泥炭地的湿地土壤富含碳。
但它们面临多种威胁,从野火到土地利用变化,这些威胁可能使这些碳被释放出来。
一篇新论文探讨了这些风险及其未来可能产生的影响。
泥炭地是独一无二的生态系统。它们长期处于饱和状态,其湿地土壤不适合许多植物和树木生长,但却富含碳。
然而,全球泥炭地正面临多方面的威胁。从气候变暖和海平面上升,到土地利用变化和野火,扰动泥炭地生态系统可能使其长期积累的碳释放到大气中。
在我们发表于《自然气候变化》的最新论文中,我们回顾了科学文献并对专家进行了调查,以探讨本世纪及以后全球泥炭地面临的最大风险及其潜在影响。
为什么泥炭地的碳含量如此之高?
泥炭地土壤的关键特征是其饱和状态。水会排除土壤中的氧气,而植物根系需要氧气才能正常运作。这使得泥炭地成为植物难以生存的环境。
因此,高纬度泥炭地以莎草和苔藓为主,它们很好地适应了这些“缺氧”条件。与此同时,树木则更难生存。
不过,在热带泥炭地中,树木已找到应对缺氧的策略,因此在水涝的泥炭地土壤之上可以形成完整的树冠层。其中一种应对机制是“不定根”——即在触及土壤前从树枝上垂下的根系,以获取氧气。植物往往能够在最恶劣的环境中找到扩展生长的方式。
与此同时,在地下,土壤中缺氧会减缓微生物分解有机物的所有过程。无氧分解会产生甲烷,这也是泥炭地成为天然甲烷排放源的原因。
最终,这种减缓意味着输入土壤的碳(来自植物光合作用)超过了分解过程的输出,因此碳在土壤中积累。换言之,原始状态的泥炭地是天然的碳“汇”,因为它们从大气中吸收碳。
数千年来,全球泥炭地土壤中的碳逐年缓慢积累,形成了深厚的泥炭沉积层,有时深度超过10米。
总体而言,全球泥炭地所含的碳约为全球所有树木碳含量总和的两倍。尽管泥炭地仅覆盖了3%的地球陆地表面,但其储存的碳约占全球土壤碳储量的25%。这些估计数值存在差异——总量在约4,000亿至1万亿吨碳之间,但事实是泥炭地是巨大的碳储存库。
“灰姑娘”生态系统
历史上,泥炭地一直被视为低产、荒芜的景观,甚至被认为是不健康和危险的。这导致人们努力“改善”它们——换言之,将其排干,并将其改造为能够为人类提供食物或燃料的更“高产”的景观。
排水使氧气重新进入泥炭土壤,导致快速的“好氧”分解。因此,被排干的泥炭地通常会变成碳源,并且蓄水能力也随之下降。约15%的全球泥炭地被认为处于退化状态——而英国泥炭地的这一比例则增至80%。
将泥炭地排干作为一种管理措施,忽视了它们所提供的所有生态系统服务。这不仅涉及碳封存,还涉及生物多样性、水和食物的供给,以及作为具有重要文化意义的景观和过去环境的记录。
例如,许多人的饮用水依赖于上游的泥炭地。现在是时候转变我们对泥炭地的看法了——不再将其视为荒芜、贫瘠的空间,而应认识到它们为人类和地球上的生命带来了多重益处。
与森林相比,人类或许不那么容易欣赏泥炭地的重要性和美丽。但泥炭地中发生的大部分过程都在地下进行,我们无法看到下方所发生的所有过程。这就是为什么该生态系统被称为“灰姑娘”生态系统——其美丽与益处隐藏其中,等待我们去发现。
然而,只需俯身仔细观察一泥炭藓或一食虫植物,便可能让你爱上泥炭地。
全球变暖与泥炭地
关于泥炭地将如何应对气候变化,目前仍存在诸多争议。所幸的是,泥炭地记录本身储存着信息,我们可以从中提取数据,以了解泥炭地过去如何应对气候变化。
每年,随着新的泥炭层沉积,土壤会记录下当时环境条件的片段证据。这些证据可以是花粉、有壳变形虫以及碳和氧同位素比值等形式。科学家可以钻探并通过土壤提取岩芯,以获取过去泥炭沉积的时间序列。
这些古气候研究表明,高纬度泥炭地随着气候变暖,其碳汇能力可能会增强——也就是说,随着气温升高,它们积累碳的速度会加快(前提是它们未遭退化)。
这意味着它们属于我们所说的“负反馈”——其对气候变暖的反应会产生抑制进一步变暖的作用。
然而,这可能仅适用于高纬度地区,因为那里的气候变暖将延长生长季,并增加光合作用带来的碳输入量。微生物分解也会随气候变暖而增强,但迄今为止的数据显示,植物光合作用的增幅将更大。
这在热带地区可能并不成立,尽管由于热带泥炭地研究不足,我们无法对此确定。但我们的研究结果表明,总体而言,如果泥炭地得以保护,它们可能有助于我们减缓气候变化。
另一个问题是气候将如何影响泥炭地的分布。泥炭地的整体碳汇不仅取决于它们积累碳的速度,还取决于这些生态系统的扩展范围。
泥炭地的范围将受到气候影响,更具体地说,它将取决于是否有足够的水分使土壤保持饱和。目前尚不确定未来泥炭地的范围将如何变化,但与许多其他生态系统一样,如果有足够的水分,它们很可能会向北迁移。
总体而言,气候变化可能会提升泥炭地的碳汇能力,尤其是在高纬度地区,并以我们目前尚无法预测的方式改变泥炭地的分布,因此仍存在不确定性。
泥炭地的未来
决定泥炭地未来命运的,不仅仅是气候变化。下图展示了其他一些可能同样发挥作用的变化因素,包括土地利用变化、大气污染和火灾。
在我们的最新论文中,我们收集了专家对泥炭地的看法,以研究泥炭地碳汇在全新世(过去约一万年)、人类世(近期过去)期间如何变化,以及未来可能如何变化。
专家意见不一,但总体而言,他们预计本世纪泥炭地将从整体碳汇转变为碳源——主要原因是气候变化以及人类活动对热带泥炭地的影响。
然而,理解泥炭地将如何变化的一个限制因素在于,它们目前尚未被纳入地球系统模式(ESM)之中,而科学家正是利用这些模式进行气候变化预测。
这是因为泥炭地通常不被视为在碳循环中具有重要作用。部分原因在于泥炭地是缓慢的碳汇——形成一片泥炭地需要数千年——但也因为它们常被视为“惰性”的碳储存库。
然而,我们现在知道,这些大型碳储存库并不稳定。例如,我们已经在东南亚、俄罗斯及其他北方森林地区(如英国)目睹了大规模的泥炭火灾。我们还知道,火灾等过程可能会释放泥炭中的碳,并将其重新排入大气。
因此,如果要更准确地预测泥炭地的命运及气候变化,我们就需要在地球系统模式中考虑泥炭地。
挑战与机遇
近来,科学家和实践者对基于自然的气候解决方案——即通过保护、恢复或改善土地管理措施,从大气中清除二氧化碳的方式——的兴趣日益增长。
研究已凸显出泥炭地作为一项关键选择的重要性。例如,一项研究估计,仅计入受土地利用变化负面影响的泥炭地,泥炭地恢复在全球温室气体减排方面的潜力,与所有农业土壤中最乐观的固碳潜力相近。换言之,避免泥炭地排放很可能是我们可利用的最重要的自然气候解决方案之一。
然而,将泥炭碳动态纳入气候政策与管理领域的工作仍处于起步阶段。此外,相互矛盾的 研究已经开始逐渐显现——尤其是围绕泥炭地碳积累潜力的近期变化。
我们需要更深入地了解泥炭地的碳动态——尤其是热带泥炭地——以确保作出合理的土地利用决策,并预判与政策直接相关的未来碳固存变化。
我们论文的核心结论是:泥炭地是不可或缺的生态系统——它们为我们提供水源,并储存着大量我们希望保持完整的碳。因此,我们有责任探索既符合人类利益又有利于地球的管理方式。
