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摘要
Abstract
泥炭地是至關重要卻極易受損的碳庫。本研究調查了被轉為種植園的熱帶泥炭地中的碳生物地球化學過程。我們在印度尼西亞蘇門答臘島的一片尾葉桉試驗林中，測定了孔隙水和排水網絡中的CO2和CH4濃度、穩定同位素比值以及放射性碳含量。結果顯示，孔隙水與排水體系中的溶解有機碳（DOC）、CO2和CH4濃度非常高，說明尾葉桉種植園因其高生產力和暴露的富碳基質而成為碳熱點。穩定同位素模型表明，雖然CO2和CH4主要在地下產生，但CH4的貢獻低于天然未排水泥炭地。放射性碳分析顯示，被重新活化的碳參與了現代碳庫，其中位年齡約為距今470年。這些發現限定了土地利用、地下水位與碳動態之間的聯系，對種植園泥炭地的碳管理具有啟示意義。
研究目的
Research Objective
本研究旨在探討熱帶泥炭地轉變為人工林后，地下和排水水體中的甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的產生和排放路徑，具體目標包括：
分析泥炭孔隙水和排水網絡中溶解有機碳（DOC）、CO2和CH4的濃度、穩定同位素比率和放射性碳含量。
評估水位（WTL）對地下CH4和CO2產生及排放路徑的影響。
通過穩定同位素模型揭示CH4和CO2的產生途徑，以及CH4的排放路徑（如氣泡逸出和植物介導的傳輸）。
研究方法
Research Methodology
研究在印度尼西亞蘇門答臘島的一個64.7萬公頃的泥炭地進行，該泥炭地已被轉變為人工林。研究地點位于甘巴半島，泥炭地已有超過5100年的歷史。
圖1. （a）研究區域在區域內的位置；（b）位于甘巴半島上的具體位置；（c）實驗站點衛星影像，沿南北高程梯度布設采樣站；（d）研究區橫斷面概念模型。請注意，水流方向自北（模型右側）向南（模型左側）流動。
樣本采集：在2022年2月、5月、8月和11月，從泥炭孔隙水井和排水網絡中采集樣本。
化學分析：使用TOC 分析儀測量DOC濃度，并對水樣進行過濾和冷藏保存。對于溶解的CO2和CH4及其穩定同位素組成（δ13C-CO2和δ13C-CH4），采用頂空技術結合光腔衰蕩光譜儀（Picarro G2201-i）進行分析。
放射性碳分析：使用加速器質譜法（AMS）對溶解的14C-CO2進行分析。
穩定同位素模型：通過穩定同位素比率（δ13C）和放射性碳含量（F14C）分析，結合質量平衡模型，估算CH4和CO2的產生途徑及CH4的排放路徑。
圖2. 泥炭孔隙水與表層水中生物地球化學過程的概念模型：Resp.=有機質呼吸，泥炭氧化層的主要降解路徑；AM=乙酸發酵型產甲烷，一種在缺氧條件下產生CO2和CH4的過程；HM=氫營養型產甲烷，另一種缺氧路徑，屬于CO2還原途徑，同樣產生CO2和CH4。同位素分餾因子（α）及預期的同位素組成（δ13C）引自 Holmes et al. (2015)。
結果與討論
Results and Discussion
溶解碳濃度
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%。與水位試驗WTT_深層相比，WTT_淺層的溶解碳濃度沒有顯著差異。在地表水中，DOC占總溶解碳的92%以上，溶解的CO2占8%，CH4可以忽略不計。溝渠中的總溶解碳（DOC+CO2+CH4）高于運河，DOC和CO2具有統計學意義，但CH4沒有。地表水中溶解的CO2和CH4水平分別比泥炭孔隙水中低4倍和92倍，而DOC保持在相同的數量級內。不同形態之間沒有出現明顯的季節性趨勢，這可能是由于全年持續溫暖潮濕的條件造成的。
水位影響地下產氣量和排放途徑
我們現場測量的δ13C值與熱帶泥炭地的現有數據一致。孔隙水δ13C-CO2（-23‰）與C3來源有機質降解的森林地區和巴拿馬熱帶濕地的值相似。使用同位素質量平衡模型，結果表明，生態系統呼吸是一種非分餾途徑，是兩個地點CO2的主要來源。呼吸作用的優勢（>80%）與未受干擾的北方泥炭地形成鮮明對比，在那里，孔隙水中溶解的大部分CO2來自甲烷生成，孔隙水δ13C-CO2的中值為-3.8‰ 或δ13C-DIC為 -4.6‰。生態系統呼吸的重要性可以用排水增加的氧化層深度和全年溫暖潮濕的條件來解釋，這些條件導致呼吸速率高于高緯度地區。
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