一种测定红树林碳汇能力的方法

摘要

本发明公开了一种红树林碳汇能力的测定方法，包括以下步骤：在待测算区域采集红树林下覆和与之最近裸滩地的下表层土壤以及红树植物叶片；测定土壤有机碳和植物叶片稳定碳同位素比值(δ

说明书

技术领域：

本发明属林业技术和生态保护领域，具体涉及一种测算沿海及河口红树林碳汇能力的方法。

背景技术：

红树林是一种生长在热带、亚热带海岸或河口区潮间带的木本植物群落。红树林是陆地生态系统向海洋生态系统过渡的最后一道“生态屏障”，无论是对陆地还是对海洋，都具有极其重要的生态功能，被誉为“海上森林”、“地球之肾”和“天然养殖场”。红树林湿地不仅为海洋动物提供丰富的饵料和良好的生长发育环境，进而成为近海渔业和水产养殖业赖以发展的重要保障，从而为人类提供药物、食物、饲料和木材等资源，而且具有净化污水和修复被重金属污染的海滨土壤的功能，也可以起到抵抗潮汐和洪水的冲击，保护岸堤的功效。通俗意义上讲，就是不仅为滨海城市的人们提供前期的食物、药物，还能消纳其后期产生的“废物”，可见其存在意义的重大。另外，对人类过分发展造成的气候困境，红树林湿地还可以发挥重要作用。红树林湿地作为最高产的生态系统，通过光合作用吸收大量的CO₂，经植物残体、凋落物累积、埋藏在湿地土壤里。因其矿化率低，大多数碳素以有机碳形式埋藏近海、河口，促进淤积的进一步加剧。红树林湿地不断固定和持续埋置的“蓝碳”，对于全球碳平衡有重要影响，其在应对气候变化方面的作用重大。所以，其保护和合理利用愈来愈引起人们的高度重视，成为全球普遍关注的热点。

随着对海洋"蓝碳"研究的日益深入，滨海湿地生态系统的碳汇功能越来越受到重视。然而对滨海湿地红树林生态系统碳源汇特征以及碳汇潜力方面的研究则相对薄弱。红树林湿地碳汇能力是与植被生物量碳库以及沉积物有机碳库紧密相关，无论是植被生物量还是沉积物有机碳库都是复杂的动态过程。当前研究红树林的碳汇能力重点都放在植被生物量的动态变化和凋落物的分解动态单方面研究中，至今还没有将两者放在同一个系统综合考虑来定量植被对土壤有机碳的综合贡献的研究。

国内外，稳定碳同位素技术已被广泛应用于红树林湿地沉积物有机质的溯源研究及分析有机质来源和有机碳埋置之间的联系，定量评估红树林来源的有机质 对周边水域和沉积有机质的支持力度。红树林高的生长速度和周期性潮汐作用使其凋落物产生能力较强，这些凋落物进入土壤有些被分解但大多被储藏，参与构成土壤有机碳(SOC)。利用稳定碳同位素δ¹³C可以计算SOC来源包括来源红树的占比f。植物对土壤有机碳的贡献满足指数倍增方程(Exponential>-kt,所述的f为下表层土壤中红树源有机碳所占的比例(占比)，t为基于红树源有机碳在土壤中的累积时间)，参照红树林的林龄，可以获取红树林植物有机碳倍增指数k，测定土壤有机碳的含量，可以计算出目标红树林的目标物种的碳汇能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不破坏植物的前提下，定量测定红树林碳汇能力的方法。

为了解决以上技术问题，本发明通过测定目标红树林中的目标红树物种下覆下表层土壤和植物样的有机碳稳定碳同位素比值δ¹³C，计算目标红树物种下覆下表层土壤有机碳中来源于红树植物有机碳所占的比例；依据目标红树林的林龄，获得红树林植物有机碳倍增指数，建立指数倍增方程，然后，通过求导，获得红树林有机碳倍增速率模型，再依据目标红树物种下覆下表层土壤有机碳的含量，计算出目标红树林特定林龄时的碳汇能力。采用的具体技术方案如下：

步骤一，选取目标红树林中的目标红树物种，采集长势中等的植株的下覆下表层土壤密封袋挤压包装；同时采集与之最近的裸滩地下表层土壤

步骤二，风干上述采集的土样，并碾细过筛，经盐酸去除无机碳后，分别测定它们的有机碳稳定碳同位素比值δ¹³C_SOC，记为δ_土和δ_裸；

步骤三，随机选取5株目标红树植物，分别于树冠顶部(阳生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片混合，密封袋挤压包装。取出目标红树植物的叶片，在65℃下烘干48h，粉碎，分别测定它们的有机碳稳定碳同位素比值δ¹³C，记为δ_红和δ_标；

步骤四，以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)>土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下覆下表层土壤样品的δ¹³C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f；

步骤五，获取目标红树林的林龄t，测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；

步骤六，将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

步骤七，将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝ke^-kt；

步骤八，将k、t和c代入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c ke^-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS，所述的t为目标红树林的林龄，k为目标红树林植物有机碳倍增指数k，c为目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量。

本发明具有的有益效果：

本发明既考虑了植物的动态生长也考虑了凋落物进入土壤的分解和储藏，获得的结果可用于不同环境、不同林龄和不同物种的碳汇能力的比较，为全球变化的研究提供了可比性数据。

本发明只需测定土样有机碳含量和δ¹³C、植物样的有机碳δ¹³C和林龄，就可以得出该红树植物在特定林龄时的碳汇能力，对宝贵的红树林来说，几乎是无损的；在泥泞不堪、狭窄难行的目标红树区域现场，无需费时费力。

本方法基于植物对土壤有机碳的贡献满足指数倍增方程(Exponential>-kt，所述的f为下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为基于红树源有机碳在土壤中的累积时间，与造林时间相关)，因此，计算的结果具有预测性。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明的技术方案及效果做进一步详细说明。

实施例1

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2013年6月23日进行测算，测定上游林龄9年的红树林中桐花树的碳汇能力。

(1)采集土样和植物样。选取目标区域洛阳江上游长势均一的桐花树植株，采集其下表层土壤用密封袋挤压包装；同时采集与之最近裸滩地的下表层土。然后，在采样点附近随机选取5株桐花树，分别于树冠顶部(阳生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片混合，密封袋挤压包装。

(2)测定土样和植物叶片的δ¹³C。将采集的样品及时带回实验室，对土样进行自然风干，并碾细，过200目筛，装袋；对于植物样，取出经保鲜的新鲜叶片，在65℃下烘干48h，粉碎装袋。随后，将两种样品带至实验室，土样经盐酸浸泡去除无机碳后，用焊封石英管高温(850℃)燃烧法在质谱MAT-253测定有机碳稳定碳同位素比值(δ¹³C)。植物样，直接用以上方法测定，结果见表1。

(3)计算f。以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)导出f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下覆下表层土壤样品的δ¹³C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆表层土壤中红树源有机碳所占的比例(占比)；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f，见表1。

表1泉州湾洛阳江上游桐花树(林龄t＝9年)下土壤有机碳(SOC)中红树源有机碳所占的比例(占比)

(4)将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k见表2，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

(5)将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝k>-kt；

(6)测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；将k、t和c代入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c k>-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS见表>

表2泉州湾洛阳江上游桐花树(林龄t＝9年)的碳汇能力

实施例2

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2012年4月29日进行测算，测定上游2008年栽植的秋茄和桐花树的碳汇能力。

(1)采集土样和植物样。选取目标区域洛阳江上游长势均一的桐花树和秋茄植株，分别采集其下表层土壤用密封袋挤压包装；同时采集与之最近裸滩地的下表层土。然后，在采样点附近分别随机选取5株桐花树和秋茄，于树冠顶部(阳生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片，同种植物叶片进行混合，密封袋挤压包装。

(2)测定土样和植物叶片的δ¹³C。将采集的样品及时带回实验室，对土样进行自然风干，并碾细，过200目筛，装袋；对于植物样，取出经保鲜的新鲜叶片，在65℃下烘干48h，粉碎装袋。随后，将两种样品带至实验室，土样经盐酸浸泡去除无机碳后，用焊封石英管高温(850℃)燃烧法在质谱MAT-253测定有机碳稳定碳同位素比值(δ¹³C)。植物样，直接用以上方法测定，结果见表3。

(3)计算f。以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)导出f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下覆下表层土壤样品的δ¹³C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆表层土壤中红树源有机碳所占的比例；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f，见表3。

表3泉州湾洛阳江上游红树林(林龄t＝4年)下土壤有机碳(SOC)中红树源有机碳所占的比例(占比)

(4)将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k见表4，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

(5)将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝k>-kt；

(6)测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；将k、t和c代入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c k>-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS见表4，所述的t为目标红树林的林龄，k为目标红树林植物有机碳倍增指数k，c为目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量。

表4泉州湾洛阳江上游红树林(林龄t＝4年)下的碳汇能力

实施例3

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2012年4月29日进行测算，测定中游2008年栽植的秋茄和桐花树的碳汇能力。

(1)采集土样和植物样。选取目标区域洛阳江中游长势均一的桐花树和秋茄植株，分别采集其下表层土壤用密封袋挤压包装；同时采集与之最近裸滩地的下表层土。然后，在采样点附近分别随机选取5株桐花树和秋茄，于树冠顶部(阳生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片，同种植物叶片进行混合，密封袋挤压包装。

(2)测定土样和植物叶片的δ¹³C。将采集的样品及时带回实验室，对土样进行自然风干，并碾细，过200目筛，装袋；对于植物样，取出经保鲜的新鲜叶片，在65℃下烘干48h，粉碎装袋。随后，将两种样品带至实验室，土样经盐酸浸泡去除无机碳后，用焊封石英管高温(850℃)燃烧法在质谱MAT-253测定有机碳稳定碳同位素比值(δ¹³C)。植物样，直接用以上方法测定，结果见表5。

(3)计算f。以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)导出f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下>13C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆表层土壤中红树源有机碳所占的比例；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f，见表5。

表5泉州湾洛阳江中游红树林(林龄t＝4年)下土壤有机碳(SOC)中红树源有机碳所占的比例(占比)

(4)将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k见表6，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

(5)将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝k>-kt；

(6)测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；将k、t和c代入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c k>-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS见表6，所述的t为目标红树林的林龄，k目标红树林植物有机碳倍增指数k，c为目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量。

表6泉州湾洛阳江中游红树林(林龄t＝4年)下的碳汇能力

实施例4

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2013年6月23日进行测算，测定中游林龄12年的红树林中桐花树的碳汇能力。

(1)采集土样和植物样。选取目标区域洛阳江中游长势均一的桐花树植株，采集其下表层土壤用密封袋挤压包装；同时采集与之最近裸滩地的下表层土。然后，在采样点附近随机选取5株桐花树，分别于树冠顶部(阳 生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片混合，密封袋挤压包装。

(2)测定土样和植物叶片的δ¹³C。将采集的样品及时带回实验室，对土样进行自然风干，并碾细，过200目筛，装袋；对于植物样，取出经保鲜的新鲜叶片，在65℃下烘干48h，粉碎装袋。随后，将两种样品带至实验室，土样经盐酸浸泡去除无机碳后，用焊封石英管高温(850℃)燃烧法在质谱MAT-253测定有机碳稳定碳同位素比值(δ¹³C)。植物样，直接用以上方法测定，结果见表7。

(3)计算f。以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)导出f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下覆下表层土壤样品的δ¹³C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆表层土壤中红树源有机碳所占的比例；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f，见表7。

表7泉州湾洛阳江中游桐花树(林龄t＝12年)下土壤有机碳(SOC)中红树源有机碳所占的比例(占比)

表层土壤δ¹³C(‰)>桐花树δ¹³C(‰)>裸滩地土壤δ¹³C(‰)>占比f_x-24.20>-29.08>-23.04>19.21％>

(4)将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k见表8，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

(5)将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝k>-kt；

(6)测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；将k、t和c代入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c k>-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS见表8，所述的t为目标红树林的林龄，k为目标红树林植物有机碳倍增指数k，c为目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量。

表8泉州湾洛阳江中游桐花树(林龄t＝12年)的碳汇能力

实施例5

实施地点位于福建省泉州湾红树林自然保护区，于2013年6月23日进行测算，测定中游林龄13年的红树林中秋茄的碳汇能力。

(1)采集土样和植物样。选取目标区域洛阳江中游长势均一的秋茄植株，采集其下表层土壤用密封袋挤压包装；同时采集与之最近裸滩地的下表层土。然后，在采样点附近随机选取5株秋茄，分别于树冠顶部(阳生叶)和树冠下部(阴生叶)采集每株植物的成熟叶片10～15片混合，密封袋挤压包装。

(2)测定土样和植物叶片的δ¹³C。将采集的样品及时带回实验室，对土样进行自然风干，并碾细，过200目筛，装袋；对于植物样，取出经保鲜的新鲜叶片，在65℃下烘干48h，粉碎装袋。随后，将两种样品带至实验室，土样经盐酸浸泡去除无机碳后，用焊封石英管高温(850℃)燃烧法在质谱MAT-253测定有机碳稳定碳同位素比值(δ¹³C)。植物样，直接用以上方法测定，结果见表9。

(3)计算f。以与目标红树林最近的裸滩地做背景，以公式δ_土＝δ_红·f+δ_裸·(1-f)导出f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)，所述的δ_土为目标红树物种下覆下表层土壤样品的δ¹³C值，δ_红为目标红树物种的δ¹³C值，δ_裸为与目标红树物种最近的裸滩地下表层土壤的δ¹³C值，f为目标红树物种下覆表层土壤中红树源有机碳所占的比例；将δ_土、δ_红以及δ_裸代入f＝(δ_土-δ_裸)/(δ_红-δ_裸)中，计算出f，见表9。

表9泉州湾洛阳江中游秋茄(林龄t＝13年)下土壤有机碳(SOC)中红树源有机碳所占的比例(占比)

表层土壤δ¹³C(‰)>秋茄δ¹³C(‰)>裸滩地土壤δ¹³C(‰)>占比f_x-23.58>-27.45>-23.04>12.24％>

(4)将f和t代入方程f＝1-e^-kt，计算目标红树林植物有机碳倍增指数k见表10，所述的f为目标红树物种下覆下表层土壤中红树源有机碳所占的比例，t为目标红树林的林龄；

(5)将方程f＝1-e^-kt求导，获取目标红树林有机碳倍增速率模型′＝k>-kt；

(6)测定目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量c；将k、t和c代 入到目标红树林的碳汇能力公式CS＝c k>-kt；计算目标红树林的碳汇能力CS见表10，所述的t为目标红树林的林龄，k为目标红树林植物有机碳倍增指数k，c为目标红树物种下覆下表层土壤样品的有机碳含量。

表10泉州湾洛阳江中游秋茄(林龄t＝13年)的碳汇能力

综上可以看出，同一物种上游的碳汇能力大于中游，同一区域，林龄长的大于林龄短的，中游12年左右林龄的红树林近似于上游4年林龄的碳汇能力。同一区域同一林龄的红树林，桐花树的碳汇能力大于秋茄的。这是因为上游更适合红树林的生长，与秋茄相比，桐花树更适应泉州湾河口湿地环境，这与实际情况相符。