英国低地农业泥炭地碳源功能评估：农业生产中的碳与水资源利用强度解析

《Global Change Biology》：Drained Agricultural Peatlands as Persistent Carbon Sources: Implications for Carbon and Water Use Intensity in Food Production

本文通过通量塔观测数据，系统量化了英国低地农业泥炭地的净生态系统生产力（NEP）和蒸散量（ET）。研究发现，经排水改造的泥炭地已成为强大的碳源（年排放量23.1 ± 10.4吨CO2ha-1），其中有效水位深度和土壤有机碳含量是碳排放的主要驱动因素。研究进一步比较了不同作物的碳与水利用强度，指出生菜、芹菜等高需水作物在卡路里产出效率上远低于谷物，为平衡粮食生产、温室气体减排与水资源管理提供了关键数据支撑。

　　

引言

泥炭地在自然状态下具有固存大量大气碳的能力，是重要的碳汇。然而，人类活动，特别是为农业进行的排水改造，极大地改变了其水文状况，使其从净碳汇转变为净碳源。在英国，低地泥炭地经排水改造后已成为该国生产力最高的农田之一，但其二氧化碳排放和水资源利用的数据却相对匮乏。这些数据对于理解在维持农业产出的同时减少温室气体排放的后果至关重要。本研究旨在增进对不同农业生态系统在低地泥炭区的碳水平衡的理解，通过估算与泥炭上农业生产相关的碳、水排放及其强度，为以减排为重点的土地管理提供机遇。

研究方法

研究区域涵盖了英国八个农业泥炭地上的通量塔观测站点，这些站点是英国生态水文中心运营的英国通量网络的一部分。每个站点都配备了涡度协方差系统，用于测量净生态系统二氧化碳交换和能量通量，并辅以一系列环境变量监测。通量数据经过标准处理和质控，包括剔除异常值、摩擦速度阈值过滤等。对于数据缺失，研究采用随机森林模型进行插补。净生态系统交换被分解为总初级生产力和生态系统呼吸。净生态系统生产力则通过综合考虑垂直碳通量、以及通过作物收割输出的碳和通过施肥输入的碳来计算。蒸散量是水循环的主要组成部分。研究还计算了生态系统水分利用效率和作物水分生产力，并估算了各作物的碳强度与水强度，即每生产一千卡热量食物所排放的二氧化碳和消耗的水量。此外，通过逐步线性回归分析了碳、水通量与气候、水文和土壤变量之间的关系。

结果

3.1 站点气候条件与水文状况

所有站点经历了相似的年均气温。在水分方面，所有站点均进行主动管理以维持适合作物生长的水位。UK-Spy站点的平均水位最高，而UK-Pob站点的水位最低。平均而言，站点年降水量均超过500毫米。

3.2 田间尺度通量

净生态系统交换：大多数站点-年份的生态系统呼吸超过了总初级生产力，导致净生态系统交换为正值。然而，UK-Swt、UK-Pob和UK-Stm2站点在特定年份观测到负的净生态系统交换，这反映了这些年份作物的高生产力。

净生态系统生产力：在考虑碳的输入和输出后，所有站点在所有年份都是强大的净碳源。即使在净生态系统交换为负值的站点，高产的作物收获所输出的碳也完全抵消了现场固碳，使系统转变为碳源。不同站点的年排放量差异很大，范围从6.4吨CO₂ha^-1到38.0吨CO₂ha^-1。所有站点-年份平均排放量为23.1 ± 10.4吨CO₂ha^-1y^-1。泥炭深度大于40厘米的站点平均排放25.1 ± 9.2吨CO₂ha^-1，而泥炭退化站点平均排放11.8 ± 4.8吨CO₂ha^-1。

蒸散：蒸散的变化小于净生态系统交换，但不同站点-年份间仍存在差异。灌溉田块的年蒸散量最高。

生态系统水分利用效率与作物水分生产力：冬小麦的生态系统水分利用效率最高，而沙拉作物的效率最低。在作物水分生产力方面，甜菜最高，沙拉作物最低。

3.3 碳与水强度

当按作物类型对所有站点-年份的数据进行分组，并比较每生产一千卡作物热量所产生的排放时，结果显示出显著差异。在总碳强度方面，生菜/生菜或生菜/芹菜轮作的站点-年份数值最高。豌豆和甜菜的站点-年份强度最低。当仅考虑用于直接人类消费的热量时，沙拉作物仍然是碳强度最高的，而豌豆的强度最低。在水强度方面，生菜/生菜和生菜/芹菜轮作同样是最耗水的作物，而甜菜和豌豆的耗水量最少。仅考虑用于人类直接消费的热量时，结论一致。

3.4 通量的环境预测因子

分析发现，净生态系统生产力的最佳预测模型包含有机碳百分比、有效水位深度和年均温。有效水位深度本身与净生态系统生产力呈线性关系，但加入有机碳百分比和年均温后模型拟合度更优。对于生态系统呼吸，年降水量是主要预测因子，可解释其90%的变异。加入有效水位深度和容重碳可略微改善模型。研究还评估了仅包含小麦的站点-年份，发现净生态系统生产力最好由容重碳预测，而生态系统呼吸与有机碳含量有很强的线性关系。作物类型本身并非影响净生态系统生产力的主要因素，排放更多与有效水位深度、有机碳含量和年均温相关。

讨论

4.1 通量的环境预测因子

研究结果表明，作物类型本身并不是影响净生态系统生产力的主要因素。相反，站点间的排放与有效水位深度、有机碳含量和年均温密切相关。由于本研究中除UK-Spy外的所有泥炭地水位都持续较低，通常低于泥炭层，因此降水量对整体水位深度影响甚微。降雨更可能在表层有氧泥炭层内产生短暂的水分增加，从而促进微生物活动和呼吸作用。观察到净生态系统生产力、生态系统呼吸与有机碳含量的关系与其他关于管理泥炭地二氧化碳排放的研究发现有所不同，这可能源于通量估算方法、土壤有机质质量和分解程度、以及土壤性质的时空变异等因素。虽然未能发现作物类型对泥炭二氧化碳排放的直接影响，但排水深度可能部分受到田间或农场尺度作物类型的影响，并且整个芬斯地区的作物种植部分取决于剩余泥炭的深度，沙拉和蔬菜作物优先种植在泥炭较深的区域。因此，作物类型可能是二氧化碳排放的间接驱动因素。

4.2 碳与水强度

研究发现，就净生态系统生产力而言，有效泥炭深度和碳含量比作物类型更能决定总排放量。然而，当以不同粮食作物每千卡热量的二氧化碳排放强度表示时，泥炭上种植生菜和芹菜的排放量比甜菜、豌豆、马铃薯和小麦高出一个数量级。同样，生产一千卡沙拉作物所需的水量也远高于生产甜菜、豌豆和小麦所需的水量。高排放强度是由于这些作物提供的热量很低。在气候变化导致东英格兰地区预计将变得更暖更干的背景下，当前的水管理实践，包括农业灌溉，可能变得越来越不可持续。转向热量含量更高和/或需水量更低的作物可能会提高该地区农业的可持续性，但这可能会带来农产品价值上的经济成本。

4.3 与其他生态系统的比较

与自然泥炭固碳以及欧洲其他管理泥炭地的研究相比，本研究中农业泥炭地的二氧化碳排放量处于已报道范围的高位。与水强度相比，本研究中作物的水强度与全球平均作物水足迹相当，但沙拉作物仍然是耗水强度最高的。将高价值的蔬菜生产从泥炭地转移出去仍然具有挑战性，并且存在转移二氧化碳排放甚至加剧水资源短缺问题的风险。减少在有机土壤上的高等级农业用地用于非粮食作物，可以为其他用途释放一些土地，这提供了一种替代的减缓策略。