在气候变化条件下，受控制的排水系统和泥炭沉降如何影响人工泥炭地的水文状况

《Agricultural Water Management》：How controlled drainage and peat subsidence affect the hydrology of cultivated peatlands under changing climatic conditions

可持续利用泥炭地面临排水加速泥炭分解的问题，控制排水（CD）通过调节地下水位影响水文过程和泥炭沉降。研究基于芬兰南部的Salo和北部的Ruukki，使用RCP4.5和RCP8.5气候情景，通过FLUSH水文模型模拟CD对地下水位、排水量及泥炭沉降的影响。结果表明：历史期CD使平均地下水位上升0.10-0.13米，减少排水量7-14%，降低泥炭沉降14-22%。未来气候变化下，CD效果总体稳定，但GFDL-AL/AR RCP8.5情景中冬季CD减排作用下降0.05-0.06米。泥炭沉降与地下水位深度呈线性关系（S=?0.0212dGWT+0.43），CD通过维持较高地下水位抑制泥炭分解，但夏季减排效果较弱。研究指出CD在非生长期（冬季）减排效果显著，而生长期需结合灌溉措施才能更有效减缓泥炭退化。

　　
### 研究背景与意义
泥炭地作为重要的碳汇和生态资源，其可持续管理对全球气候变化和农业可持续发展至关重要。然而，传统排水方式会加速泥炭分解和沉降，导致碳排放增加、地下水位下降及土地退化等问题。近年来，控制排水（Controlled Drainage, CD）作为一种适应性管理技术受到关注，其核心是通过动态调节排水系统，平衡农业生产需求与泥炭地生态保护。然而，现有研究多聚焦于单一气候条件或短时间尺度，缺乏对多情景气候变化下CD长期效能的系统评估。芬兰作为欧洲重要的泥炭农业国，其气候特征（如冬季寒冷多雪、夏季短暂湿润）对泥炭地水文管理具有特殊意义。因此，本研究以芬兰南部的Salo和北部的Ruukki为对象，结合不同排放情景（RCP4.5与RCP8.5）和气候模型（EC-Earth与GFDL），通过水文模型FLUSH模拟了未来气候变化对CD效能的影响，旨在为泥炭地可持续管理提供科学依据。

### 研究方法与模型构建
研究采用两维水文模型FLUSH，重点模拟了泥炭层厚度变化对地下水位（GWT）和排水量的影响。模型参数化参考了Salla等（2024）对Ruukki实验场的数据，包括泥炭层分层结构（厚度0.25–0.35米）、矿物土层（厚度0.4–0.5米）及排水系统设计（12米间距的管状排水和1.5米深的明沟）。气候输入数据通过欧洲和北美气候模型（EC-Earth与GFDL）生成，结合区域气候模型（HARMONIE-CLIM）降尺度至小时分辨率，并采用量化映射方法消除模型偏差。研究重点包括：
1. **气候变化情景**：对比RCP4.5（中等排放）与RCP8.5（高排放）下，2041–2060年近未来及2081–2100年远未来的气温、降水变化。
2. **水文响应分析**：评估CD对GWT深度、排水量及泥炭沉降的影响，尤其是季节差异和区域差异。
3. **泥炭沉降模拟**：基于观测数据建立的线性关系（S=?0.0212×dGWT+0.43），将沉降速率与GWT深度直接关联，并模拟不同排水情景下的长期泥炭层厚度变化。

### 关键研究发现
#### 1. 气候变化对水文的影响
- **气温与降水**：未来冬季气温显著升高（Salo增加1.8–4.0°C，Ruukki增加2.0–4.0°C），降水整体增加，但季节分布不均。Salo地区降水增幅更大（近未来14–167毫米/年），而Ruukki在RCP8.5情景下夏季降水减少，冬季增加。
- **GWT深度变化**：传统排水（ND）下，近未来GWT平均深度在Salo减少0.08米，Ruukki减少0.04米；远未来则进一步加深（Salo?0.10米，Ruukki?0.13米）。CD通过调节排水深度，可在历史及未来情景下提升GWT深度（Salo提升0.10–0.11米，Ruukki提升0.12–0.13米），但未来效能受气候模型差异影响显著。例如，GFDL-AR RCP8.5情景下，Salo的CD效果冬季下降0.05米，而Ruukki夏季GWT深度因温度升高导致CD效果减弱。

#### 2. 控制排水（CD）的效能分析
- **GWT调节**：CD在历史情景下显著提升GWT深度（Salo 0.10米，Ruukki 0.12米），其中夏季效果尤为突出（Salo夏季提升0.06–0.07米，Ruukki提升0.07–0.09米）。但未来情景中，CD对GWT的调节效果趋于稳定，部分模型（如ECE-AL RCP4.5）甚至出现效能下降。
- **排水量减少**：历史情景下CD使Salo年排水量减少32–37毫米，Ruukki减少14–19毫米，降幅达7–14%。未来情景中，GFDL-AR RCP8.5模型下Salo冬季排水量减少幅度扩大至6.6毫米/月，而Ruukki夏季因降水减少导致排水量回升。
- **泥炭沉降抑制**：CD使泥炭沉降速率降低14–22%，尤其在Ruukki地区效果更显著（历史沉降率0.195米/年，CD下降至0.152米/年）。但泥炭层厚度减少会加剧沉降对GWT的负面影响，需结合灌溉技术进一步优化。

#### 3. 区域差异与不确定性
- **Salo（南部）与Ruukki（北部）对比**：Salo冬季排水控制效果更显著，而Ruukki受雪融水影响更大，导致CD效能在夏季波动更剧烈。
- **模型不确定性**：气候模型（GCM）与区域模型（RCM）的组合差异导致水文响应预测存在显著偏差。例如，GFDL模型下近未来Salo夏季GWT深度下降0.07米，而EC-Earth模型下Ruukki夏季GWT深度上升0.10米。
- **泥炭分解机制**：研究指出，GWT深度与泥炭分解呈强相关性（历史数据r2=0.15–0.19），但非线性关系（如深度>30厘米时分解速率趋缓）提示需更精细化模型参数。

### 讨论与挑战
#### 1. CD效能的时空异质性
- **季节性差异**：CD在冬季和秋季效果更明显（如Salo冬季GWT深度提升0.04米），而夏季因蒸发需求，调节难度增加。
- **未来气候适应**：尽管RCP8.5情景下冬季气温升高可能削弱CD效能（如Salo冬季效果下降0.05米），但RCP4.5情景中Ruukki的CD效果仍保持稳定。
- **泥炭层动态反馈**：泥炭沉降导致GWT深度增加，但沉降本身会改变土壤渗透性，需在模型中纳入动态参数调整。

#### 2. 管理策略优化建议
- **季节性调控**：冬季需强化CD控制以应对升温，而夏季需结合灌溉维持GWT深度。例如，Ruukki地区可通过缩短CD开启周期（如从冬季中旬延长至下旬）补偿未来降水波动。
- **多技术协同**：CD与灌溉结合可显著提升效能。历史数据表明，灌溉可额外降低夏季GWT深度达0.1米，减少泥炭分解30%以上（Boonman等，2022）。
- **区域适应性方案**：南部地区（Salo）以冬季排水控制为主，北部（Ruukki）需兼顾夏季降排水与雪融水管理。

#### 3. 研究局限性
- **模型简化**：FLUSH模型未完全考虑泥炭层内部孔隙结构变化及微生物活性差异，可能导致沉降速率预测偏差。
- **气候情景不确定性**：未来降水变化存在区域差异（如Salo增加，Ruukki波动），需结合更多 ensemble 模型验证。
- **观测数据不足**：泥炭沉降直接观测数据缺乏，依赖线性方程可能高估CD的长期效果。

### 结论与启示
1. **CD的核心价值**：在当前及未来气候下，CD可有效稳定GWT深度（降幅7–14%），减少泥炭沉降（降幅14–22%），但对极端气候（如RCP8.5下的暴雨）的适应性需加强。
2. **未来管理方向**：
- **动态调控**：根据季节调整CD开启时间，冬季延长控制期以应对升温。
- **多技术集成**：CD与灌溉结合可最大化效能，尤其在夏季蒸发旺盛期。
- **区域差异化策略**：南部以冬季排水控制为主，北部需加强夏季降排水管理。
3. **政策意义**：研究结果支持芬兰政府将CD列为泥炭地可持续管理的关键措施，并建议纳入气候情景评估框架，以制定弹性政策。

### 总结
本研究通过多模型、多情景对比，揭示了控制排水在应对气候变化中的双重作用：短期可有效抑制泥炭分解，但长期需结合灌溉与区域适应性管理。未来研究应聚焦于动态调控模型的开发及泥炭层结构参数的精细化反演，以提升管理的精准性和可持续性。该成果为欧洲泥炭地保护提供了可操作的技术路径，也为全球高纬度地区农业水文管理策略的制定提供了参考。