低地泥炭地重新湿润过程及区域CO2和CH4排放的受排水限制的田间尺度建模

《Science of The Total Environment》：Drainage-constrained field-scale modelling of rewetting and regional CO 2 ? CH 4 emissions in lowland peatlands

　　摘要：排水的泥炭地是温室气体排放的重要来源。减少这类排放对于实现气候减缓目标以及农业净零排放目标至关重要。地下水位深度对温室气体排放有着显著影响，但国家层面的评估往往忽视了在复杂的低地排水系统中，排水渠水位在控制地下水位方面的作用。本研究旨在测试一种受排水条件限制的田间尺度建模框架，用以评估提高排水渠水位如何改变地下水位动态以及受管理的低地泥炭地的二氧化碳和甲烷排放量。研究结合了通过激光雷达获取的水文数据与基于物理原理的日变化地下水位模型，从而对英格兰东部受排水的低地泥炭土的二氧化碳和甲烷排放量进行了空间上的详细分析。在基准排水条件下以及一系列逐步提高排水渠水位同时保持水文连通性的再湿润情景下，都进行了排放量估算。研究结果表明，与基准条件相比，提高排水渠水位可使模型预测的整个区域的温室气体排放量减少多达58%。大部分减排效果出现在再湿润的初期阶段，后续情景带来的减排幅度逐渐减小——从基准条件到第三种情景，模型预测的温室气体排放量平均每年减少约5.3吨二氧化碳当量/公顷，而从第十种情景到第十三种情景，这一数值仅减少约0.01吨二氧化碳当量/公顷/年，说明此时减排效果已接近饱和，进一步减排的效果微乎其微。当水位适度上升后，二氧化碳排放量的进一步减少会被甲烷排放量的增加所抵消，这表明在减少二氧化碳损失与增加甲烷释放之间存在着明显的权衡关系。通过精确模拟细尺度的水文变化，本研究强调了进行空间精细建模的重要性，这种建模有助于把握影响泥炭地温室气体排放的各种因素，并为制定减排策略提供依据。要充分发挥再湿润措施的作用，就需要持续的夏季水源供应、对排水基础设施的改造以改善田间水资源管理，以及建立激励再湿润行为的经济机制。

引言：泥炭地是由部分分解的植物物质经过数百至数千年的积累而形成的独特生态系统。因此，泥炭地不仅是全球重要的碳储存库，还为独特的植物群提供了生存环境，同时在调节水量和水质方面也发挥着重要作用。然而，泥炭地也是温室气体排放的重要来源，尤其是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮，这些气体的产生既源于自然因素，也与人为活动有关。当泥炭地处于积水状态时，甲烷生成作用会占据主导地位，从而导致甲烷的产生。而当泥炭地被排干，用于农业、林业或燃料开采时，未饱和的泥炭会开始氧化，进而加速分解，产生并释放二氧化碳。因此，持续的退化会导致甲烷排放量下降，但与此同时，由于泥炭分解，二氧化碳排放量却会大幅增加。尽管这类退化的泥炭地所占面积较小，但其产生的温室气体排放量却占全球年度人为二氧化碳排放量的5%至10%，对气候变化有着重要影响。英国的泥炭地覆盖了其陆地表面的3%，其中约12%位于英格兰东部，包括芬斯地区和布罗兹国家公园。据估计，英国的泥炭地储存着约32亿吨碳，这一数值大致相当于该国20年的温室气体排放总量。在英国所有的泥炭地中，只有约64万公顷仍保持着接近自然的状态，其余的则因持续退化而成为全国范围内重要的温室气体排放源。其中，用于低地农耕或牧业的泥炭地占英国泥炭地总面积的15%，其每年的温室气体排放量高达13,900千吨二氧化碳当量，占英国所有泥炭地温室气体排放总量23,100千吨二氧化碳当量的59%。为了实现2050年净零排放的目标，英国政府已将减少泥炭地排放作为关键举措。为此，政府推出或支持了多项旨在恢复和保护泥炭地的计划，比如农业环境措施以及《泥炭地准则》，该准则鼓励私营部门投资于泥炭地恢复项目。不过，要实现这一目标，还需要对英国完好和退化的泥炭地的排放规模进行准确的空间估算。目前的排放估算通常是基于排放因子，这些因子是通过综合各监测点的温室气体通量实验数据得出的，然后再应用于大范围的土地覆盖和泥炭状况空间数据集中。虽然英国已经根据土地状况和覆盖类型估算出了全国范围内的泥炭地温室气体排放量，但目前除了基于通量监测塔的研究外，还缺乏区域或局部的温室气体排放估算。多项研究表明，平均地下水位深度是估算二氧化碳和甲烷排放量的关键因素——较高的地下水位有利于甲烷的产生，而较低的地下水位则有利于二氧化碳的产生。有研究估计，平均地下水位深度每降低10厘米，就可以使二氧化碳和甲烷共同造成的升温效应减少3吨二氧化碳当量/公顷/年，这一效果可维持到地下水位深度低于30厘米为止。然而，尽管地下水位深度非常重要，但在田间尺度以上的排放评估中，很少会将地下水位深度纳入考量，大多数研究只是通过土地覆盖和泥炭状况类别间接反映这一因素。这样一来，就无法考虑到排水强度、田地/排水渠的几何结构以及地表水/地下水输入等因素对地下水位变化的影响。在那些通过机器学习方法，利用井间观测数据及相关变量来估算地下水位深度的研究中，虽然考虑到了排水渠中的水位，但这些水位数据实际上并不反映季节性排水和/或补充灌溉过程中的实际水力控制情况。这部分原因在于，目前缺乏关于低地泥炭地复杂排水网络中水位的数据。虽然机载激光雷达技术被广泛用于绘制地表高程图以及确定河道网络或陆水边界，但它很少被用于测量水位，因为机载激光雷达发出的近红外激光脉冲几乎会被水完全吸收，从而导致数据中出现空白区域。尽管在实验室和野外试验中，激光雷达被证明是一种可用于测量河流水位的静态原位方法，但沃斯特特尔等人通过研究这些空白区域边缘的激光雷达高程值发现，这些数值有可能用来估算空白区域内部的水位。据我们所知，目前还没有将基于激光雷达的水位推断方法应用于农业排水渠网络。需要指出的是，我们将基于激光雷达得到的排水渠水位视为不确定的空间边界条件，而非对实际排水渠水位的精确观测值，同时我们还会专门研究这种不确定性如何影响模拟的地下水位动态以及二氧化碳和甲烷的排放量。此外，低地泥炭地内的田地地形特征，如凹形或凸形的田地形态，通常也不会被纳入模型中，而实际上这些特征会显著影响田地中部与边缘的高程差异。这些从边缘到中心的高程差会直接影响水位高度和水文连通性，进而影响再湿润措施的可行性和有效性。本研究并未引入新的水文或生物地球化学过程方程，而是将基于激光雷达得到的排水渠几何信息、基准排水渠水位数据与基于物理原理的地下水位模型以及已有的排放响应函数相结合，从而能够在历史气候条件下，对受管理的景观中的再湿润情景进行田间尺度的评估。我们通过针对不同排水条件类别的分层验证，以及敏感性分析，来明确该框架的可靠性与局限性，这些分析旨在量化关键参数以及与激光雷达相关的不确定性对模拟地下水位和二氧化碳、甲烷排放量的影响。本研究的主要目标是：第一，以布罗兹国家公园作为数据丰富的示范区域，通过结合空间测绘、基于激光雷达得到的排水渠水位数据以及针对特定田地的地下水位模型，测试一种受排水条件限制的田间尺度框架，用以估算低地泥炭地的二氧化碳和甲烷排放量；第二，评估在保持现有水文网络运行状态的条件下，通过提高排水网络中的水位而产生的各种情景下的空间排放量。通过结合遥感技术、空间分辨率高的排水数据以及田间尺度的地下水位模型，本研究提出了首个用于评估受管理的低地泥炭地中二氧化碳、甲烷排放量以及不同再湿润情景的、受排水条件限制的建模框架。这一框架在概念上可应用于其他类似的数据丰富、受排水系统控制的泥炭地，但在其他地区应用时，则需要当地的相关数据，包括排水、高程、泥炭状况和土地覆盖数据，以及相应的本地校准、验证和不确定性评估工作。

方法：我们通过结合高分辨率遥感数据、空间数据分析和技术建模，开发出一种全面的方法，用于估算低地泥炭地的二氧化碳和甲烷排放量。该方法包含三个主要步骤。在第一阶段，我们采用一种基于激光雷达的新方法，估算了所有田地中的排水渠水位高度以及水位高度与田地表面之间的高度差。在第二阶段，我们对每日地下水位深度进行了模拟。

估算排水渠水位高度：为了估算排水渠中的水位，我们使用了机载激光雷达点云数据以及一种新的处理技术。我们通过与环境署的监测数据以及内部排水委员会泵组启停阈值数据进行对比，对估算结果进行了验证。对于环境署的49个监测点，我们考虑了两个观测时间段：一个是完整的监测记录，另一个则是与激光雷达数据更匹配的季节性观测时段。

讨论：本研究提出了一种基于物理原理的田间尺度建模框架，可用于模拟整个低地泥炭地景观的日常地下水位动态，该框架明确考虑了排水系统的影响因素，即排水渠水位和排水渠间距。这一框架的建立得益于激光雷达遥感技术在描述复杂狭窄排水渠网络中的水位方面的创新应用。因此，这一框架在全球其他类似排水系统的应用中也具有很大的潜力。

结论：在本研究中，我们开发并验证了一种基于物理原理的田间尺度框架，用于分析排水系统设计和管理如何影响排水的低地泥炭地的地下水位动态以及模型预测的温室气体排放量。在这里，模型预测的温室气体排放量指的是以二氧化碳当量表示的二氧化碳和甲烷的总体平衡量；一氧化二氮并未在模型中进行动态模拟，而是通过参考已有文献中的限定值单独进行估算。将该框架应用于布罗兹地区后，我们发现提高排水渠水位能够……

作者贡献声明：索格拉·安达里亚尼：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件使用、方法论、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。伊恩·P·霍尔曼：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件使用、项目管理、方法论、研究实施、资金筹集、正式分析、数据整理、概念构建。尼古拉斯·T·吉尔金：撰写——审阅与编辑、可视化、验证……

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：我们衷心感谢布罗兹内部排水委员会提供泵组启停水位数据，感谢环境署提供地表水水位和地下水水位数据，同时也感谢农村支付机构提供田地边界多边形数据，这些数据为本研究的空间分析提供了有力支持。本研究使用了英格兰泥炭地图，该地图由自然英格兰机构于2025年制作，依据开放政府许可协议发布。本研究还得到了“自然气候泥炭地资助计划”的支持。

作者名单：索格拉·安达里亚尼|伊恩·P·霍尔曼|尼古拉斯·T·吉尔金|伊恩·特拉克尔|阿希什·杜塔|安德烈娅·凯利，克兰菲尔德大学克兰菲尔德水科学研究所，英国