北方泥炭地碳动态与农业生产_冯子贤.pdf

资源环境-19-目前，全球农业生产已经受到气候变暖的强烈影响。大气中的二氧化碳、甲烷和二氧化氮这些温室气体浓度上升造成的温室效应增强是气候变暖的重要推手。森林、内陆水体、草地、农田和湿地五大陆地生态系统与全球碳动态密切相关，特别是北方泥炭地，是举足轻重的陆地碳库，在全球碳循环过程中处于重要地位。45N以北的地区是北方泥炭地和其中碳的主要分布地区，分布在这部分的北方泥炭地被称为北方泥炭地，北美洲的加拿大中部、阿拉斯加，欧亚大陆的欧洲西北部和西伯利亚西部是其主要分布地区 1。虽然北方泥炭地的面积只占陆地面积的2%3%，但其估计碳储量（455 Pg）约占全球估计土壤碳储量（1 395 Pg）的1/3 2,3。很多学者们认为，北方泥炭地是全球碳循环和气候变化的重要调控者 4-6。因此，北方泥炭地的碳循环是农业生产必须关注的问题。北方泥炭地是在末次冰期结束后的几千年内发育起来的 7。尽管北方泥炭地的净初级生产（Net primary production，NPP）低于很多其他的生态系统，但是由于长期积水造成的厌氧环境，使得北方泥炭地的分解也很低，只要有机质的产生超过分解速度，泥炭就会开始累积 8。北方泥炭地是一个巨大碳汇，但同时也是一个碳源 9。北方泥炭地每年可以向大气排放46 Tg的CH4，占全球CH4总排量的11.0%12.2%2,10，而CH4在百年尺度上的全球变暖潜能是CO2的25倍 11。尽管北方泥炭地目前仍然是净碳汇，但在当今全球变暖的大背景下，北方和亚北极地区的变暖速度远高于其他地区 12，这可能造成泥炭分解速度的加快，进而减弱北方泥炭地的碳汇作用，甚至使得北方泥炭地由碳汇转变为碳源 13，加上北方泥炭地是巨大的CH4源，这意味着北方泥炭地将很可能对未来全球变暖起到促进作用。因此，探究北方泥炭地碳动态对理解和应对未来气候变化和对农业生产的影响有重要意义。1 北方泥炭地碳动态影响机制北方泥炭地中的植被通过光合作用从大气中吸收以CO2形式存在的碳，这些碳以凋落物或者植物残体的形式封存在北方泥炭地中 14，这是北方泥炭地主要碳来源。北方泥炭地的碳损失主要发生在凋落物和植物残体的分解过程中，首先，植物残体在被微生物分解的过程中会产生小分子量的化合物，如单糖等。这些小分子化合物会被水所溶解而产生溶解有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）。有学者报道，北方泥炭地中的有机碳可以溶解在北方泥炭地的地下水中产生DOC进入河流，从而进入现代碳循环过程 15；其次，北方泥炭地土壤中的微生物分解植物残体产生CO2，并排放到大气中；再次，由于北方泥炭地土壤中的厌氧环境，产甲烷古菌活动产生CH4，其中一部分会直接排放到大气中，还有一部分则被以CH4为唯一碳源的甲烷营养细菌氧化成CO2排放进入大气。因此，CO2、CH4的循环以及溶解在水中的小分子化合物DOC，是北方泥炭地与外界碳交换的主要途径。北方泥炭地的温度和水位会影响CO2和CH4排放，温度和水位通过影响微生物和植物的生命活动、土壤的透气性和北方泥炭地基质来影响CO2、CH4的产生与消耗过程 16。北方泥炭地DOC的产生和排放则受到温度、大气CO2浓度以及北方泥炭地水文条件影响 17。1.1 气候变暖对北方泥炭地碳动态的影响一方面，气候变暖可以通过改变植物的生产力和群落结构，进而影响北方泥炭地的碳动态过程。如随着全球气温升高，北极苔原地区已经出现了木本植物的扩张 18。学者研究报道，变暖驱动的矮灌木扩张的同时，还使得北极生态系统对CO2的净吸收增强 19，这被认为是大型植被具有更高的光合作用效率以及大型植被残体更难分解所造成的 20，21，因此，如果北方泥炭地中的矮灌木扩张，就可能会促进北方泥炭地的碳吸收。但是，气候变暖导致北方泥炭地碳动态与农业生产冯子贤（湖南师范大学地理科学学院，湖南长沙410081）摘要 北方泥炭地是重要的陆地碳库，所以探究北方泥炭地碳动态对理解和应对未来气候变化以及农业生产具有重要意义。总结了泥炭地碳动态的原理，并且在过去研究基础上讨论了气候变暖、水文条件对泥炭地碳动态的影响，认为气候变暖和泥炭地的排干将会促进北方泥炭地的碳排放。如果将来气候持续变暖、北方泥炭地继续被排干，将对农业生产产生严重威胁。关键词 北方泥炭湿地；碳动态；农业生产 中图分类号 F323 文献标识码 A 收稿日期 2022-12-16 作者简介 冯子贤（1996），男，安徽合肥人，在读硕士研究生，研究方向：湿地碳动态。冯子贤：北方泥炭地碳动态与农业生产资源环境-20-农村经济与科技 2023 年第 34 卷第 11 期（总第 559 期）的植被变化也可能促进北方泥炭地出现更多的碳损失。有学者研究了北方泥炭地中不同类型植物的分解速度，该研究指出泥炭藓的分解速度低于其他类型植物，并且指出了这可能是泥炭藓会分泌一种泥炭藓酸，这种酸会抑制微生物的活动 22，并且也有学者的研究揭示了泥炭藓酸可以通过铁保护机制、自由基淬灭机制及土壤酶活抑制机制三种途径对微生物的活动和酶的活性产生抑制，从而对北方泥炭地有机碳产生“三重锁碳机制”23。这就意味着植被类型以泥炭藓为主的北方泥炭地可以固存相对多的碳而产生相对少的碳排放；禾本科植物则可能通过产生相对容易降解的凋落物来增加分解速率 24，并且北方泥炭地在禾本科植物主导的情况下，气候变暖导致呼吸速率的增加相对于光合作用的增加更大，从而导致净CO2汇强度降低 25。这就意味着，当伴随着气候变暖导致的北方泥炭地苔藓植物消亡以及维管植物的扩张 18,26,27，如果禾本科植物（属于维管植物）在北方泥炭地中取得更大优势就可能会加速北方泥炭地的碳损失，从而反过来进一步促进气候变暖 28。另一方面，气候变暖会加快北方泥炭地死亡植物的分解速度，从而促进北方泥炭地的碳排放。首先，变暖增加了北方泥炭地的CO2的排放。Dorrepaal等 29研究了亚北极地区变暖对北方泥炭地地下碳库的影响，发现气候长期变暖会增加亚北极北方泥炭地CO2排放；也有学者发现北方泥炭地土壤微生物的丰度随着变暖而增加，并且细菌和真菌丰度与CO2排放量显著相关，这表明可能是变暖刺激了微生物产生CO2 16。其次，气候变暖还会增加北方泥炭地的CH4排放，有学者研究表明大范围生态系统中的CH4生产与实验室培养的产甲烷古菌的CH4生产具有温度依赖性 30，这就意味着气候变暖会刺激北方泥炭地产甲烷古菌的活动，从而使得北方泥炭地产生更高的CH4排放；同样地，Turetsky等 31研究了阿拉斯加北方泥炭地的CH4排放对气候变暖的响应，也发现气候变暖刺激了北方泥炭地中产甲烷古菌的活动，使得CH4通量增加。再次，气候变暖会加速北方泥炭地有机碳的分解，从而释放出更多的DOC，这也是北方泥炭地碳损失的重要途径，有学者观察到英国集水区淡水中的DOC浓度在12年间增加了65%，并认为是气候变暖加速北方泥炭地的DOC释放造成的 32。1.2 水文条件对北方泥炭地碳动态的影响一方面，水分是植物生长的控制因子。据预测，气候变暖在北方泥炭地所在的北半球高纬度最为严重，全球温度升高、降水模式变化，可能会对高纬度地区土壤水分条件产生不利影响 33。可用水减少和地下水位降低，可通过改变北方泥炭地净初级生产力直接引起碳平衡变化，也可以通过改变植物群落组成间接引起碳平衡的变化 34。有研究表明，北方泥炭地排水（地下水位下降）导致北方泥炭地中的小灌木取代苔藓植物，虽然这种变化增加维管植物的覆盖率和生物量，导致北方泥炭地对CO2的吸收增加，但同时泥炭分解和树根呼吸作用也会增加，由此反而造成北方泥炭地损失更多的碳 35。其他报道也表明，北方泥炭地地下水位的下降对灌木的生长更加有利，而对禾本科植物的生长相对不利 36-38，这是由于灌木的根系缺乏通气组织，无法在北方泥炭地长期淹水的条件下生存。另一方面，北方泥炭地的水位变化将会通过控制泥炭剖面的有氧/厌氧条件来控制北方泥炭地CO2/CH4排放 39。有学者的研究报道了北方泥炭地的地下水位下降使得北方泥炭地中富含碳的土壤暴露在空气中，这将会加快泥炭的分解与CO2的排放，并且减少CH4的排放 40，其他研究也表明北方泥炭地地下水位下降会使得CH4的排放减少 41。研究发现，多数北方泥炭地的地下水位对CH4排放的影响比气候变暖更大 42。北方泥炭地的水文变化除了影响CO2/CH4的排放外，还会影响北方泥炭地DOC的产生与释放，北方泥炭地的水位影响DOC的产生，径流大小则影响DOC的输出。一般地，北方泥炭地水位上升/下降产生的厌氧/有氧条件，将会不利/有利于泥炭有机质的分解，从而产生更少/更多的DOC；北方泥炭地径流量的大小还会显著影响北方泥炭地DOC的输出 17。2 人类农业活动与泥炭地碳动态由于人类活动的增强，北方泥炭地已经遭到破坏。一方面，人类活动通过排水作业将北方泥炭地改造，以发展农业、林业，从而造成土壤有机质的矿化，增加呼吸作用 43，这将会使得北方泥炭地排放出更多的碳，从而促进全球气候变暖。CO2和CH4是两种主要温室气体，人类活动对北方泥炭地CO2和CH4的排放具有不同影响。由于人类活动改造北方泥炭地的行为主要是排水。排水直接导致北方泥炭地水位的降低，这将会减少北方泥炭地CH4的排放，同时增加CO2的排放 40；人类对北方泥炭地的排水活动还会增加北方泥炭地火灾的频率和范围，而北方泥炭地的火灾燃烧将会影响北方泥炭地深处几百到几千年都未参与碳动态的古老土壤碳 44，这些古老的土壤碳排放到大气中将会对全球气候产生深远影响。另一方面，人类的生产活动还可以改变北方泥炭地的地上生物量和植被组成。如有学者研究了放牧对英格兰北部北方泥炭地的影响，发现放牧减少了该北方泥炭地的地上碳储量，并且导致禾本科植物数量增加，灌木和苔藓植物减少 45，而资源环境-21-禾本科植物在北方泥炭地中的更大优势可能会加速北方泥炭地的碳损失并促进全球气候变暖 46。放牧动物还会践踏土壤，践踏产生的压实作用会使土壤的物理性质改变，主要包括土壤容重增加、透气性降低、入渗减少 47。Pengthamkeerati等 48研究了放牧地区由于动物践踏造成的土壤容重增加对CO2排放的影响，结果表明CO2的排放随着土壤容重的增加而显著减少，Hynt等 49和Clay等 50在放牧地区受到严重践踏的地块上也发现了CO2排放的减少。但是放牧对北方泥炭地CH4排放影响的研究结果存在差异，一些研究将其与更高的CH4排放联系在一起 51。但也有学者认为CH4将会减少排放或没有 影响 52,53。人类的农业活动会对北方泥炭地的碳动态产生影响，这种影响又将反过来影响农业生产。Liu等 54比较了1.5 和2 的气候变暖条件下，中亚极端气候变化以及这种变化对农业生产的影响，认为这种变暖将会导致中亚地区干旱条件加重，同时会影响当地的农业生产以及粮食安全。Assuno等 55评估了气候变暖对巴西农业生产的影响，认为在当今的技术条件下，如果气候继续变暖，巴西的农业产量将会减少18%。而有学者估计了气候变暖对非洲农业生产和粮食安全的影响，认为如果未来气候变暖3，非洲的农业产量将只能养活13.5亿人，但是这时候非洲总人口将达35亿人，也就是说将会有21.5亿人要面对饥荒 56。3 展望随着全球气候变暖与人类破坏的增强，北方泥炭地正在面临逐渐萎缩、功能退化。这些北方泥炭地已被排干，用于农业、林业或泥炭采矿等生产活动。虽然泥炭地目前还是碳汇，但如果不对北方泥炭地加以保护，北方泥炭地未来很可能会转变为碳源，对农业生产起到更多负面作用。因此，为了保护北方泥炭地这个巨大地碳库，让它在未来全球变暖中继续发挥碳汇作用，需要做到以下两点。1）需要合理保护泥炭地资源。泥炭是在长期历史演变中形成的，需要更加合理、节约地利用。应根据其理化性质不同，应因地制宜地采取不同的利用和保护方式。2）泥炭地的保护需要公众参与，因此需要深入开展教育学习活动，提高人们的生态保护意识和环境忧患意识，树立生态文明观念。参考文献1 YU Z C，BEILMAN D W，FROLKING S，e