北極泥炭地減排新策略：地下水位優(yōu)化

隨著全球氣候變化的加劇，尋找有效減少溫室氣體排放的方法變得尤為重要。泥炭地，作為地球上重要的碳儲存庫，其溫室氣體排放對全球碳循環(huán)有著深遠(yuǎn)的影響。7月2日發(fā)表的一項最新研究調(diào)查了調(diào)節(jié)地下水位對北極耕地泥炭地溫室氣體排放的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，降低地下水位會導(dǎo)致二氧化碳排放量顯著增加，而維持較高地下水位則可以有效減少排放。然而，提高地下水位可能會降低作物產(chǎn)量并增加耕作難度。因此，該策略的實施需要權(quán)衡氣候效益和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。該研究表明，優(yōu)化地下水位管理可以成為減少北極耕地泥炭地溫室氣體排放的有效策略，但仍需進(jìn)一步研究如何在維持較高地下水位的同時減輕其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負(fù)面影響。

原文由Jaakko Heikkinen, Kristiina L?ng, Henri Honkanen 和 Merja Myllys 共4位研究人員撰寫并于2024年7月2日發(fā)布，刊登于Wetlands學(xué)術(shù)期刊上，標(biāo)題為《Mitigation of Greenhouse Gas Emissions by Optimizing Groundwater Level in Boreal Cultivated Peatland》。

農(nóng)業(yè)泥炭地雖然在全球范圍內(nèi)面積較小，卻是重要的溫室氣體（GHG）排放源，對全球碳足跡的貢獻(xiàn)顯著。北極地區(qū)擁有大量的泥炭地，這些泥炭地在農(nóng)業(yè)耕作中扮演著重要角色。然而，由于泥炭地的水分飽和特性，其溫室氣體排放，尤其是二氧化碳（CO2）的排放，對氣候變化構(gòu)成了潛在威脅。農(nóng)業(yè)活動，特別是排水和耕作，會顯著增加這些地區(qū)的二氧化碳的排放。因此，研究泥炭地管理實踐對溫室氣體排放的影響對于制定有效的氣候緩解策略至關(guān)重要。

地下水位（GWL）是調(diào)控泥炭地溫室氣體排放的關(guān)鍵因素。降低地下水位會增加土壤的需氧分解，從而增加二氧化碳排放；而提高地下水位則有助于減少這些排放。在耕地泥炭地中，通過地表或地下排水系統(tǒng)降低地下水位（GWL），導(dǎo)致積聚的泥炭暴露于好氧分解，從而增加二氧化碳（CO2）的排放。農(nóng)業(yè)實踐如耕作、施肥和石灰施用進(jìn)一步加劇了這一排放。除此之外，地下水位（GWL）也是泥炭土壤溫室氣體通量的主要控制因素。在溫帶地區(qū)，年平均地下水位與二氧化碳排放量之間存在強線性關(guān)系，而地下水位與甲烷（CH4)排放之間則呈指數(shù)關(guān)系。

來自土壤的溫室氣體通量表現(xiàn)出顯著的時間和空間變異性，這要求進(jìn)行大量的觀測以檢測具有統(tǒng)計學(xué)意義的關(guān)系。研究者們使用了自動封閉腔室系統(tǒng)來測量排水受控的土壤上未植被地塊的二氧化碳和甲烷通量，該系統(tǒng)能夠連續(xù)收集數(shù)據(jù)，與手動操作的腔室系統(tǒng)相比，具有更高的數(shù)據(jù)收集頻率和精度。

基于實驗環(huán)境和目的的考量，研究人員提供了一個典型的北極農(nóng)業(yè)泥炭地環(huán)境，位于芬蘭西南部（地理坐標(biāo)：60°47'19" N, 23°32'41" E），年均溫度約5.5°C，年降水量620毫米，生長期平均175天，積雪期130天。研究使用泥炭土壤，厚度為120至150厘米，中度腐殖化，表層土壤（10-15厘米）有機碳含量39.5%，碳氮比21.1，總孔隙度80%，pH 5.3，深層土壤（25-65厘米）有機碳含量50.4%，碳氮比22.3，總孔隙度85%，pH 4.8。底層為重粘土。

圖一：實驗裝置的圖像（左面板）和裝置示意圖（右面板）顯示了八個不透明腔室（編號為 1-8）和一個位于實驗中心的避難所，容納痕量氣體分析儀 （GA） 和多路復(fù)用器 （MP）。該實驗包括兩個具有常規(guī)地下排水 （SD） 的地塊和兩個具有受控排水 （CD） 的區(qū)塊。四個腔室（2,3,6,7）位于排水管道旁邊，另外四個腔室（1,4,5,8）位于地下排水管線之間，圖源：實驗裝置圖示

研究人員們設(shè)計該實驗的研究地點包含四個0.5公頃地塊，位于12個地塊的中心。部分地塊裝有控制井，可調(diào)節(jié)地下水位。地下水位控制通過水閘的開合管理，目標(biāo)水位設(shè)在土壤表面下30厘米。

研究田配備了長期土壤氣體通量系統(tǒng)。LI-7810痕量氣體分析儀，用于分析土壤中氣體成分；

LI-8250多路復(fù)用器，管理氣體樣本的傳輸與分析過程；8個不透明腔室（Licor 8200?104），用于收集土壤排放的氣體樣本，通過15米長的管道與多路復(fù)用器連接。

實驗區(qū)劃分為四個主要的實驗塊，其中兩個配置為常規(guī)地下排水（SD），另外兩個為受控排水（CD）。每個實驗塊內(nèi)設(shè)置兩個腔室，一個緊鄰排水管線，另一個位于管線中間，以增加地下水位的測量可變性。研究員們從裸土進(jìn)行測量，主要關(guān)注異養(yǎng)呼吸作用下的大型泥炭沉積物分解，這是有機土壤碳平衡的主要貢獻(xiàn)者。還需要測量區(qū)域通過手工除草保持無植被狀態(tài)，以避免對氣體測量的干擾。同時研究中使用Stevens HydraProbe傳感器在15厘米土層深度監(jiān)測土壤溫度和水分含量。腔室系統(tǒng)設(shè)定為每小時連續(xù)測量甲烷和二氧化碳的氣體通量。在兩分鐘的腔室閉合期間，連續(xù)記錄氣體濃度，并通過非線性回歸分析計算氣體通量速率。

圖二：每月一氧化碳和 甲烷（CH4）的通量，根據(jù)裸土、地下水位 （GWL）、土壤含水量（SWC、藍(lán)線）和土壤溫度（黑線）測量。顯示了 80% 分位數(shù)的八個腔室測量值的中值。一氧化碳的晝夜變化和甲烷（CH4）通量計算為每日最大值和最小值之間的差值。最低面板顯示從芬蘭氣象研究所提供的 1 公里×1 公里網(wǎng)格天氣數(shù)據(jù)中獲取的月降雨量和氣溫，圖源：描述性月度統(tǒng)計

研究結(jié)果顯示15厘米深的表土溫度與空氣溫度緊密相關(guān)，存在時間滯后現(xiàn)象。土壤熱容量導(dǎo)致早春土壤溫度偏低，而秋季則相反。2021年秋季高降雨導(dǎo)致土壤水分含量較高，而2022年生長季降雨量較低，土壤水分含量也較低。土壤水分含量與地下水位呈負(fù)相關(guān)，即地下水位越深，土壤水分含量越低。

圖三：模擬土壤二氧化碳（CO2）依賴性將土壤溫度調(diào)整為 5、10、15 和 20 °C 后，表層土壤溫度和地下水位 （GWL） 的通量為 95% 置信區(qū)間（左圖）。估計的一氧化碳顯示了 80% 的觀測值擬合的 地下水位（GWL） 范圍的通量。右圖顯示了土壤 CO2 的依賴性25 °C（藍(lán)色圓圈）和15 °C（黃色圓圈）土壤溫度、地下水位（GWL）和土壤含水量（SWC）的通量。氣泡的大小表示一氧化碳的速率通量。僅顯示那些土壤溫度、地下水位（GWL） 和 土壤含水量（SWC） 組合，其中包含來自五個以上腔室的數(shù)據(jù)，圖源：土壤溫度和地下水位對土壤呼吸的影響

研究結(jié)果表明，隨著地下水位的降低，土壤二氧化碳排放量幾乎線性增加，但隨著地下水位進(jìn)一步加深，排放量的增長趨于穩(wěn)定。在15°C的土壤溫度下，地下水位從30厘米降低到80厘米，二氧化碳排放量增加了1.7倍。回歸樹分析顯示土壤溫度、地下水位和土壤水分含量都是影響二氧化碳通量的變量。在15°C條件下的二氧化碳排放量高于5°C條件下的排放量。降低地下水位導(dǎo)致二氧化碳排放量持續(xù)增加，尤其是在土壤水分含量不是0.4 m3/m3的條件下。隨著土壤水分含量的降低，二氧化碳排放量將趨于增加。

這項研究為我們提供了一個平衡農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護的新視角。通過精心設(shè)計的地下水位管理策略，我們不僅可以減少溫室氣體排放，還可以確保北極地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性。值得注意的是，雖然優(yōu)化地下水位管理是一個有前景的策略，但需要進(jìn)一步研究如何在維持較高地下水位的同時減輕其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負(fù)面影響。這可能包括開發(fā)新的農(nóng)業(yè)技術(shù)、改進(jìn)作物種植方法或采用更高效的水資源管理策略。例如，高地下水位可能降低土壤的承載能力，影響農(nóng)場作業(yè)。在濕潤季節(jié)，高地下水位可能減少作物產(chǎn)量，而在干旱季節(jié)可能有助于增加產(chǎn)量。這些都是這種策略可能會帶來的潛在影響。

該研究還需要進(jìn)一步的結(jié)合地下水位調(diào)控與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，尋找平衡氣候效益與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的策略，探索和評估不同的土地管理選項，包括恢復(fù)泥炭地，以實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟的雙重目標(biāo)。隨著進(jìn)一步的研究和實踐，我們期待找到更多創(chuàng)新的解決方案，以應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。

編譯作者：黃祉琪

——本文作者/譯者是北京師范大學(xué)-香港浸會大學(xué)聯(lián)合國際學(xué)院（BNU-HKBU UIC）全球化與發(fā)展（GAD）項目的學(xué)生）

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編譯 | 黃祉琪
審核 | Maggie
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參考資料略