熱帶人工林泥炭地CH?與CO?的生成——排放路徑解析

泥炭地是至關重要卻極易受損的碳庫。本研究調查了被轉為種植園的熱帶泥炭地中的碳生物地球化學過程。我們在印度尼西亞蘇門答臘島的一片尾葉桉試驗林中，測定了孔隙水和排水網絡中的CO₂和CH₄濃度、穩定同位素比值以及放射性碳含量。結果顯示，孔隙水與排水體系中的溶解有機碳（DOC）、CO₂和CH₄濃度非常高，說明尾葉桉種植園因其高生產力和暴露的富碳基質而成為碳熱點。穩定同位素模型表明，雖然CO₂和CH₄主要在地下產生，但CH₄的貢獻低于天然未排水泥炭地。放射性碳分析顯示，被重新活化的碳參與了現代碳庫，其中位年齡約為距今470年。這些發現限定了土地利用、地下水位與碳動態之間的聯系，對種植園泥炭地的碳管理具有啟示意義。

本研究旨在探討熱帶泥炭地轉變為人工林后，地下和排水水體中的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）的產生和排放路徑，具體目標包括：

研究在印度尼西亞蘇門答臘島的一個64.7萬公頃的泥炭地進行，該泥炭地已被轉變為人工林。研究地點位于甘巴半島，泥炭地已有超過5100年的歷史。

圖1. （a）研究區域在區域內的位置；（b）位于甘巴半島上的具體位置；（c）實驗站點衛星影像，沿南北高程梯度布設采樣站；（d）研究區橫斷面概念模型。請注意，水流方向自北（模型右側）向南（模型左側）流動。

圖2. 泥炭孔隙水與表層水中生物地球化學過程的概念模型：Resp.=有機質呼吸，泥炭氧化層的主要降解路徑；AM=乙酸發酵型產甲烷，一種在缺氧條件下產生CO₂和CH₄的過程；HM=氫營養型產甲烷，另一種缺氧路徑，屬于CO₂還原途徑，同樣產生CO₂和CH₄。同位素分餾因子（α）及預期的同位素組成（δ13C）引自 Holmes et al. (2015)。

泥炭孔隙水中溶解碳的主要形式是DOC，其次是溶解的CO₂，而溶解的CH4占不到1%。與水位試驗WTT_深層相比，WTT_淺層的溶解碳濃度沒有顯著差異。在地表水中，DOC占總溶解碳的92%以上，溶解的CO₂占8%，CH₄可以忽略不計。溝渠中的總溶解碳（DOC+CO₂+CH₄）高于運河，DOC和CO₂具有統計學意義，但CH₄沒有。地表水中溶解的CO₂和CH₄水平分別比泥炭孔隙水中低4倍和92倍，而DOC保持在相同的數量級內。不同形態之間沒有出現明顯的季節性趨勢，這可能是由于全年持續溫暖潮濕的條件造成的。

我們現場測量的δ¹³C值與熱帶泥炭地的現有數據一致。孔隙水δ¹³C-CO₂（-23‰）與C3來源有機質降解的森林地區和巴拿馬熱帶濕地的值相似。使用同位素質量平衡模型，結果表明，生態系統呼吸是一種非分餾途徑，是兩個地點CO₂的主要來源。呼吸作用的優勢（>80%）與未受干擾的北方泥炭地形成鮮明對比，在那里，孔隙水中溶解的大部分CO₂來自甲烷生成，孔隙水δ¹³C-CO₂的中值為-3.8‰ 或δ¹³C-DIC為 -4.6‰。生態系統呼吸的重要性可以用排水增加的氧化層深度和全年溫暖潮濕的條件來解釋，這些條件導致呼吸速率高于高緯度地區。