热带人工林泥炭地CH₄与CO₂的生成——排放路径解析

泥炭地是至关重要却极易受损的碳库。本研究调查了被转为种植园的热带泥炭地中的碳生物地球化学过程。我们在印度尼西亚苏门答腊岛的一片尾叶桉试验林中，测定了孔隙水和排水网络中的CO₂和CH₄浓度、稳定同位素比值以及放射性碳含量。结果显示，孔隙水与排水体系中的溶解有机碳（DOC）、CO₂和CH₄浓度非常高，说明尾叶桉种植园因其高生产力和暴露的富碳基质而成为碳热点。稳定同位素模型表明，虽然CO₂和CH₄主要在地下产生，但CH₄的贡献低于天然未排水泥炭地。放射性碳分析显示，被重新活化的碳参与了现代碳库，其中位年龄约为距今470年。这些发现限定了土地利用、地下水位与碳动态之间的联系，对种植园泥炭地的碳管理具有启示意义。

本研究旨在探讨热带泥炭地转变为人工林后，地下和排水水体中的甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）的产生和排放路径，具体目标包括：

研究在印度尼西亚苏门答腊岛的一个64.7万公顷的泥炭地进行，该泥炭地已被转变为人工林。研究地点位于甘巴半岛，泥炭地已有超过5100年的历史。

图1. （a）研究区域在区域内的位置；（b）位于甘巴半岛上的具体位置；（c）实验站点卫星影像，沿南北高程梯度布设采样站；（d）研究区横断面概念模型。请注意，水流方向自北（模型右侧）向南（模型左侧）流动。

图2. 泥炭孔隙水与表层水中生物地球化学过程的概念模型：Resp.=有机质呼吸，泥炭氧化层的主要降解路径；AM=乙酸发酵型产甲烷，一种在缺氧条件下产生CO₂和CH₄的过程；HM=氢营养型产甲烷，另一种缺氧路径，属于CO₂还原途径，同样产生CO₂和CH₄。同位素分馏因子（α）及预期的同位素组成（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%。与水位试验WTT_深层相比，WTT_浅层的溶解碳浓度没有显著差异。在地表水中，DOC占总溶解碳的92%以上，溶解的CO₂占8%，CH₄可以忽略不计。沟渠中的总溶解碳（DOC+CO₂+CH₄）高于运河，DOC和CO₂具有统计学意义，但CH₄没有。地表水中溶解的CO₂和CH₄水平分别比泥炭孔隙水中低4倍和92倍，而DOC保持在相同的数量级内。不同形态之间没有出现明显的季节性趋势，这可能是由于全年持续温暖潮湿的条件造成的。

我们现场测量的δ¹³C值与热带泥炭地的现有数据一致。孔隙水δ¹³C-CO₂（-23‰）与C3来源有机质降解的森林地区和巴拿马热带湿地的值相似。使用同位素质量平衡模型，结果表明，生态系统呼吸是一种非分馏途径，是两个地点CO₂的主要来源。呼吸作用的优势（>80%）与未受干扰的北方泥炭地形成鲜明对比，在那里，孔隙水中溶解的大部分CO₂来自甲烷生成，孔隙水δ¹³C-CO₂的中值为-3.8‰ 或δ¹³C-DIC为 -4.6‰。生态系统呼吸的重要性可以用排水增加的氧化层深度和全年温暖潮湿的条件来解释，这些条件导致呼吸速率高于高纬度地区。