植被生产力对全球湿地甲烷排放影响的日益增加

《Global and Planetary Change》：The increasing impact of vegetation productivity on global wetland methane emissions

　　

王龙军|李鹏|朱泉|周小璐|邓正苗|刘泽林|邹子英|彭长辉

湖南师范大学地理科学学院，长沙410081，中国

摘要

湿地甲烷（CH₄）排放量的增加因其显著的全球变暖潜力而受到广泛关注。除了环境因素外，越来越多的证据表明，总初级生产力（GPP）在调节湿地CH₄排放中起着关键作用。然而，植被生产力影响CH₄排放的机制以及这种关系的时间动态在全球范围内仍知之甚少。在这项研究中，我们将全球湿地GPP数据与通过涡度协方差通量测量得出的CH₄排放数据相结合，通过对站点级观测数据的放大处理和基于过程的模型模拟，来评估植被生产力对CH₄排放的影响，并探讨其潜在机制。我们的研究发现GPP与CH₄排放之间存在主要的正相关关系，这主要是由于温度和降水对GPP的影响，而这两者又与较高的土壤有机碳水平和CH₄排放量有关。此外，这种正相关关系随着时间的推移而增强，2001年至2018年间GPP与CH₄排放之间的相关性显著增加（P<0.05）。这一趋势主要由温度及其长期变化所驱动。这些发现表明，提高湿地植被生产力的气候缓解潜力可能比单纯通过CO₂吸收所暗示的要复杂得多。因此，将GPP与CH₄排放及其相关反馈纳入考虑对于改进陆地碳汇能力的评估至关重要。

引言

甲烷（CH₄）是一种重要的温室气体；其单分子变暖潜力是二氧化碳（CO₂）的25-30倍（Delwiche等人，2021年）。自工业化前以来，大气中的CH₄浓度增加了约2.6倍，对所有温室气体的辐射强迫贡献了约20%（Saunois等人，2020年）。CH₄浓度的增加加剧了全球变暖，影响了气候变化与碳循环之间的关系（Chen等人，2020年；Hopple等人，2020年；Le Quéré等人，2009年；Wilson等人，2016年）。湿地占全球CH₄排放量的25-35%，是CH₄自然来源的主要组成部分（Z. Zhang等人，2025年；P. Zhu和Gong，2014年）。因此，准确量化湿地CH₄排放的驱动因素对于理解全球碳循环至关重要。

环境因素可以影响一系列生物地球化学过程，并调节湿地生态系统中的CH₄排放，从而影响CH₄收支和大气中的CH₄浓度（Chang等人，2021年；Dean等人，2018年；Rowlings等人，2012年；Wright等人，2013年）。例如，研究发现温暖条件会促进湿地中的CH₄排放，主要是在厌氧条件下刺激微生物产生甲烷（Guo等人，2023年）。高水位会形成有利于甲烷生成的缺氧环境，而低水位则增强甲烷的氧化作用，从而抑制CH₄的释放（Chen等人，2021年）。除了环境因素外，植被在调节湿地CH₄收支中也起着关键作用（Rosentreter等人，2024年；Xiao等人，2024年）。光合作用固定的碳部分被分配给植物根系，其中超过一半最终以各种形式转移到土壤中，从而增加了甲烷生成的底物供应，促进了CH₄的产生（Levy等人，2012年；Li等人，2019a，Li等人，2019b；Whiting和Chanton，1993年）。此外，维管植物还通过气体的产生、氧化和传输影响湿地的CH₄排放（Bastviken等人，2023年）。多项研究表明，树木的CH₄通量可能对全球CH₄循环有重要贡献，树干可能是土壤产生的CH₄排放的主要通道（Barba等人，2019年，Barba等人，2024年）。因此，研究植被生长对湿地CH₄排放的影响可以增强我们对湿地CH₄排放机制的理解。

值得注意的是，植被生产力的提高通常会增强陆地碳汇功能，促进大气中CO₂的吸收，从而缓解气候变化的影响。然而，这种益处被湿地CH₄排放量的潜在增加所抵消，降低了植被对全球温室气体收支的总体影响（Chen等人，2021年）。虽然湿地是重要的碳汇，但在高植被生产力条件下CH₄排放量的增加给它们在气候缓解方面的净效应带来了不确定性（Saunois等人，2020年）。在持续的气候变化背景下，植被生产力影响湿地CH₄排放的途径仍不清楚。植被生产力对CH₄排放的影响仍不甚明了，特别是在不同时间尺度上的变化情况。了解这些变化对于准确预测未来气候情景下的甲烷-碳反馈至关重要（Bridgham等人，2013年）。

为解决这些关键知识空白，我们将来自通量塔观测的全球湿地CH₄数据集（从站点级观测数据放大处理并通过基于过程的模型模拟得到）与全球总初级生产力（GPP）数据进行了整合。我们评估了GPP与湿地CH₄排放之间的相关性，并研究了GPP影响CH₄排放的途径。此外，我们还评估了过去二十年（2001-2018年）全球湿地之间这种关系的时间趋势。此外，我们采用了极端梯度提升（XGBoost）和Shapley Additive exPlanations（SHAP）技术来识别观察到的相关性的关键驱动因素。我们的研究为植被生产力对湿地CH₄排放的影响提供了宝贵的见解，特别是在气候变化的背景下。

章节摘录

数据驱动的湿地CH₄排放数据集

在这项研究中，我们使用了UpCH4 v1.0数据集，该数据集是通过FLUXNET-CH₄社区产品中的涡度协方差CH₄通量测量数据进行数据驱动放大处理得到的全球湿地CH₄排放产品（McNicol等人，2023年）。我们使用了一个随机森林模型，该模型基于与湿地CH₄动态相关的六个预测因子（如气候和植被生理变量）进行训练，将观测到的站点级CH₄通量放大为全球估计值。该模型结合了空间和时间因素

湿地GPP和CH₄排放的空间分布

我们的研究结果显示，全球湿地在生长季节的GPP和CH₄排放显示出明显的纬度梯度。具体来说，GPP的纬度分布是非单调的。从南半球的高纬度向北，GPP逐渐增加，在10°S到0°之间达到峰值，主要出现在热带和亚热带湿地。然后在北半球的中高纬度湿地，GPP再次增加并达到第二个峰值

湿地GPP和CH₄排放的空间分布

全球湿地在生长季节的GPP和CH₄排放的纬度梯度突显了气候、水文和生物地球化学因素对这些生态系统复杂相互作用的影响（Christensen，2024年）。GPP的非单调模式，特别是在赤道附近和南半球的峰值，反映了热带和亚热带地区植被生产力的最佳条件。这些有利条件主要与高太阳辐射有关

结论

本研究探讨了全球范围内GPP与湿地CH₄排放之间的关系。我们的研究结果表明，植被生产力在调节湿地CH₄排放中起着关键作用。我们发现GPP与CH₄排放之间存在总体上的正相关关系。温度和降水的增加倾向于促进GPP的增加，从而增强了土壤有机碳的可用性，并促进了CH₄的产生和释放。此外，这种GPP-CH₄关系还表现出

CRediT作者贡献声明

王龙军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资金获取，正式分析，数据管理。李鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。朱泉：验证，调查，数据管理。周小璐：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。邓正苗：撰写 – 审稿与编辑，监督。刘泽林：撰写 – 审稿与编辑，监督。邹子英：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或其他个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（项目编号：U22A20570）、国家自然科学基金（项目编号：42371121）、湖南省科技创新计划（项目编号：2022RC4027）以及湖南省研究生科学研究创新项目（项目编号：CX20250765）的财政支持。我们还要感谢中国科学技术协会的特别支持