干旱削弱了全球湿地作为温室气体吸收体的能力

《Environmental Impact Assessment Review》：Drought weakens greenhouse gas sink of global wetlands

　　

摘要

湿地调节生态系统与大气之间的二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的交换，因此在全球温室气体（GHG）平衡中起着重要作用。然而，干旱发生的频率和强度增加可能会改变湿地的温室气体动态，但其对多种气体预算和气候强迫的全球影响尚未得到充分量化。在这里，我们综合了75项研究中的778对观测数据，以评估干旱对湿地CO₂、CH₄和N₂O通量、净碳平衡以及全球变暖潜力（GWP）的影响。结果显示，干旱使湿地吸收的CO₂减少了31.7%，CH₄排放减少了20.3%，但N₂O排放增加了55.0%。因此，干旱削弱了湿地的净碳汇功能，使GWP增加了56.8%，表明减少CH₄排放的潜在降温效应被减少的CO₂吸收和增加的N₂O排放所抵消。干旱的影响在不同类型的湿地和植物功能类型中存在差异，并且与气候和地理梯度有关。对水文环境的补充分析显示，内陆湿地地下水位下降主要与CO₂吸收减少和N₂O排放增加相关，而沿海湿地盐度增加则与CO₂吸收减少和CH₄排放减少相关。这些发现表明，即使湿地作为净碳汇，干旱也会削弱其调节气候的功能。考虑湿地类型的异质性、多气体响应以及与干旱相关的水文变化，可以更好地评估未来极端气候条件下湿地-气候之间的反馈。

引言

人为温室气体（GHG）排放是全球变暖及其引发的生态系统功能变化的主要驱动因素。三种主要的温室气体——二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）——共同导致全球变暖约80%（Hansen等人，2000年；Solomon等人，2007年）。尽管CH₄和N₂O的大气浓度远低于CO₂，但它们的百年全球变暖潜力分别是CO₂的27.9倍和273倍（Masson-Delmotte等人，2021年）。这些气体在大气中累积，改变了地球的辐射平衡，并影响生态系统功能和生物地球化学循环（Le Quéré等人，2009年；Li等人，2024年；Ramanathan和Feng，2009年；Zhang等人，2026年）。因此，调节温室气体吸收和排放平衡的生态系统是气候系统的重要组成部分。湿地仅覆盖全球陆地表面的5-8%，但储存了约20-30%的全球土壤碳库，使其成为陆地碳储存和大气温室气体交换的重要调节者（Lu等人，2017年；Nahlik和Fennessy，2016年）。在稳定的水文条件下，积水且缺氧的土壤可以减缓有机物的分解，促进长期CO₂的封存，尽管湿地也可能是CH₄和N₂O的天然来源（Malerba等人，2022年；Tan等人，2020年）。然而，干旱发生的频率和强度增加可能会破坏湿地的碳储存，并改变湿地-大气之间的温室气体交换，从而对气候反馈产生重要影响。

干旱通过多种水文变化改变湿地生物地球化学过程，这些变化的相对重要性可能因湿地类型而异。在内陆湿地，降水减少和地下水位下降会增加土壤中的氧气含量，抑制厌氧甲烷生成，可能增强有氧呼吸和硝化作用，从而改变CO₂、CH₄和N₂O的通量（Bardgett等人，2008年；Blondeau等人，2024年；Mishra等人，2026年；Segarra等人，2015年；Stirling等人，2020年）。在沿海湿地，干旱不仅通过减少水分供应，还通过增加盐度来影响湿地，这可能会限制植物的碳吸收并改变微生物产生的CH₄（Li等人，2023年；Soued等人，2024年）。然而，实地研究显示湿地对干旱的温室气体通量反应存在差异。一些欧洲沼泽在干旱期间从碳汇转变为碳源，而其他系统（包括南半球的一些泥炭地）在相似的水分胁迫下仍保持碳汇（Goodrich等人，2017年；Lund等人，2012年；Rinne等人，2020年）。这些对比结果表明，干旱的影响取决于具体环境，可能随气候条件、生态系统特性、植被组成和水文状况而变化（Berglund和Berglund，2011年；Johnson等人，2011年）。尽管有越来越多的地方和区域研究提供证据，但干旱对湿地温室气体预算的净影响在全球范围内仍不够明确。大多数先前研究仅考察了单个气体，尤其是CO₂或CH₄，而很少有研究评估干旱引起的CO₂、CH₄和N₂O变化共同对湿地气候强迫的影响。这种区别很重要，因为干旱导致的CH₄排放减少可能会部分缓解辐射强迫，而同时CO₂吸收减少和N₂排放增加可能会抵消或超过这种潜在的降温效应（Quan等人，2025年）。此外，解释不同湿地类型之间干旱效应差异的生态因素仍不明确。特别是，湿地类型、主导植物功能类型、干旱持续时间以及气候和地理条件如何影响温室气体响应仍不清楚。不同水文状况和与干旱相关的变化（如降水减少、地下水位下降和盐度增加）对内陆湿地和沿海湿地的影响程度也基本上尚未在全球范围内得到研究。

为了解决这些不确定性，我们编制了一个包含75项研究中778对观测数据的全球数据集（图1）。通过元分析方法，我们量化了干旱对CO₂、CH₄和N₂O通量的影响，并评估了它们对净碳平衡和全球变暖潜力（GWP）的综合影响。我们假设干旱会减少CH₄排放，但这种潜在的辐射强迫减少会被CO₂吸收减少和N₂O排放增加所抵消或超过，从而削弱净碳汇并增加整体气候强迫。我们进一步测试了干旱效应是否因湿地类型、主导植物功能类型、干旱持续时间和气候及地理梯度而异。作为补充分析，我们比较了内陆湿地和沿海湿地之间的干旱效应，并评估了降水减少、地下水位下降和盐度增加与湿地温室气体通量变化之间的关系。通过整合不同湿地类型、植物功能类型、环境梯度和不同水文状况下的多种温室气体，本研究提供了干旱如何改变湿地调节气候功能的全球评估，并确定了可能特别容易受到干旱引起的碳损失的湿地系统。

章节摘录

数据来源和文献搜索

我们从一个先前发表的研究中汇编了一个全球湿地温室气体通量数据集（图1）。在PubMed、Google Scholar、Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）中进行了系统的文献搜索，查找1999年1月至2024年8月期间发表的同行评审文章。搜索词根据每个数据库进行了调整，包括与干旱、温室气体和湿地相关的关键词组合。主要搜索词如下：

干旱对湿地温室气体、碳汇强度和全球变暖潜力的影响

在整个全球数据集中，干旱显著减少了湿地吸收的CO₂ 31.7%，减少了CH₄排放20.3%，但增加了N₂O排放55.0%（所有p<0.05；图2和补充表S1）。这些相反的干旱效应削弱了湿地的调节气候功能：净碳汇强度从-290.8 γC m^-2 yr^-1下降到-197.0 γC m^-2 yr^-1，而GWP在干旱条件下增加了56.8%（图3和补充表S1）。因此，减少CH₄排放的潜在降温效应...

讨论

我们的全球综合分析表明，干旱通过改变多种温室气体之间的平衡削弱了湿地的调节气候功能。干旱减少了CO₂的吸收和CH₄的排放，但增加了N₂O的排放，这支持了我们的假设，即减少CH₄排放的潜在降温效应不足以抵消CO₂吸收减少和N₂排放增加。因此，干旱减少了湿地的净碳汇强度，并增加了整体全球变暖...

数据和代码的可获得性

所有数据已存放在figshare上，在出版日期后可公开获取，地址为：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.31672285.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响到本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0806900）、中国自然科学基金（32330065、32430065和42201341）、湿地保护与恢复国家重点实验室-湿地青年科学家计划（SDGZ-QN2025-01）以及植被结构、功能与构建国家重点实验室（VegLab）研究基金（VegLabOF2025004）的支持。

乔龙新|王新鑫|陈宏阳|吴继华|肖向明|聂明|鞠瑞婷|郑宇涵|张曦|何强|卢旭彤|崔丽娟|徐晓|李波

中国上海复旦大学生命科学学院湿地生态工程国家重点实验室、长江口湿地生态系统国家观测与研究站、生物多样性科学与生态工程教育部重点实验室及生态崇明研究所，邮编200438