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紅樹林碳封存的秘密：30年生態研究揭示藍碳潛力

 

 

圖靈學院
科楠
2025-01-04

 

引言

    紅樹林是一種生長於熱帶和亞熱帶潮間帶的特殊濕地生態系統，以其強大的碳封存能力和生物多樣性價值而聞名。這些生態系統能夠長期儲存大量有機碳，並在應對氣候變化中發揮重要作用。本公司顧問研究團隊長期關注藍碳（Blue Carbon）專案，投入紅樹林研究和保護的相關專案。然而，紅樹林的面積正在因土地利用改變及海平面上升而逐漸縮減，這對碳封存的長期穩定性造成威脅。

 

本篇論文 “Thirty-year repeat measures of mangrove above- and below-ground biomass reveals unexpectedly high carbon sequestration”研究著眼於澳大利亞新南威爾士州的兩個紅樹林區域，通過比較1989年和2018年的地上與地下生物量數據，揭示紅樹林在長期碳封存中的關鍵作用。研究結果顯示，紅樹林的碳封存能力遠高於以往估算，並強調了其在應對氣候變化和支持碳市場中的潛力。

 

研究背景

 

    紅樹林能夠在水飽和的土壤中長期儲存碳，避免了有機物的氧化分解，進而抑制二氧化碳（CO2）釋放到大氣中。此外，紅樹林的鹽水環境也減少了甲烷（CH4）等其他溫室氣體的排放，使其成為一種高效的碳匯。然而，現有關於紅樹林碳封存的研究多集中於短期時間跨度，缺乏長期變化的量化數據。

 

過去的碳積累估算主要依賴放射性測年技術，如鉛-210（210Pb），但這種方法可能低估地下碳的貢獻。本研究則採用了重複測量的方法，直接比較紅樹林生態系統在30年間的變化，為藍碳研究提供了新的視角。

 

研究方法

 

    本研究選擇了位於澳大利亞新南威爾士州霍克斯伯裏河（Hawkesbury River）附近的兩個紅樹林地點，目的是重現1989年進行的生物量測量，並將其與2018年的數據進行比較，以量化30年間地上與地下碳的變化。這項研究利用多種方法和技術，涵蓋樣區設置、生物量測量、放射性測年以及碳含量分析，確保數據的準確性與科學性。

 

圖1：(a) Spencer 高（1 號地點）和低（2 號地點）紅樹採樣地點的位置（2018 年攝影），以及 (b) 1947 年的位置，顯示 1 號地點 (A) 的開放水域和 2 號地點 (B) 的鹽沼。【Lamont et al., 2020】

 

1. 樣區設置

兩個研究地點選取了典型的紅樹林生態環境：
a. Tall Gallery Forest  
   - 地點：靠近河道的高大紅樹林區域。
   - 植被：主要由 “Avicennia marina”（灰紅樹）構成，這種樹種具有高大的樹冠和深厚的根系。
   - 歷史：根據航空影像資料，該區域在1947年至1982年間開始被紅樹林植被覆蓋，形成了一片密集的森林。

b. Stunted Forest  
   - 地點：位於高程較高的潮間帶，過去主要為鹽沼生態系統。
   - 植被：由“A. marina”和 “Aegiceras corniculatum”（桐花樹）組成的混合紅樹林。
   - 歷史：此區域鹽沼在1947年航空影像中可見，隨後被紅樹林逐漸取代。

每個地點均設置了20 × 50公尺的樣區，並在樣區內進行分層採樣以測量地上與地下的生物量。

 

2. 放射性測年

放射性測年技術（210Pb）被用於估算土壤沉積層的年齡及碳積累速率：
- 方法：採集土壤核心樣本（深度0-100公分），將其分層處理（0.5公分、2公分、5公分間距），以測量鉛-210（210Pb）和碳-13（δ13C）的含量。
- 數據分析：利用210Pb的衰變特性，結合CIC模型（Constant Initial Concentration Model），推算土壤沉積年代及其對應的碳含量。
- 應用：確定1989年測量的土壤層位置（Tall Gallery Forest為距表層12公分，Stunted Forest為13公分），作為重複測量的基準。

放射性測年的結果提供了紅樹林生態系統30年間碳積累的基礎估算，但其方法學上的局限性需與其他測量技術互補。

 

3. 生物量測量

研究採用了多種測量方法以精確量化地上與地下的生物量：
- 地上生物量：在每個樣區內隨機選取樣方（Tall Gallery Forest樣方為16 m²，Stunted Forest樣方為25 m²），測量紅樹林樹種的高度、胸徑（DBH）、樹冠範圍等。
  - Tall Gallery Forest採用的樣方較大，以適應可能的密度變化。
  - 利用全ometric公式，根據測量數據計算出地上生物量及其碳含量，轉換係數取為0.48。
  
- 地下生物量：利用挖掘法（15 cm × 15 cm × 62 cm深）提取根系樣本。樣本分為表層（1989年表層至現表層）和深層（1989年表層以下），並進行乾燥、稱重和碳分析。
  - 地下碳含量的轉換係數取為0.35。
  - 此方法克服了傳統固定直徑取樣法（如土壤芯採樣法）可能排除大根系或偏移樣本的問題。

地下生物量的測量是本研究的一大亮點，揭示了紅樹林根系對碳封存的貢獻。

 

4. 碳含量與同位素分析

所有土壤與植物樣本進行了有機碳百分比（%C）及碳同位素（δ13C）分析，以區分碳的來源（本地來源或外來來源）：
- 分析儀器：使用連續流動同位素質譜儀（Delta V Plus）結合元素分析儀（Thermo Fisher Flash 2000 HT EA）。
- 標準校正：採用IAEA（國際原子能機構）的標準品，確保數據準確性。

此部分分析補充了放射性測年的結果，提供了碳積累的詳細來源資訊。

 

5. 數據處理與統計分析

為比較1989年與2018年的數據，研究應用了以下統計方法：
- 雙因數變異數分析（Two-way ANOVA）：用於檢驗時間與地點對地下生物量的影響。
- t檢驗：用於分析地上生物量在兩個時間點的差異。
- SPSS軟體：進行數據分析，檢驗統計結果的顯著性。

這些統計方法幫助量化了紅樹林生態系統在30年間的變化，並驗證了測量數據的可靠性。
透過上述多層次、多方法的研究設計，本研究不僅全面捕捉了紅樹林的生態變化，還為長期碳封存研究提供了可靠的數據基礎。

 

研究結果

1. 碳積累率

研究顯示，放射性測年的碳積累率在Tall Gallery Forest中為每年4.3 Mg C/公頃，而在Stunted Forest中為2.2 Mg C/公頃。然而，通過重複測量估算的碳積累率明顯更高，分別達到5.06 Mg C/公頃和6.63 Mg C/公頃，顯示放射性測年方法低估了碳封存速率。

 

放射性測年與重複測量的結果差異，源於放射性測年未能充分考量深層根系碳的貢獻。而紅樹林根系能深入土壤並累積大量碳，因此重複測量能提供更全面的數據。

 

2. 地上與地下生物量的變化

- 地上生物量：Tall Gallery Forest的地上生物量增幅有限，原因可能與植被密度下降有關。然而，在Stunted Forest，地上生物量增加了七倍，顯示紅樹林的擴張及增密過程對碳儲量的提升具有重要作用。

 

  
  圖2：1989-2018 年地表以下各分區之間碳儲量的變化。1989 年未測量大量碳。最小附加碳量是當代碳量與 1989 年碳存量之差，假設所有碳量都被保存下來（1989 年最大殘餘碳量）。保存（1989 年最大殘餘量）。2018 年的淺根和大體積碳是指 1989 年水平線以上的碳。所有數據單位為 Mg C ha-1【Lamont et al., 2020】

 

- 地下生物量：地下生物量的增加更為顯著。在Tall Gallery Forest中增加了六倍，而在Stunted Forest中更是增加了十二倍。這些數據顯示，紅樹林的根系對碳封存的貢獻不容忽視。

 

3. 地區性影響的推算

基於測量結果，研究推算在過去70年中，紅樹林的擴張為新南威爾士州額外封存了約1.8 Tg的碳。這一數據顯示，紅樹林在地區碳循環中具有重要作用。

 

討論

1. 測量方法的改進

傳統的放射性測年方法在估算碳封存時，可能因採樣裝置的限制低估了根系碳的貢獻。相比之下，重複測量提供了更準確的數據，特別是在長時間尺度上。

 

2. 紅樹林對鹽沼的取代效應

紅樹林向鹽沼的擴張是一種全球性現象。研究發現，這一過程不僅增加了碳儲量，還提升了濕地的高程，幫助其適應海平面上升。此外，混合樹種的紅樹林在地上與地下的碳積累方面表現出更高的效率。

 

圖3：1989-2018 年地表以下各分區之間碳儲量的變化。1989 年未測量大量碳。最小額外碳量推斷為當代碳量與 1989 年碳存量之差，假設所有碳量均被保留（1989 年最大殘餘量）。2018 年的淺根和大體積碳是指 1989 年水平線以上的碳。所有數據單位為 Mg C ha-1。【Lamont et al., 2020】

 

3. 對碳市場的意涵

隨著全球碳市場的發展，紅樹林的長期碳封存潛力將成為重要的經濟價值。對於新南威爾士州而言，開發基於紅樹林的碳匯項目，不僅有助於應對氣候變化，還能帶來經濟效益。

 

結論

    紅樹林的碳封存能力遠高於傳統估算，特別是在地下根系碳的貢獻上。本研究強調了重複測量在長期碳變化研究中的重要性，並呼籲政策制定者和資金投入者關注紅樹林的保護與復育。
隨著氣候變化的挑戰日益加劇，紅樹林作為自然碳匯的重要性將更加凸顯。我們需要採取行動，保護這一珍貴的生態系統，為實現碳中和目標做出貢獻。

 

 

Reference:
Lamont, K., Saintilan, N., Kelleway, J. J., Mazumder, D., & Zawadzki, A. (2020). Thirty-year repeat measures of mangrove above- and below-ground biomass reveals unexpectedly high carbon sequestration. Ecosystems, 23(2), 370–382.