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(guān)重要卻極易受損的碳庫(kù)。本研究調(diào)查了被轉(zhuǎn)為種植園的熱帶泥炭地中的碳生物地球化學(xué)過(guò)程。我們?cè)谟《饶嵛鱽喬K門答臘島的一片尾葉桉試驗(yàn)林中，測(cè)定了孔隙水和排水網(wǎng)絡(luò)中的CO₂和CH₄濃度、穩(wěn)定同位素比值以及放射性碳含量。結(jié)果顯示，孔隙水與排水體系中的溶解有機(jī)碳（DOC）、CO₂和CH₄濃度非常高，說(shuō)明尾葉桉種植園因其高生產(chǎn)力和暴露的富碳基質(zhì)而成為碳熱點(diǎn)。穩(wěn)定同位素模型表明，雖然CO₂和CH₄主要在地下產(chǎn)生，但CH₄的貢獻(xiàn)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(xiàn)代碳庫(kù)，其中位年齡約為距今470年。這些發(fā)現(xiàn)限定了土地利用、地下水位與碳動(dòng)態(tài)之間的聯(lián)系，對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち趾螅叵潞团潘w中的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）的產(chǎn)生和排放路徑，具體目標(biāo)包括：

研究在印度尼西亞蘇門答臘島的一個(gè)64.7萬(wàn)公頃的泥炭地進(jìn)行，該泥炭地已被轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち帧Ｑ芯康攸c(diǎn)位于甘巴半島，泥炭地已有超過(guò)5100年的歷史。

圖1. （a）研究區(qū)域在區(qū)域內(nèi)的位置；（b）位于甘巴半島上的具體位置；（c）實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)衛(wèi)星影像，沿南北高程梯度布設(shè)采樣站；（d）研究區(qū)橫斷面概念模型。請(qǐng)注意，水流方向自北（模型右側(cè)）向南（模型左側(cè)）流動(dòng)。

圖2. 泥炭孔隙水與表層水中生物地球化學(xué)過(guò)程的概念模型：Resp.=有機(jī)質(zhì)呼吸，泥炭氧化層的主要降解路徑；AM=乙酸發(fā)酵型產(chǎn)甲烷，一種在缺氧條件下產(chǎn)生CO₂和CH₄的過(guò)程；HM=氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷，另一種缺氧路徑，屬于CO₂還原途徑，同樣產(chǎn)生CO₂和CH₄。同位素分餾因子（α）及預(yù)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(yàn)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?cè)芙馓嫉?2%以上，溶解的CO₂占8%，CH₄可以忽略不計(jì)。溝渠中的總?cè)芙馓迹―OC+CO₂+CH₄）高于運(yùn)河，DOC和CO₂具有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shù)量級(jí)內(nèi)。不同形態(tài)之間沒有出現(xiàn)明顯的季節(jié)性趨勢(shì)，這可能是由于全年持續(xù)溫暖潮濕的條件造成的。

我們現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的δ¹³C值與熱帶泥炭地的現(xiàn)有數(shù)據(jù)一致。孔隙水δ¹³C-CO₂（-23‰）與C3來(lái)源有機(jī)質(zhì)降解的森林地區(qū)和巴拿馬熱帶濕地的值相似。使用同位素質(zhì)量平衡模型，結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)呼吸是一種非分餾途徑，是兩個(gè)地點(diǎn)CO₂的主要來(lái)源。呼吸作用的優(yōu)勢(shì)（>80%）與未受干擾的北方泥炭地形成鮮明對(duì)比，在那里，孔隙水中溶解的大部分CO₂來(lái)自甲烷生成，孔隙水δ¹³C-CO₂的中值為-3.8‰ 或δ¹³C-DIC為 -4.6‰。生態(tài)系統(tǒng)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(lái)解釋，這些條件導(dǎo)致呼吸速率高于高緯度地區(qū)。