一种用于评估碳吸收、固定和储存功能的红树林生态系统模型，该模型涵盖了从日常时间尺度到季节时间尺度的范围

《Ecological Modelling》：A mechanistic mangrove ecosystem model for evaluating carbon absorption, fixation, and storage functions across daily to seasonal timescales

碳吸收、固定与储存的潮汐动态耦合模型研究及红树林蓝碳效应评估。

　　### 潮汐与碳循环的复杂相互作用

红树林生态系统在碳循环中扮演着重要角色，作为重要的碳汇，它们能够吸收、固定和储存大量的碳。然而，由于潮汐变化、沉积物-水界面相互作用以及生物地球化学循环之间的复杂关系，对红树林碳动态的精确量化仍然面临挑战。现有模型往往缺乏足够的时间分辨率和机制精度，无法准确捕捉这些动态过程，特别是在潮间带环境中。为了解决这一问题，研究团队开发了一种新的红树林生态系统模型——EMAGIN-B.C_MG，该模型基于EMAGIN-B.C模型，该模型代表了底栖-浮游耦合生态系统，包括浮游植物、底栖藻类、浮游动物、底栖动物、有机质和营养物质等生物、化学和物理过程。

模型验证通过与溶解无机碳（DIC）、总碱度（TA）和溶解氧的时间序列观测数据，以及年度碳通量测量进行比较。模拟结果显示，春季和夏季的碳吸收和固定显著增加，这是由于光合作用活动的增强。然而，碳储存量在整个年度内保持相对稳定。潮汐退却期间的残留积水对DIC和TA浓度有显著影响，主要通过底栖矿物化和碳酸钙（CaCO?）溶解作用。对比分析表明，红树林的存在显著提升了碳吸收、固定和储存能力，分别提高了9倍、3倍和6倍。

这些发现表明，高时间分辨率的生态系统模型能够有效地再现红树林生态系统的关键物质循环功能，并有助于更准确地评估潮汐湿地中的蓝碳动态。EMAGIN-B.C_MG模型提供了一个新的框架，用于评估红树林在气候变化背景下的碳缓解潜力。

### 红树林的碳吸收、固定与储存机制

红树林生态系统对气候变化的缓解能力主要依赖于其独特的碳吸收、固定和储存机制。这些机制涉及复杂的生物地球化学过程和物理因素，包括潮汐动力学和红树林生理过程。在模型中，碳吸收被定义为大气CO?的吸收，包括气水界面的气体交换（Flux A）和红树林植被的光合作用（Flux B）。碳固定则指将DIC转化为生物量和碳酸钙（CaCO?）的过程，包括浮游植物和底栖藻类的光合作用（Flux C）以及底栖生物的钙化作用（Flux D）。而碳储存则指有机质和碳酸钙在沉积物中的埋藏（Flux J和Flux K）。

这些功能的动态变化受到多种环境因素的影响，包括光照强度、水温、营养物质浓度以及潮汐变化。例如，光照强度和水温的变化会影响红树林的光合作用效率，而营养物质的可用性则影响其生长和生产力。此外，潮汐的变化不仅影响水位和水流速度，还对底栖生物的活动和气体交换产生重要影响。通过将这些因素整合到模型中，研究团队能够更准确地模拟红树林生态系统的碳动态。

### 模型的构建与关键特征

EMAGIN-B.C_MG模型的构建基于对红树林生态系统中生物地球化学和物理过程的深入理解。该模型不仅包括传统的浮游生态系统，还特别考虑了红树林的生理过程和潮汐动力学。模型变量分为浮游系统和底栖系统，分别列于表1a和表1b中。浮游系统变量包括浮游植物、浮游动物、可快速降解的有机质、可缓慢降解的有机质、难降解的有机质、可快速降解的溶解有机质（DOM）和可缓慢降解的DOM。底栖系统变量包括悬浮取食者、沉积取食者、可快速降解的底栖有机质、可缓慢降解的底栖有机质、难降解的底栖有机质、可快速降解的DOM、可缓慢降解的DOM、铵（NH??）、硝酸盐（NO??）、磷酸盐（PO?3?）、氧需求单位（ODU）、溶解氧（O?）、溶解无机碳（DIC）、碳酸钙（CaCO?）和总碱度（TA）。

模型的关键特征包括：1）碳酸盐化学与生物地球化学过程的整合；2）好氧、亚好氧和厌氧的再矿化过程；3）有机质根据可降解性进行划分；4）光合作用依赖于光照、温度和营养物质；5）浮游和底栖食物网的耦合；6）浮游-底栖耦合和沉积物的地球化学过程；7）潮汐暴露和淹没的周期性变化；8）红树林特有的代谢过程，包括光合作用、呼吸作用、分泌和死亡。

这些特征使得模型能够更全面地模拟红树林生态系统的碳动态，并为评估其在气候变化背景下的碳缓解潜力提供了新的视角。

### 模型的校准与验证策略

模型的校准和验证过程并非独立进行，而是整合在一个统一的策略中。由于模型涵盖了紧密耦合的物理、化学和生物过程，单独调整参数进行校准并随后仅用部分数据进行验证被认为是不合适的。因此，研究团队采用了一种多约束验证方法，将模型输出与多种观测数据和文献中的参考值进行比较。这种方法确保了参数值在合理范围内，同时通过所有生物地球化学状态变量和通量的一致性评估了模型的整体性能。

验证工作分为两个互补的尺度：1）日变化尺度的比较，通过与现场观测数据进行对比，评估模型对短期过程的再现能力；2）年度平均值的比较，通过与文献中的值进行对比，评估模型对长期系统一致性的能力。这种策略使模型能够在整合框架下被评估，从而提供更可靠的可靠性分析。

### 模型的应用与结果

模型被应用于日本冲绳县伊江岛的宇顿沿海地区，该地区是典型的潮间带生态系统，包含河口红树林森林（主要由Rhizophora stylosa和Bruguiera gymnorhiza组成）和相邻的泥滩区域。潮汐冲刷和淡水输入对该区域的生态系统产生显著影响，形成了强烈的DO、DIC和TA浓度梯度，使其成为模拟底栖-浮游碳动态的理想地点。

在模型的几何结构中，模拟域被表示为一个一维水平网格（100米间隔）和一个一维垂直剖面。浮游系统被表示为一个自由表面层，而底栖系统则从水-沉积物界面延伸至1米以下的沉积物深度，分为52个垂直层。水深数据来源于Yamano等人（2019）的现场测量。

模型由年度周期的边界条件驱动，包括气象强迫、海洋交换和河流输入。这些条件基于2008年4月1日至2017年3月31日之间的观测数据，反映了气候季节性变化。气象条件（如太阳辐射和气温）来源于日本气象厅。海洋边界条件中的生态和化学变量（如浮游生物、有机质、溶解有机质、硝酸盐、铵、磷酸盐、ODU、溶解氧和DIC）则来源于宇顿区域的现场观测数据（未发表）和GFDL-ESM2M模型数据（Dunne等人，2013）。河流输入则基于流域面积和降水数据估算（Kimura，1962）。

模型的时间步长设为0.1小时，使得模拟能够捕捉日变化和季节性变化。模拟直到系统达到“年度稳态循环”，即在一年后返回到相同的状态。这一稳态结果被用来代表宇顿地区的典型生态系统动态，并作为模型验证和敏感性分析的基准。

### 模型验证与结果分析

模型验证通过与现场观测数据和文献中的参考值进行比较，评估其在不同时间尺度上的表现。在日变化尺度上，研究团队选择了潮汐和日周期时间相近的时期（模型输出为8月2-3日，观测数据为8月4-5日）进行比较。观测数据来源于Akhand等人（2021）。值得注意的是，观测到的DIC和TA值并未直接测量，而是通过pH和pCO?估算得出。

图4展示了模型输出与观测值在日变化尺度上的比较。红色圆点表示两天平均的观测数据，误差条表示观测值的范围。表2总结了模型性能的统计验证结果，包括相关系数（R）和均方根百分比误差（RMSPE）。这些结果表明，模型在再现DIC、TA和DO的日变化趋势方面表现良好。

在年度平均值的验证中，由于宇顿地区缺乏详细的季节性观测数据，研究团队采用了文献中的值进行比较。年度平均值的比较涵盖了关键变量和通量，如红树林生物量、沉积物有机质、碳酸钙、净初级生产力（NPP）、碳埋藏和气-海CO?交换。所有模型值均落在观测范围内，表明模型在模拟典型生态系统条件方面具有较高的准确性。

### 红树林对气候变化缓解功能的影响

为了评估红树林对气候变化缓解功能的影响，研究团队进行了一项敏感性分析，将红树林生物量设为零，并将结果与红树林存在的情况进行比较。红树林存在的情况称为Case 1，而红树林缺失的情况称为Case 2（红树林消失后500年），代表了生态系统在红树林消失后的状态。在Case 2中，模拟结果反映了红树林消失后一年的变化。

在碳吸收功能方面，Case 1的年碳吸收量为600.9 gC/m2/year，而Case 2仅为65.3 gC/m2/year。两者的差异为535.5 gC/m2/year，表明红树林对碳吸收的贡献占生态系统总碳吸收的89.1%。这一显著差异主要归因于红树林NPP对碳吸收功能的重要贡献。然而，气-海CO?交换表现出不同的行为：Case 1向大气释放33.8 gC/m2/year，而Case 2从大气吸收65.3 gC/m2/year。这表明，红树林的存在对碳吸收功能具有显著影响。

在碳固定功能方面，Case 1的年碳固定量为182.8 gC/m2/year，而Case 2为–98.1 gC/m2/year，表明Case 2中存在净碳释放。两者的差异为280.9 gC/m2/year，主要归因于红树林的高光合作用活性。此外，红树林衍生的有机质增加了矿物化，导致DIC的产生。尽管这一DIC释放代表了固定碳的损失，但红树林光合作用的碳吸收量远大于这一损失，从而实现了净碳固定。因此，红树林的存在极大地增强了生态系统的碳固定功能。

在碳储存功能方面，Case 1的碳储存量为241.5 gC/m2/year，而Case 2仅为36.7 gC/m2/year。两者的差异为204.8 gC/m2/year，表明红树林对碳储存的贡献占生态系统总碳储存的84.8%。图9b(2)展示了永久埋藏层中储存的难降解有机质的来源，表明大多数有机质来源于红树林。相比之下，Case 2中的有机碳储存显著减少，这是由于红树林衍生输入的缺失。

此外，CaCO?的储存量在Case 2中高于Case 1。这一差异可以归因于pH的不同。如前所述，CaCO?的溶解在酸性条件下被促进而在碱性条件下被抑制。由于Case 2的pH较高，CaCO?的溶解被减少，导致碳酸钙在沉积物中的保留量增加。

### 模型的适用性与扩展潜力

尽管本研究仅应用于一个红树林地点，但模型的框架基于基本的生物地球化学过程，如微生物代谢、浮游-底栖耦合、食物网相互作用和红树林特有生理过程，因此具有在其他红树林系统中应用的潜力。通过适当调整生物和物理参数，模型可能支持不同地区的碳吸收、固定和储存的比较评估。未来多地点验证和扩展监测将是测试模型框架稳健性和探索其更广泛适用性的关键。

### 结论

本研究提出了一种新的基于过程的生态系统模型EMAGIN-B.C_MG，旨在模拟红树林生态系统在日到季节时间尺度上的碳吸收、固定和储存。通过整合红树林特有生理功能和潮汐水动力学，该模型提供了一个综合框架，用于量化潮间带环境中的底栖-浮游碳循环。

本研究的关键优势在于其通过机制性的生物、化学和物理过程再现日变化和季节变化的能力。模型捕捉了潮汐变化、底栖矿物化和光合作用活动对碳通量的影响，突显了红树林在蓝碳保留中的独特作用。然而，研究也存在一些局限性，包括季节性和空间性观测数据的可用性有限，以及某些参数基于文献范围而非特定地点测量，这可能引入不确定性。此外，模型未明确考虑更广泛的气候或人为驱动因素。

研究团队承认当前模型假设大气pCO?是静态的，未来研究应明确考察上升的CO?浓度和海平面上升（淹没压力）如何改变红树林的碳封存能力，例如通过高CO?浓度可能增强生产力，而长期淹没和生理压力可能导致碳储存效率下降。此外，尽管参数范围反映了红树林生态系统的报告变异性，未来研究应进行更系统的敏感性分析（如蒙特卡洛模拟）以提高参数选择的可靠性。同时，应研究特定地点因素，如红树林物种组成和沉积物特性，以评估它们对模型结果的普遍性和稳健性。

尽管存在这些限制，本研究通过高时间分辨率的模型构建，为红树林碳循环的详细机制性模拟提供了重要进展。它不仅有助于科学理解，还为红树林生态系统在蓝碳管理中的实际应用提供了工具。未来的研究应扩展现场监测和自主传感器监测，改进生物成分的空间表示（如底栖异质性），进行多个地点的验证，并在预计的气候变化情景下评估模型，包括海平面上升和土地利用变化。这些扩展将进一步增强红树林碳建模框架的稳健性和可转移性。总之，通过将生理过程与水动力学高时间分辨率地联系起来，本研究展示了捕捉红树林生态系统动态碳通量的新能力，从而推动了科学理解和实际应用在蓝碳管理中的发展。