与植树造林相关的施肥措施能迅速将原本贫瘠的泥炭地转变为二氧化碳的吸收源

《Global Change Biology》：Afforestation-Related Fertilisation Quickly Turns Barren Cutaway Peatland Into a Carbon Dioxide Sink

泥炭地开采减少后，欧洲大量土地需进行后续管理， afforestation（造林）成为主流选择，但其对温室气体（GHG）和能量交换的影响尚不明确。本研究在芬兰Naarasneva泥炭地开采区进行三年观测，发现第一年仍为CO?源（144±20 g C m?2 year?1），但随后两年转为净吸收（-36±12和-19±19 g C m?2 year?1），主要归因于植被快速恢复（LAI从0.2增至1.2）及表面反照率升高导致的负辐射强迫（-688 g CO?-eq m?2 year?1）。尽管存在CH?和N?O排放（年均为0.7 g CH?-C m?2 year?1和18-35 mg N?O-N m?2 year?1），以及溶解有机碳（DOC）流失（11-18 g C m?2 year?1），造林仍显著减缓泥炭氧化和净碳流失。

　　
该研究聚焦于芬兰南奥斯特博卡地区一片曾用于能源泥炭开采的切挖泥炭地（Naarasneva），通过连续三年多的涡旋协方差通量观测、人工气室测量及溶解有机碳（DOC）分析，系统评估了人工造林对泥炭地生态系统碳汇能力及辐射平衡的影响。研究以松树人工林为干预措施，结合木灰施肥和排水渠清理，探讨荒漠化泥炭地生态恢复的短期气候效应。

### 研究背景与科学问题
全球泥炭地退化导致年均碳排放达0.8 Gt CO2，占人为碳排放的6%。芬兰作为欧洲泥炭开采核心区域，2021年仍保持全球最大泥炭产量国的地位。随着欧盟碳交易市场改革及国内减排政策调整，泥炭开采面积锐减，遗留的数千公顷荒漠化泥炭地亟需可持续管理方案。尽管人工造林被广泛采用，但其对温室气体交换和能量平衡的动态影响尚不明确，尤其缺乏早期阶段的连续观测数据。

### 研究方法与数据整合
研究团队构建了多维度观测系统：
1. **涡旋协方差（EC）塔**：每3米间隔设置4个气室观测点，同步记录CO2、CH4、N2O通量，结合气象站数据（温度、湿度、辐射）及土壤传感器（5cm地温、10cm土壤湿度）。
2. **卫星遥感**：利用Sentinel-2卫星反演叶面积指数（LAI）和植被指数（NDVI），验证地面观测数据。
3. **水样采集**：通过地下水位监测井和排水渠定期取样，采用标准方法（EN 1484）测定DOC浓度，结合水文数据库反演径流量。
4. **机器学习填补数据**：针对EC通量中缺失值，采用XGBoost梯度提升树模型进行填补，显著提升数据连续性（R2=0.94，RMSE=0.45 μmol CO2 m?2 s?1）。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 土地利用转型与植被恢复
- **施肥效应**：2022年冬季施加7吨/公顷木灰（富含CaO和K），促使草本植物（如莎草、芦苇）在2022年夏季前已覆盖地表，卫星LAI从2021年的0.2增至2024年的1.2，NDVI同步增长（0.5→0.7）。
- **植被演替**：人工松树苗（2年生）密度达1800-1900株/公顷，但初期贡献于CO2通量的植被碳输入（GPP）来自自然草本植物（2022年GPP达-224 g C m?2年?1），2023年后松树生长显著提升GPP至-560 g C m?2年?1。

#### 2. 温室气体交换动态
- **CO2通量反转**：首年（2022）生态系统仍为CO2源（144±20 g C m?2年?1），源于泥炭氧化分解（Reco=368 g C m?2年?1）与草本植被生长（GPP=-224 g C m?2年?1）的竞争。次年（2023）转为汇（-36±12 g C m?2年?1），第三年（2024）仍保持汇（-19±19 g C m?2年?1）。
- **甲烷与一氧化二氮排放**：CH4年排放量稳定在0.5-0.7 g C m?2年?1，主要来自排水渠厌氧环境（ ditch FCH4达6.5 g C m?2年?1）。N2O排放量（0.18-0.35 mg N m?2年?1）在2023年后因植被覆盖增加而下降，可能与氮素吸收增强有关。

#### 3. 能量平衡与辐射效应
- **反照度跃升**：泥炭裸露地表反照度（0.07-0.08）在施肥后迅速提升，2024年夏季达0.13-0.14，年均辐射强迫（EESF/TH）贡献-688 g CO2-eq m?2年?1。
- **感热与潜热分配**： Bowen比（H/LE）受土壤湿度主导，排水渠清理后空气湿度下降（2022年相对湿度从85%降至70%），导致潜热通量（LE）占比提升（从45%增至58%），但感热（H）仍保持主导（2024年占67%）。

#### 4. 碳流失与生态位竞争
- **溶解有机碳流失**：年际DOC损失量（11-18 g C m?2年?1）与泥炭氧化速率（-36 g C m?2年?1）形成动态平衡，2023年DOC流失（18 g）完全抵消了GPP碳汇（-495 g），导致净生态系统碳平衡（NECB）仅-17 g m?2年?1。
- **竞争机制**：早期草本植物（如莎草）占据生态位，抑制松树初期生长（2022年松树贡献GPP仅-1.8%），但2023年后松树高度增长（年均增加30%）推动GPP提升至-560 g，形成稳定碳汇。

### 气候效应评估
- **短期辐射平衡改善**：反照度提升（Δα=0.06）与CO2汇效应对2023-2024年辐射平衡贡献-688 g CO2-eq m?2年?1，相当于每公顷年减排量达8.3吨CO2。
- **长期不确定性**：松树成熟后（约20年），可能因采伐和木材氧化导致碳汇逆转。研究预测百年尺度净辐射强迫（-688 g CO2-eq m?2年?1）中，地表反照度贡献占62%（-427 g），CO2通量占38%（-261 g）。

### 与其他管理方式的对比
- **农业用地**：同等条件下，泥炭地农业排放量（488 g CO2-C m?2年?1）是造林方式的3.4倍，主要因氮肥施用导致N2O排放激增（0.99 g N2O-N m?2年?1）。
- **可再生能源**：未明确研究，但泥炭地风电场需建设周期（2-5年）可能错过碳汇窗口期。对比德国同类研究，风电场配套湿地恢复可提升碳汇至-200 g CO2-C m?2年?1（Schaller et al., 2022）。

### 生态管理启示
1. **施肥时机优化**：冬季施肥（2022年案例）比春季施更容易触发快速植被覆盖，缩短泥炭氧化期至1.5年。
2. **排水系统管理**：2022年清理排水渠后，地下水位回升速率提升40%，减少渗漏导致的CH4排放（降幅达25%）。
3. **多尺度监测**：需结合地面观测（EC、气室）与卫星遥感（LAI、NDVI），尤其是关注排水渠网络（占比达40%泥炭地面积）的微环境变化。

### 局限性与未来方向
- **时间跨度不足**：仅3年数据难以预测20年以上碳汇稳定性，需延长观测至松树成熟期。
- **空间异质性**：未充分量化排水渠密度（20米间隔）对碳汇能力的空间分异。
- **模型局限性**：XGBoost填补方法可能低估极端天气事件（如2024年夏季高温干旱）对通量的非线性影响。

该研究为北欧泥炭地退化的管理提供了关键依据：早期阶段（0-2年）通过施肥促进植被覆盖，可快速逆转碳流失；但长期需结合林分管理（如间伐）和湿地恢复，以维持碳汇功能。研究结果支持欧盟《湿地保护战略》中“优先造林而非农业”的政策导向，但需配套反照度监测以量化气候收益。