淡水湿地淹没区域的异质性驱动碳通量：一种基于过程的建模方法

《Science of The Total Environment》：Heterogeneity in freshwater wetland inundation zones drive carbon fluxes: A process-based modeling approach

　　摘要：湿地水文和植被的异质性影响生物地球化学过程，由于湿地储存了大量的全球有机碳，并对甲烷（CH4）排放贡献显著，因此准确模拟这些动态在空间和时间上的变化至关重要。本研究使用基于过程的ecosys模型来模拟美国俄亥俄州一个温带淡水沼泽两个水文特征不同的区域的生态系统碳气体通量（CO2和CH4）：一个较深的主要湿地池和一个较浅的小湾。我们的目标是通过使用在水文和植被上有所不同的多个网格单元来模拟湿地，以改进通量预测。我们将建模的碳气体通量与主要湿地池的涡度协方差数据（2015年至2023年）和从小湾测量的通量数据（2022年至2023年）进行了比较。我们采用了Bayesian Optimization for Anything框架进行了四次顺序优化运行，分别为每个区域推导出特定的CO2和CH4过程参数集。优化后，ecosys模型能够较好地再现主要湿地池每小时昼夜通量模式的大小和时间（CO2和CH4的R2分别为0.34和0.58）。然而，最初将主要湿地池的参数值直接应用于小湾会导致通量预测不准确，尤其是高估了CO2的吸收和CH4的释放。针对小湾实施特定站点的参数化后，模型预测的通量与实际测量值更为接近，尽管无植被区域的通量变化小于有植被区域的通量变化。总体而言，这些发现强调了在异质湿地中改进碳气体通量建模需要采用多网格单元方法和局部参数化。

引言：湿地水文的空间异质性在塑造生物地球化学过程中起着关键作用，因为同一湿地内的不同区域由于复杂的地形可能导致对洪水或干燥的不同敏感度。如果湿地区域长时间被淹没，沉积物中的氧气（O2）水平可能会因为水中的传输受限以及微生物用于代谢目的的持续消耗而耗尽（Hassett等人，2024；Altor和Mitsch，2008；Tokarz和Urban，2015）。在极端缺氧条件下，古细菌通过甲烷生成促进有机物分解，产生甲烷（CH?）作为副产品（Altor和Mitsch，2008；Tokarz和Urban，2015）。相反，当水位下降，湿地沉积物变干时，土壤中的有机碳可以更快地氧化为二氧化碳（CO?），产生的CH4也会被甲烷氧化细菌进一步氧化（Altor和Mitsch，2008）。因此，这些湿干交替的时间周期和调节水文的空间区域对温室气体通量有深远影响（Villa等人，2019；Tian等人，2016；Lal，2008；Bridgham等人，2013）。湿地淹没深度的空间异质性影响了站点内部和之间的植被群落组成，因为植物物种对水文条件的耐受性不同：一些物种在持续淹没的环境中茁壮成长，而其他物种则更适合周期性干燥（Zhao等人，2023；Banach等人，2009）。同一湿地内植物群落组成的空间差异可以通过改变碳输入、根系分泌物模式和氧气向土壤中的传输来对湿地碳动态产生连锁效应（Mitsch和Gosselink，2015；Schultz等人，2011；Liu等人，2024）。植物群落可以根据其功能类型（PFT，即根据其有效生态角色和生态位对植物的广泛分类）进行分类和表示。对于湿地而言，这些PFT可能表现为不同的层次结构（例如挺水或非根生淹没植物（Lind等人，2022）），不同的PFT已被证明以不同的速率和幅度促进碳在厌氧湿地区域、大气和水柱之间的流动（Villa等人，2020；Stewart等人，2024）。此外，水文和植被的相互作用也很重要，因为淹没程度调节了植被在碳气体通量中的角色（Riutta等人，2020），某些事件如洪水和干旱可能会导致氧气或水分胁迫，影响植物的生理过程。具体来说，生产力较低的植物可能通过光合作用从大气中吸收较少的CO2（Osakabe等人，2014）。鉴于这些复杂性，将多种PFT和水文变异性纳入基于过程的模型仍然是一个重大挑战，但这对于改进湿地碳循环的预测至关重要（Hassett和Morin，2024）。由于水文制度对CO2和CH4通量的影响，在基于过程的湿地建模中精确地模拟水文和碳通量动态是必不可少的。由于湿地储存了约29-45%的全球陆地有机碳，并贡献了40-50%的CH4排放（Villa等人，2019；Tian等人，2016；Lal，2008），因此模拟这些异质性的不确定性是全球排放估计的主要误差来源。几十年来，已经开发了许多基于经验和基于过程的模型来模拟湿地中的碳气体通量，取得了不同程度的成功和局限性（Xu等人，2016）。尽管基于过程的模型比基于经验的模型更复杂且计算成本更高，但它们能够在数据范围之外进行受限的预测，而基于经验的模型则无法做到这一点。基于过程的模型因此长期受到地球系统建模界的青睐；然而，这些模型使用的空间分辨率较粗，网格单元跨度达数公里，丢失了详细的站点特征、地形和植物特征（Chadburn等人，2020；Yazbeck等人，2025）。在粗粒度基于过程的模型中，湿地可能仅用一个网格单元表示，而不考虑湿地内部的异质性，除非是最近的发展（Yazbeck等人，2025）。然而，即使是为了模拟单个湿地而设计的更高分辨率模型也不总是能够反映该湿地内的土地覆盖和水文分区的变化。将湿地划分为多个相互连接的网格单元，代表不同的水文模式和植被斑块（Clark等人，2015），可以按斑块类型解析碳通量和养分动态，而不是用单个网格单元来模拟整个生态系统。虽然一些模型确实使用独特的网格单元来表示植被，但大多数模型并未将其应用于湿地模块，而且大多数模型也没有解决微地形变化，这影响了淹没的深度和范围（Forbrich等人，2024）。因此，应该采用更全面的方法来表示湿地的特定水文地貌和植被覆盖情况，从而根据每个网格单元斑块的相应面积将每个网格单元的通量计算结果放大到整个湿地站点。同样，大多数大型陆地模型也没有表示网格单元或斑块之间的横向地下互连（例如水、能量、养分传输），因此使用具有横向互连的模型将更能反映现实情况。通过这种方式，我们可以更准确地考虑土壤柱过程的变异性，其中许多氧化还原过程和表面通量的产生都发生在这里。在这里，我们使用基于过程的ecosys模型（Grant，1997）研究了湿地水文和植被异质性对淡水沼泽中碳通量的影响，该模型结合了土壤生物地球化学、微生物和植物群落以及空间和时间上的养分循环。ecosys代表了一套现实的碳循环过程，并已被调整以包括沼泽湿地功能（Xu等人，2016；Grant，1997；Grant和Roulet，2002）。我们使用该模型模拟了美国俄亥俄州北部一个温带淡水沼泽的两个不同水文区域（一个较深，一个较浅），这些区域支持着不同的植物群落。为了直接评估水文空间异质性的影响，我们的研究设计遵循了一个具有明确零假设的控制-处理框架。控制配置假设空间均匀性，其中一组参数（最初为较深的主要湿地池开发和验证）在整个湿地范围内均匀应用，包括较浅的小湾。处理配置放宽了这一假设，允许对水文区域进行特定参数化，从而使主要湿地池和小湾用独立校准的参数集表示。通过将这两种配置下的模拟碳通量与实地观测数据进行比较，我们明确测试了纳入空间异质性是否可以提高模型性能，零假设是一组参数足以代表所有水文区域。我们通过将主要湿地池和小湾的模拟碳通量结果分别与涡度协方差数据或测量室数据进行了比较来评估这些数据（Hassett等人，2024；Bohrer和Kerns，2024；Hassett等人，2025）。在此过程中，我们还更新了模型，使其从之前的2016年版（Morin等人，2022）发展为能够考虑2015年至2023年的数据。我们展示了考虑景观和水文空间异质性以及网格单元之间的横向互连对于驱动碳气体通量变化的重要性（Hassett等人，2024；Bohrer和Kerns，2024；Morin等人，2022）。

站点描述：Old Woman Creek（OWC）位于俄亥俄州休伦市，伊利湖的南岸（41°22′39.0″N 82°30′30.5″W），是美国五大湖地区两个国家河口研究保护区（NERRs）之一。OWC是一个温带的淡水河口沼泽，是69平方公里流域的最终集水区，其中75%为农业用地（Olaoye等人，2021；Bernal和Mitsch，2008）。这个沼泽经历了典型的温带五大湖气候的强烈季节性变化。

主要湿地池模型评估：虽然之前已有报道OWC的EC-CH4和CO2气体通量（Morin等人，2022；Rey-Sanchez等人，2018；Tang等人，2025），但这里仅呈现了2015年至2023年间的数据（图3）。CH4和CO2通量的年际变化幅度不同，2015年的变化幅度最大。EC-CO2的范围内为?26.5至24.6 μmol m?2 s?1，而EC-CH4的范围内为?0.27至3.1 μmol m?2 s?1（图3）。2015年、2020年、2021年、2022年和...年的CO2通量中位数分别为...