模拟印度尼西亚和秘鲁未排水退化泥炭沼泽森林的植被碳储量和土壤温室气体排放动态

《Science of The Total Environment》：Modeling vegetation carbon stock and soil greenhouse gas emission dynamics in undrained degraded peat swamp forests of Indonesia and Peru

为解决热带未排水退化泥炭沼泽森林温室气体排放数据缺乏及恢复时间框架不明的问题，研究人员使用修正的DNDC模型，对印度尼西亚和秘鲁的退化森林进行模拟。研究发现植被碳库分别在40年和80年后恢复，扰动后首个十年泥炭CO2排放因子显著增加，N2O排放升高持续四十年。该研究强调了人为扰动导致的长达数十年的温室气体排放增加，对国家温室气体清单编制和泥炭地管理具有重要意义。

　　

在全球气候变化的背景下，热带泥炭沼泽森林扮演着至关重要的角色。它们不仅生产力高，还能在水淹的土壤中储存大量的有机质，成为重要的碳汇。然而，当这些生态系统因农业活动、选择性采伐或火灾等人为活动而退化时——即使没有进行排水——它们也可能从碳汇转变为大量温室气体的排放源。遗憾的是，关于这些未排水但已退化泥炭地的植被碳储量和土壤温室气体动态的数据十分有限，其恢复所需的时间框架也不明确。更关键的是，尽管这类系统在热带地区分布广泛，政府间气候变化专门委员会的温室气体清单指南尚未将其纳入考量，这给国家层面的碳排放核算和减缓政策制定带来了巨大挑战。为了填补这一知识空白，并探究这些生态系统的长期变化规律，由Erin Swails、Kristell Hergoualc'h、Jia Deng和Steve Frolking领衔的研究团队，在《Science of The Total Environment》上发表了一项重要研究。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先是过程模型的应用，研究团队修改并应用了反硝化-分解模型来模拟印度尼西亚和秘鲁未排水条件下的退化与未退化泥炭沼泽森林。其次，现场测量与数据校准是关键，他们利用在印尼（2012-2015年）和秘鲁（2014-2018年）研究站点收集的多年实地数据，包括土壤温室气体通量、植被碳储量以及环境变量（如水位、土壤温湿度），对模型进行了校准和验证。最后，研究设计了扰动与恢复情景模拟，基于实地观察到的管理实践（如印尼的部分清理和焚烧，秘鲁的棕榈和木材选择性采伐），在模型中模拟了这些扰动事件，并进行了长达100年的恢复期模拟，以评估植被和温室气体通量的恢复时间框架。

研究结果

3.1. 未退化森林中模拟的水位、土壤湿度和温度

模型较好地模拟了日水位和土壤水分动态，捕捉到了旱季水位下降和土壤湿度降低的变化趋势。尽管对极端干旱（如2015年厄尔尼诺事件）下的深水位模拟存在偏差，且模拟的土壤温度在个别站点略高于实测值，但总体而言，模型成功再现了驱动温室气体通量的关键环境变量的变化规律。

3.2. 未退化和退化森林中模拟的植被碳储量、凋落物碳输入和泥炭温室气体通量

模型模拟的植被地上、地下生物量碳储量与实地观测值吻合良好。模拟显示，在扰动停止后，印尼站点的植被碳储量约在40年后恢复，而秘鲁站点则需要约80年。凋落物碳输入的恢复更为缓慢，秘鲁站点在模拟的100年内甚至未能完全恢复到扰动前水平。对于温室气体通量，模拟结果表明：

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  泥炭现场CO₂排放因子：在扰动后的第一个十年，印尼和秘鲁站点分别激增了557%和121%，但在第二个十年均恢复至扰动前水平。
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  土壤N₂O排放：在印尼和秘鲁分别增加了344%和323%，且这种升高状态持续了约四十年。
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  土壤CH₄排放：模拟扰动倾向于提高印尼站点的CH₄排放，降低秘鲁站点的排放，但变化幅度相对较小。

模型对CH₄和N₂O通量的模拟存在一定不确定性，特别是未能准确模拟印尼站点观察到的土壤N₂O吸收现象。

3.3. 模拟的泥炭温室气体通量与生物物理变量之间的关系

回归分析揭示了温室气体通量与关键环境因子之间的关联：

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  土壤异养呼吸与土壤碳氮比呈正相关，表明降解带来的富含碳的凋落物输入（如粗木质残体）在分解初期提高了土壤碳氮比，从而促进了呼吸作用。
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  泥炭N₂O排放因子与土壤碳氮比呈负相关。在扰动后期，随着富含碳的凋落物分解转化为微生物生物量和腐殖质，土壤碳氮比下降，为硝化和反硝化作用提供了更多矿质氮底物，从而推高了N₂O排放。
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  泥炭CH₄排放因子主要与年平均水位和土壤孔隙水饱和度呈正相关，这与厌氧条件促进产甲烷作用的认知一致。这种关系在扰动前后均存在，表明CH₄通量的变化更多由水文条件驱动，而非直接的扰动影响。

研究结论与讨论

本研究通过过程模型揭示，即使在未被排水的情况下，热带泥炭沼泽森林的人为退化（如砍伐、焚烧）也会导致植被碳储量的长期损失（恢复需40-80年）以及泥炭温室气体排放的显著且持续的增加。其中，CO₂排放的激增是短暂的（约十年），但N₂O排放的升高可能持续长达四十年。这些“遗留排放”在当前的IPCC指南和国家温室气体清单中未被充分考虑，可能导致对退化泥炭地净碳排放的严重低估。

研究的核心意义在于，它首次通过建模量化了未排水退化泥炭森林中温室气体排放的长期动态和恢复时间线。研究强调，恢复植被碳库的速度远慢于土壤温室气体通量的恢复，特别是凋落物输入可能长期无法恢复，这会持续削弱泥炭的碳汇功能。因此，在评估泥炭地恢复项目的碳效益时，必须考虑这些持续的碳排放。此外，研究建立了温室气体通量与土壤碳氮比、水位等可测量变量之间的经验关系，这为基于监测数据外推排放量、改进国家清单方法提供了科学依据。

然而，模型也存在局限性，例如未能精细模拟粗木质残体的缓慢分解过程，这可能导致低估了扰动后异养呼吸的持续升高。同时，模型无法模拟土壤对N₂O的吸收过程。未来的研究需要结合更长期的实地观测，特别是对恢复中森林的监测，以验证和优化模型预测，并更好地理解不同退化类型和强度对热带泥炭地碳氮循环的长期影响。总之，这项工作为管理热带泥炭地以实现气候减缓目标提供了关键的科学见解和数据支持，突显了保护完整泥炭森林和积极恢复退化泥炭地的紧迫性。