菲律宾锡亚高岛德尔卡门红树林大气-地表CO2交换的短期变异性：涡度协方差观测揭示的西南季风期净生态系统交换（NEE）暂时正值事件

《Biology》：Trade-Offs and Synergies Among Grassland Functions: A Case Study in the Three River Headwaters Region

　　

红树林是重要的蓝碳生态系统，但其大气-地表CO2交换可在短时间内随环境条件而变化。本研究利用菲律宾锡亚高岛德尔卡门红树林保护区的PhilFlux涡度协方差和微气象观测数据（2025年3月至2026年2月），考察了CO2交换过程。研究人员分析了总初级生产力（GPP）、生态系统呼吸（RE）和净生态系统交换（NEE）的昼夜、逐日及季风季节变化模式。塔基足迹在大部分观测期内表现为净CO2吸收。2025年8月是唯一一个聚合NEE为正值的月份（19 g C m?2 month?1；95%置信区间：?22 g C m?2 month?1至62 g C m?2 month?1）。8月期间，月GPP为158 g C m?2 month?1（95%置信区间：130–189 g C m?2 month?1），月RE为177 g C m?2 month?1（95%置信区间：135–226 g C m?2 month?1）。31天中有16天呈现正值NEE，主要集中在8月8日至24日。因此，研究人员将此解释为一个暂时性的NEE正值事件，而非全月性或持续性的CO2吸收逆转。该事件与西南季风期间的干燥条件相吻合。环境分析识别出若干与NEE、GPP和RE变化相关的变量，但这些关系被解释为统计关联而非因果效应。由于本研究仅覆盖一个年周期，需要更长期的观测来确定类似事件是否重复发生。持续的通量监测对于更好地理解红树林CO2交换的时间稳定性是必要的。

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一、研究背景与意义

红树林是热带地区碳储量最丰富的生态系统之一，兼具海岸保护、生物多样性维持、渔业支撑和气候调节等多重功能。其高生产力、水淹厌氧土壤、缓慢的分解速率和高效的沉积物埋藏机制，使其能够在长期内储存大量碳，因此被视作重要的蓝碳生态系统和气候减缓、海岸适应及生态修复的优先对象。

然而，巨大的碳储量并不意味着红树林始终稳定地发挥碳汇功能。碳储量评估描述的是长期储存状况，无法捕捉净生态系统交换（NEE）、总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（RE）的快速变化。这些通量可随辐射、温度、饱和水汽压差（VPD）、降雨、潮汐淹没、土壤水分条件及干扰事件在小时、季节和年际尺度上发生显著波动。在某些时段，呼吸作用可能超过光合吸收，使生态系统暂时从碳汇转变为碳源。

涡度协方差技术能够直接测量红树林冠层与大气之间的CO₂、水汽和能量交换，但红树林在全球通量观测网络中仍代表性不足。其盐碱环境、潮汐淹没和空间异质性使通量测量面临技术挑战，塔基足迹也会随风向、大气稳定度、湍流强度、测量高度和地表粗糙度而变化。在菲律宾，大多数红树林碳研究集中于生物量、植被结构、物种组成和沉积物碳储量，而NEE、GPP和RE的直接测量仍然稀缺。

德尔卡门红树林保护区位于菲律宾锡亚高岛北苏里高省，拥有该国最大的连片红树林之一，被认定为拉姆萨尔国际重要湿地。其气候受东北季风（Amihan）、西南季风（Habagat）、热带辐合带和热带气旋活动共同影响，为研究季风条件下红树林碳交换的季节变化提供了理想场所。本研究的核心问题是：热带红树林塔基足迹内的大气-地表CO₂交换能否在异常环境条件下暂时从净吸收转变为净释放。

二、研究设计与方法概述

研究人员利用PhilFlux涡度协方差系统（Campbell Scientific IRGASON，集成开路CO₂/H₂O气体分析仪和三维超声风速计）和微气象观测数据，在2025年3月至2026年2月期间对德尔卡门红树林的碳交换进行了连续监测。传感器安装于距地面约11 m处，高于周围3.5–5 m的红树林冠层。高频数据以10 Hz记录，经EddyPro v7.0.9处理后得到30分钟平均通量。缺失数据采用REddyProc v1.3.2进行插补，并通过夜间法将NEE分解为GPP和RE。通量足迹分析采用Kljun等方法，同时结合标准化降水指数（SPI-3）和标准化归一化植被指数（NDVI）异常进行干旱检测和植被状况评估。统计分析采用方差膨胀因子（VIF）筛选、逐步AIC变量选择和广义加性模型（GAM）建模。

三、研究结果

3.1 日尺度气候格局

研究期间气象条件变化显著。日均反照率为7.99%，高潮位平均119 cm，低潮位平均58 cm，总降雨量3570 mm。光合有效光子通量密度（PPFD）平均420.86 μmol m^?2 s^?1，相对湿度平均82.51%，净辐射平均140 W m^?2，土壤含水量平均18.31%，气温平均28.13 °C，土壤温度平均28.53 °C，VPD平均0.64 kPa，风速平均2.28 m s^?1，叶面积指数（LAI）平均3.09 m² m^?2。

3.2 碳交换的昼夜循环

红树林表现出清晰的碳交换昼夜模式。GPP在日出后上升，正午达到峰值，夜间趋近于零，平均为6.30 g C m^?2 h^?1。RE全天保持正值且相对稳定，平均为3.99 g C m^?2 h^?1。NEE平均为?1.91 g C m^?2 h^?1，白天为负值表示净CO₂吸收，夜间转为正值表示呼吸释放。该昼夜节律在大多数月份保持一致，但不同月份的吸收强度存在差异。

3.3 日与季节碳平衡及暂时性碳源转变

研究期间红树林在大多数时间内表现为净碳汇。日均GPP为6.23 g C m^?2 d^?1，日均NEE约为?1.94 g C m^?2 d^?1，日均RE为4.29 g C m^?2 d^?1。2025年8月是唯一一个聚合NEE为正值的月份，月NEE总和为19 g C m^?2 month^?1，日均NEE为0.60 g C m^?2 d^?1。31天中有16天NEE为正值，主要集中在8月8日至24日，表明该事件是持续性的暂时正值NEE事件而非全月性转变。9月NEE恢复为负值，表明碳吸收功能恢复。

3.4 通量足迹分析结果

年际和月际足迹图显示，主要源区集中在塔周围的红树林林分，但足迹范围和方向逐月变化。2025年8月的足迹仍大致以红树林区域为中心，与相邻月份相比未出现明显的源区转移，排除了足迹位置变化作为异常事件唯一解释的可能性。

3.5 季风季节响应

东北季风期间NEE保持负值，红树林为净碳汇。西南季风期间，NEE自6月起趋近于零，8月偏离最大。8月SPI-3为?0.74，表明轻度干旱条件，为2001–2025年记录中第七低的8月值。标准化NDVI为?2.33，表明植被绿度显著低于历史8月平均水平。这些卫星衍生的异常指标与暂时性正值NEE事件相吻合，但被解释为站点级环境指标而非足迹内的直接测量。

3.6 日碳通量的环境关联

全期分析中，NEE的保留预测变量包括降雨量、相对湿度、反照率、土壤温度、土壤含水量和高潮位（调整R²=0.38）；GPP保留变量为土壤温度、反照率、降雨量、风速、土壤含水量和LAI（调整R²=0.20）；RE保留变量为相对湿度、净辐射、土壤温度、LAI、降雨量和反照率（调整R²=0.19）。时间阻塞交叉验证显示预测性能有限。8月单独分析中，NEE与气温、风速和低潮位相关（调整R²=0.61），GPP与土壤温度、气温、相对湿度、土壤含水量和低潮位相关（调整R²=0.72），RE与风速、低潮位、相对湿度、土壤温度和LAI相关（调整R²=0.60）。结果表明正值NEE事件与多种大气、水文和冠层条件相关，而非单一环境变量所致。

四、讨论与结论

研究证实德尔卡门红树林塔基足迹在大部分观测期内为净碳汇，支持了假设H1。8月事件为假设H2提供了部分支持，表明西南季风期间异常环境条件下CO₂吸收可暂时减弱，但单年记录无法确定是否为一般性或因果性的季风效应。环境关联分析为假设H3提供了部分支持，但模型应被解释为统计关联而非因果关系。

研究结论指出，德尔卡门红树林塔基足迹在2025年3月至2026年2月的大部分时间内为净碳汇，但这一模式并非恒定。2025年8月，在西南季风季的轻度SPI-3干旱条件下，NEE转为正值，表明塔基足迹内出现暂时性的净CO₂释放。由于记录仅覆盖一个年周期，该事件不能被解释为长期趋势、气候变化信号或新常态的证据，而应视为展示红树林CO₂交换对环境条件敏感性的短期异常。关键问题已不再仅仅是红树林是否储存碳，而是随着气候极端事件加剧，其碳汇强度能否保持稳定。需要更长期的测量来确定类似事件是否重复发生及其对年际或多年碳平衡的实际影响。