台风过程对广西红树林净生态系统碳交换的影响研究

孙 明，谢 敏，莫伟华，陈燕丽，潘良浩

（1.广西科学院广西红树林研究中心，广西红树林保护与利用重点实验室，广西 北海 536000；2.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022；3.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；）

引言

气候变化背景下，极端事件增多，特别是加剧了沿海地区台风、暴雨、风暴潮等灾害［1］，对人类生命财产、自然生态系统均产生较为严重的影响。生长于海岸潮间带的红树林生态系统具有减弱海岸带侵蚀和台风影响等生态功能，是海洋向陆地的最后一道“生态屏障”［2］，既能抵抗风浪、保护海岸，起到防灾减灾的作用，还是潜在的重要碳汇，在减缓气候变化中有重要作用［3-7］。红树林生态系统碳汇功能的演变是全球气候变暖特征下的研究热点，在未来气候变暖的前提下，台风的强度和活动频率也会加强，更需要对台风干扰下红树林净生态系统碳交换的变化特征进行深入研究。

目前，涡度相关技术是全球公认的碳循环标准观测方法，其可对生态系统与大气间物质湍流通量进行实时、非破坏性测量，实现较大空间尺度上大气—植被—土壤间的交换过程中碳、水等通量的长期测定，具有直接、准连续、无干扰等优点。国内有关通量的研究主要集中在森林［8-12］、草地［13-17］、农田［18-20］等陆地生态系统，由于观测环境恶劣及影响因素复杂等原因，国内外有关红树林湿地碳通量研究较少，而关于台风过程对红树林碳通量影响的研究更少。本文以广西红树林为研究对象，利用北海生态气象观测试验站的通量和气象观测数据，研究台风“韦帕”登陆前后红树林净生态系统碳交换变化特征及其对关键气象因子的响应特征，据此评估极端天气影响下红树林碳汇功能的变化特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北海红树林生态观测试验站于2018 年11 月8日建成，位于广西壮族自治区北海市国家海洋科技园区内的竹林小海湾（21°27′5.57″N，109°18′4.39″E），是我国东南沿海“虾塘—海堤—红树林”天然次生红树林小海湾的典型代表。海堤内红树林总面积5.5hm2，土壤以砾质细沙土至粗沙土为主，土壤有机质含量较低。由于修建海堤、挖掘滩泥、毁林修塘等剧烈人为干扰活动，海湾内红树林斑块破碎、植株低矮，种类以白骨壤（Aricennia marina）群落，混生少量真红树植物秋茄（Kandelia obovata）、桐花树（Aegiceras corniculata）。红树林群落平均高度2.0m，最高达3.0m，平均基径8.8cm，最大基径13.8cm，平均冠幅为1.6m×1.6m，平均盖度为70%。

北海红树林生态气象观测试验站架设有通量观测和气象观测设备，能够对红树林区域的三维风速、温度、CO2和H2O 的脉动以及气象因子进行准确、快速、连续地观测。

1.2 影响广西台风概况

广西位于华南沿海，地形复杂造成了降水时空分布不均，灾害性台风天气频发，是我国台风多发地区之一。据统计，2013—2019 年，影响广西的台风（含热带低压）共计32 个，平均每年4.5 个，2013 年达到9 个，为近年来台风影响最频繁的年份，而2019 年仅有3 个台风过程，其中“韦帕”是对广西沿海造成损失最大的一次台风过程。台风“韦帕”概况：2019 年7 月30 日，南海中部海面有热带扰动云团发展，17 时加强为热带低压，随后于31 日08 时加强为2019 第7 号台风“韦帕”（热带风暴级），随后向西北移动，在发展为热带风暴17h 后，于8 月1 日凌晨1 点50 分前后在海南省文昌市沿海登陆，登陆后在文昌市停留了将近7h，于1 日10 时前后重新移到文昌市东北部近海海面上，之后热带风暴北上7h后西折，于17 时40 分前后在广东省湛江市坡头区沿海再次登陆，继续西行，于22 时前后移入北部湾北部海面，之后沿广西海岸线缓慢移动，于2 日21时20 分在广西防城港沿海再次登陆，并于3 日下午14 时在越南河西省境内减弱为热带低压，20 时中央气象台对其停止编号。

1.3 数据获取与处理

1.3.1 气象数据预处理

气象观测要素主要包括空气温度（以下简称Ta）、土壤表面5cm 温度（以下简称Ts）、降雨量、饱和水汽压差（Vapor pressure deficit，以下简称VPD）以及光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation，以下简称PAR），其中，VPD 由开路式红外气体分析仪（LI-7500DS）根据采集的空气相对湿度和气温计算而来，采集频率为30min；其他气象要素由气象观测系统采集，采集频率为10min；为了便于与通量数据进行相关性分析以及红树林气象特征分析，我们将气象数据处理为30min 时间尺度。气象数据分析和图表绘制主要在Excel 中进行，通量与气象因子之间的响应主要利用SPASS 22.0 软件进行拟合和相关性分析。

1.3.2 通量数据预处理及质量控制

选取2019 年7 月29 日—8 月6 日的通量原始观测数据（ghg 格式），采用Li-cor 公司研发的EddyPro 软件（版本7.0.6）和TOVI 软件（版本2.8.1）对通量数据进行预处理及质量控制。

EddyPro 软件已成为欧洲综合碳观测系统ICOS、美洲通量网AmeriFlux 以及中国生态系统研究网络CERN 处理通量原始数据的标准软件，主要用来将涡度观测系统采集到的10Hz 原始观测数据处理为30min 间隔的通量数据，处理过程主要包括：野点去除、消除延时、坐标旋转、计算通量原始通量值、超声温度修正、频谱修正、WPL 修正、计算最终通量值以及Footprint 计算；数据处理采用默认的Express Mode 模式，输出结果包括各类通量信息和数据质量控制标识等［21］。

由于受到天气、人为和机器故障等因素影响［22］，Eddypro 数据处理完成后，需要对Eddypro 输出数据进行通量数据筛选及补插，TOVI 软件能够显著简化复杂的通量算法，实现通量贡献区FootPrint 成图，以及气象和通量缺失数据补插等，本文采用的主要处理过程包括：（1）数据完整度检查：本研究所用数据全年数据完整度接近100%，其中CO2通量完整度为98.92%；（2）数据质量控制（Data QA／QC）［23］：剔除因为机器故障和天气因素（降雨等）导致的异常数据，包含剔除软件设定合理阈值范围之外的数据、剔除质量控制标识为“2”（通量原始数据经过Eddypro Express 处理后，输出结果有一栏为数据质量评价，把数据质量分为0、1、2 三个等级，0 代表数据质量优异，1 代表数据质量良好，2 代表数据质量较差，需剔除）的数据［21］、依据MPT 方法计算不同季节摩擦风速临界值并对数据剔除，经过数据质量控制后，2019 年全年CO2通量数据质量较好占比65%，一般情况下数据缺失和拒绝率小于50%则具有代表性［24］；（3）通量贡献源区分析（Footprint Analysis）：通量观测的空间代表性指空间某一点的测量值能在多大程度上反映下垫面的平均或累积情况，而对观测点的通量产生影响的区域称为通量贡献的源区（source area），可以用足迹（footprint）函数来定量分析。通量源区分析是检查一个通量站数据质量的重要方面，以此确定CO2通量足迹的范围；经过质量控制后全年的CO2通量足迹范围均分布于红树林群落内，无需再进行非红树林区域数据剔除；（4）数据插补（Gap filling）：TOVI 软件采用MDS 法对缺失部分数据进行插补，得到30min 为间隔、连续的、质量可靠的CO2通量数据集。

由涡度观测系统直接观测计算出的CO2通量即为净生态系统碳交换量（Net Ecosystem Exchange，以下简称NEE），主要是指生态系统中植物光合作用、冠层空气中的碳储存和生物及非生物呼吸消耗的碳排放引起的生态系统碳蓄积的变化［20］，当NEE＜0 时，生态系统表现为碳汇；当NEE＞0 时，生态系统表现为碳源。

2 结果与分析

2.1 气象因子变化特征

台风“韦帕”登陆北部湾后对观测站区域红树林产生影响主要集中在8 月1 日—3 日，为了分析台风登陆前后气象因子的变化特征，本文选取7 月29日—8 月6 日的气象观测数据，分为台风登陆前（7月29 日—31 日）、台风登陆（8 月1 日—3 日）及台风登陆后（8 月4 日—6 日）三段进行定量的对比分析，选取的气象要素主要包括：最大风速、降雨量、相对湿度、光合有效辐射、气温、地表5cm 温度以及饱和水汽压差（图1 所示为各要素变化特征曲线图）。

强风和降雨是台风登陆期间最显著的特征：如图1a 所示，台风登陆期间平均最大风速为6.28m·s-1，其中，8 月2 日的日均最大风速达到8.07m·s-1，最大风速极值出现在8 月2 日12∶00，风速达到11.7m·s-1；与登陆前相比，最大风速增大了86.35%，台风登陆后，最大风速均值迅速降低为2.52m·s-1；根据图4b分析，8 月1 日晚间20∶00 开始雨量逐渐加强，至8月2 日00∶00，小时降雨量达到极值50.6mm，为台风期间最大降雨量；之后降水逐渐减弱，其中8 月2 日11∶00、20∶00 以及8 月3 日5∶00 为降水量次峰值点，小时雨量分别达到12.6mm、15.2mm 以及21.7mm；根据日累计雨量统计，8 月1 日—3 日的日降水量分别为48.6mm、190.4mm 及76.3mm，其中2 日的总降水量占整个台风期间降水量的58.67%，而台风登陆前后的总降水量分别为6.9mm 和6.4mm，差异显著；同时，对比图1a 和图1b，发现降雨量和最大风速出现的时间及变化趋势一致。

图1 台风登陆前后各气象因子变化特征曲线图

光合有效辐射是太阳辐射能中能被绿色植物用来进行光合作用的那部分能量，与太阳光照直接相关，一般在中午12 时达到最大值；台风登陆前，光合有效辐射的变化范围在0～2 088μmol·（m2·s）-1浮动，极值呈逐渐上升的趋势，台风登陆前达到最大值；台风登陆过程带来的强风和暴雨显著降低了光合有效辐射，光合有效辐射值在0～644μmol·（m2·s）-1浮动，其中2 日光合有效辐射极值最低，为127μmol·（m2·s）-1；从4 日起随着台风的消散，光合有效辐射值开始逐渐递增，但午间极值仍低于登陆前；台风登录后，平均温度和最高温度（包括气温和地表5cm 温度）均会有显著的下降，如图1d 所示，7 月29 日—31 日，Ta 和Ts 均值分别为29.7℃和30.6℃，Ts 略高于Ta，但Ts 的峰值温度变化较Ta 稳定，维持在33℃左右，Ta 则在31 日升高至34.1℃，台风登陆前，气温显著升高，而土壤温度则保持平稳；8 月1 日—3 日，Ta 和Ts 均值均降至27.2℃，台风登陆后期，气温迅速升高，而Ts 的均值和极值均显著大于Ta，这可能由于台风的登陆破坏了红树林群落结构，冠层的枝干和树叶大量掉落，太阳辐射较台风登陆前能够更多地到达地面，从而使得Ts 快速升温。

VPD 的变化趋势与光合有效辐射相似，如图1（e）所示，台风登陆前的31 日，VPD 峰值达到最大，达到2341.88Pa，台风登陆则显著降低了VPD 的均值和极值（353.8Pa 和711.82Pa），登陆后期VPD 迅速回升，但峰值仍远低于登陆前。

2.2 NEE 的变化特征

图2 为7 月29 日00∶00-8 月6 日23∶00 的红树林NEE 的动态变化曲线，从图中可以看出NEE 日动态变化总体呈“U”形分布，日间NEE 小于0，红树林表现为碳汇，碳汇峰值一般出现在日间11∶00—14∶00；夜间NEE 大于0，红树林表现为碳源；夜间NEE 的碳源峰值在研究期间波动幅度较小，而碳汇峰值则出现较大的波动，台风登陆前，碳汇峰值均值维持在-9.78μmol·（m2·s）-1左右，登陆期间，NEE 碳汇峰值迅速降低，8 月2 日达到最低值-2.57μmol·（m2·s）-1，随后8 月3—6 日随着台风影响的逐渐消散又开始逐渐增大，台风登陆后期NEE 碳汇均值维持在-7.57μmol·（m2·s）-1，和登陆前期相比下降22.60%，红树林的碳汇能力受台风过程影响而出现较大幅度的下降。图3 为红树林NEE 的日累积变化特征图，从图中可以看出，台风登陆前，NEE 的日累积值逐渐增大，到7.31 日达到-1.576gC·（m2·d）-1；台风登陆期间，8 月1 日—2 日，NEE 的日累积由负转正，表明红树林生态系统在此期间由碳汇转变为碳源，向大气中释放CO2，其中8 月2 日达到最大1.076gC·（m2·d）-1，随后8 月3 日，NEE 日累积值转为负值，在台风登陆后期，NEE 的日累积又往负值方向迅速增大，表明红树林的碳汇能力逐渐恢复。

图2 台风登陆前后NEE 变化特征曲线图

2.3 台风登陆过程中NEE 对气象因子的响应

为了分析台风期间各气象因子与NEE 的响应关系，本文利用NEE 与PAR、降雨量、VPD、最大风速以及温度（Ta 和Ts）进行相关分析，由于红树林生态系统在白天主要进行光合作用，夜间进行呼吸作用，这是两个不同的生态过程，受控的环境因子也不尽相同，因此本文利用NEE 与PAR、VPD、Ta 及Ts四个因子按照昼夜分别进行小时尺度的拟合分析；由于NEE 与降雨量及最大风速在半小时尺度上不存在明显的相关性，本文对降雨量和最大风速进行日尺度的拟合分析。

图3 NEE 日累积值变化特征图

PAR 是红树林生态系统日间NEE 的重要影响因子，因此仅利用日间NEE 与PAR 进行拟合，由图4可以看出NEE 与PAR 呈现出较好的对数函数关系，台风登陆期间，日间PAR 大幅降低，因此导致NEE 的碳汇峰值也随之减小。

小时尺度日间：VPD 与NEE 的相关系数最大，NEE 随着VPD 的增大而往负值方向变化，即红树林碳汇能力逐渐增强，表明VPD 对NEE 具有一定的促进作用；VPD 越高，NEE 碳汇峰值也往负值方向移动，碳汇能力增强；台风登陆期间，VPD 由31 日的2 341.88Pa 迅速降低到1 日的165.4Pa，陡然降低的VPD 导致NEE 迅速往正值方向变化，及VPD的降低显著降低了红树林碳汇能力；日间Ta 对NEE 的直接作用稍强于Ts，台风登陆期间，温度增加会增强会使NEE 往负值移动从而碳汇能力得到增强，台风期间的降温也在一定程度上对NEE 起抑制作用。

小时尺度夜间（图5）：NEE 与各因子的相关性均大幅下降，表明红树林夜间的呼吸作用受气象因子的影响较小。

日尺度上（图6）：日尺度上最大风速和降雨量对NEE 的影响显著强于半小时尺度，R2均达到0.6以上，最大风速与NEE 日累积量的相关性略强于降雨量，R2达到0.64，并且二者对NEE 日累积的影响均为负向，即最大风速越强，降雨量越大，NEE 的日累积量会往正值方向变化，即红树林的日碳汇由负值转变为正值，红树林生态系统由原来的吸收CO2转变为释放CO2，由此我们可以看出，台风登陆过程中的强风和强降水会对红树林NEE 的日累积起抑制作用，为NEE 日累积的限制因子。

图4 日间NEE 与各气象因子响应图

图5 夜间NEE 与各气象因子响应图

图6 NEE 与降雨量及最大风速响应图

3 结论与讨论

由于广西沿海台风频发，红树林经常遭受台风影响，本文主要以“韦帕”台风为例，分析了台风登陆过程中广西红树林NEE 的变化特征及其对主要气象因子的响应关系，研究结论主要有以下几点：

（1）台风登陆前后气象因子的变化特征：登陆前，Ta、Ts、PAR 及VPD 均呈逐日递增的趋势，在31日达到极大值；登陆时，Ta、Ts、PAR 及VPD 均大幅度下降，同时，降雨量和最大风速迅速增大；登陆后期，随着降雨和强风的消散，Ta、Ts、PAR 及VPD 四个因子开始逐渐升高，除Ts 外，其他三个气象因子台风后的极值均低于台风前，这可能由于台风登陆时强风对红树林冠层的强烈扰动，造成大量枝干损伤，植被覆盖度下降，从而导致台风后期太阳辐射能够更多地到达地表，造成土壤温度比于台风登陆前更高的现象。

（2）红树林NEE 的变化特征：红树林NEE 的日动态变化特征变化曲线与PAR 等气象因子变化特征趋势一致，29—31 日碳汇峰值呈逐渐递增并在31日达到碳汇峰值，随着台风的登陆碳汇峰值迅速降低，台风后期开始逐渐递增，但碳汇峰值与台风登陆前相比显著降低；在红树林NEE 的日累积量上，29—31 日，NEE 的日累积量逐日递增，而在8 月1—2 日，在强风和降雨的作用下，红树林NEE 日累积由负值转为正值，碳汇能力减弱，呼吸作用增强；这与Barr 等［25-26］研究结论一致，台风的干扰会使生态系统的生产力降低及呼吸作用增加。8 月3 日往后，随着台风的消散，NEE 日累积量开始开始由正转负并逐渐递增，红树林碳汇能力逐渐恢复，表明红树林抗台风扰动的能力较强。

（3）红树林NEE 与各气象因子的响应关系：小时尺度上，VPD 是红树林生态系统日间NEE 的主要影响因子，其次为PAR；在日尺度上，最大风速和降雨量对NEE 的影响显著，二者均为NEE 日累积的限制因子，能够显著降低NEE 的日累积量。