi)即恢復至干擾前水平，而生態(tài)系統(tǒng)呼吸和最大光合速率的恢復則需要更長時間。高大林分初期恢復負債達178克碳/平方米，而低矮林分受影響較小。在景觀尺度上，初期恢復負債為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。盡管高強度風暴可能對亞熱帶紅樹林結構產(chǎn)生長期影響，快速的冠層恢復則表明，紅樹林是韌性的碳匯系統(tǒng)。

LI-7500開路式渦度相關通量觀測系統(tǒng)在本研究中的作用

自 2004 年 1 月起，高大林分站點開始使用 LI-7500開路式渦度相關通量觀測系統(tǒng)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的 CO? 通量；低矮紅樹林站點從 2017 年 1 月起開始觀測。高大林分站點先后使用了兩款超聲風速儀：Gill R3-50（2004–2021 年）和 Gill WindMaster Pro（2022–2023 年）。

2004–2012 年間，高大林分站點的渦度相關數(shù)據(jù)采用標準方法處理，并上傳至 AmeriFlux 數(shù)據(jù)庫以進行質(zhì)量控制和存檔。2017–2023 年，兩個紅樹林站點的數(shù)據(jù)使用 EddyPro 7.0.9 軟件，按照標準通量處理協(xié)議進行數(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。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)量檢查基于動量通量與 NEE 的相關系數(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)（CO? 交換大于 100 或小于 ?100 μmol m?2 s?1）。通量貢獻區(qū)使用足跡模型（Kljun 等，2015）進行估算。

通量數(shù)據(jù)標準處理軟件——EddyPro®

高大林分站點在威爾瑪颶風（2005 年）和艾爾瑪颶風（2017 年）過后，塔及儀器均受到嚴重破壞，導致觀測系統(tǒng)停運一段時間。低矮紅樹林站點則受艾爾瑪颶風影響較小，在颶風后 2 個月（2017 年 11 月）即恢復了數(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°，每小時產(chǎn)品）進行填補。