在北极圈深处的 drained peatlands，这片历经数千年形成的庞大碳库，正静悄悄地向大气中泄漏温室气体。但挪威北部的最新实地研究指出，提升地下水位或许能有效遏制这一流失。一项为期两年的研究发现，恢复北极 cultivated peatlands 的地下水位能显著减少二氧化碳排放，在某些情况下甚至扭转局面，让土地吸收的二氧化碳量超过其释放量。
当泥炭地被排干用于耕作时，这种平衡就会被打破。降低地下水位使氧气进入土壤，加速了微生物活动。随着微生物分解先前被保存下来的植物物质，储存了数个世纪的碳以二氧化碳（CO2）的形式释放到大气中。
北部泥炭地研究仍不足
自17世纪以来，欧洲和北欧地区的大片泥炭地已被排干。科学家们仔细研究了其中许多地区的排水和水位变化如何影响温室气体排放。
而对于用于农业的最北部泥炭地，我们所知甚少。这些地区气温低，生长季节短，且夏季月份日照时间长。
挪威生物经济研究所（NIBIO）的研究员 Junbin Zhao 解释说：“通过对较温暖地区的研究，我们知道，在已排干和耕作的泥炭地中，提高地下水位通常会减少二氧化碳排放，因为泥炭分解速度变慢了。”
“同时，更湿润和低氧的条件会增加甲烷，因为当土壤中几乎没有氧气时，产生甲烷的微生物会大量繁殖。”
一氧化二氮在某些湿度条件下也可能增加。当土壤潮湿但未完全浸透时，氮的分解过程可能会中途停止，产生一氧化二氮，而不是无害的氮气。
Zhao说：“由于每种温室气体对水位变化的反应不同，一种气体的排放量可能会下降，而另一种则可能上升。这就是为什么关注整体气体平衡很重要。”
“我们需要在整个季节同时测量二氧化碳、甲烷和一氧化二氮，才能了解在最北部农业区域的真实净效应。”
挪威北部为期两年的北极实地研究
为了解答这些问题，Zhao及其同事于2022年和2023年在位于挪威北部帕斯维克谷的NIBIO斯文霍夫研究站进行了一项为期两年的实地研究。自动监测箱在整个生长季节每天多次追踪二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的排放。
Zhao解释说：“实验包括五个样地，它们共同反映了排干农业用地的典型管理条件——不同的地下水位、不同数量的肥料以及每季不同的收割次数。”
研究团队聚焦于三个关键问题：
- 提高地下水位能否使已耕种的北极泥炭地接近气候中和？
- 水位对土壤二氧化碳排放的影响是否大于对植物二氧化碳吸收的影响？
- 施肥和收割如何影响总体气候平衡？
较高地下水位减少二氧化碳排放
当帕斯维克泥炭地被严重排干时，它释放了大量的二氧化碳，与更靠南的耕作泥炭地相当。但当研究人员将地下水位提高到地表以下25至50厘米之间时，排放量急剧下降。
Zhao说：“在这些较高的水位下，甲烷和一氧化二氮的排放量也很低，使得整体气体平衡好得多。在这种条件下，这块田地吸收的二氧化碳甚至略多于其排放量。”
这表明，在北极农田中维持较高的地下水位可能是一种有效的气候策略。
“我们的发现特别有趣，因为排放量是全天候连续测量的。这意味着我们捕捉到了短暂的高排放峰值和自然的日波动，这些细节在仅进行偶尔测量时常常被遗漏。”
为何寒冷的北极气候会放大这种效应
提高地下水位会使土壤更湿润，并减少植物根部的氧气。在这些条件下，植物的活性会有所降低，吸收的二氧化碳也会减少。
即便如此，田地总的二氧化碳排放量还是下降了。
Zhao解释说：“这是因为湿润的条件意味着，田地在开始吸收多于释放的二氧化碳之前所需的光照更少。当这个阈值在一天中更早达到时，净碳吸收的小时数就更多了。”
“我们的计算表明，由于北部夏季夜晚漫长且明亮，这种效应尤为强烈。这些夜晚提供了许多额外的时段，使得系统保持在净吸收状态，从而可以显著增加总的二氧化碳吸收量。”
温度被证明是另一个关键因素。一旦土壤温度攀升到约12°C以上，微生物活动就会加剧。
Zhao说：“在较高温度下，微生物分解有机物质的速度更快，二氧化碳和甲烷的排放量都会上升。”
“这意味着高水位效应在凉爽气候下最为显著——而未来的气候变暖可能会削弱这种益处。实际上，这意味着必须将水位与温度和当地条件结合起来考虑。”
施肥与收割影响碳平衡
农田管理措施也发挥了作用。增施肥料促进了牧草生长。
Zhao说：“在我们的实验中，更多肥料产生了更多生物量，但并未导致二氧化碳或甲烷排放发生显著变化。”
收割的影响则更为明显。当牧草被割除并移走时，储存在植物材料中的碳也随之离开了系统。
Zhao解释说：“如果收割过于频繁，被移除的碳可能会超过随着时间的推移而重新积累的碳。即使水位保持在高位，泥炭层也可能逐渐流失碳。”
因此，Zhao强调，必须综合评估水分管理、肥料使用和收割安排。那些短期内降低排放的步骤可能会减少长期的碳储存，从而可能削弱土壤质量。
“一种解决方案是采用湿作农业（paludiculture），即种植耐湿的植物物种，这样既能生产生物量，又无需保持土壤干燥。”
局部差异对气候核算很重要
研究人员还观察到，在同一块田地内也存在显著差异。一些区域吸收二氧化碳，而邻近的区域则释放大量二氧化碳。
Zhao说：“这种局部差异会极大地影响国家气候核算以及措施的设计，因为一个标准的排放因子可能无法反映各地的实际情况。”
“我们的研究结果清楚地表明，在实践中需要进行更详细的测量和更精确的水位管理，尤其是在不同地点的土壤和耕作条件差异显著的情况下。”