泥炭土作为重要的碳库，其对全球碳循环发挥着重要的作用。虽然目前已经认识到地下水水位对排水泥炭土区域温室气体释放具有重要的作用，但是尚无研究量化两者的关系。针对此关键科学问题，英国班戈生态与水文中心C. D. Evans等研究人员于2021年在Nature上发表题为“Overridingwater table control on managed peatland greenhouse gas emissions”研究论文。

受长江流域环境水科学研究公众号邀请，中国地质大学（武汉）袁松虎教授课题组张鹏副研究员对本文进行了解读。

第一部分：内容解读

摘要：全球泥炭地的碳储量比大气中自然存在的还要多，然而，许多泥炭地正面临着农业排水、种植园开发和火灾的压力，这些压力引起的碳排放约占排水泥炭地释放所有人为温室气体的3%。目前正在通过加强保护原始泥炭地和重新恢复已排水泥炭地，从而遏制温室气体排放。本研究报告了来自英国和爱尔兰16个地点CO₂涡动协方差数据，以及41个地点CH₄静态箱测定数据。通过将这些数据与全球所有主要泥炭地生物圈的公布数据相结合，发现年平均有效地下水位深度（Mean annual effective water table depth，WTD_e；即通气泥炭层的平均深度）超过了其他所有与生态系统和管理相关的温室气体通量控制因素。当WTD_e>30 cm时，WTD_e每减少10 cm，可将CO₂和CH₄排放（100年尺度全球增温潜势）的净变暖影响至少减少3 t CO₂e ha^-1·yr^-1。当30 cm> WTD_e>10 cm，进一步提高水位将继续产生净冷却效果。本研究结果表明，农业泥炭地温室气体排放可以大大减少，而不停止它们的生产利用。例如，将所有已排水的农业泥炭地的WTD_e减半，可以减少相当于全球人为排放的1%以上的排放量。

研究背景：泥炭土形成于高降雨量或者排水受阻导致内涝的地区，其特点是氧气补给量低，有机质分解缓慢，因此泥炭土通常富含有大量的有机质，对全球碳循环具有重要的调控作用。然而受人类生产活动的影响（如种植业），大面积泥炭土中所赋存的水被排出，尤其是二十世纪以来，在电力泵的作用下，泥炭土排水越来越严重。例如：整个欧洲5100万公顷泥炭土中，已有21%的泥炭土被排水用作林地，17%的泥炭土被排水用作耕地和草场。排水导致泥炭土中大量有机质被矿化，同时导致地面沉降、增加火灾和洪水风险，并且排水需要消耗大量电能抽水，使得种植作物的泥炭土成为温室气体重要的排放源。然而，泥炭土排水和种植对许多地区的经济发展做出了重要贡献，因此在这些地区不太可能将排水泥炭土恢复为天然湿地，以履行《巴黎协定》规定的到2050年实现温室气体净零排放的国际承诺。虽然平均水位深度已经被确认为不同类型泥炭土释放温室气体差异的关键因素，即平均水位越深越有利于CO₂和N₂O排放，平均水位越浅越有利于CH₄排放，但是大量的研究也指出其他因素如：气候、植被、农业生产以及泥炭土固有特征也显著地影响着泥炭土区域温室气体排放。此外，大多数关于泥炭土管理以缓解气候变化的研究都集中在湿地系统再湿润和功能恢复，或者浅水区的农业利用。虽然从CO₂净封存的角度来看这些管理是合理的，但这些措施会造成直接经济收入的减少或损失，以及CH₄排放的不确定性，因此无法大规模执行这些措施。

结果部分：为了探究年平均有效地下水位深度（WTD_e）与CO₂排放之间的关系，本研究在英国和爱尔兰选择了16个涡动协方差通量的观测塔，测定了这些区域CO₂净通量。这些观测点覆盖了不同类型和不同土地利用方式泥炭土，因此观测区具有代表性，并且涡动协方差测量密度也是全球独一无二的。研究发现所有的观测区的净生态系统生产力（Net ecosystem production，NEP）与WTD_e之间存在显著的相关性：

NEP = 0.1341 ×WTD_e − 1.73, R²= 0.90, P < 0.001, n = 16                   （1）

但是其他因素如气候，水文与土壤质地条件相比于WTD_e不能提供任何更多的解释，并且没有证据证实土地利用类型会影响到最优化拟合。进一步，将本研究测量数据和文献报道的数据相结合发现了类似的线性关系：

NEP = 0.0927 ×WTD_e − 1.69, R²= 0.68, P < 0.001, n = 65                  (2)

说明WTD_e对全球范围内排水泥炭土区域CO₂的排放起到了绝对控制作用。

对于排水泥炭区CH₄排放而言，本研究发现年平均CH₄通量与WTD_e之间符合如下指数关系：

CH₄ flux = 0.334 × 0.5^(WTDe+5)/6.3                                     （3）

Fig. 1: Annual mean values of carbon dioxide and methane flux versus mean water table depth.

基于WTD_e和CO₂和CH₄之间经验关系，可以得到如下结论：对于CO₂而言，WTD_e每减少10 cm，CO₂年平均排放量将降低大约3 t CO₂ ha^-1yr^-1；对于CH₄而言，CH₄的排放量随着WTD_e的增加而降低，当WTD_e超过30 cm时，CH₄的排放量可以忽略不计。将WTD_e从30 cm减少至0 cm，CH₄排放量将增加大约7 t CO₂eha^-1yr^-1。同时考虑CO₂和CH₄，当WTD_e超过8 cm时，每单位WTD_e增加导致CO₂排放量将超过CH₄排放的减少量，也就是排水泥炭土将向大气排放碳。

基于全球排水泥炭土面积和WTD_e的数据，本研究估算出全球排水泥炭土年碳排放量为786 Mt CO₂yr^-1（496−1132 Mt CO₂yr^-1），在前人报道的结果范围内（275−1738 Mt CO₂yr^-1）。进一步，本研究估算了农业缓解情形和最优化再湿润情形下的泥炭土排放结果，当将现有的WTD_e减半后（即耕地和草场泥炭土区WTD_e分别降低为45和25 cm），排水泥炭土区域碳排放量将减少为278 Mt CO₂yr^-1（106−482 Mt CO₂yr^-1），相比于当前碳排放量降了65%（57−79%）；当将WTD_e降低至< 10 cm时，排水泥炭土成为碳汇，年净储存碳量为15 Mt CO₂e ha^-1yr^-1。

讨论部分（成果意义）：如何合理管控排水泥炭土，既实现碳减排，而且保障经济生产是全世界的难题。本研究结果指出通过适当地控制排水泥炭土区域地下水水位可以有效地减缓碳排放，甚至使泥炭土区域成为碳汇，为管理泥炭土区域碳排放提供了可行性的办法。但是如何实施仍然存在挑战，例如如何避免季节性洪水导致水位过高，旱季和雨季水的储存等等如需要再考虑。

第二部分：贡献解读

背景问题：泥炭土作为重要的碳库，其对全球碳循环发挥着重要的作用。受人类活动的影响，大量泥炭土被开发，导致泥炭土成为温室气体的排放源。虽然理论上将已经开发的泥炭土恢复至原始状态，可以有效地减少碳排放量，但是对于一些利用泥炭土开展农业生产的国家和地区而言，恢复泥炭土生态环境就意味着农业生产活动受阻，从而影响经济发展。如何从科学地平衡泥炭土区域的开发与保护是当前面临的重要难题。

核心发现：虽然前人研究已经指出泥炭土区域地下水水位对温室气体排放具有重要影响，但是地下水水位只是作为控制因素之一，本研究发现地下水水位对排水泥炭土区域温室气体排放起到了绝对控制作用，其他因素都是次要因素。进一步作者通过模型分析给出了将现有排水泥炭土水位降低一半以及最优化再湿润两种情形下排水泥炭土释放温室气体的情况，发现只需要适当地降低排水泥炭土水位就可以实现控制温室气体排放的目的。本研究的结果可以为管理排水泥炭土提供政策指导。

原文来源：Evans, et al., Overridingwater table control on managed peatland greenhouse gas emissions, Nature, 2021,https://doi.org/10.1038/s41586-021-03523-1.

受译者能力所限，本译文难免有欠准确之处，敬请读者谅解。如有不妥之处，请读者与中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室张鹏副研究员联系，邮箱：zhangpeng@cug.edu.cn。