热带红树林西南季风期净CO2吸收向净释放的短期转变：基于菲律宾锡亚高岛涡度协方差观测的实证研究

《Biology》：Temporary Shift from Net CO2 Uptake to Net CO2 Release During the Southwest Monsoon in a Tropical Mangrove Forest

　　

红树林是重要的蓝碳（blue carbon）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（eddy covariance）系统及微气象观测，分析了2025年3月至2026年2月期间总初级生产力（gross primary productivity, GPP）、生态系统呼吸（ecosystem respiration, RE）及净生态系统交换（net ecosystem exchange, NEE）的日变化、逐日及季风期模式。研究期间，塔足迹（tower footprint）内大部分时间表现为净CO2吸收。2025年8月是唯一出现聚合NEE为正值的月份（19 g C m?2 month?1；95%置信区间：?22至62 g C m?2 month?1）。该月GPP为158 g C m?2 month?1（95%置信区间：130–189 g C m?2 month?1），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NEE为正值，主要集中在8日至24日。研究人员将该现象解释为一次暂时的正NEE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（Southwest Monsoon）期间的干旱条件相吻合。环境分析识别出多个与NEE、GPP和RE变化相关的变量，但这些关系仅被解释为统计关联而非因果关系。由于本研究仅覆盖一个完整年周期，需开展更长时间的连续通量监测，以确定类似事件是否复发及其对红树林长期CO2交换稳定性的影响。

热带红树林碳交换的短期波动：基于菲律宾德尔卡门PhilFlux塔的实证解读

一、研究背景与科学问题

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、渔业支撑及气候调节等多重功能。其高生产力、淹水土壤、缓慢分解速率及高效沉积物埋藏使其能够在长期内储存大量碳，因而被认定为重要的蓝碳生态系统，并日益成为气候减缓、海岸适应与生态修复的优先对象。然而，较大的碳储量并不必然意味着红树林始终稳定地发挥碳汇功能。碳储量评估反映的是长期储存状况，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。这些通量可在小时、季节和年际尺度上因辐射、温度、饱和水汽压差、降雨、潮汐淹没、土壤水分条件及扰动事件而发生显著波动。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CO₂、水汽和能量的生态系统尺度交换。通量塔研究表明红树林可以是强碳汇，但其汇强度随大气和水文条件而变化。然而，全球通量网络中红树林的代表性仍然不足。其盐渍化、潮汐淹没及空间异质性强的环境使通量测量在技术上具有挑战性，塔足迹也会随风向、大气稳定度、湍流强度、测量高度及地表粗糙度而变化。在菲律宾，红树林碳研究多集中于生物量、植被结构、物种组成和沉积物碳储量，而对NEE、GPP和RE的直接测量极为匮乏。德尔卡门红树林保护区位于菲律宾锡亚高岛北苏里高省，是该国面积最大的连片红树林之一，其气候受东北季风（Amihan）、西南季风（Habagat）、热带辐合带及热带气旋活动的共同影响，为研究季风、潮汐和干旱条件下红树林碳交换的短期变化提供了理想场所。

本研究的核心问题是：热带红树林塔足迹内的大气-地表CO₂交换是否能在异常环境条件下从净吸收暂时转变为净释放。研究提出三个假设：H1，研究期间塔足迹大部分时间表现为净CO₂吸收；H2，季风期短期异常条件会削弱塔足迹内的净CO₂吸收；H3，日尺度GPP、RE和NEE与辐射、热力、水文及冠层条件呈现不同的关联模式。

二、主要技术方法

研究于2025年3月至2026年2月在菲律宾锡亚高岛德尔卡门红树林保护区的PhilFlux通量塔开展。塔基海拔约6.5米，传感器安装在距地面约11米处，高于周围3.5–5米高的红树林冠层约6–7.5米。主要观测系统为Campbell Scientific IRGASON一体式CO₂/H₂O气体分析仪与三维超声风速计，以10 Hz频率记录数据，采用EddyPro v7.0.9软件按30分钟平均间隔计算湍流通量，并应用尖峰检测、平面拟合坐标旋转、时滞校正、空气密度波动校正及高低通滤波等标准质量控制程序。缺失数据使用REddyProc v1.3.2工具包通过边际分布采样方法进行插补，并采用基于夜间数据的通量拆分方法将NEE划分为GPP和RE。塔足迹分析采用Kljun等（2015）的方法，绘制年际和月际足迹分布图。干旱检测采用标准化降水指数（SPI-3）和MODIS NDVI标准化异常值。环境关联分析使用方差膨胀因子筛选和基于赤池信息准则的双向逐步选择，构建广义加性模型（GAM）。

三、研究结果

3.1 日尺度气候特征。 研究期间气象条件变化显著。年均反照率为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）均值420.86 μmol m^?2 s^?1，相对湿度均值82.51%，净辐射均值140 W m^?2，土壤含水量均值18.31%，气温均值28.13 °C，饱和水汽压差（VPD）均值0.64 kPa，风速均值2.28 m s^?1，叶面积指数（LAI）均值3.09 m² m^?2。

3.2 碳交换的日变化。 GPP在日出后上升、正午达到峰值、夜间趋近于零，均值6.30 g C m^?2 h^?1。RE全天保持正值且相对稳定，均值3.99 g C m^?2 h^?1。NEE均值?1.91 g C m^?2 h^?1，白天为负值表示净吸收，夜间转为正值表示净释放。该日变化模式在大多数月份中保持一致。

3.3 日尺度和季节碳平衡及临时源转变。 研究期间大部分时间红树林表现为净碳汇，日均GPP为6.23 g C m^?2 d^?1，日均NEE约?1.94 g C m^?2 d^?1，日均RE为4.29 g C m^?2 d^?1。2025年8月是唯一聚合NEE为正值的月份，月总和为19 g C m^?2 month^?1，日均NEE为0.60 g C m^?2 d^?1。31天中16天NEE为正值，主要集中在8日至24日，表明该月出现了一次持续性的临时正NEE事件，而非全月性碳源转变。9月起NEE恢复为负值，碳吸收功能得以恢复。

3.4 塔足迹分析。 年际和月际足迹图显示主要源区集中于塔周围的红树林群落，但范围和方向逐月变化。8月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。

3.5 季风期响应。 东北季风期NEE保持负值，红树林为净碳汇。西南季风期自6月起NEE趋近于零，8月偏离最大。8月SPI-3为?0.74，指示轻度干旱条件，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同期水平。这些卫星指标与正NEE事件在时间上吻合，但因其来自固定卫星像元而非瞬时塔足迹，仅作为站点尺度环境指示。

3.6 环境变量与日碳通量的关联。 全时段GAM分析中，NEE与降雨、相对湿度、反照率、土壤温度、土壤含水量和高潮位相关（调整R²=0.38）；GPP与土壤温度、反照率、降雨、风速、土壤含水量和LAI相关（调整R²=0.20）；RE与相对湿度、净辐射、土壤温度、LAI、降雨和反照率相关（调整R²=0.19）。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）。时间阻塞交叉验证的RMSE表明模型预测能力有限，仅反映观测期内统计关联而非因果关系。

四、讨论与结论

研究证实了红树林碳交换的日变化规律与全球其他红树林通量观测结果一致，白天光合吸收、夜间呼吸释放。研究期间大部分时间GPP超过RE，红树林表现为净碳汇，支持H1假设。2025年8月的正NEE事件发生在西南季风期，与轻度干旱和植被绿度异常偏低相吻合，支持H2假设的部分内容。8月模型识别出多个环境变量与通量变化相关，表明事件是多变量共同作用的结果，而非单一因素所致，支持H3假设的部分内容。然而，由于研究仅覆盖一个完整年周期，该事件应被视为短期异常而非长期趋势或气候变化信号。塔足迹分析排除了源区大幅转移的可能性，但潮沟、开阔水域和裸露沉积物的贡献变化无法完全排除。通量拆分和插补过程引入的不确定性也需要在解释时加以考虑。研究结论指出，德尔卡门红树林塔足迹在研究期间大部分时间为净碳汇，但2025年8月NEE在西南季风期轻度干旱条件下转为正值，表明塔足迹内出现暂时性净CO₂释放。这一事件展示了红树林CO₂交换对环境条件的敏感性，但尚不能据此判断其是否代表长期趋势。关键问题已不再仅仅是红树林是否储存碳，而是其碳汇强度能否在气候极端事件加剧的情况下保持稳定。持续的通量监测对于判断类似事件是否复发及其对年际或多年碳平衡的影响至关重要。