北极泥炭地减排新策略：地下水位优化

随着全球气候变化的加剧，寻找有效减少温室气体排放的方法变得尤为重要。泥炭地，作为地球上重要的碳储存库，其温室气体排放对全球碳循环有着深远的影响。7月2日发表的一项最新研究调查了调节地下水位对北极耕地泥炭地温室气体排放的影响。研究人员发现，降低地下水位会导致二氧化碳排放量显著增加，而维持较高地下水位则可以有效减少排放。然而，提高地下水位可能会降低作物产量并增加耕作难度。因此，该策略的实施需要权衡气候效益和农业生产成本。该研究表明，优化地下水位管理可以成为减少北极耕地泥炭地温室气体排放的有效策略，但仍需进一步研究如何在维持较高地下水位的同时减轻其对农业生产的负面影响。

原文由Jaakko Heikkinen, Kristiina Lång, Henri Honkanen 和 Merja Myllys 共4位研究人员撰写并于2024年7月2日发布，刊登于Wetlands学术期刊上，标题为《Mitigation of Greenhouse Gas Emissions by Optimizing Groundwater Level in Boreal Cultivated Peatland》。

农业泥炭地虽然在全球范围内面积较小，却是重要的温室气体（GHG）排放源，对全球碳足迹的贡献显著。北极地区拥有大量的泥炭地，这些泥炭地在农业耕作中扮演着重要角色。然而，由于泥炭地的水分饱和特性，其温室气体排放，尤其是二氧化碳（CO2）的排放，对气候变化构成了潜在威胁。农业活动，特别是排水和耕作，会显著增加这些地区的二氧化碳的排放。因此，研究泥炭地管理实践对温室气体排放的影响对于制定有效的气候缓解策略至关重要。

地下水位（GWL）是调控泥炭地温室气体排放的关键因素。降低地下水位会增加土壤的需氧分解，从而增加二氧化碳排放；而提高地下水位则有助于减少这些排放。在耕地泥炭地中，通过地表或地下排水系统降低地下水位（GWL），导致积聚的泥炭暴露于好氧分解，从而增加二氧化碳（CO2）的排放。农业实践如耕作、施肥和石灰施用进一步加剧了这一排放。除此之外，地下水位（GWL）也是泥炭土壤温室气体通量的主要控制因素。在温带地区，年平均地下水位与二氧化碳排放量之间存在强线性关系，而地下水位与甲烷（CH4)排放之间则呈指数关系。

来自土壤的温室气体通量表现出显著的时间和空间变异性，这要求进行大量的观测以检测具有统计学意义的关系。研究者们使用了自动封闭腔室系统来测量排水受控的土壤上未植被地块的二氧化碳和甲烷通量，该系统能够连续收集数据，与手动操作的腔室系统相比，具有更高的数据收集频率和精度。

基于实验环境和目的的考量，研究人员提供了一个典型的北极农业泥炭地环境，位于芬兰西南部（地理坐标：60°47'19" N, 23°32'41" E），年均温度约5.5°C，年降水量620毫米，生长期平均175天，积雪期130天。研究使用泥炭土壤，厚度为120至150厘米，中度腐殖化，表层土壤（10-15厘米）有机碳含量39.5%，碳氮比21.1，总孔隙度80%，pH 5.3，深层土壤（25-65厘米）有机碳含量50.4%，碳氮比22.3，总孔隙度85%，pH 4.8。底层为重粘土。

图一：实验装置的图像（左面板）和装置示意图（右面板）显示了八个不透明腔室（编号为 1-8）和一个位于实验中心的避难所，容纳痕量气体分析仪 （GA） 和多路复用器 （MP）。该实验包括两个具有常规地下排水 （SD） 的地块和两个具有受控排水 （CD） 的区块。四个腔室（2,3,6,7）位于排水管道旁边，另外四个腔室（1,4,5,8）位于地下排水管线之间，图源：实验装置图示

研究人员们设计该实验的研究地点包含四个0.5公顷地块，位于12个地块的中心。部分地块装有控制井，可调节地下水位。地下水位控制通过水闸的开合管理，目标水位设在土壤表面下30厘米。

研究田配备了长期土壤气体通量系统。LI-7810痕量气体分析仪，用于分析土壤中气体成分；

LI-8250多路复用器，管理气体样本的传输与分析过程；8个不透明腔室（Licor 8200−104），用于收集土壤排放的气体样本，通过15米长的管道与多路复用器连接。

实验区划分为四个主要的实验块，其中两个配置为常规地下排水（SD），另外两个为受控排水（CD）。每个实验块内设置两个腔室，一个紧邻排水管线，另一个位于管线中间，以增加地下水位的测量可变性。研究员们从裸土进行测量，主要关注异养呼吸作用下的大型泥炭沉积物分解，这是有机土壤碳平衡的主要贡献者。还需要测量区域通过手工除草保持无植被状态，以避免对气体测量的干扰。同时研究中使用Stevens HydraProbe传感器在15厘米土层深度监测土壤温度和水分含量。腔室系统设定为每小时连续测量甲烷和二氧化碳的气体通量。在两分钟的腔室闭合期间，连续记录气体浓度，并通过非线性回归分析计算气体通量速率。

图二：每月一氧化碳和 甲烷（CH4）的通量，根据裸土、地下水位 （GWL）、土壤含水量（SWC、蓝线）和土壤温度（黑线）测量。显示了 80% 分位数的八个腔室测量值的中值。一氧化碳的昼夜变化和甲烷（CH4）通量计算为每日最大值和最小值之间的差值。最低面板显示从芬兰气象研究所提供的 1 公里×1 公里网格天气数据中获取的月降雨量和气温，图源：描述性月度统计

研究结果显示15厘米深的表土温度与空气温度紧密相关，存在时间滞后现象。土壤热容量导致早春土壤温度偏低，而秋季则相反。2021年秋季高降雨导致土壤水分含量较高，而2022年生长季降雨量较低，土壤水分含量也较低。土壤水分含量与地下水位呈负相关，即地下水位越深，土壤水分含量越低。

图三：模拟土壤二氧化碳（CO2）依赖性将土壤温度调整为 5、10、15 和 20 °C 后，表层土壤温度和地下水位 （GWL） 的通量为 95% 置信区间（左图）。估计的一氧化碳显示了 80% 的观测值拟合的 地下水位（GWL） 范围的通量。右图显示了土壤 CO2 的依赖性25 °C（蓝色圆圈）和15 °C（黄色圆圈）土壤温度、地下水位（GWL）和土壤含水量（SWC）的通量。气泡的大小表示一氧化碳的速率通量。仅显示那些土壤温度、地下水位（GWL） 和 土壤含水量（SWC） 组合，其中包含来自五个以上腔室的数据，图源：土壤温度和地下水位对土壤呼吸的影响

研究结果表明，随着地下水位的降低，土壤二氧化碳排放量几乎线性增加，但随着地下水位进一步加深，排放量的增长趋于稳定。在15°C的土壤温度下，地下水位从30厘米降低到80厘米，二氧化碳排放量增加了1.7倍。回归树分析显示土壤温度、地下水位和土壤水分含量都是影响二氧化碳通量的变量。在15°C条件下的二氧化碳排放量高于5°C条件下的排放量。降低地下水位导致二氧化碳排放量持续增加，尤其是在土壤水分含量不是0.4 m³/m³的条件下。随着土壤水分含量的降低，二氧化碳排放量将趋于增加。

这项研究为我们提供了一个平衡农业生产和环境保护的新视角。通过精心设计的地下水位管理策略，我们不仅可以减少温室气体排放，还可以确保北极地区的农业生产可持续性。值得注意的是，虽然优化地下水位管理是一个有前景的策略，但需要进一步研究如何在维持较高地下水位的同时减轻其对农业生产的负面影响。这可能包括开发新的农业技术、改进作物种植方法或采用更高效的水资源管理策略。例如，高地下水位可能降低土壤的承载能力，影响农场作业。在湿润季节，高地下水位可能减少作物产量，而在干旱季节可能有助于增加产量。这些都是这种策略可能会带来的潜在影响。

该研究还需要进一步的结合地下水位调控与农业生产实践，寻找平衡气候效益与农业生产效率的策略，探索和评估不同的土地管理选项，包括恢复泥炭地，以实现环境和经济的双重目标。随着进一步的研究和实践，我们期待找到更多创新的解决方案，以应对气候变化带来的挑战。

编译作者：黄祉琪

——本文作者/译者是北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院（BNU-HKBU UIC）全球化与发展（GAD）项目的学生）

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编译 | 黄祉琪
审核 | Maggie
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