兰州大学研究团队在全球（泥炭）湿地生态系统碳平衡及甲烷排放方面取得系列进展

湿地在生物多样性维持、水净化和水循环调控、人类食物供给、固碳和气候变化减缓等方面发挥着至关重要的作用。全球湿地仅覆盖地球陆表面积的6%左右，但其植物和土壤中储存着占比高达20%的有机碳。泥炭地（土壤有机质含量≥30%，泥炭层沉积厚度≥ 40 cm）是非常重要的湿地生态系统类型之一。泥炭地仅占全球陆地面积的约2.84%，却储存了5000–7000亿吨碳，占全球土壤碳储量的约30%。因此，（泥炭）湿地被认为是长久且重要的陆地碳汇，在全球实现基于自然的“碳中和”解决方案和气候行动联合国可持续发展目标中发挥着重要作用。

然而，过去百年时间内，由于受到人为排水活动的影响，如（泥炭）湿地排水用于农业、林业、草原生产（用于牲畜放牧和牧草生产）或泥炭开采，导致了约12%的全球自然泥炭地消失。排水活动会降低（泥炭）湿地地下水位，导致原本处于厌氧环境下上万年才积累生成的泥炭土直接暴露于大气中而被快速氧化分解，释放出大量的温室气体如二氧化碳（CO₂）和氧化亚氮（N₂O），加剧全球变暖。复湿可以降低这些排水（泥炭）湿地的碳损失，并有利于土壤有机碳含量的恢复。但是目前对（泥炭）湿地碳平衡的评估主要关注陆地与大气间垂向净生态系统CO₂交换（NEE），往往忽略了（泥炭）湿地内横向碳迁移（如可溶性有机碳（DOC）和无机碳（DIC）输出），更忽略了排水后用于不同土地利用类型时所伴生的其他碳输入和输出（如用作农田和草地时植物残体碳输入、动物有机肥输入、地上生物量收获）等横向碳通量。此外，鲜有研究综合考虑不同（泥炭）湿地类型、排水后/复湿前土地利用背景、排水/复湿年限等因素对全球不同（泥炭）湿地年尺度净生态系统碳平衡（NECB = NEE + 有机碳输入+ 生物量碳移除+ DOC + DIC）的影响。

针对以上关键科学研究不足，兰州大学大气科学学院马磊青年研究员团队联合中国科学院地理科学与资源研究所汪金松副研究员团队构建了一个包含893个NECB年通量的全球湿地碳通量数据集。结果表明，全球湿地NECB表现出较大的空间变异性（图1）。排水湿地NECB（正值代表碳源，负值代表碳汇）显著高于自然和复湿湿地，表现为一个碳源，而自然和复湿湿地表现为碳汇。研究结果表明需要对所有类型的排水湿地进行复湿，尤其是那些以前用于农业用途的（亚）热带湿地。该研究定量比较了全球不同状态湿地的NECB格局与调控机制（图2）。提高地下水位是减少全球湿地碳损失的一项重要措施，本研究对于湿地保护和管理具有一定的指导意义。

以上成果以“Elevating water table reduces net ecosystem carbon losses from global drained wetlands”为题，于2024年9月5日发表在Global Change Biology（图3）。中国科学院地理科学与资源研究所硕士生刘宁为该论文的第一作者，中国科学院地理科学与资源研究所汪金松副研究员和兰州大学大气科学学院马磊青年研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（32241035，31988102，32171593）和中科院地理资源所“可桢-秉维青年人才”计划（2022RC004）的资助。

此外，湿地也是另一种温室气体——甲烷（CH₄）的重要排放源。泥炭地作为一类最典型的湿地生态系统，其排水活动虽然减少了泥炭地陆地部分CH₄排放，但往往伴随着排水沟渠的形成，排水沟渠是潜在的CH₄排放热点，然而现有研究往往忽略了泥炭地排水沟渠CH₄排放的贡献，尤其在不同气候带和土地利用类型下，泥炭地排水沟渠CH₄排放及其对由排水导致的泥炭地陆地部分CH₄排放净下降的抵消作用尚不清楚。基于此，兰州大学大气科学学院2024级博士研究生甘德钊和马磊青年研究员等使用荟萃分析（Meta-analysis）和自举重（Bootstrap-resampling）以及全球尺度扩展（Global upscaling）等方法，整合249项配对的近自然泥炭地和排水泥炭地CH₄通量数据（包括133对直接全年测量CH₄通量+116对扩展的年CH₄通量），以及107项沟渠的直接全年测量CH₄排放量数据进行全球荟萃分析，以解决这一关键科学问题。

研究结果表明，尽管泥炭地排水沟渠面积仅占全球排水泥炭地的3.8（3.1~4.4）%，但其单位面积的CH₄排放量达695 (511~898) kg ha^–1 yr^–1，显著高于近自然泥炭地和排水泥炭地陆地部分CH₄排放量，泥炭地沟渠CH₄排放可以抵消全球泥炭地由于排水引起的泥炭地陆地部分CH₄排放净下降的约12（10~14）% （图4），而用作农田的（亚）热带排水泥炭地中，沟渠的CH₄排放抵消率高达92（81~127）% （图5）。因此，在不考虑沟渠排放的情况下，排水引起的全球泥炭地CH₄年排放净减少量被部分高估了，而在（亚）热带地区则会被严重高估。该研究呼吁将泥炭地沟渠纳入更广泛的景观水平，以稳健地评估排水对泥炭地CH₄排放的影响。

以上成果以“Ditch emissions partially offset global reductions in methane emissions from peatland drainage”为题，于2024年10月29日发表在Nature旗下Communications Earth & Environment（图6）。文章在线发表后，受副主编Dr.Alice Drinkwater的邀请，研究团队在Nature Portfolio Earth and Environment Community以“Accounting for released methane in ditches is crucial for accurate emission assessments from global peatlands drainage”为标题分享了研究工作背后的故事，并强调了泥炭地排水引起的CH₄排放下降中考虑排水沟渠CH₄排放抵消作用的重要性（图7）。兰州大学大气科学学院2024级博士研究生甘德钊为该论文的第一作者，兰州大学大气科学学院马磊青年研究员、中国科学院地理科学与资源研究所汪金松副研究员和中国科学院西北生态环境与资源研究所孟宪红研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（32241035，32471767）、国际原子能机构（IAEA-CRPD31031）、国家自然科学基金杰出青年科学基金（42325502）、甘肃省自然科学基金（22JR5RA439）和兰州大学“双一流”专项指导计划（561120206）的资助。

上述成果是在研究团队前期泥炭地温室气体通量工作（Ma & Zuo. 2022, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2115676119；Ma et al. Communications Earth & Environment, 封面论文, https://doi.org/10.1038/s43247-022-00590-8；Lin et al. 2022, Environmental Pollution, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.119041）基础上取的重要进展，深化了对全球（泥炭）湿地温室气体通量格局及其调控机制的认识，为保护全球（泥炭）湿地和恢复退化（泥炭）湿地提供了重要科学依据。

Gan, D., Zhang, Z., Li, H. Yu, D., Li, Z., Long, R., Niu, S., Zuo, H., Meng, X.*, Wang, J.*, & Ma, L.* (2024). Ditch emissions partially offset global reductions in methane emissions from peatland drainage. Communications Earth & Environment. 5, 640. https://doi.org/10.1038/s43247-024-01818-5