基于卫星的方法测量泥炭沼泽中的碳

热带地区的泥炭沼泽储存了大量的碳，但伐木、种植园、道路建设和其他活动已经破坏了印度尼西亚和马来西亚等地的大片生态系统。泥炭地层基本上是永久被淹没的林地，枯叶和树枝堆积在那里，因为地下水位阻止了它们的分解。

有机材料的堆积使这些地层具有独特的圆顶形状，在中心略微凸起，并向边缘逐渐变细。确定每个地层中含有多少碳需要费力的实地取样，因此其覆盖范围有限。

现在，来自麻省理工学院和新加坡的研究人员已经对泥炭地层如何形成和发展进行了数学分析，这使得主要通过简单的海拔测量来评估其碳含量和动态成为可能。这些可以由卫星进行，而不需要地面采样。该团队表示，这项分析应该能够更精确和准确地评估任何拟议的泥炭地排干所释放的碳量，以及相反，通过保护泥炭地可以避免多少碳排放。

这项研究今天发表在 《自然 》杂志上，由新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的博士后亚历山大·科布（Alexander Cobb）撰写;麻省理工学院土木与环境工程教授查尔斯·哈维（Charles Harvey）;和其他六人。

尽管热带泥炭地面临的风险最大——因为它们是最常被排干用于木材采伐或种植棕榈油、金合欢和其他作物种植园的地方——但该团队得出的新公式适用于全球各地的泥炭地，从西伯利亚到新西兰。该公式只需要两个输入。第一种是来自给定泥炭穹顶的单个样带的高程数据，即沿着从地层的一个边缘切到另一个边缘的任意直线的一系列高程测量。第二个输入是该团队设计的特定于地点的因素，该因素与所涉及的泥炭沼泽类型和地层的内部结构有关，它们共同决定了其中有多少碳可以安全地浸没在水中，在那里它不能被氧化。

“水的饱和会阻止氧气进入，如果氧气进入，微生物就会呼吸它并吃掉泥炭并将其转化为二氧化碳，”哈维解释说。

“泥炭穹顶内有一个内表面，下面碳是安全的，因为它不能被排出，因为边界的河流和水体是这样的，即使你切开运河并试图排干它，它也会保持饱和到那个水平，”他补充道。在沼泽的可见表面和这个内层之间是泥炭的“脆弱区”，它可以迅速分解并释放其碳化合物，或者变得足够干燥以促进火灾，同时释放碳并污染空气。

通过多年的地面采样和测试，以及将地面数据与地面高程卫星激光雷达数据进行比较的详细分析，该团队能够找出一种通用的数学公式，该公式描述了各种类型和所有位置的泥炭穹顶的结构。他们通过将预测结果与几个广泛分布的地点（包括阿拉斯加、缅因州、魁北克、爱沙尼亚、芬兰、文莱和新西兰）的现场测量结果进行比较来测试它。

这些沼泽中含有碳，在许多情况下，这些碳已经积累了数千年，但当沼泽被排干时，这些碳可以在短短几年内释放出来。“如果我们能有政策来保护这些，那将是减少大气碳通量的巨大机会。这个框架或模型为我们提供了理解，智力框架，以弄清楚如何做到这一点，“哈维说。

许多人认为，砍伐这些林地的最大温室气体排放来自树木本身的分解。“误解是，这是进入大气的碳，”哈维说。“这实际上是一个很小的数量，因为真正的大气通量来自排干”泥炭沼泽。“然后，位于森林地下的更大的碳池会氧化并进入空气中，或者着火并燃烧。

但他说，有希望的是，在储存的碳全部释放之前，这些干涸的泥炭地仍然可以恢复大部分。首先，他说，“你必须停止耗尽它。这可以通过筑坝排水渠来实现。“这就是这个数学框架的好处：你需要弄清楚如何做到这一点，把你的水坝放在哪里。有各种有趣的复杂性。如果你只是在运河上筑坝，水可能会在它周围流动。所以，这是一个巧妙的几何和工程项目，要弄清楚如何做到这一点。

虽然东南亚的大部分泥炭地已经干涸，但新的分析应该能够对亚马逊盆地、新几内亚和刚果盆地等地研究较少的泥炭地进行更准确的评估，这些地方也受到开发的威胁。

新配方还应该有助于使一些碳抵消计划更加可靠，因为现在可以准确计算给定泥炭地的碳含量。“这是可以量化的，因为泥炭是100%的有机碳。所以，如果你只是测量地表上升或下降的变化，你可以非常确定地说出积累或损失了多少碳，而如果你去热带雨林，几乎不可能计算地下碳的数量，也很难计算出地上有什么。“哈维说。但这相对容易通过卫星测量高程来计算。

“我们可以转动旋钮，”他说，“因为我们有这个数学框架，可以解释水文，地下水位，如何影响泥炭的生长和损失。我们可以设计一个方案，以 Y 美元的价格改变 X 量的排放量。

研究团队包括新加坡南洋理工大学的Rene Dommain、Kimberly Yeap和Cao Hannan，斯坦福大学的Nathan Dadap，德国波茨坦大学的Bodo Bookhagen和明尼苏达大学的Paul Glaser。这项工作得到了新加坡国家研究基金会通过SMART计划、美国国家科学基金会和新加坡空间技术与工业办公室的支持。