评估从泥炭沼泽森林到油棕种植园过渡期间的土壤 CO? 通量

《Science of The Total Environment》：Evaluating soil CO? fluxes during the transition from peat swamp forest to an oil palm plantation

　　

摘要：将泥炭沼泽森林转变为油棕种植园对土壤 CO2 排放有重大影响，但这种影响的大小仍高度不确定。为了评估这种转变对土壤 CO? 通量的影响，在一处正在转变为油棕种植园的泥炭沼泽森林中进行了土壤 CO? 通量、环境条件和土壤化学性质的月度测量。研究涵盖了三个土地利用阶段：泥炭沼泽森林（2016 年 1 月–2017 年 2 月）、土地准备（2017 年 3 月–2018 年 4 月）和油棕种植园（2018 年 5 月–2023 年 4 月）。尽管在土地准备期间地下水位 (GWL) 降低且土壤温度升高，但土壤 CO? 排放量（1768–2135 g C m?2 yr?1）与泥炭沼泽森林（1402–1430 g C m?2 yr?1）相比没有显著差异。在油棕种植园建立后的头三年，土壤 CO? 排放量增加（2606–3119 g C m?2 yr?1），随后在第四和第五年下降（1858–2348 g C m?2 yr?1）。这种下降可能是由多种因素驱动的，包括难分解碳的积累（以焦磷酸溶解度指数增加为标志）；由于改善水管理导致的 GWL 上升；以及由于油棕树冠发育导致的遮阴增加。需要在五年后继续监测，以评估随着种植园成熟，下降趋势是否持续。总体而言，这些结果强调了保护剩余泥炭沼泽森林以减缓进一步碳损失的需要。

引言
棕榈油生产是印度尼西亚和马来西亚的主要经济驱动力，通过创收、消除贫困和基础设施增长促进农村发展。这两个国家合计占全球棕榈油产量的 80% 以上，其中印度尼西亚在 2021 年贡献了约 59% 的世界产量（Dermoredjo 等人，2025 年）。然而，这一蓬勃发展的行业推动了这两个国家广泛的土地利用和土地覆盖变化。在马来西亚半岛、苏门答腊和婆罗洲油棕种植园扩张的早期阶段，近 90% 的新种植园建立在矿物土壤上。相比之下，截至 2000 年代初，该地区只有约 6% 的热带泥炭地（约 14.7 Mha）被转变为油棕种植园（Koh 等人，2011 年），主要是因为泥炭沼泽森林长期被认为不适合农业，原因包括其高水位、低容重、养分缺乏和酸性条件。
在过去二十年中，随着矿物土壤可用量的减少，泥炭地森林砍伐和农业转化加速（Miettinen 等人，2012 年，Miettinen 等人，2016 年）。到 2010 年，东南亚约 2.1 Mha 的泥炭地已被转变为工业油棕种植园，到 2015 年扩大到约 3.1 Mha（Miettinen 等人，2012 年，Miettinen 等人，2016 年）。在马来西亚，砂拉越经历了最大规模的泥炭地转化，种植在泥炭地上的油棕面积从 1990 年的 197,323 公顷增加到 2018 年的 657,273 公顷（Wan Mohd Jaafar 等人，2020 年）。泥炭沼泽森林的快速丧失引起了全球关注，因为其巨大的碳 (C) 储量以及转化后可能导致的长期温室气体 (GHGs) 排放。印度尼西亚和马来西亚政府最近的政策干预，禁止在泥炭地上种植新的油棕（Alisjahbana 和 Busch，2017 年；马来西亚种植园工业与商品部，2019 年），已减缓了转化速度。
将泥炭沼泽森林转变为油棕种植园最关键的环境影响之一是温室气体的释放，特别是二氧化碳 (CO?)。热带泥炭地是一个全球重要的碳库，储存着 70 到 130 Gt 的碳，占世界泥炭碳储量的 12–22%（Dargie 等人，2017 年），约占全球土壤碳库的 5–10%。这些碳储量是在数千年间在水浸、酸性和贫营养条件下积累的，这些条件抑制了森林凋落物的分解（Moore，1989 年）。因此，热带泥炭地具有极高的碳密度，范围为 50 到 70 kg C m?3，这意味着每公顷储存的泥炭碳（通常在深泥炭中 >2000 Mg C ha?1）远超过森林地上生物量的碳（Warren 等人，2012 年）。因此，移除原始森林植被会导致巨大的生物量碳储量损失，一旦泥炭被排水和耕作，随后会导致长期的土壤碳损失。
与矿物土壤上的转化类似，泥炭沼泽森林的森林砍伐导致砍伐植被燃烧或分解产生的 CO? 排放立即激增。然而，在泥炭地中，由于需要排水以支持农业生产，增强的 CO? 排放会持续数年或数十年。在油棕种植园中，水位通常保持在土壤表面以下 50–70 cm 以优化油棕生长，这无意中使上层泥炭暴露在氧气中，加速了土壤有机质 (SOM) 的微生物分解，从而增加随后向大气释放的 CO?。通常，土壤 CO? 通量倾向于随水位深度增加而增加（Couwenberg 等人，2010 年；Jauhiainen 等人，2012 年），尽管在排水泥炭地中也报告了非线性响应（Hirano 等人，2009 年）和弱关系（Hergoualc'h 等人，2017 年；Lam 等人，2022 年）。这些不一致表明，排水泥炭地的土壤 CO2 排放不仅受水位深度影响，还受土壤温度、土壤物理化学性质及其相互作用的影响（Yang 等人，2025 年）。特别是，种植园建立后土壤温度的升高是控制泥炭氧化的重要因素，占该时期异养 CO2 排放增加量的约 50%（Jauhiainen 等人，2012 年）。
排水泥炭地土壤 CO? 排放的增加在国际气候变化论坛上被广泛强调，在过去十年中推动了东南亚的研究和政策兴趣（Prananto 等人，2020 年）。尽管大多数研究一致认为泥炭地转化后 CO? 排放增加，但围绕估计值存在不确定性。报告的热带泥炭地上油棕种植园的 CO? 排放值变异性很大，范围为 7.3 到 28.4 Mg C ha?1 yr?1（Comeau 等人，2013 年；Hergoualc'h 等人，2017 年；Swails 等人，2019 年；Cooper 等人，2020 年；Chaddy 等人，2021 年）。这种变异性部分归因于方法论差异（例如，泥炭沉降测量与基于箱室的通量测量）和采样设计差异（例如，频率和空间覆盖范围）。特定地点的因素，如泥炭质量、营养状况、种植园年龄和微气候，进一步增加了观测排放的变异性。
除了方法学因素外，土壤 CO2 排放也可能在土地转化的不同阶段有所不同。例如，Hooijer 等人（2012 年）利用泥炭沉降数据估计在 18 年油棕栽培期间平均每年碳损失约 32.7 Mg C ha?1 yr?1。他们提出，转化初期的高损失促成了这些数值，这是基于在桉树种植园中观察到的模式推断的，其中排水后头五年损失了约 48.6 Mg C ha?1 yr?1，而随后的 18 年损失了 19.9 Mg C ha?1 yr?1。利用 Hooijer 等人（2012 年）的数据，美国环境保护署推导出的排放因子为排水泥炭土壤每公顷每年 95 t CO?。然而，初期几年的快速沉降包括土壤固结和机械土壤压实，这不能反映 CO? 释放。因此，如果不修正压实和主固结效应，基于沉降的估计值可能会高估转化初期阶段的 CO? 排放。McCalmont 等人（2021 年）使用涡度协方差法发现，转化后头五年的碳损失远高于 13 年之后，尽管他们的估计值（年轻与成熟种植园分别为 24.9 对 12.8 Mg C ha?1 yr?1）低于 Hooijer 等人（2012 年）的估计值，这可能是因为他们的测量受压实效应的影响较小。
尽管如此，仍缺乏覆盖从泥炭沼泽森林到工业油棕种植园过渡过程的土壤 CO? 通量数据。这种数据缺失导致用于量化泥炭地转化全球变暖潜能效应排放因子的不确定性（Wijedasa 等人，2017 年）。例如，IPCC（2014 年）排水热带泥炭的第一层排放因子约为 40 Mg CO? ha?1 yr?1，仅来源于八项现场研究，其中六项使用箱室法，两项基于沉降（McCalmont 等人，2021 年）。此外，大多数以前的研究比较了不同地点未受干扰的泥炭沼泽森林土壤与油棕种植园的土壤 CO2 通量，并将差异主要归因于排水效应。虽然此类比较提供了有价值的见解，但它们并未捕捉到土地利用变化的过渡阶段，并且往往忽略了由泥炭特征、植被类型和排水强度等特定地点因素引入的变异性。Sangok 等人（2017 年）发现，具有不同 SOM 质量的不同森林类型的土壤 CO? 通量在排水后反应不同，这强调了需要特定地点的监测以更好地代表泥炭地转化的时间动态。
据我们所知，以前没有研究在单一地点监测整个实际转化过程中的土壤 CO? 通量。涵盖这些阶段的可靠数据对于改进国家温室气体清单和支持缓解战略至关重要。在此背景下，本研究旨在通过在一个经历这种土地利用转变的单一地点进行长期测量，来评估将热带泥炭沼泽森林转变为油棕种植园如何影响土壤 CO? 通量。

段落摘要
研究地点描述
研究区域位于马来西亚砂拉越州贝洞分局（图 1a）。在相距约 1 公里的泥炭沼泽森林中建立了两个实验地点：地点 A（1°23′59.14″N 111°24′5.05″E；Padang Paya 森林）和地点 B（1°23′32.80″N 111°23′48.90″E；Alan Bunga 森林）。地点 A 的泥炭深度约为 10 米，地点 B 约为 7 米。两个地点的泥炭木质含量很高，含有大量未分解的木质碎片，如树干、树枝和树根。自 1990 年代以来，该地区
环境和土壤化学性质的变化
线性混合效应模型的统计分析表明，土地利用转化对测量的环境变量有显著影响。地点 A 和地点 B 的环境条件在转变为油棕种植园后遵循相似的时间轨迹（表 1，图 2）。排水使 GWL 从泥炭沼泽森林的近表面条件（地点 A 为 -10 米；地点 B 为 -6 米）降低到土地准备期间的 -78 米，并进一步降至 -98 米（地点 A）和 -90 米（地点 B）
与其他研究的年度土壤 CO2 排放比较
泥炭沼泽森林的年度土壤 CO? 排放量（地点 A 和 B 分别为 1402 和 1430 g C m?2 yr?1）与以前研究报道的值相当，范围从 1200 g C m?2 yr?1（Hirano 等人，2009 年）到 1388 g C m?2 yr?1（Cooper 等人，2020 年），但低于 Jauhiainen 等人（2008 年）报道的排水森林 2000 g C m?2 yr?1。他们的研究地点位于中加里曼丹的前“大稻计划”区，并曾通过一
结论
本研究首次在同一地点监测了整个热带泥炭地转变为油棕种植园过程中的土壤 CO? 通量，提供了新颖且稳健的数据，可为国家温室气体清单做出贡献。我们的结果表明，土壤 CO? 排放量在土地准备阶段没有显著增加，但在油棕建立后显著增加，种植后的头三年排放量最高。随着我们的研究地点
CRediT 作者贡献声明
Nur Azima Busman：写作 – 初稿，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理。Akira Watanabe：写作 – 审查与编辑，监督，调查，形式分析。Muhammad Zarul Shazreen：形式分析，数据整理。Faustina E. Sangok：写作 – 审查与编辑。Lulie Melling：写作 – 审查与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看似影响本文中报告的工作。
致谢
本研究得到了砂拉越州政府和马来西亚联邦政府的支持。作者感谢砂拉越热带泥炭研究所 (TROPI) 工作人员提供的技术支持和野外工作支持。
Nur Azima Busman|Akira Watanabe|Muhammad Zarul Shazreen|Faustina E. Sangok|Lulie Melling
砂拉越热带泥炭研究所，古晋 - 哥打萨马拉南快速路，94300，哥打萨马拉南，砂拉越，马来西亚