《Frontiers in Environmental Science》：Satellite LiDAR reveals patterns in water table depth and flood risk in SE Asia coastal lowland and peatland plantations
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东南亚沿海低地的农业易受淹没及随之而来的作物减产影响。量化与管理洪水风险、地表沉降以及（泥炭地中的）碳排放，需要理解地下水位深度的格局及其控制因素，而目前尚无全面的数据。研究人员利用ICESat-2卫星激光雷达数据，在苏门答腊岛和婆罗洲岛的大型工业人工林中，获
东南亚沿海低地的农业易受淹没及随之而来的作物减产影响。量化与管理洪水风险、地表沉降以及（泥炭地中的）碳排放，需要理解地下水位深度的格局及其控制因素，而目前尚无全面的数据。研究人员利用ICESat-2卫星激光雷达数据，在苏门答腊岛和婆罗洲岛的大型工业人工林中，获取了15,575个运河水位低于地表深度（CWD）的测量值。CWD与地表高程之间存在显著关系，该关系在不同区域、泥炭地和矿质土壤区以及油棕和金合欢种植园中均同样适用。平均CWD在不同高程带之间呈现一致性变化，从地表高于全球平均海平面5–9 m处的油棕和金合欢种植园分别约为?0.6 m和?0.85 m（即泥炭土中约?0.5至?0.75 m），到接近平均海平面的1–3 m高程处约?0.2 m。仅1–3 m高程范围内的工业人工林面积即为984,700公顷，其洪水风险可能最高。若计入更大面积的小农种植园以及高海拔排水受阻区域，可能经常遭受洪水的低地种植园总面积或超过280万公顷。与高程的密切关系表明，种植园水位，尤其是最低洼地区的水位，往往受景观排水条件控制而非管理目标控制，因此在广大区域内未能实现兼顾产量和泥炭损失防治的最优地下水位深度。研究人员建议，在产量预测和土地利用规划以及火灾和泥炭碳排放减缓政策中，应考虑这种难以管理的、由景观高程控制的地下水位深度因素。无生产力的易涝种植园以及地下水位极低的泥炭地，可能是恢复规划中合乎逻辑的优先目标。
# 卫星激光雷达揭示东南亚沿海低地与泥炭地种植园地下水位深度及洪水风险格局
## 1. 研究背景与问题
东南亚沿海低地多由泥炭地构成，其间夹杂河流沿岸的矿质土壤区域，极易因地表沉降和海平面上升而遭受淹没和作物减产。在排水后的泥炭地中，沉降速率尤其高，并伴随高碳排放和火灾风险。当土地表面接近潮汐水位时，排水受阻，洪水变得更加频繁。尽管政策层面高度关注减少泥炭地排水强度，且已有研究量化了沉降导致的洪水风险增加，但迄今缺乏关于该区域当前实际水位状况的全面且经过验证的信息。此前利用卫星数据确定泥炭地地下水位深度的方法，多依赖光学和雷达数据间接估算土壤湿度，且主要聚焦于温带泥炭地；在热带泥炭地，仅有少数在植被覆盖有限区域取得了较好结果。在植被通常茂密的热带常见条件下，这种间接方法的实用性有限。因此，亟需一种能够直接、精确测量热带低地种植园地下水位深度的新方法。
## 2. 研究内容与意义
研究人员利用ICESat-2卫星激光雷达数据，结合已发表的运河分布和种植园边界数据集，在苏门答腊和婆罗洲沿海低地的大型工业油棕和金合欢纸浆材种植园中，通过在同一位置测量地表高程（LSE）和水面高程（WSE），确定了运河水位深度（CWD），即水位低于土壤表面的深度。该研究共获得15,575个高质量CWD测量值，主要分布在泥炭地上。研究发现CWD与地表高程之间存在显著且一致的关系：在高程较低的1–3 m区域，平均CWD仅约?0.2 m，意味接近持续淹没；而在高程较高的7–9 m区域，平均CWD可达?0.6至?0.85 m。这一关系在不同区域、土壤类型和种植园类型中均成立。研究还估算了处于最高洪水风险（1–3 m高程）的工业种植园面积为984,700公顷，若计入小农种植园和排水受阻区域，潜在频繁受淹的低地种植园总面积可能超过280万公顷。该研究首次提供了大尺度、直接测量的热带低地种植园地下水位数据，揭示了地形对水位的主导控制作用，对产量预测、土地利用规划、火灾防控和泥炭地碳减排政策具有重要参考意义。
## 3. 主要关键技术方法
研究人员使用了以下关键技术方法：
- **ICESat-2卫星激光雷达数据**：采用ATL03产品（0.7 m间隔）测定水面高程，ATL08产品（100 m间隔聚合）测定地表高程，数据垂直基准转换为EGM2008全球平均海平面。
- **运河数据**：采用Dadap等人（2021）基于2017年Planet光学卫星数据、利用卷积神经网络自动提取的运河位置数据集。
- **高程支持数据**：使用DeltaDTM v1.1.1全球沿海数字地形模型（水平分辨率约30 m）确定低地范围和高程分布。
- **种植园边界数据**：从“人工林数据库”第二版（Richter等，2024）提取大型工业油棕和金合欢种植园边界。
- **统计检验**：使用Kruskal–Wallis H检验、Dunn检验和Mann–Whitney U检验（均经Holm–Bonferroni校正）进行组间比较。
- **文献对比**：收集研究区内已发表的泥炭地种植园地下水位时间序列数据进行交叉验证。
## 4. 研究结果
### 4.1 CWD测量的分布
共筛选出15,575个高质量CWD测量值，其中64%位于泥炭地，大多数位于油棕种植园（69%）。矿质土壤上的测量主要集中在1–3 m高程带（67%）。金合欢种植园的测量分布不如油棕均匀，且婆罗洲金合欢的测量值过少，后续分析中予以剔除。
### 4.2 CWD与地表高程的关系
在所有区域中，油棕种植园的CWD随高程增加而增大（即水位更深）：泥炭地上从1–3 m高程带的?0.22 m增至7–9 m的?0.63 m；矿质土壤上相应从?0.19 m增至?0.52 m。统计检验表明，1–3 m、3–5 m和5–9 m之间的平均CWD存在显著差异，而5–7 m和7–9 m之间差异不显著。泥炭地的平均CWD显著大于矿质土壤。苏门答腊金合欢种植园的CWD模式与油棕相似，但整体约低0.20 m。
### 4.3 CWD值的频率分布
在最低的1–3 m高程带，68%的CWD值处于?0.2 – 0 m范围，表明频繁淹没；而这一比例在7–9 m高程带降至23%。反之，1–3 m高程带仅有6%的CWD值低于?0.8 m，而7–9 m高程带这一比例达40%。油棕和矿质土壤在低高程带的近地表水位比例更高。
### 4.4 平均CWD对滤波参数的敏感性
若纳入0至+0.25 m的CWD值（即水位略高于地表），总体平均值将从?0.42 m升至?0.29 m，1–3 m高程带将变为?0.13 m，这种近乎永久积水的状况与实际情况不符，因此排除高出地表的值是合理的。若放宽地表高程差阈值至1 m，总体平均值变化仅0.04 m，表明0.5 m阈值不影响主要结论。
### 4.5 卫星激光雷达CWD与实测地下水位对比
已发表的实测研究均位于高程4 m以上，平均超过8 m。在3–9 m高程带，卫星激光雷达测得的油棕平均CWD为?0.42至?0.60 m，与16个已发表记录的平均值?0.52 m接近；金合欢的?0.63至?0.87 m与文献平均值?0.71 m也基本相符。
### 4.6 工业种植园的高程分布
1–9 m高程范围内工业油棕和金合欢种植园总面积为39,693 km2，占该区域土地面积的17%。其中77.6%为油棕，22.4%为金合欢，25%（9,847 km2）位于洪水风险最高的1–3 m高程带。泥炭地上的工业种植园面积为22,926 km2，占58%。
### 4.7 运河采样的潜在偏差
补充分析表明，运河长度、密度和方向在各个高程带、种植园类型、土壤类型和区域间分布基本均匀，排除了不均匀运河分布导致CWD测量出现显著偏差的可能性。
### 4.8 CWD值和数量的年际变化
泥炭地上的CWD存在年际变化，在受厄尔尼诺影响的2019和2023年（第四季度降雨较少）出现最低值，但年际差异幅度不超过0.1 m。测量数量在时间上分布相对均匀，未发现明显的时间采样偏差。
## 5. 讨论与结论
### 5.1 讨论要点
研究揭示了CWD与地表高程之间的强关联性，这一关系在不同区域、土壤类型和种植园类型中高度一致。最低洼地区（1–3 m）的水位极浅（平均值约?0.2 m），这主要是由于缺乏足够的重力排水梯度，高水位时期无法有效向海排水。约25%的工业种植园（984,700公顷）处于该风险区间，若考虑小农种植园，潜在受淹总面积可能超过280万公顷。另一方面，5–9 m高程的泥炭地油棕种植园平均CWD为?0.6 m，符合多数管理目标但低于印尼政策目标?0.4 m；而金合欢种植园的平均CWD约?0.85 m，远低于管理目标，将导致高沉降速率、火灾风险和碳排放。油棕与金合欢之间约0.2 m的CWD差异可能与作物的耐涝性、种植园规模和基础设施管理方式有关。研究还指出，当前使用的EGM2008全球基准可能使高程系统比当地平均海平面高0.5–1 m，未来若采用当地基准，实际高程范围约为0.25–8.25 m。虽然使用的泥炭地图件较为陈旧，可能高估当前泥炭范围，但由于泥炭和矿质土壤的CWD结果相似，尤其在最低高程带，这一不确定性不影响主要结论。此外，热带泥炭的高渗透性（可达100 m d?1）保证了运河水与泥炭孔隙水之间的快速交换，因此CWD可作为地下水位深度（WTD）的合理代理指标；如需保守修正，可考虑在CWD基础上增加0.1 m。
### 5.2 研究结论
本研究证明了利用ICESat-2卫星激光雷达测定大型种植园运河水位的可行性和准确性，获得了迄今最全面的东南亚低地人工林地下水位空间数据集。研究发现，地下水位深度主要受地表高程和景观排水条件控制，而非完全由管理目标决定；大面积区域未能实现最优水位管理目标。这一发现对于洪水风险预测、土地适宜性评估和碳排放研究具有重要意义。研究人员建议，在规划和设计中应考虑这种与高程相关的水管理局限性。对于因地形限制而无法达到常规作物最优水位的区域，应优先考虑引入耐涝物种的可持续生产模式，或实施完全森林恢复；对于最高风险的低洼地区，恢复为沼泽森林（包括最接近海平面的红树林）可能比继续投资于低产出的油棕和金合欢种植园更现实且更具成本效益；而高海拔泥炭地中水位难以维持的种植园，也可优先恢复为自然森林，以支持在水源区捕获水分从而稳定下游水位的政策目标。
