马琼芳，燕红，李伟，赵欣胜，陈玲，张超凡，李杰玲*

1. 吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2. 中国林业科学研究院，北京 100091

湿地是自然界最富有生物多样性和生态功能最高的生态系统，固碳和释氧是湿地重要的生态服务功能，湿地常作为大气CO2的汇和CH4排放源，对于调节大气温室气体CO2和CH4的平衡具有重要的作用。据估算，湿地生态系统的碳密度是所有陆地生态系统中最高的（Post et al.，1982），这主要源于湿地具有较高的固碳释氧能力，沼泽湿地特别是泥炭地约98.5%（Gorham，1991）碳都储藏在土壤中，这使得沼泽土壤有机库的微小变化可能导致大气中二氧化碳浓度的显著改变（Lal，2004；Davidson et al.，2006）。据统计，1850—1995年间，大气中共积累了1420×108t碳，其中约有30%来源于土地利用变化。在全球范围内，由于东南亚泥炭地排水造成的CO2排放量相当于全球化石燃料燃烧释放的1.3%—3.1%（Hooijer et al.，2010）。当湿地排水后，土壤中CO2和N2O排放量大大增加（OECD，1996），因此，湿地生态系统固碳和释氧功能的评估对于认识湿地维持调节大气组分功能，科学保护和管理湿地有重要意义。

吉林省湿地在调节气候、涵养水源、蓄洪防旱、净化水质、保护生物多样性等方面有十分重要的环境功能和生态效益，在促进区域经济发展和维护生态平衡中发挥着重要的作用。然而，随着经济、社会的快速发展和气候变化的影响，天然湿地面积大幅缩减，西部湿地盐碱化程度加剧、东部湿地资源的减少，湿地调蓄洪水能力降低，使得生态安全和人民生活受到了影响。科学评价吉林省湿地生态系统服务的重要性和价值，理解全省湿地生态系统的变化机理，不仅有利于湿地生态系统保护和管理，而且有利于实现经济社会和环境的可持续发展。中国在森林的固碳释氧功能评估方面做过大量研究（周颖等，2017；周勇等，2018；冯源等，2020；冯晶红等，2020），但是对湿地生态系统的研究较少，现有的固碳释氧功能评估研究集中在某种植物（马霄等，2018；周云凯等，2017）或某种湿地类型（赵述华等，2019），未来还有待于进一步细化。学者们对吉林省湿地生态系统服务功能分析也做了一些研究，更多集中于一个或几个湿地生态系统，对象主要是吉林省西部湿地（臧正等，2013），崔保山等（2001）分析了向海、大不苏、莫莫格、查干湖、敬信湿地5个典型湿地区的功能、用途和属性价值。郝运等（2004）的研究表明向海湿地自然保护区的年总效益价值为47.84亿元。本文应用TM遥感影像结合地面调查数据，综合运用生态学、经济学方法，对吉林省湿地生态系统不同湿地类型和不同地区的固碳和释氧服务功能进行科学评估，为吉林湿地保护和管理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

吉林省地处中国东北地区腹地，是东北亚地理几何中心。地跨121°38′—131°19′E，40°50′—46°19′N之间。吉林省湿地资源较为丰富，据全省第二次湿地资源调查统计，除了水稻田，全省共有湿地面积99.76×104hm2，占全省土地总面积的5.5%。湿地类型分为4类16型，河流湿地面积22.35×104hm2，包括永久性河流、季节性河流、洪泛平原湿地3种类型，占总面积的13%；湖泊湿地面积11.20×104hm2，包括永久性淡水湖、永久性咸水湖、季节性咸水湖3类，占总面积的7%；沼泽湿地面积52.74×104hm2，包括草本沼泽、灌丛沼泽、森林沼泽、内陆盐沼、季节性咸水沼泽、沼泽化草甸 6型，占总面积的31%；人工湿地面积83.77×104hm2，包括库塘、输水河、水产养殖场、稻田4型，占总面积的49%，其中，水稻田面积70.31×104hm2，且年际间面积变化较大。

受地形地貌和气候差异的影响，吉林省湿地类型分布具有明显的区域性特征，东部山区主要湿地类型为河流，分属松花江、辽河、鸭绿江、图们江及绥芬河5个水系，主要分布在东部长白山区和中东部低山丘陵区，河网密度大，小流域密集，森林沼泽广泛分布，延边州和通化市分布着全省最大面积的泥炭沼泽。中部丘陵台地区农耕发达，库塘遍布，人工湿地比重较大。西部平原区地势低洼，湖泊和草本沼泽众多，分布有莫莫格国家级湿地自然保护区、向海国家级湿地自然保护区两个国际重要湿地。

1.2 数据源

本研究数据来源包括：（1）全省第二次湿地资源调查小班矢量数据；（2）吉林省湿地生态站长期积累的定位观测监测数据；（3）美国地质调查局（USGS）网站下载的LandsatTM8遥感影像，时间为2017年的8—9月；吉林省植被类型图和吉林省行政区划图等相关图鉴；（4）实测的吉林省湿地范围内植被生物量数据、甲烷排放量数据；（5）权威机构公布的社会公共数据：吉林省统计年鉴、环境状况公报等。

1.3 遥感生物量估算

生物量调查：于2017年8—9月在吉林省湿地范围内随机各调查了129个样地（387个样方）（图1），用GPS记录每个样地的经纬度，在每个样地（10 m×10 m）内进行生物量测量。采用收割法调查草本和灌木样方中3个1 m×1 m生物量样方，然后将生物样品于65 ℃恒温下烘至恒重后测量干重；在乔木样地测量树高、胸径，根据异速生长方程计算生物量。实测样地生物量为样方生物量平均值。

图1 研究区样地分布图Fig. 1 Spatial distribution of sampling sites in study area

NDVI估算：利用ENVI软件对Landsat-8遥感影像进行预处理，包括辐射定标和大气校正、正射纠正等，然后逐景计算归一化植被指数（NDVI），对于影像重叠区，选择NDVI最大值作为NDVI最终值。

生物量估算：根据吉林省湿地生态站数据及其他湿地分布区的实测数据，将NDVI值和TM遥感数据各波段（b1—6）作为自变量，与实测生物量数据进行多元回归分析，共调查了129个样本点，随机选取109个样本点作为模型的建模数据，剩余的20个样本点当作精度验证数据。经筛选得到关系模型如表1所示，其中，模型5显著性最低，相关系数最高，相对误差最小，最终选择模型5进行吉林省湿地地上生物量遥感信息估算。

表1 生物量回归模型及相关统计量Table 1 Biomass estimation model and related statistics

1.4 湿地固碳和释氧服务评估方法

除水稻田外所有的吉林省湿地类型都在本次评估范围内，包括河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、人工湿地，面积共99.76×104hm2。结合《湿地生态系统服务评估规范》（LY/T 2899—2017）（国家林业局，2017），本研究首先对吉林省湿地固碳量和释氧量进行估算，然后结合碳税法和工业制氧价格法评估吉林省湿地固碳和释氧价值。研究结合实测数据及遥感影像在Arcgis 10等软件中进行运算，将计算结果与湿地小班矢量数据进行空间连接，获得各小班的固碳量、释氧量、固碳释氧价值，最后用Excel统计得到各湿地类型和各行政区的评估值。

1.4.1 湿地固碳量和释氧量估算

固碳量主要体现二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）的净交换量，湿地植物通过光合作用固定大气CO2，作为大气CO2吸收汇；同时也作为CH4排放源。因此吉林省湿地碳收支平衡，需要计算两种温室气体的碳收支平衡。

式中：

mC——固碳量，kg；

ECH4——湿地 CH4的排放量，kg·hm−2；

FCO2——湿地每年净固定的碳，kg·hm−2；

S——湿地面积，hm−2。以增温趋势（GWP）将1 kg的CO2产生的温室效应等同于24.5 kg的CH4产生的温室效应。其中植物固定的CO2通过植被生物量计算（式2），植被生物量通过实测生物量遥感反演估算。

式中：

FCO2——湿地每年净固定的碳，kg·hm−2；

B——生物量（kg·hm−2）。

相关研究表明（Zhang et al.，2013），东北地区山区湿地生长季平均 CH4排放量为 11.6 mg·m−2·h−1,非生长季平均 CH4排放量为 0.42 mg·m−2·h−1，东北平原区湿地生长季平均 CH4排放量 12.3 mg·m−2·h−1， 非 生 长 季 均 CH4排 放 量 为 0.43 mg·m−2·h−1

在光合作用下植物每形成1 g干物质，需固定1.63 gCO2，释放1.2 g O2，因此湿地释氧量根据生物量数据推算，公式如下所示：

式中：

mO——释放氧气量，kg；

W——湿地的植物生物量，kg·hm−2；

S——湿地的面积，hm2。

1.4.2 湿地固碳释氧价值评估

固碳释氧价值计算，采用直接市场法、影子工程法，固碳价格采用国际通用的瑞典碳税率 150 dollar·t−1，按照中国外汇交易中心公布的人民币汇率换算为 2017年不变价，释氧价格采用工业制氧价格 1000 yuan·t−1。

2 结果与分析

2.1 吉林省各湿地类型固碳量和释氧量

经估算，吉林省湿地生态系统年固碳量为87.09×104t，单位面积年固碳量为 0.87 t·hm−2，年释氧量为 35.97×104t，单位面积年释氧量为 0.36 t·hm−2（表2）。在各湿地类型中，沼泽湿地年固碳量和年释氧量均最高，分别为 54.39×104t和20.15×104t；其次为河流湿地，年固碳量和年释氧量分别为17.62×104t和8.52×104t；人工湿地排第三，年固碳量和年释氧量分别为 8.33×104t和4.48×104t；湖泊湿地年固碳量和年释氧量最小，分别为 6.75×104t和 2.82×104t。

表2 吉林省各湿地类型年固碳量和年释氧量Table 2 Annual carbon sequestration and annual oxygen release of each wetland type in Jilin Province

从二级湿地类型年固碳量和释氧量来看（表3），季节性咸水沼泽年固碳量和年释氧量均最高，分别为24.67×104t和8.98×104t，其次为永久性河流，年固碳量和年释氧量分别 13.42×104t和6.48×104t，据调查，季节性咸水沼泽面积为24.76×104hm2，永久性河流面积为 16.78×104hm2，在吉林省二级湿地类型里属于面积较大的湿地类型。从整体上看，沼泽湿地和河流湿地单位面积年固碳释氧量均大于湖泊湿地和人工湿地，说明植被覆盖率较高的湿地类型，固碳释氧能力相对较高。本研究表明，森林沼泽的单位面积固碳量和释氧量都是最高值，分别为 1.18 t·hm−2和 1.64 t·hm−2，主要原因在于乔木树种年净生产力相对较高，比灌木和草本具有更高的固碳释氧能力。

2.2 吉林省各地区固碳量和释氧量

各地区固碳量评估结果如图2所示，各区县湿地年固碳量最高的3个地区是白城市、松原市及延边州，分别为 35.38×104、20.70×104、10.75×104t，占全省湿地年固碳量的76.73%；其次为吉林市、长春市及白山市，分别为 7.49×104、4.70×104、2.64×104t，占全省湿地年固碳量的17.03%；各区县湿地年固碳量价值最低的3个地区是辽源市、通化市及四平市，分别 0.75×104、2.28×104、2.40×104t，仅占全省湿地年固碳量的6.24%。

各区县湿地年释氧量排序和年固碳量排序一致（图3），最高的3个地区是白城市、松原市及延边州，分别为 13.60×104、7.96×104、4.99×104t，占全省湿地年释氧量的73.80%；其次为吉林市、长春市及白山市，分别为3.47×104、2.02×104、1.34×104t，占全省湿地年释氧量的18.98%；各区县湿地年释氧量价值最低的3个地区是辽源市、通化市及四平市，分别为 0.34×104、1.13×104及 1.14×104t，仅占全省湿地年释氧量的7.22%。

图3 吉林省各行政区湿地释氧量Fig. 3 Amount of oxygen released from wetlands in each administrative district of Jilin Province

各地区固碳释氧量的差异更多受湿地分布的影响，吉林省由东到西的地貌变化和气候差异使全省湿地类型分布形成区域性特征，西部松嫩平原区草本沼泽、湖泊众多，白城地区和松原地区湖泊湿地分别占全省湖泊总面积的39%和54%，这两个地区也是全省草本沼泽面积最大的区域。占比较低的辽源市、通化市及四平市，湿地面积也较少，对应着湿地释氧能力较低。

2.3 吉林省湿地固碳释氧价值

采用碳税法和工业制氧价格法估算价值量，结果显示，吉林省湿地年固碳释氧价值为105.5亿元，其中固碳价值为71.38亿元，释氧价值为34.12亿元。各湿地类型均具有不同程度的固碳释氧功能，价值量排序为：沼泽湿地 (58.94亿元，55.87%)＞河流湿地 (25.96亿元，24.61%)＞人工湿地 (11.24亿元，10.65%)＞湖泊湿地 (9.36亿元，8.87%)，同时，单位面积沼泽湿地、河流湿地的每公顷固碳释氧价值分别为1.13万元和1.15万元，主要因为上述地区土壤含水量较高，适合植物生长，影像上也显示出这些地区的NDVI值较大；单位面积湖泊湿地、人工湿地的每公顷固碳释氧价值较低，分别为0.83万元和1.0万元。

根据本文的计算方法，各区县湿地大气组分调节价值排序为白城市 (40.72亿元，38.60%)＞松原市(23.82亿元，22.58%)＞延边州 (14.10亿元，13.37%)＞吉林市 (10.03亿元，9.51%)＞长春市 (5.80亿元，5.50%)＞白山市 (3.73亿元，3.54%)＞通化市 (3.20亿元，3.03%)＞四平市 (3.15亿元，2.99%)＞辽源市(0.94亿元，0.89%)。

2.4 湿地固碳释氧功能变化

与第一次评估（2013年）相比（马琼芳等，2019），第二次评估吉林省湿地固碳释氧功能有较大幅度提升，固碳量增加了 57.5×104t，释氧量增加了23.75×104t，相应的价值量也从 35.85亿元增加到105.5亿元。

从统计结果来看（表4），和第一次评估相比各湿地类型年固碳量均呈增加趋势，以季节性咸水沼泽增加幅度最高，增加了17.46×104t；其次为内陆盐沼和永久性河流，增量分别为 8.41×104t和6.42×104t。年固碳量增加幅度较小的3种湿地类型分别是水产养殖场、输水河和季节性咸水湖，分别增加了 0.04×104、0.16×104、0.24×104t。从各湿地类型释氧量评估结果可以看出，和第一次评估相比，各湿地类型释氧量也都有所增加，增加幅度较大的湿地类型是季节性咸水沼泽、永久性河流和内陆盐沼，分别增加了 6.50×104、4.00×104、3.53×104t。年释氧量增加幅度较小的3种湿地类型是水产养殖场、输水河和季节性咸水湖，分别增加了0.02×104、0.03×104、0.10×104t。

表4 吉林省各湿地类型年固碳量和年释氧量变化Table 4 Change in annual carbon sequestration and annual oxygen release of each wetland type in Jilin Province

从各行政区湿地年固碳量和释氧量变化来看（表5），各地区的湿地固碳量和释氧量均有所增加。白城市的固碳量和释氧量增量最大，固碳量增加了23.36×104t，释氧量增加了8.98×104t；其次为松原市，固碳量增加了 13.66×104t，释氧量增加了5.25×104t。吉林省西部地区的增量最大与各湿地类型统计结果相吻合，吉林省西部地区分布着大面积的季节性咸水沼泽和内陆盐沼，其中白城地区季节性咸水沼泽面积占全省季节性咸水沼泽总面积的62.03%，松原地区季节性咸水沼泽面积占全省季节性咸水沼泽总面积的33.73%；内陆盐沼也主要分布在西部松嫩平原的永久性湖泊周边及内陆河积地段，在白城和松原地区的占比分别为 67.51%和32.49%（乔恒，2012），综上，季节性咸水沼泽和内陆盐沼固碳量和释氧量的显著提升是白城和松原地区湿地固碳释氧能力增加的重要组成部分。

表5 吉林省各行政区湿地年固碳量和年释氧量变化Table 5 Change in annual carbon sequestration and annual oxygen release of wetlands in each administrative district of Jilin Province

3 讨论和结论

3.1 讨论

吉林省各区县湿地年释氧量和年固碳量都表现为白城地区、松原地区及延边地区较高，辽源地区和通化地区较低，一方面与湿地面积有关，吉林省西部地区湿地面积相对较高，该区丰富的湿地资源是吉林省生态环境的重要特色，如向海、莫莫格、查干湖、月亮泡等湿地。另一方面，各区县湿地年释氧量和年固碳量与该区域主要湿地类型有关，本研究表明，不同的湿地类型具有不同的湿地固碳释氧价值大小，单位面积沼泽湿地、河流湿地的固碳释氧价值高于湖泊湿地和人工湿地。相关研究表明，沼泽湿地是陆地生态系统碳积累速率最快的生态系统之一，每年可为中国增加约20×104t的有机碳储量，其吸收碳的能力远超过森林（李孟颖，2010），吉林省西部地区分布的沼泽面积占全省沼泽总面积的78%，大小湖泊数量众多，是白鹤、丹顶鹤等珍稀濒危水鸟重要迁徙和停歇地，因此，保护好该区沼泽湿地的完整性对物种保护和改善大气组分有重要意义。此外，延边地区有1.85×104hm2泥炭沼泽，占全省泥炭沼泽总面积的80.41%；相关研究表明，泥炭地排水后，水位降低，加速了泥炭氧化，降低了泥炭厚度，影响大气二氧化碳浓度（孟祥久等，2014；周文昌等，2016）。然而，近40年来，东部山地河谷中约80%苔草沼泽被垦殖为旱田和水田，长白山区湿地排水造林现象尤为突出（王晶等，2006）。在气候变化下，泥炭沼泽特别是小面积的泥炭沼泽特别容易消失，因此保护好吉林省东部地区泥炭沼泽至关重要。

吉林省湿地固碳释氧功能的提升说明吉林省湿地资源状况在逐步提升，与 2013年相比，2017年吉林省湿地固碳释氧功能有较大幅度提升，固碳量增加了57.5×104t，释氧量增加了23.75×104t，评估结果表明湿地植被发挥着重要的碳汇功能，反映了吉林省湿地生态系统建设和资源保护工作取得显著成效，近几年吉林省自然湿地保护率由5年前的 35%增至 45%（中国绿色时报，2020），退化湿地修复工程成效显著，湿地固碳释氧功能提升。本研究表明，2013—2017年来，吉林省西部湿地固碳量和释氧量增加尤为突出，仅白城和松原地区固碳量增量占全省湿地固碳量增量的64.38%，释氧量增量占全省湿地释氧量增量的59.91%。两次评估结果对比发现季节性咸水沼泽和内陆盐沼的固碳释氧能力得到了大幅度提升，其中季节性咸水沼泽固碳量增加的比例占全省固碳量增加总量的30%，内陆盐沼固碳量的增加比例占总增加量的14.6%，而这两种湿地类型几乎都分布在吉林省西部地区。经吉林气候公报统计数据显示，2017年全省年平均降水量为571.9 mm，年平均气温6.1 ℃。2013年平均降水量763.3 mm，年平均气温5.1 ℃，虽然年平均气温增加了1 ℃，但增温大部分在冬季和春季，生长季温度变化不大，西部地区 2017年的降雨量也比 2013年少，因此气候因素对吉林省西部地区湿地植被生长量的增加贡献极少，西部地区湿地固碳释氧能力的显著提升可能更多依赖于吉林省对西部地区湿地保护与恢复力度的增大。2014年以来，在向海、莫莫格等湿地保护区和湿地公园开展了退耕还湿、生态效益补偿及湿地保护与恢复工程项目建设。2015年，向海湿地核心区生态移民工程启动实施，恢复核心区湿地4696 hm2，大大降低了保护区内人为活动对生态环境的干扰。此外，近几年来，吉林省西部地区实施了几项较大的水利工程，吉林西部河湖连通工程于2013年启动，把4条河流汛期多余的洪水引蓄到沼泽和自然湖泡中（边境等，2020），建立河湖互济的大水网，引嫩入白、引洮分洪入向、大安灌区等水利工程等都在一定程度上为西部干旱半干旱地区湖沼湿地生态用水得到保障，充足的水资源促进了西部地区湿地植被恢复，植物生物量的增加促使湿地固碳释氧能力得到大幅提升，湿地巨大的固碳释氧能力必然在一定程度上缓解气候变化。

3.2 结论

吉林省湿地生态系统单位面积年固碳量为0.87 t·hm−2，表现为较强的碳汇，经估算，吉林省湿地固碳价值为71.38亿元，占固碳释氧总价值的67.66%，在大气调节服务中占主导作用。2013—2017年来吉林省湿地固碳释氧能力有大幅度提升，西部地区湿地贡献率较大，其中季节性咸水沼泽和内陆盐沼固碳量和释氧量增加最为明显，湿地保护与恢复项目的建设和各大水利工程的实施可能是西部地区湿地固碳释氧能力增加的主要原因。

目前对湿地生态系统服务价值的估算依然处于探索阶段，生态系统服务与自然资本的价值核算问题是一个世界性的难题。由于当前评估方法不统一，导致研究结果可比性较差，无论是对生态系统服务的识别、定义、分类，还是对评价方法的完善与应用，都需要付出更多的努力。