生態系統復育後的土壤碳匯變化研究

前言

看到一篇 Nature 的新研究分析了生態系統復育後的土壤碳匯狀況，有些研究成果並不意外，但也有些意料之外的發現。

當前多數自然基礎解方類型的碳權著重在計算植被的部分，對於生物多樣性的恢復以及土壤品質改善的部分還沒有太多著墨，都是當作額外的附加效益。但以完整性的立場來看，專案運作過程中額外排放的溫室氣體需要扣掉，但實質增加的碳匯，理論上也應該要被納入才合理。當前受限於技術成熟度還沒有辦法完整實現所有計算，但也許不久的將來會有更迅速且可靠的監測機制，同時滿足專案開發端以及第三方驗證端的需求。

文章摘要

這篇文章探討生態系統復育對土壤有機碳儲量的影響。研究者透過彙整41篇元分析，發現生態系統復育能顯著增加土壤有機碳，但與原始狀態相比仍有缺口。此缺口在不同生態系統類型中差異很大，例如濕地缺口最大。此外，研究也分析了前期土地利用和復育策略對土壤有機碳恢復的影響，結果顯示前期土地利用的劣化程度會影響復育效果，而主動復育與被動復育的碳封存效果並無顯著差異。研究結論指出，預防土地劣化比生態系統復育更有效率地減緩氣候變遷。

研究方法

這項研究採用二階統合分析 (second-order meta-analysis) 方法，彙整並分析了 41 篇相關的生態復育研究的統合分析。這些統合分析涵蓋了 3953 項主要個體研究，並產生了 380 個總結效應 (summary effects)。

研究的主要步驟包括：

• 資料蒐集與篩選: 從 Web of Knowledge 資料庫中檢索了 410 篇關於復育生態系統土壤碳封存潛力的統合分析和定量評論。根據預設的標準，篩選出 41 篇符合條件的統合分析，這些標準包括：碳封存以復育區和人類管理區或原始區之間的碳含量變化表示、結果呈現為對數反應比 (lnRR) 或相關指標、以及復育不包含商業種植或造林等。
• 資料提取: 從每篇統合分析中提取了摘要效應 (summary effects) 及其 95% 信賴區間。這些摘要效應可能來自文字、表格或圖形。若研究報告的是有機質濃度，則會將其轉換為土壤有機碳濃度。同時也提取了每篇研究的加權方法、對照類型 (時間對照或空間對照)，以及生態系統類型、復育前的土地利用方式、復育策略和復育年齡等相關資訊。
• 重疊分析: 為了避免偽重複 (pseudo-replication)，排除了主要研究重疊超過 30% 的統合分析。並進行了單獨的重疊檢查，分別比較了復育生態系統與退化土地和原始生態系統的重疊情況。
• 統計分析: 使用 R 語言中的 metafor 套件，進行混合效應模型分析。該模型使用對數反應比 (lnRR) 作為因變數，並考慮了前復育土地利用和復育策略等預測因子。使用逆方差加權法 (inverse-variance weighting) 對摘要效應進行加權。並對照退化土地和原始土地的情況，分開進行了分析。
• 次群體分析: 根據生態系統類型，將資料庫分成子集，並進行單獨的回歸分析。
• 穩健性分析: 測試了不同重疊閾值、加權方法和控制類型對分析結果的影響。
• 時間趨勢分析: 針對復育時間數據可用的森林和草地，測試了土壤有機碳變化對復育年齡的反應。
• 發表偏倚檢測: 使用 Egger's 檢測來檢驗是否存在發表偏頗。

研究成果

研究成果主要集中在分析生態系統復育後土壤有機碳 (SOC) 的變化，以及與退化土地和原始生態系統的比較。

• 復育生態系統的土壤有機碳增加: 研究顯示，相較於退化土地，復育的生態系統普遍儲存了更多的土壤有機碳。
• • 各生態系統的平均 SOC 增加幅度有所不同，從草地的 25% (10–39% 的 95% 信賴區間) 到森林的 68% (48–89% 信賴區間)，以及灌木林的 79% (38–120% 信賴區間)。
  • 紅樹林和濕地 的 SOC 增加並不顯著 (分別為 73% 和 9%，其 95% 信賴區間與零重疊)。
  • 綜合所有生態系統來看，90% 的研究案例中 SOC 呈現增加，平均增加幅度為 45% (30–59% 信賴區間)。
  • 研究指出，雖然復育項目中的平均 SOC 值會隨著時間增加，但快速恢復期已過，後續增長速度可能會放緩。
• 復育生態系統與原始生態系統的土壤有機碳比較：
• • 儘管復育提高了 SOC，但研究發現，復育生態系統的 SOC 水平仍然低於原始生態系統。
  • 濕地的 SOC 差距最大，平均比原始濕地低 50% (14–87% 信賴區間)，其次是紅樹林的 28% (12–44% 信賴區間) 和森林的 14% (12–16% 信賴區間)。
  • 綜合所有生態系統，98% 的案例中，復育生態系統的 SOC 低於原始生態系統，平均差距為 38% (18–58% 信賴區間)。
  • 研究指出，可能由於物理、化學或生物條件的不可逆改變，使得復育後的 SOC 水平難以達到原始狀態。
• 前復育土地利用的影響：
• • 16 種前土地利用組合中，有 12 種在復育後顯示 SOC 顯著增加。
  • 不同土地利用的復育效果差異很大，例如，礦場復育為森林的 SOC 增加幅度最大，達 256%，而牧場復育為草地的增幅則較小，為 15%。
  • 前牧場復育為森林或濕地、前農田復育為濕地、以及礦場復育為草地，這些組合的 SOC 變化不顯著。
  • 復育前為礦場、貧瘠土地或退化農田的地區，因起始 SOC 含量較低，復育後 SOC 增加幅度相對較大。
• 復育策略的影響：
• • 研究中區分了三種復育策略：主動重新種植 (active replanting)、自然植被恢復 (passive restoration) 和干擾移除與棲地復育 (assisted restoration)。
  • 除了草地的主動復育 (沒有顯著變化) 和濕地的主動復育 (SOC 下降) 外，大多數策略都成功地增加了 SOC。
  • 主動復育和被動復育在 SOC 回復方面沒有顯著差異。
  • 在濕地方面，輔助復育的 SOC 增加 29%，而主動復育則導致 SOC 減少 36%。
  • 輔助復育草地時，地上生物量碳 (AGB) 的增加幅度大於地下生物量碳 (BGB) 和 SOC 的增加。
• 其他重要發現：
• • 研究發現，濕地生態系統的 SOC 恢復能力可能較低，其保護至關重要。
  • 不同濕地生態系統的碳封存和溫室氣體排放動態有所不同。
  • 研究發現，復育時間對 SOC 的增加有影響，SOC 通常在復育後快速增加，然後趨於穩定。
  • 研究強調，防止土地退化造成的碳損失，比生態系統復育更為有效。

研究限制

• 資料彙整的限制：
• • 第一層統合分析的異質性：這項研究使用了多個現有的第一層統合分析，這些分析在範圍和方法上有所不同。有些研究將不同設定（例如多種復育前的土地利用或復育策略）的觀察結果合併為單一總結效應，這掩蓋了不同設定之間的 SOC 變化差異。
  • 指標差異: 這些統合分析使用不同的指標來報告總結效應。為了便於比較，研究僅限於可轉換為反應比率 (response ratios) 的指標，這可能排除了有價值的資訊。
  • 數據限制: 由於統合分析的數據限制，研究無法評估不同生物群落、局部氣候條件和土壤類型下的 SOC 反應。此外，不同研究的 SOC 測量方法和復育時間也可能有所不同。
• 數據重疊問題：
• • 主要研究的重疊：不同的第一層統合分析可能使用了部分相同的原始研究，這可能導致結果的偽重複。研究者透過排除重疊超過 30% 的統合分析來盡量減少這種影響。
• 數據偏差：
• • 發表偏倚：由於統計上顯著的研究更易於發表，統合分析可能存在發表偏倚，導致高估真實效應。Egger's 檢測顯示，某些特定設定下存在高度偏倚的可能性，例如主動復育的森林和輔助復育的草地。
  • 研究重點：大多數統合分析側重於陸地生態系統、復育前的農田利用或主動復育策略，這可能無法代表所有生態系統和復育情境。
• 時間數據的限制：
• • 復育年齡數據缺乏: 只有少數統合分析報告了復育時間數據，且沒有統合分析報告復育 vs 原始生態系統的復育時間，這使得研究難以評估 SOC 回復是否在某些設定下更快。研究也無法排除在足夠時間後，原始 SOC 水平在某些系統中可以達到的可能性。
• 其他：
• • 濕地研究資料較少：濕地研究資料相對較少，研究中的濕地類別也可能涵蓋多種不同類型的濕地，而不同濕地類型的碳動態可能有所不同。
  • 未能區分不同類型的礦場: 研究中將不同類型的礦場歸為同一類別，但不同類型的礦場對土壤有機碳的影響可能有所不同。

未來方向

• 更精確的數據：
• • 分享原始數據：鼓勵研究人員分享統合分析的底層數據，以便進行更全面和準確的分析。
  • 更精細的分類: 未來的研究應更細緻地分析不同生態系統類型、復育前的土地利用、復育策略和生物群落，以區分影響 SOC 回復的因素。
  • 絕對 SOC 增加量：未來的研究應結合全球生態系統復育的適宜區域地圖和復育前土地的 SOC 儲量，來評估復育的絕對 SOC 增加量。
  • 濕地碳儲量潛力: 針對濕地，研究人員可量化不同碳儲量的碳密度，並乘以因退化而損失的區域，來評估其未實現的碳儲量潛力。
• 深入研究不同情境：
• • 加強對低研究領域的關注：研究應關注目前研究不足的設定，例如濕地復育與退化土地的比較、淹沒水生生態系統和復育草地與原始土地的比較。
  • 時間維度：未來的研究應 收集更多關於復育年齡的數據，以評估 SOC 回復的時間動態，並確定 SOC 是否能達到原始水平。
  • 更多不同控制類型的比較：應比較不同的控制類型 (例如空間和時間控制) 對 SOC 回復的影響。
• 多方面評估復育效果：
• • 生物多樣性：需評估復育如何影響生物多樣性和生態系統功能。
  • 溫室氣體：需要更詳細地研究不同復育策略的溫室氣體排放動態。
  • 經濟成本：評估復育的經濟成本效益，並將其與其他減緩氣候變遷的策略進行比較。
• 理解復育限制：
• • 物理、化學、生物限制：深入研究影響生態系統恢復的物理、化學和生物條件，以及這些條件如何影響 SOC 回復。
  • 不可逆轉的改變：探索那些物理、化學或生物條件已發生不可逆改變的生態系統，以及如何促進這些地區的復育。
  • 優先考慮保護：應優先考慮保護原始生態系統，並將復育視為提供額外碳封存和生態系統服務的策略。

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