空间异质性与植被演替对废弃泥炭开采区碳平衡的影响机制研究

《Agricultural and Forest Meteorology》：Carbon balance in an abandoned peat extraction area influenced by spatial heterogeneity and vegetation development

本研究针对废弃泥炭开采区温室气体通量时空异质性强的科学问题，通过整合涡度相关(EC)技术与密闭箱式测量法，系统评估了爱沙尼亚Lavassaare地区十年弃耕泥炭地的碳收支动态。研究发现该区域仍表现为净碳源（2023年CO2排放84±129 g C m-2 y-1），揭示植被类型（芦苇主导区CH4通量最高达10.77 nmol m-2 s-1）与土壤水文条件是驱动温室气体排放的关键因子，为退化泥炭地生态修复提供多尺度观测依据。

　　

在应对气候变化的全球行动中，泥炭地作为最重要的陆地碳库之一，其碳储存功能备受关注。这些仅占全球陆地面积3%的生态系统，却储存着约30%的土壤碳，堪称地球的"碳保险库"。然而，人类活动特别是泥炭开采，已经使大量天然泥炭地退化为温室气体的排放源。爱沙尼亚作为北欧泥炭资源丰富的国家，拥有大量废弃泥炭开采区，这些区域在停止开采后的碳循环动态成为科学家们关注的焦点。Lavassaare地区就是这样一个典型代表，经过数十年开采后弃置十年，其生态系统正处于关键的恢复阶段。理解这类区域的温室气体通量变化规律，对于制定科学的生态恢复策略至关重要。

为了深入探究废弃泥炭开采区的碳循环机制，由塔尔图大学Kadir Yildiz领衔的研究团队开展了一项为期两年（2023-2024年）的综合观测研究，相关成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。研究团队创新性地结合了涡度相关(EC)技术与密闭箱式测量法，从生态系统尺度和微生境尺度同时监测CO₂、CH₄和N₂O通量，并采用互信息(MI)分析等先进统计方法解析环境驱动因子。

本研究采用涡度相关系统进行连续温室气体通量监测，配备LI-7500DS CO₂/H₂O分析仪和LI-7700 CH₄分析仪，结合35个采样点的密闭箱式测量捕获空间异质性。通过互信息分析评估环境变量与通量的非线性关系，利用Kruskal-Wallis和Dunn检验进行统计比较，并基于IPCC AR5指南计算全球增温潜势(GWP)。

3.1 涡度相关通量测量

通过连续两年监测发现，研究区表现为净碳源，但存在明显年际差异。2023年CO₂排放量为84±129 g C m^-2 y^-1，而2024年降至19±53.2 g C m^-2 y^-1。CH₄排放则呈现相反趋势，从2023年的1.28±0.64 g C m^-2 y^-1增加至2024年的1.94±0.69 g C m^-2 y^-1。季节动态分析显示，夏季植被光合作用使生态系统表现为碳汇，而冬季则转为显著碳源。

3.1.1 互信息分析

互信息分析揭示了不同温室气体的控制因子差异：净生态系统交换(NEE)主要受显热通量(H)和净辐射(NETRAD)驱动（MI得分0.65-0.85），表明光合作用是CO₂交换的主控因素；而CH₄通量与土壤含水量(SWC)和温度(TA/TS)关联最强（MI得分0.31-0.43），反映微生物过程对甲烷产生的控制作用。

3.2 密闭箱式测量

植被类型对通量空间分异产生显著影响。芦苇(Phragmites australis)主导区CH₄排放最高（中值10.77 nmol m^-2 s^-1），得益于其发达的通气组织促进甲烷传输；垂枝桦(Betula pendula)区表现为最强碳汇（NEE均值-0.61 μmol m^-2 s^-1）；松树(Pinus sylvestris)区N₂O通量最低（0.05 nmol m^-2 s^-1）。相关分析证实CH₄通量与土壤含水量呈正相关（ρ=0.39），与泥炭深度负相关（ρ=-0.36）。

3.3 全球增温潜势

GWP评估显示，2023年总温室气体排放为119.84 g CO₂eq m^-2 y^-1（GWP-28），2024年包括N₂O贡献后为64.42 g CO₂eq m^-2 y^-1。尽管CH₄和N₂O排放量较低，但其高增温潜势对总温室效应贡献显著。

本研究通过多尺度观测证实，废弃泥炭开采区在弃置十年后仍为净碳源，但已显现碳汇功能恢复的迹象。植被演替通过改变基质特性和微生物环境驱动通量空间异质性，其中芦苇群落是甲烷排放热点，而木本植物群落则促进碳固定。方法论比较强调涡度相关与箱式测量的互补价值：前者提供生态系统整合信号，后者解析微生境变异。互信息分析创新性地揭示不同温室气体对环境因子的响应差异，为预测气候变化下泥炭地碳循环响应提供新视角。研究结果指出，通过水文管理促进木本植被恢复可能加速该区域向碳汇的转化，为退化泥炭地恢复提供重要科学依据。