巴拿马红树林与森林湿地土壤碳储量分布及其对蓝碳策略的启示

《Scientific Data》：Soil carbon stock densities in mangrove and forested wetland ecosystems of Panama

本刊推荐：为减少红树林与森林湿地地下碳储量估算的不确定性，研究人员在巴拿马太平洋与加勒比海区域建立了59个永久样地，采集544个土壤芯，通过测定容重、灼烧失重（LOI）和有机碳含量（Corg），构建了生态系统特异性线性回归模型（如森林湿地：% Corg= 0.54 × % LOI – 3.4，R2 = 0.86），计算出0.3m与0.5m深度的土壤碳密度（BGCds）。该数据集为巴拿马土地利用、土地利用变化与林业（LULUCF）部门碳核算提供了地面验证数据，支持中美洲蓝碳监测与泥炭地碳绘图验证。

　　

在全球气候变暖的背景下，基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）已成为应对气候变化的重要策略。其中，拥有巨大地下碳储量的生态系统尤为关键。例如，全球泥炭地地下碳储量高达644吉吨碳（GtC），约是森林活生物质碳储量的两倍。红树林作为热带地区重要的蓝碳生态系统，不仅储存着大量碳（5.2–8.6 GtC），还在保护海岸线和维护生物多样性方面发挥着核心作用。然而，这些生态系统正面临土地利用变化（如城市化、农业和水产养殖）和气候变化（如严重干旱、海平面上升）的多重威胁。

在巴拿马，土地利用、土地利用变化与林业（LULUCF）部门是该国主要的净碳汇，对国家气候承诺至关重要。尽管巴拿马的红树林面积约为0.187百万公顷，但其碳储量估计在25至71百万吨碳（MtC）之间，存在很大不确定性。此外，森林湿地（尤其是森林泥炭地）的分布范围和碳储量更是未知，这给国家碳储量评估和定量保护承诺的实施带来了巨大挑战。这种不确定性主要源于两方面：一是有限的地面实测数据（包括地上和地下部分），二是计算碳密度（tC ha^?1）时采用的不同方法学。例如，具体的采样方法（如样地选择、样方设计和分层）决定了数据收集的代表性。此外，由于这些生态系统的主要碳库位于地下，采样和估算地下碳储量的协议选择（如使用灼烧失重百分比 versus 碳含量百分比）显著增加了景观尺度碳储量估算的不确定性，阻碍了不同研究结果之间的比较。

为了解决这些问题，由Jorge Hoyos-Santillan领导的研究团队在《Scientific Data》上发表了题为“Soil carbon stock densities in mangrove and forested wetland ecosystems of Panama”的数据论文，提供了巴拿马红树林和森林湿地生态系统地下土壤碳储量密度的原始数据。该研究基于“巴拿马沿海自然资本评估、保护与提升（PN-T1233）/蓝色自然遗产”项目和“Matusagarati水文、碳储量、植物与鱼类（PFID-FID-2021-114）”项目，在2010年至2024年期间，采用标准化协议，在巴拿马的太平洋和加勒比海区域设立了45个红树林永久样地（包括24个海洋型红树林和21个河岸型红树林）和14个森林湿地永久样地，共采集了544个土壤芯。

研究人员采用了严格的样地设计和土壤采集方法。对于红树林，每个样地包含一条线性横断面，垂直分布于海岸或河岸，设有六个圆形子样方（半径7米），子样方中心间距25米，并在每个子样方内嵌套一个半径为2米的子样方。对于森林湿地，样地大小为20米×50米，在样地中心以及可能的情况下在对角位置采集土壤芯。土壤样本使用俄罗斯泥炭钻（Eijkelkamp 04.09）采集，深度直至矿物层，并分段（如0.1米分辨率）进行理化分析。

关键实验技术主要包括：土壤容重采用重量法（70°C烘干72小时）测定；土壤有机质通过灼烧失重（Loss on Ignition, LOI，550°C灼烧1小时）估算；pH值在土水比1:2的溶液中测定；总有机碳（C_org）使用总有机碳分析仪（Thermo Flash EA 1112）测定，并在测定前用1N HCl检测和去除无机碳（碳酸盐）；土壤质地使用激光粒度分析仪（Horiba LA-960）进行分析。为了估算未直接测定碳含量的土层的碳含量，研究人员为海洋型红树林、河岸型红树林和森林湿地分别建立了% C_org与% LOI的线性回归模型。地下土壤碳密度（Belowground soil carbon stock density, BGCd_s, tC ha^?1）通过将各土层容重、土层体积和碳含量相乘，并累加0.3米和0.5米深度剖面内的碳含量计算得出。

数据记录

数据集保存在Figshare仓库（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28587746），包含三个主要文件：1）用于计算子样方和样方级别地下土壤碳密度的原始数据文件；2）392个子样方的地下土壤碳密度估算文件；3）81个样方的地下土壤碳密度估算文件。数据字段包括数据来源、海岸、生态系统、研究区域、经纬度、类型学（如海洋型红树林、河岸型红树林、穹顶泥炭地）、样方和子样方信息、土壤深度段、含水量、容重、LOI、pH值、总有机碳含量（实测值和模型估算值）、土壤质地以及泥炭存在与否等。

技术验证

技术验证的重点是评估% C_org与% LOI的线性回归模型。通过K折交叉验证（5折）分析表明，模型具有稳健的预测性能。海洋型红树林模型的平均R2为0.65±0.019，RMSE为1.14±0.003；河岸型红树林模型的平均R2为0.59±0.01，RMSE为1.29±0.001；森林湿地模型的预测性能最强，R2达0.86±0.019，但RMSE较高（7.446±0.050），这反映了泥炭环境中碳含量范围更广的特点。残差分析未发现系统性模式，支持了线性回归模型在这些生态系统特异性关系中的适用性。

研究结果

土壤碳储量密度差异显著

研究结果显示，在0.3米深度，海洋型红树林、河岸型红树林和森林湿地的平均土壤碳密度（BGCd_s）存在显著差异（Kruskal-Wallis检验，p < 0.0001）。海洋型红树林的碳密度最低（39.80 ± 0.94 tC ha^?1），其容重最高（0.57 ± 0.007 g cm^?3），有机碳含量最低（3.03 ± 0.15%）。河岸型红树林的碳密度（72.96 ± 2.45 tC ha^?1）和森林湿地的碳密度（78.95 ± 6.00 tC ha^?1）显著高于海洋型红树林。在0.5米深度，这种差异依然显著，海洋型、河岸型红树林和森林湿地的碳密度分别为66.05 ± 1.46, 121.05 ± 3.91和119.71 ± 8.91 tC ha^?1。

生态系统异质性驱动碳储量变化

碳储量的差异反映了生态系统的异质性，特别是矿物土壤与泥炭土壤的差异。海洋型红树林通常生长在矿物土壤上，容重高但有机碳含量低。而河岸型红树林和森林湿地（特别是泥炭地）则拥有有机质含量高的土壤，容重低但有机碳含量高（森林湿地C_org高达33.83 ± 2.29%）。研究表明，泥炭较高的碳含量和较低的容重补偿了红树林较低碳含量和较高容重的影响，从而在相同深度剖面下观察到相似的碳密度值。

数据支持国家与区域碳管理

本研究提供的标准化地面实测数据，有助于减少巴拿马国家碳储量估算的不确定性，直接支持其国家自主贡献（NDC）中关于泥炭地的承诺，包括绘制首张国家泥炭地分布图和评估泥炭地及森林湿地的碳储量。此外，该数据集可与中美洲和加勒比地区正在进行的国家红树林清单（如英国蓝碳基金资助的区域蓝碳监测、报告和验证机制，MRV）整合，为区域蓝碳数据库的开发和碳绘图验证计划提供支持。

结论与意义

这项研究通过系统的实地采样和实验室分析，提供了巴拿马红树林和森林湿地生态系统地下土壤碳储量密度的宝贵数据集。研究揭示了不同类型湿地生态系统碳储量的显著差异，并建立了可靠的碳含量估算模型。这些数据不仅为巴拿马的国家碳核算和气候战略提供了关键的地面真实数据，其标准化的方法学也使其能够无缝融入区域碳监测网络。该数据描述符的发布，促进了数据的可及性和透明度，使全球研究人员能够重新计算、比较和验证碳储量估算，推动蓝碳科学和基于自然的解决方案的发展，以应对气候变化。