《Global Change Biology》：Tree Harvest Decisions Modulate the Climate Impact of Rewetting in a Low-Productive Peatland Forest in Boreal Sweden
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过去一个世纪以来，北方泥炭地大面积排水用于林业生产。如今，对其作为重要温室气体（GHG）排放源的关注激发了泥炭地恢复湿润（rewetting）作为气候缓解策略的日益增长的兴趣。然而，关于恢复湿润对生态系统碳（C）和GHG平衡影响的实证证据仍然有限，尤其对于矿质
过去一个世纪以来，北方泥炭地大面积排水用于林业生产。如今，对其作为重要温室气体（GHG）排放源的关注激发了泥炭地恢复湿润（rewetting）作为气候缓解策略的日益增长的兴趣。然而，关于恢复湿润对生态系统碳（C）和GHG平衡影响的实证证据仍然有限，尤其对于矿质养分型北方泥炭林而言。恢复湿润还涉及树木采伐决策，这可能对碳循环产生重要但研究不足的影响。在本研究中，研究人员量化了树木生长，并估算了瑞典北方低产矿质养分型泥炭林在恢复湿润前（2019–2020年）和后（2021–2022年）共2年间泥炭地区域及排水沟渠的二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）通量。研究人员还通过在采伐区和非采伐区之间进行比较，评估了恢复湿润期间树木移除的影响。结果表明，该泥炭林在排水年份平均处于生态系统尺度的碳中性状态。恢复湿润后，采伐区变为碳源（79 g C m?2 year?1），而有林区则表现为小型碳汇（?24 g C m?2 year?1），这种差异源于净CO?交换的不同响应。此外，恢复湿润后CH?排放量翻倍，导致在20年和100年时间尺度上总GHG排放（以CO?当量表示）增加2至3倍。排水期间，沟渠作为显著的CO?汇和中等CH?源，但在被填充后变为CO?中性和CH?排放热点。综上所述，研究发现对低产北方泥炭林进行恢复湿润可能产生负面短期气候影响；然而，不采伐树木的恢复湿润显著改善了生态系统碳和GHG平衡。该研究强调了采伐决策的重要性，以及对恢复湿润作为气候缓解策略需要更深入理解的必要性。
北方泥炭地是全球重要的碳储存库，通过其与大气之间两种最重要温室气体即二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的交换影响气候。然而，过去一个世纪以来，大面积自然泥炭地被排水以促进木材和作物生产。如今，这些排水区域可能成为相当大的GHG排放源，这促使人们迅速关注旨在通过恢复湿润退化泥炭地生态系统来缓解GHG排放的计划。尽管兴趣日益浓厚，但目前仍缺乏对恢复湿润短长期效应及其相关GHG平衡的详细理解，因此建立实证知识基础对于支持和指导通过排水泥炭地恢复湿润进行气候变化缓解的策略至关重要。
当前，评估排水泥炭地恢复湿润气候效益主要依赖于政府间气候变化专门委员会（IPCC）开发的排放因子（EFs），并随后由Wilson等（2016）进行了完善。然而，当时恢复湿润泥炭地的实证数据有限，EFs主要来源于自然泥炭地的数据，假设其碳循环具有相似性。鉴于自然泥炭地通常作为碳汇，基于EF的评估（如政策环境中使用的评估）往往预测恢复湿润能带来即时气候效益，暗示恢复湿润第一年内即可实现从碳源到碳汇的快速转变。但自然泥炭地与恢复湿润泥炭地在功能上（水文、地球化学和植被）的差异可能持续至少三十年。来自恢复湿润温带草地和北方泥炭开采区的研究表明，碳汇的建立可能延迟数年。有趣的是，近期报道显示一处恢复湿润北方泥炭地在恢复湿润后前3年仍保持净碳和GHG源状态。尽管已有这些发现，直接比较恢复湿润前后GHG平衡的研究仍然稀少，特别是对于一百多年前为林业而排水的北方矿质养分型泥炭地。
恢复湿润泥炭林作为气候缓解策略的主要目标是通过提高地下水位和创造厌氧条件来减少泥炭分解及其相关CO?排放。然而，减少土壤CO?排放带来的气候效益可能被增加的CH?排放所抵消，因为恢复湿润建立的厌氧条件会促进CH?排放。特别是，排水沟渠在被堵塞后被认为可能成为CH?排放热点，其排放速率可比周围泥炭地区域高一个数量级。考虑到CH?的全球变暖潜势（GWP）在20年和100年时间尺度上分别约为CO?的80倍和27倍，在考虑两种气体的辐射强迫动态后，可能需要数十年才能实现净气候效益（即冷却效应）。因此，需要详细了解特定场地条件下减少CO?与增加CH?排放之间的权衡，以充分开发和评估旨在气候变化缓解的恢复湿润策略。
当恢复湿润排水森林泥炭地时，一个关键管理决策是在恢复湿润前是否采伐和移除现有树木（即恢复为开阔无树的泥炭地），还是保留立木（即恢复为有树的泥炭地）。一方面，树木采伐可能为土地所有者创造经济收益，并通过蒸腾作用减少水分损失，后者有助于恢复湿润过程。此外，采伐木材可通过替代工业部门的化石燃料排放来提供气候效益。另一方面，采伐的经济价值可能有限，特别是对于北方地区的低产林分。在这种情况下，保留林分以继续进行木材生产，以及恢复湿润后相关的碳固存和潜在生物多样性效益，可能是更可行的策略。鉴于林层提供的碳吸收，采伐或保留树木的决策可能对恢复湿润在生态系统尺度碳和GHG平衡上的影响具有潜在意义。额外的 不确定性来自对恢复湿润后树木生长响应认识的缺乏，其范围可能从持续生长到逐渐或即时死亡。因此，林分管理对恢复湿润短期和长期气候影响的后果仍不确定。
在本研究中，研究人员结合基于箱式法的CO?和CH?通量测量（来自泥炭地区域和排水沟渠）与树木生长分析，以评估恢复湿润对瑞典北部低产北方森林泥炭地生态系统碳和GHG平衡的初始效应。测量在恢复湿润前2年（2019–2020年）和后2年（2021–2022年）进行。主要目标是：（i）确定恢复湿润对生态系统碳和GHG平衡各组分（即土壤、树木、地面植被和沟渠的CO?和CH?通量）的影响；（ii）探索恢复湿润期间树木采伐对整体生态系统碳和GHG平衡的影响。
研究地点位于瑞典北部韦斯特博滕县的Trollberget实验区（TEA），地处大陆性副北极气候区（Dfc），1991–2020年平均气温和降水量分别为3.0°C和635 mm。该地点原为矿质养分型、贫营养泥炭地，具有泥炭沼泽洼地特征，约1910年排水。排水后，有林区域发育为以苏格兰松为主的低产泥炭林。2020年11月，研究人员使用20吨履带式挖掘机按照常规权威定义的方法进行了恢复湿润，包括移除稀疏树木覆盖并用现场泥炭和采伐木材填充约90%面积的沟渠。一小部分（约10%）最初保留作为对照，但因侧向地下水流入导致水位升高，最终纳入恢复湿润处理。
实验设计包括两个处理：采伐处理（H），树木作为恢复湿润活动的一部分被移除；有林处理（T），树木保留。研究人员在每次处理区建立了两条平行木板路样带，垂直于主沟渠，向沟渠南北各延伸50 m。在两侧，距沟渠5、25和50 m处建立采样位置，每个处理区共12个位置。在每个位置，采用配对设置测量植被覆盖林地和裸泥炭（无植被）表面的通量。使用闭路动态箱法在生长季每两周测量一次CO?和CH?通量。CO?和CH?浓度使用便携式气体浓度分析仪（GasScouter G4301；Picarro Inc.）测量。森林地面净CO?交换（NEff）和CH?交换（CH?ff）在自然样地测量，随后用不透明防水布覆盖箱体测量森林地面呼吸（Rff）。植被移除样地的异养呼吸（RHs）使用相同设置测量。森林地面植被总初级生产力（GPPff）由NEff与Rff之差得出，净初级生产力（NPPff）假设碳利用效率（CUE）为0.5计算。
沟渠CO?和CH?通量于2020–2022年生长季每两周测量。在某些位置使用较大的箱体（50 cm高，100 L体积）。湿润期使用聚乙烯泡沫环使箱体浮于水面进行测量。树木净初级生产力（NPPt）估算为地上和粗根（直径>1 cm）生物量生产、细根（直径≤2 mm）生物量生产和落叶生产的总和。使用生长锥采集增量芯，通过WinDENDRO和CooRecorder测量年轮宽度，重建树木年际胸径变化。细根生产使用北方泥炭林经验模型估算。
气象、土壤环境和植被测量包括在每次通量采样期间记录空气温度（Ta）、光合有效辐射（PAR）、土壤温度（Ts）和地下水位（WTL）。自动水位记录仪和温度记录仪分别于2019年10月和8月安装，获取连续数据。由于缺乏部分前期现场数据，研究人员使用了附近ICOS站点（SE-Svb森林站点和SE-Deg泥炭地站点）的半小时分辨率数据进行替代，并与现场数据建立相关关系以重建连续时间序列。
年度生态系统碳平衡由泥炭地区域和其沟渠的净生态系统CO?交换（NEE）和CH?交换总和计算。对于泥炭地区域，年度净CO?交换（NEp）为NPP（NPPt与NPPff之和）与总异养呼吸（RH；包括土壤异养呼吸RHs、枝条落叶碎屑呼吸RHb和根系树桩呼吸RHr）之差。沟渠年度净CO?交换（NEd）为沟渠总初级生产力（GPPd）与呼吸（Rd）之差。使用半经验模型将手动箱式测量外推至年度尺度。土壤异养呼吸使用Lloyd和Taylor（1994）指数模型，基于5 cm深度土壤温度预测。GPPff基于PAR和植被发育（使用绿度指数gcc）的双曲线函数建模。CH?通量基于土壤温度和WTL的半经验模型外推。
研究结果表明，在排水年份，生态系统平均接近碳中性。恢复湿润后，采伐处理变为碳源（79 g C m?2 year?1），而有林处理保持为小型碳汇（?24 g C m?2 year?1），这种差异主要由净CO?交换的不同响应驱动。CH?排放量在恢复湿润后翻倍，导致在20年和100年时间尺度上总GHG排放增加2至3倍。沟渠在排水期间作为显著的CO?汇和中等CH?源，但在填充后变为CO?中性和CH?排放热点。
1 恢复湿润前低产北方泥炭林生态系统碳平衡
本研究提供了基于恢复湿润前后原位观测的详细评估，主要结果表明排水条件下生态系统平均为碳中性，而恢复湿润后采伐处理成为净碳源，非采伐（有林）处理仍为净碳汇。这与默认EFs暗示的即时气候效益形成对比。附近营养较贫乏但立木生物量高约10倍的泥炭林在2020–2022年间表现出相当的净CO?吸收（135 g C m?2 year?1）。在本研究地点，土壤C通过RHs的损失可能超过了树木凋落物、地面植被凋落物（即使假设NPPff的100%为凋落物输入）和根系凋落物输入的总和，表明泥炭层存在净碳损失。此外，尽管其他排水更深的泥炭林被报道为CH?汇，研究人员即使在排水年份也观察到年CH?排放，这可能归因于相对较高的平均WTL（?26 cm），进一步增加了土壤的净GHG排放。
研究人员基于箱式法的年NEE估算值（采伐处理2021年和2022年分别为87和53 g C m?2 year?1）与同期平行涡度相关（EC）测量结果（分别为103和46 g C m?2 year?1）（Tong等2025，本研究同期成果）吻合良好。然而，箱式法CH?排放估算值（约10 g C m?2 year?1）比EC估算值（2021年和2022年分别为3.1和5.2 g C m?2 year?1）高2至3倍，这可能源于研究区域东部较高的植被生产和相关产甲烷菌底物供应。
2 恢复湿润对年碳平衡组分的初始效应
森林地面植被是该低产矿质养分型泥炭林年生态系统碳输入的主要贡献者。值得注意的是，年生产力在排水和恢复湿润条件下相似，表明恢复湿润对其无显著短期影响。这与附近（约30 km）排水泥炭林的研究结果一致，该研究报道林下层植被生产力是调节不同疏密度有林泥炭林年GPP和NEE差异的主要因素。这些发现强调了在评估排水和恢复湿润泥炭林碳平衡时考虑林下层植被动态的必要性。
研究结果还提供了关于恢复湿润后树木生长响应的新见解。与假设相反，研究人员观察到非采伐处理区树木生产力在恢复湿润后适度增加（约18%）。这可能部分归因于恢复湿润缓解了季节性WTL最低值（排水条件下可达?70 cm），从而减轻了干旱胁迫。另一种可能是2019和2020年异常温暖干燥条件下的生长受限。历史树木年轮记录支持后一解释（图S2）。
年土壤RH在恢复湿润后呈下降趋势，但效应量有限（约13%）且仅在第二年恢复湿润期显现。有限响应可能归因于排水条件下已存在的较高平均WTL（?26 cm）。这支持了先前研究的建议：对于排水功能逐渐下降的 poorly drained 泥炭林，相对于排水良好的（且营养丰富的）地点，恢复湿润的土壤RH缓解潜力和相关气候效益可能较小。因此，低产有林泥炭区域虽然是瑞典北方景观的主要特征，但可能不是预计未来数十年通过恢复湿润实现大量土壤减排的最优目标区域。
林下层CH?排放的增加与WTL升高导致恢复湿润后CH?显著增加的既定认识一致。考虑到气体特定GWP，CH?排放是恢复湿润后初始变暖气候影响的主要驱动因素。因此，从评估恢复湿润完整气候影响及其对2045年净零排放气候目标的贡献潜力来看，充分理解恢复湿润对CH?排放的后果及其对减少土壤CO?排放效益的抵消作用至关重要。
沟渠CO?和CH?通量对生态系统尺度碳和GHG平衡具有相当大的贡献。排水条件下，广泛植被生长的未维护沟渠的面积加权净CO?吸收超过了泥炭地区域的净CO?损失，使生态系统尺度NEE接近碳中性。值得注意的是，这种显著的CO?吸收可能是 poorly maintained 并随后被植被侵入的沟渠的独特特征，与通常作为CO?源的 well-maintained 排水网络不同。沟渠CH?通量对总生态系统CH?排放的约15%贡献进一步突显了在估算排水泥炭林总碳和GHG平衡时考虑沟渠通量的必要性。恢复湿润后，沟渠填充第一年的植被移除和土壤干扰使其转变为显著CO?源，但到第二年恢复为净CO?汇，达到填充前水平的约35%，暗示干扰效应可能是暂时的。然而，第二年CH?排放的显著增加令人担忧，快速定植的羊胡子草（Eriophorum vaginatum）可能是主要原因，该物种已知可促进CH?从厌氧泥炭层向大气传输。
3 替代性树木采伐管理调控恢复湿润的气候影响
据研究人员所知，本研究首次提供了树木采伐决策显著影响泥炭地恢复湿润初始气候影响的实证原位证据。保留现有林层对生态系统碳汇和GHG平衡具有即时效益，持续的树木CO?吸收结合避免的采伐残留物呼吸，显著减少了恢复湿润初始年的GHG排放。然而，采伐处理中较大的碳和GHG排放部分归因于采伐后腐烂根系和现场残留碎屑的异养呼吸增加。鉴于本研究地点为低产泥炭林，采伐相关效应在更高产的泥炭林中可能更为显著。
与CO?平衡效应相反，在本研究低产地点，树木采伐并未显著调控恢复湿润的CH?排放响应。但在更高产的泥炭林中，保留林层可能维持较高的蒸腾速率，潜在降低WTL从而减少CH?排放率。考虑到CH?相对于CO?在20年时间尺度上81倍的GWP，详细理解采伐相关CH?排放变化对于准确评估恢复湿润泥炭林气候影响至关重要。
虽然本研究的核算边界限于生态系统尺度，但认识到采伐决策对恢复湿润气候影响还包括替代化石燃料基材料的减排效应和木材产品中采伐生物量的长期碳储存效应。这些替代和储存效应在高产泥炭林恢复湿润背景下可能日益重要。此外，树木采伐可通过生物物理效应影响局部和区域气候，包括地表粗糙度、反照率（太阳辐射能量反射）、感热和潜热通量分配以及二次有机化合物排放的变化。因此，需要整体性方法以全面理解替代性泥炭地恢复湿润策略的净气候影响。
概而言之，本研究结果为低产北方泥炭林恢复湿润的气候效应提供了重要的实证基础，强调树木采伐决策在塑造恢复湿润初始气候影响中的关键作用，并为改进泥炭地恢复湿润策略的气候效益评估提供了科学依据。
