农田沟渠与溪流系统：被长期忽视的碳排放热点区域

农田沟渠与溪流系统不仅在农业生产中发挥着排水和灌溉的关键作用，同时也是农田与下游河流与湖泊等水体间水源、能量及物质输移的重要通道。近期发表在《国家科学评论》（National Science Review）的一项研究揭示，这一广泛分布的农田沟渠与溪流系统还是全球碳排放的热点区域。

中国科学院南京土壤研究所、中国科学院南京地理与湖泊研究所等单位相关科研人员系统剖析了农田沟渠—溪流系统的碳循环过程，评估其在全球碳排放通量中的重要作用。研究发现，农田沟渠—溪流系统单位面积的碳排放强度远超大型河流、湖泊及水库等其他内陆水体，因而该类水体是长期被忽视的碳排放热点区域。

农田沟渠与溪流：面积占比不高，碳排放贡献显著

农田沟渠在农业景观中形成密集网络，尽管其面积通常仅占农业景观的3%–5%，却能贡献15%–50%的年碳排放量。例如，在英国，农田沟渠总长度约60400公里，远超溪流和河流总长度（26700公里）。荷兰农田沟渠总长高达30万公里，而瑞典的沟渠总长更是达到75.6万公里，覆盖面积约690 km²，虽不足瑞典全国湖泊总面积（约38000 km²）的2%，但却贡献了全国淹水湿地（包括水库和坑塘）甲烷（CH₄）排放量的84%。

我国华北平原农田沟渠的单位面积CH₄排放通量（333 μmol m⁻² h⁻¹）是全球内陆水体均值的4倍，而CH₄溶存浓度（14.8 μmol L⁻¹）则超过全球河流和溪流均值的10倍。此外，这类沟渠的单位面积CH₄排放通量是与之相连河流的12倍，单位面积CO₂排放通量是对应河流的5倍。尽管华北平原沟渠仅占农田面积的3.3%，其温室气体排放量（26.6 Gg CO₂当量/年）却已接近该地区净温室气体排放总量（约88 Gg CO₂当量/年）的30%，突显了农田沟渠在内陆水体碳排放中不成比例的重要贡献。然而，这类集约的沟渠—溪流系统中有机碳转化与碳排放机制尚不明朗，尤其是内部碳循环过程仍缺乏量化分析。

农业管理活动加剧沟渠—溪流系统碳排放
农业活动改变下游水体理化环境、有机质的组成及微生物代谢功能，进一步增强了沟渠和溪流中CO₂与CH₄的产生（图1a）。集约化耕作、施用生物炭或有机肥等农业实践提高了土壤有机质含量，并改变了有机碳的形态。毁林开荒和农业扩张则使得深层土壤遭受侵蚀，使得原本稳定的深层老碳（Δ¹⁴C值为-179±16‰，14C年龄约1500年）被活化，并使受干扰的溪流中有机质变得更具生物活性，富含能量且化学多样性高，尤其含氮和含硫化合物比例显著升高。此外，输入沟渠—溪流中的肥料可提高水体初级生产力，增强微生物代谢活动，加速有机质分解，并提高藻类和微生物来源的自生有机质比例（图1a）。这些过程导致沟渠与溪流系统中有机酸及杂原子有机化合物占比升高，从而进一步促进该类水体中CO₂和CH₄排放。

农田沟渠—溪流系统通常具有较高的表面积和体积比，并持续汇集来自周边农业景观的高活性有机质、养分及溶解性CO₂和CH₄输入。沟渠大多为缓流水体，利于沉积物积累、挺水植被生长以及缺氧条件的形成，从而为CH₄的产生和排放提供了理想环境（图1a）。这些因素共同作用使得农田沟渠成为CO₂和CH₄的排放热点，其排放量显著高于其他内陆水体。值得注意的是，尽管低级别溪流与河流（1-4级）在河流网络中的面积相对较小，但它们对碳排放总量的贡献可占溪流和河流CO₂总排放量的70%。

全球农田沟渠系统的碳排放量估算

初步估算结果表明，全球范围内沟渠每年以CO₂形式排放30.0 Tg C（95%置信区间：22.4–37.7 Tg C），以N₂O形式排放0.03 Tg N（95%置信区间：0.01–0.05 Tg N），并以CH₄形式排放3.5 Tg，相当于全球人为CH₄排放量的0.2%–3%。沟渠中单位面积CH₄排放通量与温度呈正相关，并在富营养沟渠中达到最高水平。沟渠的CO₂排放通量受土地利用类型、气候条件、营养状况、土壤类型及水文情势等诸多因素影响，并未表现出明显的全球尺度变化模式，这可能与局部环境及管理条件的高度异质性有关。

农田沟渠单位面积CH₄年排放通量（扩散通量中位数18.3 gCH₄m⁻²yr⁻¹，冒泡通量44.7 gCH₄m⁻²yr⁻¹）远超其他类型沟渠、溪流（中位数：4.4和1.3 gCH₄ m⁻²yr⁻¹）、河流（中位数：2.7和3.3 gCH₄ m⁻²yr⁻¹）以及湖泊（含水库，中位数：2.9和10.3 gCH₄ m⁻²yr⁻¹）（图1b）。农田沟渠单位面积CO₂年排放通量虽高于其他类型沟渠和湖泊（含水库），但低于溪流和河流（图1c）。这一差异与沟渠较低的流速（即较小的水-气交换通量）及较缓的水力更新周期密切相关。

图1 农业实践活动加剧土壤有机质输入至沟渠溪流水体，改变水环境特征，并促进沟渠溪流CO₂和CH₄排放（a）。不同类型沟渠、河流及湖泊（含水库）的单位面积扩散和冒泡CH₄排放通量（b）和CO₂排放通量（c）分异特征。

研究展望

尽管农田沟渠和溪流系统已被确认是CO₂和CH₄排放的热点，然而现有数据仍存在显著缺口。例如，关于甲烷气泡排放、昼夜排放模式、受干湿季节影响的沟渠面积估算及农田沟渠—溪流系统碳通量的时空变化等关键数据依然存在严重不足。未来研究需进一步加强实地野外观测，揭示农田沟渠和溪流系统碳排放的时空动态及驱动机制，并结合遥感与水文-生物地球化学模型，提高农田沟渠—溪流系统碳通量评估的精度。同时探究绿色低碳的农业灌排管理措施，如疏浚沟渠、植被恢复和水位调控可能对农田沟渠和溪流系统碳排放产生的积极影响，以服务于农田生态系统增汇减排并促进农业可持续发展。