探究不同红树林物种通过根系介导的温室气体排放在空间和时间上的变化

《Environmental Science & Technology》：Exploring Spatial and Temporal Variations in Stem-Mediated Greenhouse Gas Emissions from Different Species of Mangroves

　　红树林茎部温室气体排放特征及其对碳封存的影响研究表明，四种红树物种（A. marina、K. obovata、L. racemosa、R. stylosa）的茎部均释放CO?、CH?和N?O，其中A. marina的CH?和N?O通量显著高于其他物种，尤其在秋冬季达到峰值。温度通过影响微生物活性和气体扩散速率显著调控茎部GHG动态，PLS-SEM模型显示温度与CO?、CH?和N?O通量存在直接正相关。茎部CH?和N?O排放对土壤碳封存产生显著抵消作用，A. marina的抵消率高达889.28%，凸显茎部排放评估在碳预算中的重要性。

　　
该研究系统评估了台湾西部红树林四种优势物种树干温室气体排放特征及其生态影响。研究发现，红树林树干不仅是CO?的重要排放源，更是CH?和N?O的关键释放途径，尤其在阿库墨林（Avicennia marina）中表现尤为突出。

一、研究背景与意义
红树林作为重要的蓝碳汇，其土壤碳埋藏能力长期备受关注。但近年研究表明，植被器官（如树干、叶片）介导的气体交换可能显著影响生态系统碳平衡。甲烷和一氧化二氮的全球变暖潜能值分别高达27和333，红树林树干作为气体传导通道，可能通过物理扩散和生物代谢过程改变气体流向。本研究首次量化了台湾西部四种红树物种树干CH?和N?O排放的时空变异规律，揭示了温度、土壤氧化还原状态等环境因子对气体排放的调控机制。

二、核心发现
1. **物种差异显著**：
- 阿库墨林树干CH?排放量达61.56 μg/m2·h，是其他三种物种（2.07-5.77 μg/m2·h）的6-12倍，且贡献了总生态系统CH?排放量的4.19%-889.28%。
- 该物种树干N?O排放量（521.04 μg/m2·h）占整个生态系统N?O排放的100%，且其峰值浓度（4162.28 μg/m2·h）接近温带森林树干N?O排放极值。
- 值得注意的是，无气生根的Kandelia obovata树干在部分高度区间（85-140cm）表现出CH?负排放（-1.50 μg/m2·h），显示其树干存在独特的CH?氧化功能。

2. **时空变异特征**：
- **季节性**：CH?排放夏季达峰值（A-FY站114.09 μg/m2·h），冬季降至低谷（4.56 μg/m2·h）。N?O排放则呈现双峰特征，A-FY站夏季（762.83 μg/m2·h）和秋季（534.81 μg/m2·h）排放量最高。
- **垂直分布**：树干CH?排放存在明显梯度衰减，阿库墨林0-40cm高度区间贡献总排放量的54.7%，而同一物种140-200cm区间降至3.2%。Lumnitzera racemosa在90-120cm高度出现CH?排放峰值（0.7 μg/m2·h），显示不同物种的气体传导效率存在物种特异性差异。

3. **环境驱动机制**：
- 温度（TEMP）通过影响微生物活性及扩散速率，对CH?和N?O排放产生显著调控。例如，阿库墨林树干N?O排放与温度呈正相关（β=0.53，p<0.001），而R Stylosa则呈现负相关（β=-0.19，p<0.05）。
- 土壤氧化还原电位（ORP）与气体排放存在复杂关联：A-FY站负ORP环境（-83.13 mV）导致高CH?排放，而K-XF站正ORP（182.35 mV）抑制了CH?生成。
- 潮汐影响呈现物种特异性：阿库墨林在低潮期CH?排放量增加6.21倍，而L racemosa在高潮区因溶解氧上升抑制了CH?扩散。

三、生态学意义
1. **碳汇功能抵消**：
- 阿库墨林树干排放导致其碳汇能力被完全抵消（A-BM站-313.31%），土壤碳埋藏率（7.26 t CO?e/ha·yr）仅能覆盖树干N?O排放量的1/3。
- 相比之下，L racemosa在L-AGL站实现CH?负排放（-0.03 kg ha?1·yr?1），其土壤碳埋藏率（33.52 t CO?e/ha·yr）对冲了62%的树干N?O排放。

2. **全球碳平衡影响**：
- 研究估算全球红树林树干介导的CH?排放量中位数达5.94 Mg/yr，N?O排放量中位数8.66 Mg/yr，分别占生态系统总排放量的0.36%和0.08%。若考虑树冠等其他器官，实际贡献可能更高。
- 碳汇抵消效应存在显著物种差异：阿库墨林树干排放贡献率达83.6%-100%，而K obovata仅贡献2.3%-4.2%。

四、方法论创新
1. **多尺度测量系统**：
- 开发两种专用气体采集装置：针对气生根（阿库墨林）采用圆柱形透明罩，配合ORP和温度梯度监测；针对无气生根物种（L racemosa）使用改良半刚性罩，有效避免气孔结构干扰。
- 创新性引入潮汐周期修正因子，通过比较低潮/高潮时段排放差异（如K-XF站潮差127cm时CH?排放量提升6.21倍），建立潮汐-植被动态耦合模型。

2. **结构方程模型（SEM）突破**：
- 构建包含7个外生变量（如土壤有机质、ORP、温度等）和5个内生变量（CO?、CH?、N?O等）的SEM模型，解释力达51%-0.33（R2值）。
- 发现温度通过影响土壤微生物群落（ORP=-0.28β）间接调控N?O排放，而树干围度通过改变气孔密度（每平方米气孔数与排放量呈正相关r=0.76）影响气体扩散效率。

五、管理启示
1. **监测体系优化**：
- 建议将树干气孔密度（每平方米>50个）作为CH?排放预警指标，结合ORP动态监测实现排放源定位。
- 需开发穿透式红外光谱仪，解决现有CH?传感器在木质部穿透率<40%的测量盲区问题。

2. **碳汇管理策略**：
- 针对阿库墨林群落，需采取气生根区水位调控（维持ORP<0 mV）和土壤甲烷氧化菌接种（提升甲烷氧化率>30%）双管齐下措施。
- 建议将树干N?O排放纳入碳抵消交易核算体系，在阿库墨林种植区每公顷需补偿2.3-4.6 t CO?e/yr才能维持碳中性。

3. **全球模型改进**：
- 需整合遥感数据（如Sentinel-1雷达回波强度与气孔密度相关性）提升估算精度。
- 建议将树干N?O排放因子纳入红树林碳汇评估标准（当前IPCC方法仅考虑土壤和叶片部分）。

本研究为红树林生态系统管理提供了关键科学依据：在A-FY和A-BM核心栖息地，需优先实施树干气体收集技术，将CH?氧化效率提升至85%以上；而在L-AGH等低ORP区域，应着重加强土壤甲烷氧化功能保护。这些发现为《巴黎协定》温控目标下的蓝碳战略优化提供了重要数据支撑。