基于Sentinel 1雷达反演的泥炭地水位与温室气体平衡监测、报告与验证（MRV）研究

《Sustainable Environment》：Monitoring, reporting and verification of peatland water table and greenhouse gas balance using Sentinel 1 radar

　　

泥炭地温室气体（GHG）排放的全球重要性已获广泛认知，这促使对泥炭地恢复的投资日益增加。然而，缺乏稳健且经济可行的测量、报告与验证（MRV）方法以在大尺度上报告恢复成效，已成为制约更广泛投资的障碍。本研究展示了一种基于Sentinel 1雷达后向散射数据的新型MRV解决方案，该方案能够提供高精度的地下水位（WTD）深度估算。该方法能够正确识别周期性淹水区域，并在一个400公顷的隆起泥炭沼泽复合体中估算0–20 cm范围内的地下水位深度。将卫星反演的地下水位预测与已发表的关于地下水位与CO₂及CH₄通量之间的关系相结合，模型模拟的碳吸收量为2.9–3.2 t CO₂ ha^?1 yr^?1，而实测碳吸收量为1.8–3.5 t CO₂ ha^?1 yr^?1。随着方法的进一步发展，该方法有望促进更精细化的泥炭地恢复、MRV和温室气体排放报告。

**泥炭地温室气体监测与碳汇评估：基于Sentinel 1雷达的MRV方法研究解读**

**一、研究背景与问题**

泥炭地是陆地生物圈中最大的碳库之一，也是长期碳汇的重要载体。然而，人类活动导致的排水加速了泥炭的有氧分解，使许多泥炭地从碳汇转变为碳源。地下水位深度（WTD）是判断泥炭地碳源/汇属性的关键预测因子。尽管泥炭地恢复的资助不断增加，但当前英国泥炭地恢复成效的评估主要依赖于恢复行动完成情况（如堵塞沟渠长度、清除灌丛面积），缺乏对植被覆盖、地下水位变化等条件的长期监测，也缺乏对温室气体（GHG）通量的直接观测。政府间气候变化专门委员会（IPCC）2013年《湿地补充》中提出的Tier 1排放报告方法基于宽泛土地利用类别的分类框架，虽适用于国家层面的基线报告，但无法捕捉同类土地内部管理干预（如减少农业泥炭地排水深度、恢复退化半自然区域水文功能）引起的排放变化，这限制了其在单个生态恢复项目或碳抵消计划等小尺度应用中的效用。造成这一困境的部分原因在于缺乏低成本、空间覆盖全面的数据来定期记录恢复相关时间尺度上的泥炭地状态变量。因此，亟需可靠且低成本的测量、报告与验证（MRV）解决方案，以量化恢复后的预期碳效益，从而推动投资。

直接测量泥炭地碳储量变化实际上是不可能的，因为现有泥炭碳库规模巨大且存在内在异质性；而直接测量地表与大气间的GHG通量因成本和可达性限制仅局限于少数地点。因此，大多数MRV方法采用IPCC开发的分类方法，基于土地利用及其变化、半自然泥炭区域的植被群落、裸露泥炭范围等间接代理指标。这些分类方法构成了英国泥炭地准则和德国温室气体排放场地类型（GEST）方法的基础。迄今为止，尚未有大规模方法直接或间接利用地下水位深度测量来预测排放。卫星遥感是推进泥炭地恢复大尺度、长期MRV的研究方向之一。高分辨率光谱、高光谱和合成孔径雷达（SAR）卫星的日益增多，以及支持快速提取和分析大区域数据平台的出现，使得泥炭地恢复的大尺度遥感监测成为可能。光学遥感数据已被用于泥炭地植被分类和地下水位反演，但光学数据通常受到泥炭地多云天气、植被光学特性物候变化以及光照角度季节性变化的限制。

**二、研究目的与内容**

本研究旨在基于Sentinel 1 SAR数据，建立一种简单、基于经验方法的泥炭地场地尺度地下水位监测方法，并将其与水位-温室气体排放经验函数相结合，生成研究区域的高分辨率温室气体排放分布图和年度总平衡核算。研究以威尔士最大的隆起泥炭沼泽复合体Cors Caron国家自然保护区为示范区，验证该方法在复杂、异质且经过历史改造的泥炭地上的有效性。

**三、主要技术方法**

研究人员收集了2018–2022年Cors Caron地区Sentinel-1高分辨率Level-1地面探测（GRD）影像（10 m分辨率），经辐射定标和地形校正后，计算每月VV和VH极化的中值后向散射值（区分升轨和降轨）。水位数据来自2019–2021年间在区内安装的28个连续记录测压管，使用Solinst水位记录仪提供逐小时压力数据并转换为水位深度。利用NextMap英国5 m数字高程模型（DEM）提取各测压管位置的高程并计算坡度。使用威尔士统一泥炭图估算监测点到泥炭体边缘的距离。采用随机森林（RF）机器学习方法，以VV/VH后向散射、高程、坡度、距泥炭边缘距离及月份为解释变量，地下水位深度为响应变量，建立回归模型。数据按70%标定/30%验证进行分块划分以减少空间-时间自相关影响。模型输出应用于全区10 m网格，利用Evans等人（2021）建立的年均水位与GHG通量关系模拟CO₂（以净生态系统生产力NEP表示）和CH₄通量，并限制在已发表数据的WTD范围内以避免外推不确定性。

**四、研究结果**

**时间序列**：初步线性回归评估显示下降轨道的后向散射与水位关系更密切，后续分析均采用下降轨道的VV和VH极化数据。随机森林模型解释了水位数据集56%的方差。各变量中，坡度、距泥炭边缘距离和高程的RMSE最高，表明环境变量在回归分析中具有重要影响；而VV极化（band 1）的变量重要性最高，其后依次为VH极化、距泥炭边缘距离、高程和坡度。袋外（OOB）交叉验证的RMSE为0.067，R2为0.56；独立验证子集的R2为0.52。模型能够准确预测水位波动，直至水位降至泥炭表面以下超过20 cm。模型成功重现了所有测点的水位时间变化趋势，包括水位升至地表以上、处于地表以及降至地表以下约20 cm的情况。研究期间所有测点均未出现长期低于地表40 cm的水位下降，最深的年均水位为28 cm（位于东北沼泽体边缘）。在沼泽体尺度上，模型模拟的平均水位与整个观测期实测平均值高度吻合，但模拟数据的标准差均小于实测值。

**年均水位与GHG通量的空间变化预测**：2021年模拟水位显示，三个泥炭穹丘的水位在环绕每个穹丘肩部的环形区域最深，大致对应19世纪至20世纪初家庭泥炭切割向内部延伸形成的陡坡区域。相对未受人类活动破坏的中心区域水位更接近地表。西沼泽作为最大的残留穹丘，总体上比东北和东南沼泽体更湿润。因泥炭切割或河流侵蚀与洪水导致地表降低的区域是最湿润的部分，年均水位达到或高于泥炭表面。

**温室气体通量模拟**：基于水位模拟GHG通量，大部分区域被预测为CO₂汇，但最干燥区域被预测为CO₂源。西沼泽的模拟CO₂固定量（2.9–3.2 t CO₂ ha^?1 yr^?1）高于其他区域，与同地点涡度相关法实测的CO₂吸收率（1.8–3.5 t CO₂ ha^?1 yr^?1）一致。较陡且干燥的区域几乎无CH₄排放，相对完整的泥炭穹丘中心区域排放也较低，但泥炭地边缘的淹水区域表现出较高的模拟CH₄排放（最高达0.3 t C ha^?1 yr^?1）。2021年整个Cors Caron泥炭穹丘净固碳略超1200 t CO₂，但受历史泥炭切割影响的高水位区域使该场地成为显著净CH₄排放源，按100年GWP为28计算，年排放约1450 t CO₂当量。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，Sentinel-1后向散射数据与简单的位置指标（距泥炭穹丘边缘距离、坡度、高程）相结合，可以月度步长模拟隆起泥炭沼泽的水位时空动态，模型解释约53%的数据方差。该方法为大规模量化泥炭地GHG通量提供了遥感MRV解决方案。已有研究表明C波段SAR仅能穿透土壤表面几厘米，信号主要受地表及近地表土壤水分控制，而非水位本身。当水位降至地表以下约20 cm时，模拟与实测水位关系呈非线性趋势。研究局限包括：方法仅在近自然隆起泥炭沼泽验证，水位较浅且植被以低矮多年生物种为主；扩展到深层排水的农业泥炭地需要进一步研究。未来的工作需探究泥炭结构性质对SAR信号的影响、排水较深的泥炭地适用方法以及全国尺度推广的可行性。

结论部分：本研究分析表明，Sentinel 1 SAR后向散射数据能够为半自然隆起泥炭沼泽提供具有空间明确性的月度地下水位记录，从而可计算场地范围内的年均地下水位，并据此估算GHG通量。该方法有望通过提供相对简单且成本有效的工具来确定泥炭地恢复成效，从而变革泥炭地恢复与管理的MRV体系。随着进一步研究开发适用于英国各类泥炭地栖息地的模型，该方法有望促进更可靠的国家排放清单报告，并为推动泥炭地碳信用的私人投资提供所需的信息明确性。