草地泥炭土水位管理减排温室气体的挑战与不确定性研究

《Environmental Science & Policy》：Examining challenges and uncertainties associated with using water table management to reduce greenhouse gas emissions from grassland peat soils

　　

摘要专业翻译 泥炭土形成于水淹环境中，厌氧条件阻止了有机物质的分解（Liu et al., 2023）。由于其储存的有机物质，泥炭地在全球范围内相对于其土地覆盖面积含有大量碳。这些区域可分布于热带、温带和寒带气候区，并可能根据其形成方式和土壤中有机物质的含量进行区域性或地方性定义（Chen et al., 2024）。泥炭土可为降水影响下形成的贫养泥炭土（ombrotrophic），或通过地下水输入形成的矿养泥炭土（minerotrophic）。一般而言，贫养泥炭土被认为养分贫乏，可称为覆盖泥炭沼或隆起泥炭沼，而矿养泥炭土被认为养分丰富，可称为低位泥炭沼（fens）（Lourenco et al., 2023; Hammond, 1981）。 欧盟（EU）内的泥炭土约占全球泥炭土的5.6%（Tanneberger et al., 2017; UNEP, 2022），但这些土壤中有50%因农业、园艺、林业和泥炭开采等多种原因而被排水（使用深层明渠排水和/或相互连接的田间排水沟）或退化（Evans et al., 2021; Leifeld and Menichetti, 2018; UNEP, 2022）。在泥炭地发生排水的地方，这些区域从碳汇转变为碳源，主要是通过降低水位使土壤充氧并分解储存的有机物质（Evans et al., 2021; Leifeld and Menichetti, 2018）。 这些区域在国家层面进行估算，并作为欧盟成员国年度温室气体（GHG）排放清单的一部分，报告于各国的GHG国家清单文件和国别清单报告中；然而，关于泥炭土范围存在不确定性（Martin and Couwenberg, 2021; van Giersbergen et al., 2025）。这是由于可使用的有机土壤定义不同，因为政府间气候变化专门委员会（IPCC）的定义未规定有机层的最小厚度，并允许各国采用特定土壤定义（Lourenco et al., 2023; Martin and Couwenberg, 2021）。在考虑一个国家的有机土壤时，了解该国对有机土壤的定义至关重要，而在比较多个国家的有机土壤排放时，必须对每个国家应用标准定义，这可能会改变有机土壤的范围和排放估算结果（UNEP, 2022; Martin and Couwenberg, 2021; van Giersbergen et al., 2025）。 在本论文中，研究人员关注的是在低海拔（< 300 m OD; Rodwell et al., 2007）地区已转化为永久草地的泥炭土。为使泥炭土用于草地，需采用一定程度的人工排水，因为水位必须足够低以允许草种栽培（例如，地表以下40 cm）并保证土壤稳定以供农业机械和牲畜进入（Tiemeyer et al., 2024; Wilson et al., 2016）。排水泥炭土的排放量根据这些土壤在一国的面积和基于IPCC（2006, 2014）定义的第1、2或3层级（Tier 1, 2 or 3）数据的排放因子进行估算。因此，这些估算的精确度仅取决于泥炭土范围估算的准确性和所使用的排放因子。根据涵盖1990–2018年期间的2020年国家GHG清单提交文件，欧盟成员国估计其从有机土壤上的草地排放了43 Mt二氧化碳当量（CO2-eq）。然而，2021年发表的一项研究（Martin and Couwenberg, 2021）通过使用标准泥炭土定义更新每个欧盟成员国的泥炭范围估算，并在可能的情况下细化排放因子，逐国完善了这些估算。该方法估计欧盟泥炭土上草地的CO2-eq排放量为65 Mt（Martin and Couwenberg, 2021），凸显了潜在变异性与持续不确定性的存在。各欧盟成员国每年更新其年度GHG排放清单提交文件中泥炭土上草地范围的估算及这些土地的估算排放量，因为土地利用变化得以实施，并且根据报告时可用的任何更新信息对面积估算和排放因子进行进一步细化。 为减少已排水并转化为草地的泥炭土所产生的GHG排放量，欧盟一些国家制定了降低管理强度或主动抬高水位的计划，以减缓或停止泥炭土中有机物质的分解（Nordbeck and Hogl, 2024; Nordbeck et al., 2025）。对已排水用于草地的泥炭土进行再湿润（rewetting）被纳入多项欧盟政策，以努力实现《巴黎协定》（UNFCCC, 2015）中设定的减排目标。泥炭地恢复的优先区域位于爱尔兰、比利时、荷兰、卢森堡、德国、波兰、波罗的海国家和罗马尼亚（van Giersbergen et al., 2025）。同样，根据Greifswald泥炭中心（2019），欧盟GHG排放总量最大的泥炭地排放国为德国、芬兰、波兰、爱尔兰、罗马尼亚、瑞典、拉脱维亚、立陶宛和荷兰。这些针对草地泥炭土的管理政策可代表向这些土地原始泥炭地功能恢复的转变，或作为减少GHG排放量的缓解策略，同时在一定程度上允许其继续用于牲畜放牧或湿地农业（paludiculture）（Ziegler et al., 2021）。许多国家在不同时间段内研究了不同类型排水泥炭土中水位调控的努力（Bring et al., 2022; Kreyling et al., 2021; Menberu et al., 2016）。提高水位的常用方法包括明渠排水堵塞、建造堤坝或水池、场地重塑以及重新建立成泥炭植被（Armstrong et al., 2009; Green et al., 2017; Holden et al., 2017）。 从2024年开始，欧盟成员国必须在其共同农业政策（CAP）中纳入泥炭地政策战略（Nordbeck et al., 2025）。尽管有将泥炭地战略纳入CAP的指导，但当泥炭地的范围及其排水和养分状况仍不确定，且计算排放所需的排放因子并非基于国别信息时，各国难以制定此类计划（Nordbeck et al., 2025）。研究发现，欧洲和国家特定政策中均缺乏针对排水泥炭地减排的综合气候政策目标（Chen et al., 2023）。尽管在泥炭地对LULUCF排放估算有贡献的国家中设有再湿润一定面积泥炭地的目标，但当这些目标基于总排水泥炭面积的百分比时，可能难以确定是否达标，因为并非所有国家都清楚这些总面积（Martin and Couwenberg, 2021; Nordbeck and Hogl, 2024; Nordbeck et al., 2025）。因此，各国必须准确估算草地管理下排水有机土壤的范围，以及这些土地的排水深度和养分状况，以确定这些土地可能的排放量以及再湿润和/或水位管理等缓解措施的有效性。 因此，本研究的目标是：（1）评估欧盟范围内有机土壤上草地的范围及其相关的GHG排放；（2）使用系统综述过程量化在这些土地上抬高水位努力的潜在有效性；（3）以爱尔兰为案例研究，评估抬高这些土地水位对GHG排放的潜在影响。

论文解读文章

研究背景与问题

泥炭土是在水淹环境中形成的，厌氧条件阻止了有机物质的分解，因此泥炭地储存了大量碳。然而，当泥炭地因农业、园艺、林业和泥炭开采等原因被排水后，水位下降使土壤充氧，导致储存的有机物质分解，泥炭地从碳汇转变为碳源，释放大量温室气体（GHG）。在欧盟（EU）成员国中，约有50%的泥炭土被排水或退化，其中草地管理是主要土地利用方式之一。各国每年在GHG国家清单报告中估算这些土地的排放量，但估算的精确度取决于泥炭土范围的准确性和所用排放因子的准确性。由于IPCC未规定有机层最小厚度，各国对有机土壤定义不同，导致泥炭范围估算存在不确定性；同时，许多国家缺乏国别特定排放因子，进一步增加了排放估算的不确定性。欧盟成员国从2024年起必须在共同农业政策（CAP）中纳入泥炭地政策战略，但泥炭地范围、排水和养分状况不确定，以及排放因子非国别化，使各国难以制定有效计划。因此，准确估算草地管理下排水有机土壤的范围、排水深度和养分状况，对于确定这些土地的排放量以及再湿润和/或水位管理等缓解措施的有效性至关重要。

研究内容与结论

研究人员开展了三项研究：（1）评估欧盟范围内有机土壤上草地的范围及其相关GHG排放；（2）使用系统综述过程量化在这些土地上抬高水位努力的潜在有效性；（3）以爱尔兰为案例研究，评估抬高水位对GHG排放的潜在影响。结果表明，欧盟范围内有机土壤上草地面积约280万公顷，年排放4300–6500万吨CO₂-eq，排放量最高的国家为德国、波兰、荷兰和爱尔兰，而排放占国家总排放比例最高的国家为爱尔兰、拉脱维亚和立陶宛。系统综述发现，堵塞排水沟、停止排水维护、地下灌溉、控制地下排水出流、拆除堤坝等多种技术可抬高水位，但水位上升幅度差异很大（从无显著变化到超过100 cm），且针对草地泥炭土的研究数量有限，难以准确预测特定技术的效果。爱尔兰案例研究设置了三个情景（再湿润情景、浅层排水情景和混合情景），结果显示，再湿润8万公顷深排水有机土壤可减排590.44 kt CO₂-eq yr^?1（占当前排放的15.1%）；若全部14.1万公顷深排水土地再湿润，可减排1040.65 kt CO₂-eq yr^?1（26.7%）。浅层排水情景下，8万公顷土地转为浅层排水可减排379.36 kt CO₂-eq yr^?1（9.7%），全部转化可减排668.62 kt CO₂-eq yr^?1（17.1%）。混合情景下，4万公顷再湿润加4万公顷浅层排水可减排484.90 kt CO₂-eq yr^?1（12.4%），全部转化可减排854.64 kt CO₂-eq yr^?1（21.9%）。这些结果表明，通过水位管理可实现显著减排，但减排幅度取决于管理措施的类型和覆盖面积。

主要技术方法

研究人员采用了三种主要方法：一是基于Martin和Couwenberg（2021）的研究数据，汇总各欧盟成员国报告的有机土壤上草地的CO₂和CH₄排放量（kt CO₂-eq yr^?1），并计算其占各国总排放的百分比；二是遵循PRISMA（系统综述和元分析首选报告项目）流程，在Web of Science（WoS）和Scopus数据库中进行四步关键词检索和人工筛选，最终纳入21篇相关文章，以量化抬高水位技术的有效性；三是以爱尔兰为案例，基于爱尔兰环保署（EPA）2026年国家GHG清单报告中的土地面积数据和排放因子，开发三个情景（再湿润、浅层排水和混合），并采用蒙特卡洛（Monte Carlo）分析（每个情景迭代运行10,000次模拟）评估排放估算的不确定性，模拟中变化的参数包括各土地利用类型的排放因子范围（基于95%置信区间）以及贫养和富养土壤的百分比（45–55%范围）。

研究结果

3.1 欧盟范围内有机土壤上草地的范围及其GHG排放

研究估算，欧盟范围内有机土壤上草地面积约280万公顷（2018年），年排放4300–6500万吨CO₂-eq。各国排放量和面积差异显著：德国面积最大（970.48 kha），排放量也最高（24,567.68 kt CO₂-eq yr^?1）；波兰次之（761.69 kha，18,203.26 kt CO₂-eq yr^?1）；荷兰（277.40 kha，6629.49 kt CO₂-eq yr^?1）和爱尔兰（332.93 kha，5286.80 kt CO₂-eq yr^?1）也位列前茅。从排放占国家总排放比例看，爱尔兰最高（9%），拉脱维亚次之（14%），立陶宛第三（8%）。研究还指出，这些估算基于2021年发表的2020年清单数据，可能已过时；例如，爱尔兰EPA在2024年清单中调整了排水有机土壤面积，使排放估算发生重大变化，但未反映在Martin和Couwenberg（2021）的数据中。van Giersbergen等（2025）更新了欧盟排水泥炭地排放估算，但将草地和农田合并，难以单独分析草地类别。爱尔兰案例表明，使用更新的土地面积数据（EPA 2026）后，排放估算从5286 kt CO₂-eq降至3900 kt CO₂-eq，凸显了准确估算土地范围、土地利用和排水状况的重要性。

3.2 量化抬高水位努力的潜在有效性

系统综述纳入的21项研究显示，多种技术可抬高草地泥炭土的水位：堵塞排水沟和停止排水维护是最常见技术，可产生可测量的水位上升（如G?rn和Fischer 2015；Graf等2022；Renou-Wilson等2016；Rodriguez等2025；Schrier-Uijl等2014；Tong等2026）；地下灌溉（Best和Jacobs 1997；Heller等2025）和地下入渗系统（Harpenslager等2024）也可提高水位；在沿海和低洼泥炭地，拆除堤坝和停止抽水导致水位大幅上升（Koch等2017；Schulz等2011；Timmermann等2006）。水位上升幅度差异极大：最大上升（>50 cm，有时>100 cm）出现在受邻近地表水淹没的场地，尤其是拆除海堤允许洪水进入的沿海场地；20–40 cm的上升见于地下灌溉、自动控制抽水、停止排水、堵塞排水沟并填充锯末、控制地下排水出流以及维持沟渠水位约地表以下10 cm等情形；较小的上升（约7–18 cm）见于停止排水维护和安装粘土坝（Tong等2026；Renou-Wilson等2016）；也有研究报告无显著影响（O’Leary等2026在堵塞排水沟一年后未观察到水位变化；Heller等2025在堵塞四年后仅观察到1 cm差异）。研究指出，由于针对永久草地泥炭土的水位管理研究数量有限，难以准确量化管理技术对这些土地的特定影响，且部分研究为亚田间尺度实验，可能无法在田间或更大尺度上实施。

3.3 抬高水位对爱尔兰GHG排放的潜在影响

基于爱尔兰EPA（2026）的数据，草地有机土壤总面积338,920公顷，其中141,000公顷为深排水（>30 cm水位），197,920公顷为再湿润状态（缺乏主动排水系统维护）。三个情景的结果显示：再湿润情景（情景1）中，再湿润80,000公顷可减排590.44 kt CO₂-eq yr^?1（15.1%），全部14.1万公顷再湿润可减排1040.65 kt CO₂-eq yr^?1（26.7%）；浅层排水情景（情景2）中，80,000公顷转为浅层排水可减排379.36 kt CO₂-eq yr^?1（9.7%），全部转化可减排668.62 kt CO₂-eq yr^?1（17.1%）；混合情景（情景3）中，40,000公顷再湿润加40,000公顷浅层排水可减排484.90 kt CO₂-eq yr^?1（12.4%），全部转化（各70,500公顷）可减排854.64 kt CO₂-eq yr^?1（21.9%）。研究表明，减排幅度最大的是全部深排水土地再湿润，但浅层排水和混合情景也能实现显著减排，且可能允许土地继续用于草地生产。蒙特卡洛分析显示，由于富养土壤排放因子（尤其是再湿润富养草地的CH₄排放因子）不确定性范围大，模拟均值高于情景报告值，但各情景模拟均值仍低于当前排放情景均值，表明减排方向是稳健的。

讨论与结论

讨论部分指出，通过工程手段将水位抬高至再湿润状态在这些土地上可能不切实际或不可行，尤其是大面积实施时，受限于土壤储水能力和继续用于农业的需求；一些水位较深（<60 cm）且有机层较浅的场地可能特别难以抬高水位。堵塞人工排水结构可能有效，但其在田间或景观尺度上的效果需要更多研究。地下灌溉等额外工程方案可能是必要的。浅层排水和混合情景提供了替代方案，可在保持草地利用的同时减少排放，并可能限制再湿润相关的CH₄排放增加。研究还强调，目前141,000公顷深排水草地的分类基于IPCC指南的保守假设（缺乏排水状况信息时按深排水处理），实际部分土地可能已自然转为浅层排水或再湿润状态，准确测定实际排水状况将改善排放估算。此外，富养土壤的排放因子高于贫养土壤，因此针对深排水富养土壤进行水位管理可获最大减排收益。研究结论指出，准确估算有机土壤上草地的范围、排水和养分状况以及国别特定排放因子，对于各国制定有效的减排政策至关重要；爱尔兰情景分析为其他国家提供了可复制的框架，但估算准确性取决于各输入数据的质量，并应随新数据的出现而更新。