综述：日本北海道农业用泥炭地：开发历史、土地沉降、温室气体排放与可持续管理

《Agriculture》：Agricultural Use of Cultivated Peatlands in Hokkaido, Northern Japan: Development History, Land Subsidence, Greenhouse Gas Emissions, and Sustainable Management

　　

排干泥炭地用于农业会加速土地沉降、温室气体排放以及周边湿地的退化。为实现可持续的泥炭地农业，土地管理不仅要考虑作物生产力，还必须兼顾全球环境。泥炭地约占日本国土面积的1%，其中约61%位于北海道。本综述总结了日本泥炭地农业土地利用的历史，以及应对土地沉降、温室气体排放和农田周边湿地退化的相关努力，重点聚焦于北海道的案例研究。为使泥炭地能够用于农业，已实施了排水和矿物土覆盖（mineral soil dressing）措施。排水导致的泥炭干燥、收缩、固结和分解会引起土地沉降。水稻种植和循环灌溉是兼顾缓解土地沉降与粮食生产的土地管理方法。农田排水会导致周边湿地植被退化。在饲草收获农田上，农田与周边湿地之间建立了缓冲区（buffer zones），以缓解湿地退化。降低地下水位会增加CO₂和N₂O排放，而抬高地下水位则会增加CH₄排放。一项全球荟萃分析（meta-analysis）报告指出，将地下水位维持在?20 cm至?40 cm之间可使温室气体排放总量最低。然而，关于日本经矿物土覆盖的农业用泥炭地温室气体排放及其减排效果的数据仍然有限。在北海道，地下水位控制系统的引入近年来正在推进；在稻田以外的农田上，通过地下灌溉验证沉降控制和泥炭分解控制效果的任务仍然有待完成。

**3. 北海道泥炭的农业开发与利用**

**3.1. 排水**

排水的目的在于排除耕层中的多余水分、改善通气性、提高土壤承载力并提升地温。北海道泥炭农田排水研究最初始于对明渠深度和间距的探讨，随后扩展至适宜水位的研究。明渠深度与间距的实验始于1920年前后，当时标准深度为60至90 cm，间距约45 m，并验证了该参数对燕麦产量的适宜性。此外，研究表明大豆、红豆和马铃薯比燕麦需要更强的排水条件，当明渠间距为25至30 m、深度为90至125 cm时产量最高。对于暗管排水，深度60至80 cm、间距18 m被认为是有效的。

至1930年代，明渠和暗管的间距与深度研究已取得进展，但缺乏关于作物适宜地下水位的资料。因此，借鉴国外研究成果，大田作物（如大豆、红豆、马铃薯）的适宜地下水位被定为?1 m，干草田和牧场则为?50至?80 cm。从1960年起，北海道开始了地下水位与作物产量关系的全面研究。Ishizuka等人（1962）基于未实施矿物土覆盖的泥炭沼泽土的模型实验报告指出，饲草和燕麦在较浅水位（?10至?20 cm）下的产量最高，而非先前推荐的?50至?80 cm。研究认为，地下水位在?50至?80 cm左右时，根区的泥炭过度干燥，会因干旱胁迫而抑制生长。同时发现，将水位维持在?10至?20 cm时，降雨后水分过多会导致反硝化作用引起氮素缺乏和减产。因此，研究强调了具备降雨时排水、干旱时维持水位功能的水位控制系统的重要性。

泥炭地排水虽有助于提高作物产量，同时也促进了土地沉降。因此，在早期就已认识到在作物产量与抑制沉降之间取得平衡的课题。据报道，在牧场中，当地下水位维持在约?30至?50 cm时，产量最高且沉降最小。由于泥炭地的沉降问题，暗管排水的设计标准随时间演变。1955年的暗管排水施工标准将暗管标准埋深设为?1.0至?1.1 m，但在泥炭地中需再加深约20至30 cm，以考虑施工后发生的沉降。换言之，这些设计标准旨在即使沉降发生之后仍能维持排水能力。自2000年起，政策转向采用不促进沉降的暗管设计。2000年代的暗管设计标准强调，在通过排水确保土壤承载力的同时，应尽可能浅埋暗管并注意不过度降低地下水位。具体而言，该标准规定暗管最浅处至少为?50 cm，在下游端排水渠出口处不得超过?70 cm。这些标准沿袭至现行的暗管设计指南。尽管标准规定了最浅埋深为?50 cm，但在北海道泥炭地的实际施工中，考虑到暗管会因土地沉降而变浅，暗管埋深通常比标准深度深约20至30 cm。

这一政策转变的背景之一是与田块扩大相关的差异沉降问题。1970至1980年代，水田田块扩大迅速推进；在初次土地改良时以0.1至0.2 ha的田块为主，1980年代后增至0.3 ha。随着田块扩大，差异沉降更易发生，导致水田的淹水深度不均。因此，有研究提出，除了对暗管埋深进行规定外，还应根据泥炭层厚度限制泥炭地区大规模水田开发的规模。

近年来，低洼水田和旱田的供排水技术不断进步，其目的不仅在于排除多余水分，还在于干旱期供水。借助地下水位控制系统，降雨时多余水分可通过暗管迅速排出，而干旱时则从地下供水（即地下灌溉，subsurface irrigation），从而不仅对水稻，也对轮作作物的栽培实现精确的水分管理。地下灌溉已被证明可提高小麦、大豆、洋葱和番茄等作物的产量。地下灌溉供水的推荐时机为地表以下15 cm处的基质势降至约pF 2.5至2.8时，此时将水位提升至作物根系以下附近。

**3.2. 矿物土覆盖**

北海道许多泥炭农田采用将矿物土施用于泥炭表层的方式进行矿物土覆盖。其主要目的在于通过提高导热系数来提升地温、确保能够承受农业机械行走的田间承载力，以及供给来自所施用土壤的无机养分并改善养分保持能力。

北海道泥炭地上的矿物土覆盖实践可追溯至1920年之前，当时的标准做法是将所施矿物土与下层泥炭混合的“混合层法”。1930年代进行了改变表土材料种类和施用厚度的栽培试验，结果表明施用6至9 cm的表土层并与下层泥炭混合，对水稻和旱田作物产量的提高是有效的。为了确保足以承受农业机械行走的承载力，类似的矿物表土层厚度也被认为是必要的；然而，随着农民开始使用更大型的农业机械，有人指出需要超过20 cm的矿物表土层。

直至1930年代，矿物土覆盖是在农户个体层面上进行的，但二战后，为缓解粮食短缺，矿物土覆盖通过公共工程项目在大规模层面上实施。到1990年，石狩川流域的泥炭地几乎全部实施了矿物土覆盖，尤其在1970至1980年代，水田转旱田作为政策被推进期间，覆盖面积迅速增加。表土材料包括农田周边山地的土壤和渠道开挖产生的土壤。1940至1990年代间，北海道石狩川流域的泥炭地作为表施土壤施用了矿物土，处理总面积达220 km²。截至1995年，表施矿物土层的厚度估计在15 cm至30 cm之间。根据耕地土壤图数据库，实施矿物土覆盖的泥炭耕地总面积约为800 km²，约占北海道泥炭耕地面积的72%。由于1990年代之后矿物土覆盖的公共项目仍在继续，可以推测目前表施矿物土层的厚度和覆盖面积已超过1995年时的水平。

矿物土覆盖的意义和管理在水稻栽培与旱田作物种植之间存在差异。关于水稻栽培，泥炭地水田的稻米产量往往低于矿质土壤。虽然泥炭的存在往往导致水稻氮素过剩，但泥炭土容易出现锰、铁、硅和磷缺乏。据报道，表土覆盖可改善水稻对硅酸和无机养分的吸收，从而提高产量。除提高稻米产量外，表土覆盖还有助于改善稻米食味品质。一般认为稻米蛋白质含量较低时食味品质较好，而在泥炭地水田中，泥炭提供的过量氮素往往会提高籽粒的氮和蛋白质含量，常导致食味品质下降。Inatsu等人（1978）证明至少添加12 cm的表土可改善稻米食味，Yanagihara（2002）通过改变表土深度（10、20、30 cm）的实验表明，表土层越厚，稻米蛋白质含量越低，食味品质越好。在表层有矿物土层的泥炭地水田中，已知底土（?10至?45 cm）中有机质分解产生的氮素供给对水稻的氮素吸收和精米蛋白质含量有强烈影响。因此，认为厚层矿物表土阻断了来自下层泥炭的氮素供给，从而降低了精米蛋白质含量并改善了食味品质。

在旱田作物栽培中，认为将泥炭与矿物土混合的混合层耕作通过促进泥炭分解和氮素矿化，以及改善表土的物理性质（土壤碎土率、孔隙度和入渗能力），有助于提高作物产量。泥炭与矿物表土的混合会加速泥炭分解，因此这种做法也存在负面效应，例如加速土地沉降和增加农田碳排放。未来需要从在已实施矿物土覆盖的泥炭农田上平衡维持农业生产与环境保护的角度，对土壤覆盖的效益和环境成本进行定量评价。

**4. 泥炭地可持续农业生产的相关举措与挑战**

将泥炭地转为农田提高了生产力，但也造成了农田周边湿地植被的干燥与退化、土地沉降以及泥炭分解产生的温室气体排放等问题。本章主要聚焦于北海道开展的研究，对这些问题的现状和对策进行概述。

**4.1. 农田周边湿地的保护**

在泥炭地中开挖明渠以促进农田排水时，地下水位不仅会在农田内部下降，也会在周边未开发湿地中下降。在地下水位下降的湿地中，原生植被会丧失。在北海道，矮竹（Sasa）侵入泥炭藓群落等湿地植被并扩散的问题一直令人担忧。恢复退化湿地植被的一种常用方法是再湿润（rewetting），即再次抬高地下水位。在北海道也已确认，将地下水位抬高至地表以下约10 cm以内可减少矮竹并恢复湿地植被。

为恢复和维持农田周边湿地的地下水位，已探索了多种方法。已尝试的方法包括用木板或橡胶板围合湿地周边以阻断排水、在湿地内设置灌溉渠道以维持水位，以及在农田与湿地之间建立缓冲区。在这些方法中，缓冲区方法因维护成本低且对景观影响小，被采用于北海道的湿地保护。国际上也有类似措施用来限制农业排水对邻近湿地的影响。在欧洲，堵塞或填埋排水沟渠是一种标准的低成本干预措施，用以抬高和稳定水位，并限制田边附近泥炭的进一步氧化。

在北海道北部的佐吕别（Sarobetsu）地区，为保护邻近农田的湿地，在牧场与湿地之间建立了宽25 m的缓冲区。该缓冲区全长10.1 km，面积25 ha。该缓冲区的一个显著特点是，农民自愿减少自己的耕种面积并无偿提供一部分农田作为缓冲区。在佐吕别地区，成立了由当地居民、专家、非营利组织（NPO）代表以及地方政府和国家政府机构代表组成的理事会，经过五年以上的时间才就缓冲区的建立达成共识。为实现农业土地利用与湿地保护的平衡，不仅需要开发湿地保护方法，还必须建立所有利益相关者之间的共识。

佐吕别湿原作为国立公园受到法律保护，如上所述，湿地的保护是在当地居民的配合下实现的。除佐吕别湿原外，钏路湿原和山间其他湿原也作为国立公园受到法律保护。然而，有人指出，分布在低洼地区的约50%的湿地位于无法律保护的私有土地上，面临退化风险。在这些未受保护的湿地中，有当地非营利组织进行小规模保护工作的案例。在欧洲常见的通过栽培香蒲和芦苇等植物进行泥炭地恢复的再湿性农业（paludiculture）方法，在北海道尚未实施。

**4.2. 土地沉降**

泥炭是由植物残体积累形成的有机土壤，其含水量、孔隙度和有机质含量均高于矿质土壤。因此，当地下水位因排水而下降时，会发生由泥炭压缩、干燥收缩和有机质分解引起的土地沉降。虽然压缩和干燥收缩都是通过应力使土壤孔隙变形，但二者的机理不同。压缩是由上覆荷载产生的外部压力压碎孔隙引起的。干燥收缩则是在水分排出或蒸发时，表面张力将孔隙向内拉引所致。已确认与地下水位下降相关的短期沉降主要由压缩和干燥收缩引起，而随时间增加的长期沉降则主要由有机质分解引起。一般而言，在气温较高的地区，分解的贡献较大，而压缩的贡献较小。

在北海道泥炭地，自农业开发之初沉降就一直受到关注。在美唄（Bibai）沼泽中，据报道明渠设置后7年内沉降了53 cm，15年内沉降了47至79 cm，表明从农业开发的早期阶段就发生了显著的土地沉降。一项针对已进行农业开发20至60年的美唄地区农田的大规模调查显示，25年期间观测到的沉降范围为0至90 cm。此外，研究表明，自开始排水以来的经过时间越短，沉降越大；经过时间越长，沉降越小。已确认在排水初期，沉降主要因压缩和干燥收缩而发生。更长期的评估确认美唄地区在约40年的农业开发期间沉降超过3 m。据估计，美唄地区约30%的沉降是由分解造成的。与全球趋势一致，北海道在初期排水阶段因干燥时的压缩和收缩发生快速沉降，而长期来看分解的影响变得更加显著。然而，在北海道评估的分解对长期沉降的贡献（约30%）小于热带地区（70–90%）的报道值，也处于温带地区（28–70%）报道值的较低范围。由于北海道属亚北极湿润气候区，分解对长期沉降的影响相对低于其他较温暖地区。

对北海道美唄地区和篠津（Shinotsu）地区的区域沉降分析报道称，除自排水以来的经过时间外，沉降量还因泥炭类型的不同而存在差异。虽然没有报道统计学显著性，但研究表明排水后40年期间的沉降在低位泥炭（bog peat）中往往大于高位泥炭（fen peat）（平均值±标准差分别为84 ± 55 cm/40年 和 59 ± 46 cm/40年）。据报道，泥炭的可压缩性因其类型和所含植物种类的不同而不同，日本和其他国家的研究均有此结论。然而，多项报告和一项全球荟萃分析指出，不同类型泥炭之间的地面沉降率没有明显差异。这是因为地面沉降率受地点特定的荷载、泥炭厚度和土地利用差异的影响比受泥炭类型的影响更强。在北海道，由于大部分面积为水田，泥炭所承受的荷载或其干燥程度在空间上变化较小，因此可能检测到了因泥炭类型不同而产生的沉降率差异。

1980至1990年代，北海道进行了大量关于泥炭压缩和干燥收缩引起的地面沉降的研究。这一研究方向反映了当时实际需要预测排水后和初期土壤覆盖后立即发生的快速沉降，以便高效地进行土地开发和整备。已阐明了泥炭的孔隙度、分解度、烧失量与压缩指数、膨胀指数和次固结系数之间的关系。此外，还提出了基于含水量、层厚和固结荷载估算沉降的简化模型。然而，从实验室测定的固结参数预测的沉降与已开发农田中观测到的沉降之间的一致性尚未得到系统评价。也尚未建立预测由泥炭分解和干燥收缩驱动的缓慢长期沉降的模型，因此难以定量评估不同土地利用和水位策略对长期沉降的影响。在北海道，已表明泥炭的干燥收缩模式、压缩特性和长期固结沉降模式因其类型和构成植被的不同而存在差异。排水历史的差异也已被证明会影响随后的沉降模式。因此，为了在大范围内预测农业管理的差异如何影响土地沉降，采用了一种半定量方法，根据泥炭类型、排水历史和耕作制度对泥炭土壤的沉降敏感性进行分级和制图，而不是基于实测泥炭物理性质对个别地点提供连续的沉降预测。在北海道，气候寒冷且降雪量极大，积雪荷载也是促成沉降的因素之一。在农业管道的设计中，除了土层厚度和地下水位外，还考虑了积雪荷载产生的有效应力。

泥炭农田的排水强度和土地利用是与泥炭深度和气候带并列的显著影响泥炭地沉降的主要因素之一。为缓解沉降，已基于土壤类型、开发时期和土地利用历史对未来的土地沉降风险进行评估，并建议在高风险地区继续维持水稻种植或添加矿物土覆盖。添加矿物表土还可防止泥炭被耕作混入表土而发生分解。已证明在水田中通过循环灌溉维持高地下水位也能有效抑制沉降。已确认2006至2016年间水田小区的平均沉降率为每11年3.6 ± 1.9 cm（每年0.3 ± 0.2 cm），显著低于旱田小区的每11年25.6 ± 1.7 cm（每年2.3 ± 0.2 cm），且沉降随水田使用年限的增加呈线性减少。在全球沉降率数据集[10]中，将针对亚北极和温带地区数据的平均值进行比较时，北海道旱田的沉降率（2.3 ± 0.2 cm/年）高于全球耕地平均值（1.3–2.2 cm/年）。另一方面，北海道水田的沉降率（0.3 ± 0.2 cm/年）高于原始泥炭地和再湿润泥炭地（?1.1至?0.4 cm/年，其中因泥炭生长而发生地面抬升），但低于未耕地和草地（0.7–1.4 cm/年）。Seidel等人（2025）指出，由于可用数据点极少，水稻种植被排除在该数据集之外。此外，尽管北海道案例无法与全球数据集进行直接统计比较，水稻种植可能是沉降量最小的粮食生产方法之一。

即便如此，农业用地仍在继续沉降。Yokochi等人估算了1990至2020年石狩川流域的土地利用变化，并指出在泥炭地分布区域，与矿质土壤区域相比，水稻种植减少而旱作增加。从缓解沉降的角度出发，维持和扩大水稻种植是可取的；然而，目前现实情况是，由于经济等原因，向旱作的转变正在推进。因此，如何设计激励机制以促进水稻种植来缓解沉降是未来的重要课题。近年来，低洼水田和旱田引入地下水位控制系统的进展正在推进。在北海道，泥炭农田表面大多已覆盖超过15 cm厚的矿物土层；因此，以抑制沉降和泥炭分解为目的的水位控制，并不一定要求将地下水位恢复至地表。然而，抑制位于表土层下方泥炭层分解和沉降所需的目标水位尚未确定。

**4.3. 温室气体**

泥炭由未分解的植物残体组成，富含有机质。被水淹没的湿地是碳汇，但同时也是大气CH₄的主要来源。当泥炭地为农业用途而排水时，有机质分解加速，导致CO₂和N₂O的排放。一项全球荟萃分析报道，相对于自然湿地，泥炭地和其他湿地的转换使净全球增温潜势提高了65%至2949%。据报道，北海道中央美唄地区的低位泥炭沼泽植被因CH₄排放而成为温室气体的主要排放源（表2）。然而，基于周边农田的测量结果，水田增加的CH₄排放量被估算为对全球变暖的贡献是湿地CH₄排放量的6倍，而小麦和大豆田增加的CO₂和N₂O排放量被估算为对全球变暖的贡献是湿地排放量的3倍。美唄案例因此与国际上观察到的耕地泥炭地比未受干扰湿地排放更多温室气体的趋势一致。

湿地与耕地泥炭地之间的比较往往集中在旱田作物上。另一方面，在同一区域内比较泥炭地水田与旱田作物栽培或湿地的温室气体排放量的案例仍然有限（表2）。所有地区都一致观察到水稻种植往往表现出比旱田作物种植更小的净CO₂交换量（NEE）。因此，泥炭上的水稻种植常被视为相对于旱作可抑制净碳损失，因为高水位限制了泥炭分解。与此同时，甲烷排放因地区而异。北海道美唄的案例中报道了水田产生大量甲烷排放（30.7 Mg CO₂ eq ha^?1 year^?1）；然而，加利福尼亚和苏黎世泥炭地水田的甲烷排放量为0.9至2.4 Mg CO₂ eq ha^?1 year^?1，与牧场的排放量（?0.01至4.1 Mg CO₂ eq ha^?1 year^?1）相当。在所收集的文献中，关于土地利用类型间温室气体排放的统计学差异描述有限。此外，一些研究未报告与作物收获相关的碳输出，或未包含CO₂的测量。尽管泥炭地水田如美唄案例所示有可能成为强甲烷排放源，但总体而言，关于泥炭地水田净温室气体排放的定量数据仍然匮乏，需要进一步研究。

水田的CH₄排放受有机碳输入、气候、田间排水和水分管理等因素的影响。在北海道，DNDC-Rice模拟模型估算的CH₄排放速率在相同水分管理下按慢速排水 > 中速排水 > 快速排水的顺序递减，而北海道的泥炭土被分类为基于中速排水。根据Kajiura等人（2018）对日本572个数据集进行的统计分析，泥炭地的CH₄排放量比其他类型土壤高172%。然而，该分析仅包含8个泥炭土壤数据集。同样地，国际上也只有少数研究评估了泥炭地水田的甲烷排放。在以水稻为主要作物的日本，需要更多泥炭土壤CH₄排放的数据集以进行更准确的分析。

排干和耕作泥炭土会减少CH₄排放，但同时增加CO₂和N₂O排放。日本的温室气体清单报告了与有机土壤耕作和排水相关的CO₂和N₂O排放。根据该报告，2023财政年度，有机土壤仅约占日本约397万公顷农田的4%。然而，虽然矿质土壤的碳储量变化为3103万t-CO₂，有机土壤耕作和排水相关的CO₂排放量达1167万t-CO₂（约占农业土壤CO₂排放总量的27%）。此外，矿质土壤因土壤有机质碳损失而矿化的氮所产生的N₂O排放量估算为1.3万t-N₂O，而有机土壤耕作相关的N₂O排放量估算为0.4万t-N₂O（约占与土壤有机质矿化相关N₂O排放总量的24%）。在全球范围内，耕地泥炭地占农田总面积不足1%，却约占农田温室气体排放量的32%。与这一全球格局一致，日本的有机土壤是与其面积不成比例的温室气体排放源。

泥炭地的农业利用不仅需要排水，还需要适当的地下水位管理。CO₂和N₂O排放在低水位时较高，而CH₄排放在高水位时较低。根据Hatano（2019）对北方和热带泥炭地的荟萃分析，当水位维持在?20 cm至?40 cm之间时，CO₂、N₂O和CH₄的总排放量最低。Evans等人（2021）报道，将农业泥炭地的排水深度减半可大幅降低净CO₂和CH₄的增温效应，且净冷却效应持续到水位接近地表约10 cm以内。这些最佳水位的变化反映了气体之间的权衡关系：抬高水位可减少CO₂和N₂O排放，但会增加CH₄排放，因此将结果简化为单一“最佳”值可能过度简化了随地区、作物和年份变化的关系。此外，在热带泥炭地，有报道指出适当的氮肥施用和通过毛管上升维持土壤水分对抑制N₂O排放非常重要。气体间的平衡还取决于水位管理的持续时间：抬高水位可能在短期内减少CO₂排放，但持续的高水位会重建厌氧条件并在长期内增加CH₄排放，因此考虑到CO₂和CH₄排放的大气寿命差异，气候结果高度依赖于时间尺度。在北海道，种植制度从连续水稻种植到水旱轮作不等，因此长期评估水位管理和土地利用历史如何影响温室气体排放在北海道尤为重要。虽然由于某些作物的水分需求以及确保农业机械可操作性的需要，始终将水位维持在?20 cm至?40 cm或更高是困难的，但为了确保泥炭地的可持续农业利用，重要的是在兼顾生产力和温室气体排放控制的前提下进行水位管理。

近年来，已通过被动地下灌溉（passive subsurface irrigation, SSI）——即将排水渠中的水位与田间水位相连通——以及主动地下水位控制——即利用水泵从下方注水——来研究泥炭地牧场的温室气体减排效果。在被动SSI系统中，难以在浅深度维持稳定的地下水位。因此，即使应用被动SSI，有机质分解最活跃的最上层（0–40 cm）泥炭仍暴露于空气中，尚未有报道表明被动SSI对温室气体排放有影响。相比之下，以?50至?25 cm为目标水位的主动SSI实施方式比被动SSI更稳定地将水位抬高至更接近地表，与无地下水位控制相比，维持了更还原性的表层。结果，在荷兰的沼泽泥炭（fen peat）牧场中，主动SSI也成功抑制了净生态系统碳平衡（NECB）。另一方面，在德国低位泥炭（bog peat）上更新牧场的案例研究中，主动SSI实现了比无沟渠堵塞或SSI条件下（?37 cm）更浅的水位（?25 cm），但未报道CO₂减排效果。此外，有人指出，特别是在干旱年份，被动SSI可缓解表层泥炭的干燥胁迫，从而促进CO₂排放。因此，SSI对温室气体排放的影响并不一致。从全球角度看，使净温室气体强迫最小的水位深度范围正变得更加明确，但在地方尺度上，使净强迫最小的最佳水位深度可能因气候、泥炭类型和土壤管理而异。因此，需要通过精确的地下灌溉对温室气体减排效果进行区域特定的验证。

在排水泥炭地中，与矿质土壤一样，温室气体的产生和消耗主要发生在浅层表层。在泥炭层之上添加矿物土被认为对泥炭分解有显著影响，但对这种影响的评估尚不充分。据报道，在未进行土壤覆盖的排水泥炭地森林中，地表CO₂排放、N₂O排放和CH₄吸收的90%以上发生在表层10 cm以内。在实施土壤覆盖的泥炭地中，泥炭更靠近地下水位，往往比未覆盖的泥炭地保持更湿润。据报道，无论是否存在矿物土覆盖，排水泥炭地的SOC（土壤有机碳）损失主要受通气碳储量的规模驱动。因此，地下水位上升对于减少SOC损失至关重要；然而，矿物土覆盖可通过改善土壤承载力，使得在不牺牲农业通行性的情况下维持较高的地下水位，从而可能促进旱田作物生产与减少泥炭分解的共存。此外，表层矿物土层中的氧消耗可能会减少向更深层的氧气供应，从而可能抑制下伏泥炭的分解。因此，矿物表土层下方的泥炭的氧化分解可能比无矿物土覆盖的泥炭层受到更强的抑制。然而，上述若干机制是从矿质土壤或无矿物土覆盖的泥炭土壤中推断出来的，而非在矿物土覆盖泥炭地中得到实证。

近年来，已有关于矿物土覆盖泥炭对温室气体排放影响的田间试验和中宇宙实验报道（表3）。在这些研究中，矿物土覆盖与草地上N₂O和CH₄的显著减少以及非淹水水稻栽培中N₂O排放的明显（尽管统计上不显著）下降相关联。部分原因可能与矿物土覆盖的泥炭氮素矿化受抑制以及强厌氧条件下N₂O的消耗有关。然而，田间试验的结果报道，矿物表土覆盖对净碳损失没有显著影响。与田间试验结果相反，一些报告表明矿物土覆盖促进了泥炭的分解。分解袋试验显示，在矿物土覆盖的泥炭水田和旱田中，当耕作使泥炭与矿物表土混合时，泥炭分解得到促进。利用原状土柱进行的需氧培养实验同样报道，与矿物土充分混合的泥炭表现出较高的有机质分解速率。如果矿物表土层较薄，这种混合更容易发生，可能会加速泥炭分解。当矿物表土层厚于典型耕作深度时，表土层的存在可能抑制泥炭分解。研究矿物土覆盖对泥炭分解和温室气体排放影响的报告数量有限。需要进一步的实验研究，包括通过田间观测进行定量评估以及旨在阐明潜在机理的研究。

**4.4. 土壤覆盖耕地泥炭地可持续生产的水位管理策略与未来课题**

关于北海道牧场周边湿地的退化问题，农民已采取行动减少农田，在农田与湿地之间建立缓冲区以维持湿地的地下水位。另一方面，在泥炭农田上优化农业生产、土地沉降和温室气体排放方面，尚未确立明确的解决方案。土地沉降在淹水条件下最小。因此，作为抑制土地沉降的粮食生产方法，水稻种植可被视为最佳选择之一。然而，被水淹没的泥炭地水田往往会成为CH₄排放的强排放源，可能抵消通过维持高地下水位所实现的CO₂和N₂O减排。因此，从减少温室气体排放的角度来看，水稻种植是否为最佳土地利用方式仍不确定。全球荟萃分析的结果表明，使温室气体排放最小化的地下水位低于淹水位，且使温室气体排放最小化的地下水位很可能与使土地沉降最小化的地下水位不一致。这表明，不仅需要在水稻种植条件下，也需在旱田作物条件下，探索能够同时实现抑制土地沉降和减少温室气体排放的地下水位策略。

在泥炭被矿物土覆盖的条件下，即使不淹水地表，也更容易使覆盖层下方的泥炭接近水饱和状态。因此，在泥炭被矿物土覆盖的农田中，即使在相对低于无矿物土覆盖时所需的地下水位下，也可能减少泥炭氧化分解产生的CO₂排放和泥炭氮素矿化产生的N₂O排放。换言之，在有矿物土覆盖的泥炭农田中，使温室气体排放最小化的地下水位可能低于全球报道的使温室气体排放最小化的水位。然而，在矿物土覆盖泥炭地中，具体的目标地下水位值尚未明确。此外，矿物土覆盖下泥炭分解的抑制可能有助于缓解与泥炭分解相关的土地沉降。另一方面，矿物土覆盖增加了下伏泥炭的垂直荷载，可能因固结而促进沉降。矿物土覆盖在长期内是缓解还是促进土地沉降尚不得而知。对泥炭分解和土地沉降进行同步长期评估至关重要。在设定地下灌溉目标时，不仅需要考虑地下水位与泥炭分解和温室气体排放之间的关系，还需要考虑地下水位与固结荷载之间的关系。为实现作物生产、温室气体减排和土地沉降缓解之间的平衡，需要一种能够在中间深度严格控制地下水位的机制。被动地下灌溉难以精确稳定地控制在中间深度的地下水位。正在北海道开发的主动地下灌溉是缓解土地沉降、泥炭分解和温室气体排放的有前景的选择。

大多数关于地下灌溉和矿物土覆盖抑制泥炭分解的报道是在荷兰、德国和瑞士等欧洲的牧场上进行的。这些发现可能与北海道牧场区的泥炭地管理相容。另一方面，在北海道石狩平原常见的矿物土覆盖泥炭地上进行小麦和大豆种植时，地下灌溉的泥炭分解抑制效果或土地沉降监测的验证案例非常少。在北海道石狩平原，水稻种植减少和旱田作物种植增加的趋势正在发展，而旱田作物的强化排水可能会促进与泥炭分解相关的温室气体排放和土地沉降。因此，在北海道矿物土覆盖泥炭地上的旱田作物种植中，实地验证通过地下灌溉进行严格的地下水位管理是否能有效缓解泥炭分解、土地沉降及所有相关的温室气体排放，是未来一个有前景的优先课题。