加拿大草原洼地地区湿地表面的冷却潜力

《Agricultural and Forest Meteorology》：Surface cooling potential of wetlands across the Prairie Pothole Region of Canada

湿地生态系统通过蒸发冷却显著降低周边大气温度，研究选取加拿大草原泊泽区3处湿地及2种农田类型，利用涡度协方差法分析2021-2023年数据，发现白天湿地温度较农田平均低1.4-3.0°C，高温日冷却效应达5.4°C。冷却潜力与开放水域比例、植被结构及能量通量分配密切相关，高蒸发分数和低感热通量是主要驱动机制。研究证实湿地对缓解区域热应力、增强农业抗逆性具有重要作用，为气候适应和生态修复提供科学依据。

　　湿地在生态系统服务中扮演着重要角色，包括碳封存、气候调节、生物多样性和水质改善。通过蒸发冷却作用，湿地生态系统在调节局部和区域气候方面也发挥着显著作用，有助于改善当地动植物的生存环境。本研究旨在评估加拿大草原湿地区域（Prairie Pothole Region, PPR）湿地对气温的降温效果，比较其与附近农田在生长季（5月至9月）之间的空气和地表温度差异。研究采用涡度相关法（eddy covariance）收集了三年（2021年至2023年）的湍流通量和气象数据，分析了湿地与不同农田类型之间的降温差异。结果显示，生长季期间，湿地的气温显著低于农田，白天降温幅度在1.4°C至3.0°C之间。在高温日（空气温度超过25°C）时，湿地中的开放水域提供了更显著的降温效果，气温降低了高达5.4°C。这些结果强调了湿地在气候调节中的潜力，并突出了湿地保护、恢复和管理在自然气候解决方案中的重要性。

### 湿地与农田的降温差异

湿地和农田在降温机制上存在显著差异，这主要源于其独特的生物物理特性。湿地通常具有较高的蒸发通量和热耗散能力，而农田则更多地受到耕作方式和植被类型的影响。研究团队在PPR区域选择了三个不同的湿地站点和两个农田类型进行比较，分析了它们在降温方面的表现。CA-EM1（孤立的农田沼泽）、CA-EM2（孤立的草地沼泽）和CA-EM3（恢复的沼泽）分别代表了不同的湿地类型，而ORG（有机农田）和CON（传统农田）则作为对照。研究发现，CA-EM1由于其高比例的开放水域，提供了最强的降温效果，而CA-EM2和CA-EM3的降温能力则相对较弱。这些差异与湿地的表面特性、能量通量分布以及植被结构密切相关。

### 研究方法与数据来源

为了准确评估湿地的降温能力，研究团队采用了涡度相关技术，这是一种广泛用于测量地表与大气之间能量和物质交换的工具。在湿地站点，安装了三维超声波风速仪和开放路径二氧化碳/水红外气体分析仪（IRGA），用于测量风速、风向、二氧化碳和水蒸气的通量。在农田站点，同样使用了类似的设备，但安装高度和测量频率略有不同。数据收集的时间跨度为三年，涵盖了不同的气候条件和季节变化。此外，研究还结合了气象数据，包括短波和长波辐射、空气温度、相对湿度、降水量、土壤温度和水位深度，以全面分析湿地和农田之间的能量平衡和降温机制。

### 湿地降温的驱动因素

湿地降温能力的强弱受到多种生物物理因素的影响。例如，较高的蒸发通量（EF）和较低的感热通量（H）是湿地降温的主要驱动因素。EF反映了地表水分蒸发与蒸腾的效率，而H则表示地表向大气释放的热量。在研究中，CA-EM1的EF较高，而H较低，这导致了其较强的降温能力。相比之下，CA-EM2的H较高，尽管EF也较高，但其降温效果不如CA-EM1显著。此外，湿地的表面导热性（G_sfc）和空气动力导热性（G_aero）也对降温能力产生影响。较高的G_sfc和G_aero意味着更多的能量可以通过地表和空气传输，从而降低地表温度。

### 湿地对区域气候的影响

研究还发现，湿地的降温能力在不同季节和不同气候条件下存在显著变化。例如，在生长季的白天，湿地的降温效果最为明显，而在夜间，湿地与农田之间的温度差异则相对较小。此外，湿地的降温能力在高温日尤为突出，这可能对缓解极端气候事件（如热浪）产生积极影响。在PPR区域，由于夏季高温和降水较少，湿地的排水可能导致更干燥和炎热的环境，从而增加热应激的风险。因此，保护和恢复湿地对于维持区域气候的稳定性具有重要意义。

### 湿地保护与恢复的生态价值

湿地不仅是重要的碳汇，还在调节局部和区域气候方面发挥着关键作用。然而，随着农业活动的扩张和气候变化的影响，许多湿地正在面临威胁。湿地的排水不仅会导致大量二氧化碳排放，还会削弱其气候调节能力。因此，湿地保护和恢复成为应对气候变化的重要策略之一。本研究的结果表明，湿地的降温能力与其生物物理特性密切相关，保护和恢复湿地可以有效减少局部高温，提高农业生产的气候适应能力。

### 研究的意义与未来方向

本研究的结果为湿地保护和管理提供了科学依据，强调了湿地在自然气候解决方案中的重要性。通过了解湿地降温机制，可以更好地制定农业政策和湿地恢复策略，以应对未来的气候变化。未来的研究可以进一步结合遥感数据，如地表温度（LST）、反照率和蒸腾作用，以评估湿地降温模式的空间异质性及其与周围土地覆盖的对比。此外，研究还可以探讨湿地降温与其他生态系统服务之间的权衡，例如碳封存和温室气体排放，以确保湿地保护和恢复能够同时支持气候缓解和更广泛的生态目标。

### 结论

综上所述，PPR区域的湿地在调节局部和区域气候方面具有显著的降温能力。研究发现，湿地在白天能够有效降低气温，特别是在高温日，其降温效果更加明显。湿地的降温能力受到其生物物理特性和能量通量分布的影响，包括开放水域的比例、植被类型和导热性。这些结果突显了湿地在自然气候调节中的重要性，并表明湿地保护和恢复对于提高PPR区域的气候适应能力具有重要意义。未来的研究应进一步整合温室气体通量、水质和深度等信息，以更全面地评估湿地保护对气候调节的区域和全球影响。