海岸带蓝碳时空演变及其服务价值评估——以胶州湾为例

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隋玉正¹, 陈小璇¹, 李淑娟², 孙大鹏¹, 马歆宁¹, 周涛³1. 青岛理工大学建筑与城乡规划学院,青岛 266033
2. 中国海洋大学管理学院,青岛 266100
3. 青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛 266033

Spatiotemporal change of coastal blue carbon and its service value evaluation：A case study of Jiaozhou Bay

SUI Yuzheng¹, CHEN Xiaoxuan¹, LI Shujuan², SUN Dapeng¹, MA Xinning¹, ZHOU Tao³1. College of Architecture and Urban Planning of Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China
2. School of Management, Oecan University of China, Qingdao 266100, China
3. School of Environmental and Municipal Engineering of Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China

收稿日期:2018-10-31修回日期:2019-03-26网络出版日期:2019-11-25

基金资助:

国家社会科学基金重大项目.16ZDA049
国家自然科学基金项目.51808305
山东社科规划项目.18CLYJ59

Received:2018-10-31Revised:2019-03-26Online:2019-11-25
作者简介 About authors
隋玉正,男,辽宁大连人,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为资源环境与城乡规划E-mail：suiyuzheng_qd@163.com。

摘要
海岸带蓝碳是介于海洋蓝碳和陆地绿碳之间的一种碳库,拥有巨大的碳汇潜能,对其固碳能力的研究具有重要的现实意义。本文选取1997年、2007年和2017年3个时间点的胶州湾遥感数据,在ArcGIS中解译获取胶州湾海岸带湿地数据,基于InVEST模型,对胶州湾海岸带蓝碳分布的时空格局演变及其服务价值进行评估。研究结果显示：①从时间上来看：1997—2007年和2007—2017年蓝碳总量分别是3.49亿t和2.32亿t,呈减少趋势。②从空间上来看：1997—2007年间蓝碳最大值主要分布在潮下带区域和河套、上马、棘洪滩、九龙街道的芦苇、碱蓬、大米草和养殖池区域,2007—2017年间主要分布在九龙、流亭、棘洪滩、上马街道的养殖池和芦苇区域。③1997—2017年20年间胶州湾蓝碳总价值为8522.13亿元,海岸带拥有巨大的碳汇潜能,保护海岸带生态系统刻不容缓。本文结果可为海岸带生态系统服务价值评估提供有益参考。
关键词： 蓝碳;海岸带;生态系统服务;InVEST模型;时空演变;价值评估;胶州湾

Abstract

Coastal blue carbon is a carbon pool similar to marine blue carbon and terrestrial green carbon, which has huge carbon sink potential and it is of important practical significance to study its carbon sequestration capacity. In this study, remote sensing data of the Jiaozhou Bay in 1997, 2007, and 2017 ,were used for interpretation and acquisition of coastal wetland data in the Jiaozhou Bay area by ArcGIS,.Based on the Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs(InVEST) model, this study evaluated the change of spatial and temporal patterns of blue carbon distribution and its service value in the Jiaozhou Bay coastal zone. The results show that: (1) In terms of time: the total blue carbon in 1997-2007 and 2007-2017 was 3.49

\times

10 ⁸ and 2.32

\times

10 ⁸ tons respectively, showing a decreasing trend. (2) Spatially, from 1997 to 2007, the maximum blue carbon was mainly distributed in the sub-tidal zone and the areas of reed, suaeda salsa, spartina and aquaculture ponds in Hetao, Shangma, Jiuhongtan, Jiulong Street, and in the areas of aquaculture ponds and reeds in Jiulong, Liuting, Jinghongtan and Shangma Street from 2007 to 2017. (3) The total value of blue carbon in the Jiaozhou Bay in recent 20 years is 8522.13×10 ⁸ CNY, it is urgent to protect the coastal blue carbon ecosystem because of its huge carbon sink potential.

Keywords：blue carbon;coastal zone;ecosystem service;InVEST model;spatiotemporal evolution;value evaluation;Jiaozhou Bay

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本文引用格式
隋玉正, 陈小璇, 李淑娟, 孙大鹏, 马歆宁, 周涛. 海岸带蓝碳时空演变及其服务价值评估——以胶州湾为例. 资源科学[J], 2019, 41(11): 2119-2130 doi:10.18402/resci.2019.11.14
SUI Yuzheng. Spatiotemporal change of coastal blue carbon and its service value evaluation：A case study of Jiaozhou Bay. RESOURCES SCIENCE[J], 2019, 41(11): 2119-2130 doi:10.18402/resci.2019.11.14

1 引言

IPCC第五次报告^[1]指出,人类化石能源使用和土地利用方式的不断变化导致碳排放呈现上升的趋势,因此对碳的固定和储存研究就变得至关重要。据估计,全球除4.0 Pg C/a停留在大气中外,其余的大约2.3 Pg C/a 被海洋吸收,1.5 Pg C/a 被陆地吸收（含2.6 Pg C/a 陆地生态系统净吸收和1.1 Pg C/a 土地利用变化的排放）^[2],其中被海洋吸收的碳叫海洋蓝碳,被陆地吸收的碳叫陆地绿碳。海岸带作为连接陆地和海洋的特殊区域,拥有巨大的碳汇潜能,海岸带面积虽仅占全球海洋的0.2%,但固碳量约占全部海洋碳储量的一半^[3]。海岸带蓝碳是介于海洋蓝碳和陆地绿碳之间的一种碳库,目前许多国内外研究文献仅将海岸带盐沼湿地、红树林和海草床3类植物固定的碳归为蓝碳^[4,5,6,7],唐剑武^[8]在以上3类植物的基础上又加入了海岸带浮游植物、藻类和贝类生物等海洋生物的固碳作用。不同类型湿地植物的固碳能力是不同的,红树林最强,盐沼湿地次之,海草床相对较弱^[9,10,11]。不同区域盐沼湿地的固碳能力也各不相同,随着纬度的降低固碳能力不断增强^{[12,13,14,15]}。目前国内的研究大多是通过测量区域的生物量以及土壤剖面数据等方法来计算碳储量^{[16,17,18,19]},研究结果通常是静态的,所以本文选用能够反映研究区域碳储存时空动态变化的InVEST模型作为研究方法。

InVEST模型（Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs）是广泛应用于区域尺度生态系统服务功能评估的模型软件,包括生境质量、陆地碳储存和固定、蓝碳、水质净化、作物授粉等多种模块,此模型可与3S技术紧密结合,对空间尺度有更强的包容性,能够体现生态系统服务功能的时空异质性特征。在碳储存方面,目前国内外的****仅将此模型的陆地碳部分与RS、GIS技术相结合进行空间化动态评估^{[20,21,22,23]},而利用其蓝碳模块对海岸带蓝碳作可视化分析的研究尚未见。

近年来胶州湾地区开发剧烈,随着人类活动（围海造田,滩涂围垦,盐沼扩散被道路拦截等）的干扰和自然环境（海平面上升等）的变化,海岸带正在遭受严重的破坏,势必影响到海岸带蓝碳的分布和变化。鉴于此,本文根据胶州湾海岸带的实际情况,应用GIS的空间分析技术和InVEST模型,开展区域蓝碳储量估算及时空变化规律分析,从而明确胶州湾海岸带的碳汇区与碳源区,以及人类活动对胶州湾海岸带生态系统造成的影响。本文研究结果可为科学保护海岸带生态系统的结构与功能完整性提供借鉴,为滨海盐沼湿地的保护和修复以及蓝色碳汇评估体系提供依据。

2 研究地区概况

胶州湾地处山东半岛南部,濒临南黄海,是一个半封闭的浅海湾,是仅次于莱州湾的山东省第二大海湾,面积473 km²,平均水深约7 m,最大水深 64 m。

全国海岸带和海涂资源综合调查曾将海岸带界定为海岸线向陆侧延伸10 km,向海到15 m水深线,根据20世纪80年代全国海岸带综合调查的土地利用调查原则和胶州湾的实际情况,将胶州湾海岸带的宽度定义为在海岸线10 km内的乡镇和0 m海岸线向海到-6 m水深线之间,包括城阳区的棘洪滩街道、城阳街道、上马街道、流亭街道、河套街道、红岛街道;胶州市的九龙街道;黄岛区的红石崖街道、王台镇。

由于研究对象是海岸带蓝碳,本文以胶州湾的海岸带湿地（图1）为主,不包括胶州湾海岸带内的城市区域。按国际湿地公约的定义,海岸带湿地的下限为低潮时海面以下6 m处（习惯上常把下限定在大型海藻的生长区外缘）,上限为大潮线之上与河流相连的淡水或半咸水湖沼以及海水上溯未能抵达的入海河的河段。因此,本文仅选取注入胶州湾的大沽河、墨水河、白沙河及洋河4条主要河流所在（从最东端的白沙河至最西端的洋河之间）的海岸带湿地以及-6 m等深线为基础的胶州湾大桥以北地区为研究区域。

图1

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图1研究区域示意图

Figure 1The study area

3 研究方法

3.1 不同时期海岸带湿地类型信息的获取及研究对象确定

考虑遥感影像的清晰性和数据的可获取性,选取1997年、2007年和2017年的10月份遥感数据,利用ENVI软件,对各年的遥感数据进行几何校正、图像处理。参照谷歌地球的历史影像和本课题组的野外调研数据,并参考Ramsar湿地公约中提到的湿地类型划分方案、中国湿地调查纲要以及国内有关海岸湿地分类的文献,在ArcGIS中采用人工目视解译方法,获取不同时期胶州湾海岸带湿地数据,本文将胶州湾海岸湿地分为潮下带湿地（-6 m以上浅水域）、潮间带湿地（沙质海滩、岩石滩、泥滩）、潮上带湿地（海滨咸水沼泽、微咸水沼泽）、河口湿地（河口和三角洲）以及人工湿地（港池、养殖池、盐田）^[24,25]。由于胶州湾没有红树林和海草床,本文以芦苇、碱蓬、大米草等盐沼湿地植物作为主要研究对象（主要分布在大沽河河口湿地和洋河河口湿地）。近些年,渔业碳汇因被作为“遗漏的碳汇”而广受关注,因此海洋渔业碳汇是海洋生物“蓝色碳汇”的重要组成部分^[26,27,28],同时胶州湾是中国著名的贝类养殖基地,因此本文也将养殖区域作为研究对象。目前胶州湾菲律宾蛤仔养殖水域占胶州湾总面积的1/2以上,主要包括潮间带湿地（滩涂）、潮下带湿地和人工湿地（养殖池）^[29]。最终,本文以芦苇、碱蓬、大米草和养殖区域（包括养殖池、滩涂和潮下带）这4种典型海岸带湿地作为蓝碳研究对象,其他海岸带湿地类型在文中不作考虑。

3.2 海岸带蓝碳估算

本文利用InVEST蓝碳模型估算海岸带植物的碳储存与固碳能力。InVEST模型中的蓝碳模块,不仅可以用来估算海岸带植被的碳储存与固碳能力,也可以估算海岸带湿地类型变化导致碳储存变化和碳固定净现值,InVEST中蓝碳模块如图2^[30]所示。

图2

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图2InVEST 蓝碳模型概念框架^[30]

Figure 2Conceptual framework of the IInVEST blue carbon model^[30]

3.2.1 碳储存

湿地植物或动物吸收大气中的CO₂,通过光合作用合成有机物,即生物量碳储存（包括地上和地下碳储存）;植物或动物死亡后的残体经腐殖化作用和泥炭化作用形成腐殖质和泥炭,即土壤碳储存,因凋落物数据不好获得,所以本文不作研究。本文的总碳储存量即生物量碳储存与土壤碳储存的和,估算方法如下：

（1）

C_{xt} = \overset{J}{\sum_{j = 1}} A_{xjt} [C_{a j} + C_{b j} + (C_{s j} \times d_{j})]

式中：

C_{xt}

表示t时间点储存在栅格单元

x

中的碳储存量;

A_{xjt}

表示j滨海湿地类型的栅格单元

x

在t时间点的植物或动物覆盖面积;

d_{j}

表示j滨海湿地类型的土壤碳沉积深度;

C_{a j} 、 C_{b j} 、 C_{s j}

分别代表j滨海湿地类型的地上、地下、土壤各个碳库每hm²储存的tCO₂当量。此模型中的沉积深度默认为1 m。

3.2.2 碳积累

碳积累是指土壤经过一年时间的分解作用,以有机体形式贮存的碳,碳积累有助于未被干扰的、实质性的、永久的碳库发育。因此,即使海岸带湿地类型没有发生变化,碳积累也总是自然持续进行^[30],估算方法如下：

（2）

AC C_{x t_{0}} = \overset{J}{\sum_{j = 1}} A_{xj t_{0}} (AC C_{xj t_{0}})

式中：

AC C_{x t_{0}}

表示在t₀时间段内栅格单元

x

中的碳积累量,用每年按t计的CO₂当量表示;

AC C_{xj t_{0}}

表示t₀时间段内土壤沉积物中碳积累率;

A_{xj t_{0}}

表示j滨海湿地类型在t₀时间段内栅格单元

x

中植物或动物覆盖面积。

3.2.3 碳损失

当滨海生态系统受人类活动影响而退化时,贮存在活体植物或动物体内的生物量（地上部分和地下部分）和土壤中的碳可能排放到大气中,CO₂释放量取决于受干扰的植物或动物类型和干扰程度,干扰程度取决于损失的地上生物量和受到干扰的土层深度,土层深度越深,暴露在氧气中、被氧化后以CO₂形式排放的土壤碳越多。为估算不同扰动对生境的影响程度,将干扰分成3个影响程度：高度、中度和低度。高度干扰即高固碳植物芦苇、大米草和碱蓬向没有固碳能力的其他用地转化;中度干扰即高固碳植物向固碳能力不强的养殖区域转化;低度干扰即固碳能力不强的养殖区域向没有固碳能力的其他用地转化。

（1）碳损失幅度。模型将生物量和土壤碳库分别作为碳损失的2个步骤（表1）。第一,估算生物量的碳损失,生物量的碳损失取决于生境影响类型、干扰程度以及植物类型。第二,估算土壤碳库的碳损失,取决于干扰影响程度,以及受干扰的土壤深度（本文中假设土壤深度1 m）,估算方法如下：

（3）

E_{z} = \overset{J}{\sum_{j = 1}} A_{zjt} [b_{1} (C_{a j} + C_{b j}) + b_{2} (C_{s j} \times d_{j})]

式中：

E_{z}

表示栅格单元

z

中的碳损失量;

A_{zjt}

表示j滨海湿地类型的栅格单元

z

在

t

时间点的植物或动物覆盖面积;

b_{1}

表示生物量碳损失百分比;

b_{2}

表示土壤碳损失百分比;其余变量含义同上。

Table 1
表1
表1盐沼湿地碳库的碳损失百分比和半衰期
Table 1Carbon loss percentage and vegetation specific attenuation rate of salt marsh

生物量碳损失百分比	土壤碳损失百分比	半衰期（10年间）
L1/M1：50%	L1：30%	生物量半衰期：3个月
H1：100%	M1/H1：100%	土壤半衰期：3.5年

注：L1、M1、H1分别表示低、中、高度,数据参考文献[31]。

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（2）碳损失的时间变化。碳会以不同速率从碳库中流失。大部分生物量碳将在第一年排放,而土壤碳的释放可能需要更长时间,估算方法如下：

（4）

E_{p} = D_{p} [0 . 5^{\frac{t - (r + 1)}{H_{p}}} - 0 . 5^{\frac{t - r}{H_{p}}}]

式中：

E_{p}

表示在一定时间段内从总扰动的碳储存中损失的碳;

D_{p}

表示随着时间接近无穷大而受到干扰的碳储量;r表示受干扰的时长;

H_{p}

代表扰动事件的半衰期,式（4）中每种生物类型的生物量碳和土壤碳的损失百分比及其相关半衰期都来自Murray的研究^[31]。

3.2.4 净碳固定

海岸带湿地碳循环的基本模式为：在基年碳储存的基础上,累加上一定时间的碳积累,再减掉一定时间的碳损失,最后留下来的长期封存在土壤里的碳就是净碳固定,即蓝碳（图3）。净碳固定计算方法如下：

图3

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图3碳循环示意图

Figure 3The Carbon cycle diagram

（5）

净碳固定 = 碳储存 + 碳积累 - 碳损失

3.2.5 碳固定净现值

碳固定净现值指的是净碳固定的生态系统服务价值,即蓝碳的价值,具体估算方法如下：

（6）

V_{x} = \overset{T}{\sum_{t = 0}} \frac{P_{t} (C_{t, x} - C_{t - 1, x})}{{(1 + d)}^{t}}

式中：

V_{x}

表示栅格单元

x

内的蓝碳价值;T表示从开始到生境变化结束之间的年数;

P_{t}

表示

t

时间点单位质量碳价格;

C_{t, x}

表示

t

时间点栅格单元

x

内的碳储量;

d

表示贴现率。可以选择使用价格明细表模拟碳固定价值,或者提供基期碳排放价格和年通货膨胀率,本文选择后者。

4 模型参数来源

InVEST蓝碳模型以海岸带湿地类型为评估单元,利用海岸带土地利用覆盖信息、各碳库碳密度数据,通过空间叠加计算得到海岸带碳储存、碳积累、碳损失和净碳固定价值及其空间分布特征等信息,本文为模型计算建立一个碳库。将地上与地下生物量合并为生物量碳库,凋落物碳库因数据缺失不易获取在本文中不作研究。碳库表中的数据见表2,其定义与数据来源如下：

Table 2
表2
表2胶州湾海岸带植物和动物类型碳库表
Table 2Carbon pool of different plants and animals types in the study area

代码	海岸带生物类型	土壤初始碳储量/（t/hm²）	土壤碳积累率/（t/（hm²·a））	生物量初始碳储/量（t/hm²）	生物量碳积累率/（t/（hm²·a））
1	芦苇	85.20	7.00	23.40	17.70
2	碱蓬	84.20	3.20	3.20	7.80
3	大米草	76.20	5.30	16.40	14.86
4	菲律宾蛤仔	13.34	0.39	8.89	1.10

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4.1 海岸带湿地植物的土壤碳库

土壤初始碳储量,即基年（本文为1997年）单位面积土壤有机碳碳储量

T_{i}

（kg/m²）,计算公式如下：

（7）

T_{i} = C_{i} \times H_{i}

式中：

C_{i}

为相应土层有机碳密度（kg/m³）,根据訾园园等^[12]土壤剖面有机碳密度平均值大小,光滩（10.04 kg/m³）>芦苇（8.52 kg/m³）>碱蓬（8.42 kg/m³）;

H_{i}

为该土层深度（m）,InVEST蓝碳模型默认土壤深度1 m,所以

H_{i}

=1。但本文因为大米草湿地长期存在积水,土壤容重采集不准确,因此未研究胶州湾大米草的有机碳密度,采用了20世纪中期北美****关于乔治亚州海岸湿地生态系统中互花米草的数据替代^[32,33]。

土壤碳积累率,即单位年份单位面积土壤有机碳积累量。胶州湾与黄河三角洲地区纬度情况相似,土壤碳积累率借鉴的是黄河三角洲的相关数据^[9]。

4.2 海岸带湿地植物的生物量碳库

生物量初始碳储量,即基年单位面积生物有机碳碳储量。生物碳储量借鉴的是黄河三角洲的相关数据^[9],原因同上。

生物量碳积累率,即单位年份单位面积生物量有机碳积累量。胶州湾的芦苇和碱蓬生物量与辽河三角洲数值较为接近,所以本文胶州湾的芦苇和碱蓬的生物量碳积累率采用辽河三角洲的数据^[12]。胶州湾互花米草的生物量碳积累率借鉴闽江口互米花草的生物量碳积累率^[9,14,34],闽江河口互花米草总生物量年积累范围在（3379.01±223.6）~（5451.6±271.01） g/m²,根据光合作用反应过程中植物每形成1 g干有机物质需同化1.62 gCO₂,固定0.44 g碳,即碳转换系数为0.44,计算公式如下：

（8）

C_{i} = P A_{i} Q_{i}

式中：

C_{i}

为第

i

类湿地植物的生物量碳库;

P

为碳转换系数0.44;

A_{i}

是第i类湿地植被面积;

Q_{i}

是第i类湿地植被的生物量。

4.3 海岸带动物的土壤和生物量碳库

通过渔业生产活动促进水生生物吸收水体中的CO₂,并通过收获把这些已经转化为生物产品的碳移出水体的过程和机制叫做渔业碳汇^[35]。贝类养殖通过两种形式吸收碳,第一种是通过吸收碳酸氢根,形成碳酸钙,即贝类的躯壳,少量随有机碳从表面海水垂直输送到海洋深部,绝大部分通过收获从海水中移出;第二种方式是通过滤食摄取水体中的悬浮颗粒有机碳（包括浮游植物和颗粒有机碎屑等）促进贝类个体软组织的生长^[36],这两种方式吸收的碳的总和在本文中即为生物量碳储量。

胶州湾内的贝类养殖面积占总养殖面积的71.6%,而在贝类养殖面积中,菲律宾蛤仔的养殖面积占比为93.2%^[29,37],所以养殖区域的数据统一采用的是菲律宾蛤仔的相关数据（表2）。从文献^[38]中可知生物量密度,冬春季蛤仔生物量较低,而夏秋季较高,本文不分季节,取一个中间值大约3000 g/m²,然后从文献中获取蛤的碳汇核算参数^[39],可以计算养殖区域的生物量碳储量。根据张继红^[36]的研究,生物量碳库和土壤碳库的比是2：3,由此根据已知的生物量碳库可以推算出土壤碳库。菲律宾蛤仔的土壤碳积累率来自李海晏等的研究^[28],生物量碳积累率采用桑沟湾栉孔扇贝浅海区域的固碳速率^[36]。

4.4 海岸带蓝碳价值系数

（1）基期碳排放价格。根据京都议定书中的规定,CO₂减排费用为150~160美元/t;中国的碳固定计算方法是以1990年的不变价格（约为32.6美元/t）计算的造林成本费用;美国的碳税为15美元/t;挪威政府的碳税为227美元/t;本文采用相关文献中经常采用的瑞典碳税率,其数值为150美元/t（以1997年1美元兑换人民币8.27元计）^[40],即1240.5元/t。

（2）通货膨胀率。1997—2017年的通货膨胀率来自中国国家统计局网站,取20年来的平均值2.36%,即单位质量碳固定价值随时间发生变化。

（3）贴现率

d

（Discount-rate）。碳排放贴现率反映了相比远期利益,对近期利益的时间偏好。如果贴现率取值为0%,碳汇价值即为原计算值。从气候变化经济学中查到相关贴现率问题,高贴现率会将未来的灾难损失贴现为一个较小的现值,从而趋向于未来减排;而低贴现率则相反,会使未来的损失看上去非常大,从而趋向于当前大幅度减排^[41]。中国一直倡导可持续发展理论以及生态文明建设,而且气候变化存在一定的不可逆性,所以本文认为中国的政策更偏向于低贴现率。但中国人口众多,GDP总量大,选择过低的贴现率要求政策上立即采取大力度的减排行为,这不符合中国的实际。基于目前的文献资料整理,贴现率的范围在1.95%~6%之间^[41],所以本文的贴现率取中间值4%。

5 结果与分析

5.1 不同类型湿地面积的变化

1997—2017年胶州湾湿地时空格局发生巨大变化（表3、图4）,其中养殖池的面积在不断减少,变化最明显的是位于研究区东部的城阳棘洪滩街道,这与国家的“蓝色海湾整治行动”有关,拆除养殖池,保护生态环境;芦苇面积呈减少趋势,在1997—2007年减少了331.77 hm²,而在2007—2017年又增加了115.92 hm²;碱蓬面积总体呈上升趋势;其中大米草因其强大的繁殖能力,近些年呈持续上升状态,且上升幅度不小。这3类高固碳盐沼湿地植物呈现上升趋势主要是因为青岛市2006年新的土地规划出台以后加大生态城市建设的建设力度,使得这3类用地的面积得到一定幅度的提升,例如建设胶州少海湿地公园,大范围地增加了芦苇的面积。但从总体上来看,胶州湾海岸带湿地面积是呈现下降趋势的,20年间湿地总面积下降了4538.34 hm²,年平均下降226.92 hm²,年平均下降率为1.1%。说明胶州湾近些年海岸带湿地遭到破坏,胶州湾湿地保护迫在眉睫。

Table 3
表3
表3胶州湾不同类型湿地面积及其变化
Table 3Area of different wetland types area in the Jiaozhou Bay coastal zone (hm²)

	1997年	2007年	1997—2007年	2017年	2007—2017年
芦苇	463.42	131.65	-331.77	247.57	+115.92
碱蓬	59.61	99.80	+40.19	88.68	-11.12
大米草	27.99	36.23	+8.24	208.22	+171.99
养殖池	7546.80	5245.22	-2301.58	3971.00	-1274.22
滩涂	5836.58	5858.02	+21.44	4808.02	-1050.00
潮下带	8632.88	8516.65	-116.23	8512.22	-4.43
湿地总面积	22378.25	19888.35	-2489.90	17839.91	-2048.44

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图4

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图41997、2007和2017年胶州湾海岸带湿地类型图

Figure 4Wetland types in the Jiaozhou Bay coastal zone, 1997, 2007, and 2017

表4中的数据表明,1997—2007年间土地利用类型转移强烈,胶州湾分别有83.6%的芦苇、56.7%的碱蓬、8.1%的大米草、45.4%的养殖池、4.7%的滩涂、1.4%的潮下带、1.5%的其他用地发生了转移,其中芦苇、碱蓬和养殖池发生转移最多,且大部分转化为没有固碳能力的其他用地。

Table 4
表4
表41997—2007年胶州湾不同类型湿地转移面积和转移比率矩阵
Table 4Transfer area and transfer ratio matrix of wetland types in the Jiaozhou Bay, 1997-2007

土地利用类型		转移面积/hm²（转移比率/%）
土地利用类型		芦苇	碱蓬	大米草	养殖池	滩涂	潮下带	其他用地
	芦苇	76.07（16.38）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	79.15（17.05）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	309.08（66.57）
	碱蓬	0.17（0.29）	25.90（43.31）	0.00（0.00）	31.89（53.33）	0.62（1.04）	0.00（0.00）	1.22（2.04）
	大米草	0.00（0.00）	0.00（0.00）	25.77（91.88）	1.04（3.69）	1.18（4.19）	0.00（0.00）	0.06（0.23）
	养殖池	18.31（0.24）	21.76（0.29）	9.40（0.12）	4121.06（54.61）	247.26（3.28）	0.01（0.00）	3128.76（41.46）
	滩涂	0.00（0.00）	17.45（0.30）	1.14（0.02）	92.12（1.58）	5565.35（95.32）	0.67（0.01）	161.65（2.77）
	潮下带	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.46（0.01）	8516.31（98.62）	118.65（1.37）
	其他用地	37.29（0.05）	34.78（0.04）	0.00（0.00）	1075.11（1.37）	44.52（0.06）	1.03（0.00）	77455.55（98.48）

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表5中的数据表明,2007—2017年间,胶州湾分别有84.5%的芦苇、87.9%的碱蓬、93.7%的大米草、63.2%的养殖池、20.1%的滩涂、2.4%的其他用地发生了土地利用类型的转移,同上个十年相比有更大比例的高固碳类型（芦苇、大米草、碱蓬）向低固碳类型（养殖池、滩涂等）和其他用地转化,说明胶州湾湿地的碳正在不断流失。

Table 5
表5
表52007—2017胶州湾年不同类型湿地转移面积和转移比率矩阵
Table 5Transfer area and transfer ratio matrix of wetland types in the Jiaozhou Bay, 2007-2017

土地利用类型		转移面积/hm²（转移比率/%）
土地利用类型		芦苇	碱蓬	大米草	养殖池	滩涂	潮下带	其他用地
	芦苇	20.37（15.47）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	10.33（7.84）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	100.95（76.68）
	碱蓬	0.00（0.00）	12.07（12.09）	0.00（0.00）	45.59（45.68）	15.71（15.74）	0.00（0.00）	26.44（26.49）
	大米草	0.00（0.00）	0.00（0.00）	2.30（6.34）	10.59（29.22）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	23.35（64.44）
	养殖池	115.71（2.21）	39.04（0.74）	1.66（0.03）	1930.72（36.80）	99.16（1.89）	0.00（0.00）	3059.74（58.32）
	滩涂	0.00（0.00）	16.76（0.29）	198.71（3.39）	168.62（2.88）	4678.61（79.86）	0.59（0.01）	749.94（13.57）
	潮下带	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	0.00（0.00）	8516.65（100.00）	0.00（0.00）
	其他用地	111.59（0.14）	21.00（0.03）	5.59（0.01）	1810.48（2.23）	15.21（0.02）	2.08（0.00）	79114.00（97.58）

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5.2 碳储存时空演变分析

通过对1997—2017年碳储存分析可知,20年间各类湿地的碳储存量在不断上升（图5）,原因是随着时间推移碳积累在不断地进行,有助于未被干扰的实质性永久碳库的发育,即使海岸带湿地类型没有发生变化,碳固定总是在自然持续地进行。从时间上看,1997—2017年间总碳储存呈不断上升的趋势,从1997年的1.71亿t上升至2007年的5.18亿t,再上升至2017年的7.50亿t。单位hm²碳储存最大值也在持续上升,从1997年的108.60 t/hm²上升至2007年的355.60 t/hm²和2017年的602.60 t/hm²。从空间上来看,1997年、2007年和2017年碳储存量高值区皆分布在河套、上马、棘洪滩和九龙街道,主要原因是此区域分布了芦苇、碱蓬、大米草等高固碳植物。

图5

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图51997、2007和2017年单位面积碳储存空间分布图

Figure 5Spatial distribution of carbon stock per unit area, 1997, 2007, and 2017

5.3 碳积累时空演变分析

碳积累空间分布如图6所示。从时间上来看,1997—2007年和2007—2017年的单位面积碳积累最大值都是246.03 t/hm²,单位面积碳积累平均值分别为141.5 t/hm²和94.3 t/hm²,碳积累总值分别是3.52亿t和2.34亿t,都呈现下降趋势。从空间上看,1997—2007年的碳积累主要发生在红岛街道南部的潮下带区域和河套、上马街道南部的养殖池区域;2007—2017年的碳积累主要发生在九龙、河套街道交界处大沽河流域的芦苇区域和九龙街道以及流亭街道附近的部分养殖池区域,主要原因是潮下带面积广大且人类活动较少,碳可以得到有效积累,芦苇等高固碳植物土壤和生物碳积累率高,另外1997—2017年,有大量高固碳湿地转化为养殖池,使养殖池区域产生大量的碳积累。

图6

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图61997—2007年和2007—2017年单位面积碳积累空间分布图

Figure 6Spatial distribution map of carbon accumulation per unit area, 1997-2007 and 2007-2017

5.4 碳损失时空演变分析

碳损失空间分布如图7所示。从时间上看,1997—2017年胶州湾的单位面积碳损失最大值可达355 t/hm²,碳排放总量为474.77万t。从空间上看,碳储量的损失主要发生在九龙、河套街道交界处大沽河流域的芦苇区和养殖池区域,主要原因是芦苇被占用。另外此处位于芦苇、养殖池和其他用地的交汇处,海岸带湿地类型复杂,而芦苇转化为其他用地和养殖区域分别是高度和低度干扰,再加上芦苇自身为胶州湾固碳能力最强的植物,如果受到破坏对总碳损失的影响也最大。近些年随着人口压力增大、城市不断扩建等人为因素,导致湿地不断地被围垦和破坏,所以出现了大面积碳损失。养殖区域的碳损失主要由于养殖池转为没有碳固定能力的其他用地。

图7

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图71997—2017年单位面积碳损失空间分布图

Figure 7Spatial distribution of carbon emissions per unit area, 1997-2007

5.5 净碳固定时空演变分析

净碳固定空间分布如图8所示。从时间上看,1997—2007年各类湿地类型的净碳固定都呈现一定的下降趋势,主要原因是湿地类型多从高固碳湿地转化为低固碳湿地。1997—2007年和2007—2017年间单位面积净碳固定量最大值都是247 t/hm²,最小值分别为-108.49 t/hm²和-334.07 t/hm²,净碳固定总量分别为3.49亿t和2.32亿t,呈现减少趋势。从空间上看,1997—2007年间,净碳固定最大值主要分布在潮下带区域和河套、上马、棘洪滩、九龙街道的芦苇、碱蓬、大米草和养殖池区域;2007—2017年间,最大值主要分布在九龙、流亭、棘洪滩、上马街道的养殖池和芦苇区域,2007—2017年与1997—2007年相比少了潮下带区域,原因是2007—2017年潮下带的碳积累量比1997—2007年的碳积累量少。

图8

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图81997—2007年和2007—2017年单位面积净碳固定空间分布图

Figure 8Spatial distribution map of net carbon sequestration per unit area, 1997-2007 and 2007-2017

5.6 碳固定净现值评估

碳固定净现值空间分布如图9所示。碳固定净现值最高区域主要分布在河套街道和九龙街道交界处的芦苇湿地,和河套街道、九龙街道和上马街道南部养殖池所在的区域,原因是芦苇等湿地植物碳固定能力强,而养殖池虽单位面积碳固定能力不如湿地植物强,但因其面积广大,总碳固定能力还是很强的;1997—2017年单位面积碳固定净现值最大值73.70万元/hm²,20年间胶州湾区域总净碳固定价值为8522.13亿元。

图9

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图91997—2017年单位面积碳固定净现值空间分布图

Figure 9Spatial distribution of net present value per unit area,1997-2017

6 结论

（1）1997—2017年胶州湾海岸带湿地类型发生了巨大变化,有4000 hm²以上的湿地转变为其他用地,湿地面积下降。1997—2007年间,66.57%芦苇和41.46%的养殖池转化为没有固碳能力的其他用地;2007—2017年同上个十年相比,更大比例的高固碳类型（芦苇、大米草、碱蓬）向低固碳类型（养殖池、滩涂等）和其他用地转化,表明胶州湾湿地的碳正在不断流失。

（2）1997—2017年间,胶州湾海岸带总碳储存和单位面积碳储存最大值虽呈现上升趋势,但单位年份碳储存量和碳积累、净碳固定的单位面积hm²平均值和总值都呈下降趋势,表明胶州湾海岸带碳固定能力在逐渐衰弱。

（3）1997—2017年胶州湾海岸带的碳积累量总量为5.86亿t,碳排放量总量为474.77万t,净碳固定值总量为5.81亿t,表明胶州湾海岸带湿地既是碳汇也是碳源,但碳汇作用要远远大于碳源。1997—2007年间胶州湾土地利用活动剧烈,但对胶州湾海岸带蓝碳的整体扰动并不大,胶州湾海岸带的固碳量依然巨大。

（4）1997—2017年胶州湾区域总的净碳固定价值高达8522.13亿元,可见海洋湿地虽面积不大,蕴含的生态价值不容小觑,拥有巨大的碳汇潜能,因此保护海岸带蓝碳生态系统刻不容缓。

为防止人类活动对胶州湾海岸带蓝碳的破坏以及进一步提高碳固定能力,应优化胶州湾海岸带土地利用结构。对易受干扰的芦苇区域建立保护区;已经遭到破坏的海岸地湿地尽快进行生态修复,在海岸带敏感区应引进种植湿地植物;而作为人工湿地的养殖池虽占用和破坏了不少自然湿地,但其面积广大且可以提供一定的供给服务,固碳能力也很强,应根据实际情况合理发展碳汇渔业,因地适宜地采取措施,从而提高胶州湾湿地的固碳潜力,促进中国蓝碳计划进一步实施。

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滨海盐沼湿地有着较高的碳沉积速率和固碳能力,在缓解全球变暖方面发挥着重要作用,而盐渍土壤是滨海盐沼湿地碳收支研究中最大的有机碳库,研究其碳沉积与埋藏对于理解滨海湿地碳收支有着重要的意义.本文从滨海盐沼湿地土壤有机碳的来源、土壤有机碳库与沉积速率、盐沼湿地有机碳的埋藏机制、全球变化与滨海盐沼湿地碳封存等几方面对滨海盐沼湿地有机碳沉积与埋藏的相关研究进行综述.今后研究应侧重:1)加强对控制滨海盐沼湿地碳储存变异的基本因素的进一步研究；2)对测量滨海盐沼湿地沉积物碳储量和沉积碳埋藏速率的方法进行标准化；3)对潮汐影响下滨海盐沼湿地碳与邻近生态系统之间的横向交换通量进行量化；4)探明全球变暖的影响和生产力的提高是否可以抵消因呼吸增强而造成的有机碳降解速率的升高.确定固碳速率变化驱动因子,理解气候变化和人类活动对碳埋藏的影响机制,有助于提升我国滨海盐沼湿地的固碳能力.

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<div >在胶州湾选取芦苇、碱蓬、光滩及大米草4种典型滨海湿地类型，分季节和层次采集土壤样品，测定土壤有机碳含量，分析滨海湿地土壤有机碳的时空分布及储量.结果表明：垂直方向上，除光滩湿地沿剖面呈先减小后稍有上升的趋势外，其他湿地均随土壤深度的增加而减小；水平方向上，湿地土壤有机碳含量表现为大米草湿地>光滩湿地>碱蓬湿地>芦苇湿地；季节上，湿地土壤有机碳含量表现为春季>夏季>秋季>冬季.土壤有机碳含量与土壤含盐量、含水率、TN及C/N呈正相关，与土壤容重、pH值呈负相关.不同类型湿地土壤剖面有机碳密度表现为光滩湿地>芦苇湿地>碱蓬湿地，湿地类型对土壤有机碳含量和有机碳密度分布的影响存在一定差异.因储碳层厚度及储碳层内有机碳密度的差异，光滩湿地单位面积有机碳储量明显高于碱蓬和芦苇湿地，具有较大的储碳潜能，对研究区滨海湿地起到一定的碳汇作用.</div><div > </div>

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张影, 谢余初, 齐姗姗 , 等. 基于InVEST 模型的甘肃白龙江流域生态系统碳储量及空间格局特征
[J]. 资源科学, 2016,38(8):1585-1593.

DOI:10.18402/resci.2016.08.16 Magsci [本文引用: 1]

区域碳储量的空间分布特征研究可为区域生态系统碳库管理和减排增汇政策制定提供重要科学依据。基于InVEST模型和GIS技术,估算及分析了2010年甘肃白龙江流域碳储量及其空间格局,并探讨了海拔、坡度和坡向对碳储量空间分布的影响。结果表明:甘肃白龙江流域碳总储量为251.57TgC,平均碳密度为136.46MgC/hm2;其中,土壤碳储量为202.20TgC,植被碳储量为49.37TgC。碳储量空间分布呈现一定的规律性,碳储量高值区主要集中在流域西北部山区（如迭部县）和白水江南岸（如白水江国家级自然保护区）,云杉、冷杉类常绿针叶林的碳总储量最大;低值区多分布在流域东部和东南部（如武都区）、宕昌县东北部等区域。碳储量随海拔高度和坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,其高值区主要分布在1500~3500m和25°~40°区段;阴坡和半阴坡区域的碳储量大于阳坡和半阳坡。研究结果可为流域生态系统碳库管理及人类活动管控提供参考。

[ Zhang

, Xie Y

, Qi S

, et al. Carbon storage and spatial distribution characteristics in the Bailongjiang Watershed in Gansu based on InVEST model
[J]. Resources Science, 2016, 38(8):1585-1593].

DOI:10.18402/resci.2016.08.16 Magsci [本文引用: 1]

山东省科学技术委员会. 山东省海岸带和海涂资源综合调查报告集: 综合调查报告[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1990.

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徐敬俊, 覃恬恬, 韩立民 . 海洋“碳汇渔业”研究述评
[J]. 资源科学, 2018,40(1):161-172.

DOI:10.18402/resci.2018.01.15 Magsci [本文引用: 1]

中国海洋渔业正处于产业化快速发展与环境承载力不堪重负的拐点阶段,发展低碳化海洋渔业是中国渔业可持续发展必然选择,优化和创新碳汇渔业产业运行机制面临着迫切的实践需要,发展碳汇渔业,对于从根本上推进中国海洋渔业供给侧结构性改革意义重大。通过对“碳汇渔业”内涵、固碳机理、碳汇能力以及产业发展路径研究四个方面的文献回顾与简要评述,认为碳汇渔业的研究还处于初期阶段,产业发展基础薄弱,亟需科学的政策调适与制度安排才能予以保障,宏观激励政策的制定有助于推动碳汇渔业的发展,如何选择合理的海洋水产养殖业产业组织模式将是今后研究的重点。

[ Xu J

, Qin T

, Han L

. A review of research on marine carbon sink fisheries
[J]. Resources Science, 2018,40(1):161-172.]

DOI:10.18402/resci.2018.01.15 Magsci [本文引用: 1]

张继红, 方建光, 唐启升 . 中国浅海贝藻养殖对海洋碳循环的贡献
[J]. 地球科学进展, 2005,20(3):359-365.

Magsci [本文引用: 1]

中国是浅海贝藻养殖的第一大国，年产量超过1 000万t。根据贝藻养殖产量、贝藻体内碳元素的含量及其贝类能量收支，推算出2002年中国海水养殖的贝类和藻类使浅海生态系统的碳可达300多万t，并通过收获从海中移出至少120万t的碳。该结果不仅为探讨全球“遗漏的碳汇”问题提供了一个新的线索，同时也证明了浅海的贝类和藻类养殖活动直接或间接地使用了大量的海洋碳，提高了浅海生态系统吸收大气CO2的能力。另外,贝藻的养殖活动与浅海生态系统的碳循环之间关系复杂，相互作用明显，因此，它的生物地球化学过程是一个值得深入研究的科学问题。

[ Zhang J

, Fang J

, Tang Q

. The contribution of shellfish and seaweed mariculture in china to the carbon cycle of coastal ecosystem
[J]. Advances in Earth Science, 2005,20(3):359-365. ]

Magsci [本文引用: 1]

李海晏, 陈涛, 张海燕 , 等. 中国贝类养殖对海洋碳循环的贡献评估
[J]. 海洋科学, 2014,38(5):39-45.

DOI:10.11759/hykx20120208001 Magsci [本文引用: 2]

造成全球暖化的主要原因是温室气体的过量排放, 其中CO2的贡献率达60 %, 贝类养殖具有碳沉积作用。依据农业部渔业局编制的《中国渔业统计年签》, 以2001 年到2010 年的年平均产量计算贝类捕获和养殖的碳沉积能力, 并评估其碳沉积潜力; 计算牡蛎、蛤、扇贝与贻贝4 种贝壳单位面积的碳沉积能力并与森林、珊瑚礁的碳沉积能力进行比较分析。分析表明中国近10 年贝类总产量稳定在1100 万t 以上, 并有增加的趋势, 其中海水养殖贝类约占87.34 %。贝类养殖和捕获总产量的碳沉积和海水养殖产量的碳沉积量分别为58.57、51.15 万t/a, 碳沉积能力分别相当于122.28、106.78 万ha 的造林, 可分别减少大气CO2增加量的0.0125 %、0.0109 %。牡蛎、蛤、扇贝与贻贝的单位面积碳沉积速率分别为1.573、0.388、0.301、1.039t 碳/(ha·a); 牡蛎和贻贝高于森林的碳沉积能力0.479t 碳/(ha·a);但低于珊瑚礁的碳沉积能力1.8t 碳/(ha·a)。中国贝类淡、海水养殖产量可分别创造约268.4 万元/a、12 711.2 万元/a 的碳权商机。

[ Li H

, Chen

, Zhang H

, et al. Evaluation of contribution of shellfish culture to ocean carbon cycle in China
[J]. Marine Sciences, 2014,38(5):39-45.]

DOI:10.11759/hykx20120208001 Magsci [本文引用: 2]

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为了研究胶州湾大型底栖动物的丰度、生物量和生产量, 于2002 年3 月、6 月、8 月和12 月, 在胶州湾北部软底区、大沽河口、黄岛养殖区及养殖区邻域选取4 个站位进行采样, 对大型底栖动物进行了定量研究。共采到大型底栖动物138 种, 总平均丰度、平均生物量(湿质量)和年生产量(有机碳)分别为1 719 个/m2, 27 g/m2, 2.2 g/(m2·a), 初步估算, 胶州湾大型底栖动物的总次级生产量为2.8 万t/a。与渤海和南黄海大型底栖动物的丰度和生物量比较, 丰度和生物量均低于这两个海域, 但是胶州湾大型底栖动物的总次级生产量高于渤海。本研究对于了解胶州湾大型底栖动物现状及湾内养殖对大型底栖动物的影响具有重要的意义。

[ Tian S

, Zhang W

, Yu Z

, et al. Abundance, biomass and secondary production of macro-benthos in the Jiaozhou Bay, China
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