复湿泥炭地湿地农业（Paludiculture）维持与未利用复湿湿地相似的低暗箱温室气体总通量——基于欧洲14个复湿富营养化泥炭地的跨区域研究

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Paludiculture on rewetted fens maintains similarly low greenhouse gas fluxes as rewetted fens without agricultural use

　　

复湿泥炭地上的湿地农业（Paludiculture，即在湿地条件下进行保护性农业和林业生产）维持与未进行农业利用的复湿泥炭地相似的低水平温室气体通量。研究人员量化了14个欧洲复湿泥炭地的非光合温室气体通量。各单一生态系统呼吸（R_eco）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）通量存在差异，但总CO₂当量（CO₂-eq）通量相似。湿地农业表现出与自然恢复样地相似的暗箱温室气体通量。该模式在不同区域和两种优势植被类型间具有一致性。湿地农业可在不增加暗箱温室气体排放的前提下提供生产性利用。

**论文解读**

**一、研究背景**

泥炭地（Peatlands）覆盖地球表面约3%–4%，却储存了全球土壤碳总量的21%–30%（450–766 Gt C），是重要的长期碳汇。然而，大量泥炭地因排干并被转化为排干依赖型农业、林业或泥炭开采用地，其碳平衡受到严重破坏，提供关键生态系统服务的能力也随之下降。全球范围内，农业是排水泥炭地最主要的土地利用方式，也是泥炭地排干的首要驱动力。尽管排水泥炭地仅占欧盟农业用地总量的约3%，其温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放却占欧盟农业GHG排放总量的约25%，约占欧盟人为排放总量的7%。这一严峻现实推动了更基于自然的、环境影响较小的生产性土地利用方式的探索。

复湿（Rewetting）已被证明能够有效抑制排水泥炭地的高GHG排放并减缓泥炭分解，但复湿同时也导致排干型农业用地生产效用的丧失。因此，将泥炭地农业实践向湿地农业（Paludiculture）转型——即在湿地条件下种植耐湿植物，在获取生物质的同时保持泥炭积累潜力并避免排干条件下泥炭矿化引起的高GHG排放——被提出作为一种兼顾社会经济需求与气候减缓目标的替代方案。根据管理强度，湿地农业可划分为高强度湿地农业、低强度湿地农业和湿地荒野（Wet Wilderness，即不进行生物质收获和其他现场管理，仅关注生态系统调节服务和生物多样性价值）三种类型。

目前，关于湿地农业对GHG通量影响的研究主要集中在单一地理亚区域或特定场地，或在受控中宇宙条件下开展，其结果可能更多反映局地环境条件和实验设置，而基于不同研究整合的区域和全球评估又因方法论和气候条件差异而引入变异性。迄今为止，尚无研究在区域尺度上使用相同方法学和实验设置、并行开展多地理区域对比，系统评估不同湿地农业强度与植被类型对生态系统呼吸（R_eco）、CH₄和N₂O通量的影响。本研究正是为了填补这一关键知识空白。

**二、研究概述与科学意义**

研究人员对分布于荷兰、德国和波兰三个欧洲地理亚区域、具有排干农业历史的14个复湿富营养化泥炭地（Fens），开展了为期两年（2021年7月至2023年6月）的实地研究。研究假设：复湿泥炭地上的湿地农业不会导致暗箱生态系统温室气体总通量（F_GHG,dark，即R_eco、CH₄和N₂O通量的CO₂当量总和，采用IPCC第六次评估报告中100年全球变暖潜势（GWP-100）换算：CH₄ GWP-100=27，N₂O GWP-100=273）相对于非生产性利用（湿地荒野）发生显著变化。核心发现表明：湿地农业强度对R_eco、N₂O和F_GHG,dark无显著影响，该结果在三个地理亚区域和两种优势植被类型间具有广泛一致性；CH₄通量虽然对湿地农业强度有显著响应，但该响应具有强烈的情境依赖性（取决于植被类型和地理亚区域的交互作用），且并未导致F_GHG,dark的系统性差异。该研究为湿地农业作为复湿后生产性土地利用选项、在不损害GHG减缓效益的前提下维持社会经济利用提供了重要的实地证据，对实现欧盟2050年气候中和目标具有直接参考价值。

**三、关键技术方法概述**

研究选取荷兰（4个样地）、德国（6个样地）和波兰（4个样地）共14个温带复湿泥炭地，所有样地均具有排干农业历史且已复湿至少8年（仅德国GT2样地约2年）。样地按湿地土地利用处理分为湿地荒野、低强度湿地农业和高强度湿地农业三类，并按优势植被分为香蒲属（Typha spp.，T样地）和苔草属（Carex spp.，C样地）两类。研究采用封闭式、非流通、暗箱、非稳态箱体测量非光合生态系统GHG通量，C样地箱体容积约0.32 m³、高0.92 m，T样地箱体容积约0.25 m³、高2.0 m。每月定期进行一次气体采样（每次在5个时间间隔采集箱内气体），并在第一年开展了四次高分辨率季节日变化采样（早间4:00–7:00和午间13:00–16:00各连续5天），以评估通量的日内变异。样品采用配备电子捕获检测器（ECD）和火焰离子化检测器（FID）的气相色谱仪（GC）测定CO₂、CH₄和N₂O浓度。通量计算后，采用线性混合效应模型（LMMs）分别分析各GHG通量和F_GHG,dark对湿地农业处理强度、地理亚区域、优势植被类型和季节的响应，以样地身份为随机截距，并计算最小可检测通量（MDF）以评估数据质量。

**四、主要研究结果**

**（1）研究范围内的温室气体排放、水位和气候变异性**

研究期间，各单一测量的R_eco范围为0–3457 mg m^?2 h^?1，CH₄范围为?1.07–36.5 mg m^?2 h^?1，N₂O范围为0–1.096 mg m^?2 h^?1，F_GHG,dark范围（以CO₂当量计）为?26.44–4071.70 mg m^?2 h^?1。R_eco在F_GHG,dark中占主导地位：C样地约占58%–87%，T样地约占62%–92%。GHG通量在研究期间表现出显著的季节时间变异：R_eco在冬季降至最低，生长季回升；CH₄通量冬季普遍较低，生长季出现样地和处理特异性峰值；N₂O通量总体较低，无明显的季节规律。水位方面，各样地两年年均水位范围为?16.0 cm至+81 cm（相对于地表），T样地水位通常高于C样地。

**（2）湿地农业强度对不同植被类型和地理亚区域GHG通量的影响**

统计模型分析表明，湿地农业强度对R_eco（χ2=0.57, p=0.751）、N₂O（χ2=0.39, p=0.821）和F_GHG,dark（χ2=2.79, p=0.248）均无可检测的显著效应，且该结果不受地理亚区域和植被类型的调节（所有交互项p>0.05）。Tukey校正的成对比较在各植被×地理亚区域组合内均未检测到处理间的显著差异。与此形成鲜明对比的是，CH₄通量对湿地农业强度有显著响应（χ2=34.23, p<0.001），且该响应受地理亚区域和植被类型的显著交互调节。在德国（唯一同时包含三种处理强度的亚区域），C样地CH₄排放随湿地农业强度递增而增加（GC0GT1）。在荷兰和波兰的多数处理组合中，CH₄未检测到显著的处理间差异。

**（3）GHG通量的时间变异性**

**季节变异性：**季节对R_eco、CH₄和F_GHG,dark均具有显著效应（χ2≥30.46, p<0.001），但对N₂O无显著效应（χ2=5.13, p=0.162）。三种GHG通量均呈现夏季最高、冬季最低的模式，夏季通量显著高于其他三个季节，秋季通量亦显著高于冬季。

**日变异性：**整体而言，未检测到一致的日变化效应。采样时段（早间vs.午间）对R_eco、CH₄、N₂O和F_GHG,dark均无显著主效应（χ2≤2.55, p≥0.110），且时段与季节或植被的交互项均不显著。仅在季节内成对比较中发现若干显著差异：春季R_eco早间高于午间（p<0.05），夏季和秋季CH₄早间高于午间（均p<0.001），春季F_GHG,dark早间高于午间（p<0.01）。总体而言，日变化幅度有限且未呈现跨GHG或跨季节的一致模式。

**五、讨论总结与研究结论**

讨论部分围绕CH₄的情境依赖性响应机制展开深入分析。研究人员指出，香蒲属和苔草属对收获（刈割）的差异化CH₄响应可能与其通气组织（Aerenchyma）介导的气体传输能力差异有关：香蒲属具有强对流式气体传输能力，刈割可中断向根际的氧气输送，减少CH₄氧化并促进扩散性CH₄释放；而苔草属主要依赖被动扩散，气渗透性较低。此外，局部养分条件（如德国C样地较高的氮浓度）可能进一步修饰CH₄的产生与氧化过程。在R_eco和N₂O方面，讨论确认湿地农业强度未系统性改变暗箱生态系统呼吸和N₂O排放，并将所测通量与文献报道的各类泥炭地和湿地GHG数据进行对比，结果总体与长期复湿或低干扰泥炭地的通量范围相近。在日变化方面，讨论指出早间CH₄峰值可能与夜间积累和植物生理活动恢复有关，而午间较低通量可能反映根际氧化作用的增强。讨论也明确指出了研究的局限性：暗箱通量不代表完整的GHG收支；高比例N₂O通量低于MDF（84.3%）反映了箱体容积大导致的稀释效应和GC灵敏度限制；研究无法完全区分湿地农业强度与水位管理的效应；短时CH₄和N₂O排放脉冲事件可能未被月度采样充分捕获。

**研究结论翻译：**通过对两年数据集的分析，研究人员表明，湿地农业强度对R_eco、N₂O和F_GHG,dark无显著影响，而CH₄的响应取决于植被类型和地理亚区域。该发现在三个欧洲地理亚区域和两种优势植被类型间对于R_eco、N₂O和F_GHG,dark具有广泛一致性，表明在曾排干的农业泥炭地上实施湿地农业，并不必然导致F_GHG,dark相对于非生产性湿地荒野的增加。从更广泛的视角审视，研究结果为湿地农业在欧洲作为复湿后的一种生产性土地利用选项提供了实地尺度的证据，说明其可在不损害GHG减缓效益的前提下，帮助实现气候目标，同时维持泥炭地的社会经济利用价值。