中全新世以来白江河泥炭沼泽的发育过程及其控制因素_董彦民.pdf

中全新世以来白江河泥炭沼泽的发育过程及其控制因素董彦民1,2,李鸿凯1,2*,王升忠1,2,贺红士1,31.东北师范大学长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室,长春 130024;2.东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室,长春 130024;3.School of Natural Resources,University of Missouri,MO 65211,USA*通讯作者,E-mail:收稿日期:2021-12-28;收修改稿日期:2022-12-09;接受日期:2022-12-29;网络版发表日期:2023-02-23国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0500407)和国家自然科学基金项目(批准号:41771217、32071599)资助摘要泥炭沼泽是陆地生态系统中的重要碳库之一,在全球碳循环中发挥关键作用.理解不同时空尺度下泥炭沼泽发育和碳累积及其对不同驱动因子的响应,有助于揭示泥炭沼泽生态系统的内在过程和一般规律.为探讨气候和局地条件在泥炭沼泽发育和碳累积过程中的作用,文章利用23个泥炭基底年代研究白江河泥炭沼泽的发育和横向扩展过程;基于3个精准测年的泥炭剖面,估算碳累积速率,探究其影响因素.结果表明,白江河泥炭沼泽发育始于7.9cal.ka BP,并通过陆地沼泽化过程逐渐扩展形成.54cal.ka BP的快速扩展是由于丰沛的区域降水和平坦地形.白江河泥炭沼泽3个剖面的平均碳累积速率分别为36.3、39.1和48.4g C m2a1,高于北方泥炭沼泽.气候和局地条件均对白江河泥炭沼泽中全新世以来的碳累积速率具有影响.51.5cal.ka BP期间碳累积速率主要受微地形、水文和植物组成等局地条件影响.1.5cal.ka BP不同剖面碳累积速率同步下降,表明气候是该时段碳累积速率的最主要影响因素.本研究表明,在泥炭沼泽发育的不同阶段,碳累积速率的主控因子不同,局地条件在泥炭沼泽碳累积中扮演重要角色.关键词陆地沼泽化,横向扩展,碳累积速率,东北地区,中全新世1引言尽管泥炭沼泽只占全球陆地面积约3%(Frolking等,2011;Xu等,2018),但贮存的有机碳总量却占全球陆地土壤有机碳库约30%,达(500100)Pg(Yu,2011;Yu等,2021).它一方面是大气中二氧化碳的“汇”,另一方面又是甲烷的“源”,因此在全球碳循环中发挥着重要作用(Loisel等,2017).在未来气候变化条件下泥炭沼泽的碳库功能存在不确定性(Ise等,2008;Dorre-paal等,2009;Frolking等,2011;Charman等,2015;Gallego-Sala等,2018;Loisel等,2021).研究表明,温度升高会提高泥炭沼泽植被净初级生产力,且与分解相比,净初级生产力在泥炭沼泽碳累积过程中发挥的作用更大(Charman等,2013).然而,不同类型泥炭沼泽中文引用格式:董彦民,李鸿凯,王升忠,贺红士.2023.中全新世以来白江河泥炭沼泽的发育过程及其控制因素.中国科学:地球科学,53(3):572586,doi:10.1360/N072021-0364英文引用格式:Dong Y,Li H,Wang S,He H.2023.The development process of a temperate montane peatland and its controlling factors since the middle Holocene.Science China Earth Sciences,66(3):594608,https:/doi.org/10.1007/s11430-021-1056-6 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:572 586SCIENTIA SINICA T论 文的碳累积速率对气候变化的响应可能不同(Yu,2006;Loisel和Yu,2013;Yu等,2014;Treat等,2016).例如,Yu(2006)研究发现加拿大西部矿养型泥炭沼泽的碳累积速率要高于相同时期的雨养型泥炭沼泽.因此,在全球气候变化和国家“双碳”目标背景下,深入研究泥炭沼泽发育过程及其影响因素,对预测未来泥炭沼泽碳库的源汇功能,服务中国生态文明建设具有重要意义(Yu等,2014;Xing等,2015b;Loisel等,2017;Gallego-Sala等,2018).泥炭沼泽是一个复杂的生态系统,受到各种不同尺度外部因素调节(Charman,2002;Yu等,2009;Rup-pel等,2013;Charman等,2015).在宏观空间和长时间尺度上,泥炭沼泽碳累积主要受到气候条件影响(Yu等,2009;Jones和Yu,2010;Gallego-Sala等,2018),温度和降水对泥炭的生产和分解过程均有影响(Charman等,2015).前人研究表明,泥炭沼泽的碳累积速率在温暖湿润的条件下较高,在寒冷干燥的条件下会降低(Charman等,2013,2015;Mathijssen等,2016;Panait等,2017).此外,泥炭沼泽的碳累积速率还在很大程度上与优势植物组成有关(van Bellen等,2011;Loisel和Yu,2013;Lacourse和Davies,2015;Mathijssen等,2016;Panait等,2017).然而,植物组成对泥炭沼泽碳累积产生何种影响目前尚不完全清楚(Charman等,2015).局地地形和水文条件可以调节气候对植被演替的影响,进而影响泥炭沼泽的碳累积速率(van Bellen等,2011;Lacourse和Davies,2015;Panait等,2017;Mathijssen等,2019).例如,van Bellen等(2011)研究发现,加拿大魁北克省北部地区不同泥炭剖面间的碳累积速率差异巨大,认为是地形和水文等局地条件调节了气候对碳累积的影响.Loisel和Yu(2013)研究发现,巴塔哥尼亚地区的泥炭碳累积速率与气候的关联性并不强,认为局地条件(如植被演替和泥炭沼泽自我调节机制)是碳累积的主要影响因素.因此,在分析泥炭沼泽碳动态时,需要综合考虑气候因素和局地因素的影响.北方泥炭沼泽区(4570N)是全球最主要的泥炭沼泽分布区,主要以雨养型为主,已有的泥炭沼泽碳累积及其气候敏感性研究多集中于此(Loisel等,2017;Gallego-Sala等,2018).中纬度地区以矿养型泥炭沼泽为主,相关研究较少(Wang等,2014;Xing等,2015a).东北地区泥炭沼泽面积占中国湿地总面积的48%,是中国最大的泥炭沼泽分布区(Niu等,2012;Xing等,2015b).然而,我们对本区泥炭沼泽的气候敏感性、发育过程和碳累积速率的影响因素却所知甚少.以往的研究主要讨论区域尺度因素对泥炭沼泽发育和碳累积的影响(Xing等,2015a,2015b;Zhao等,2014;Wang等,2014;Zhang等,2015),局地因素的影响尚不明确(Dong等,2021).长白山区泥炭沼泽已有的碳累积记录仅限于哈泥(蔡诚等,2013)、白江河(Xia等,2019)和金川泥炭沼泽(Sun等,2019).Xia等(2019)基于白江河泥炭沼泽单一剖面研究发现,在温暖湿润气候条件下碳累积速率高,在寒冷干燥条件下碳累积速率下降.单一剖面研究结果存在偶然性,同一泥炭沼泽多剖面研究是十分必要的.本研究以长白山区白江河山地泥炭沼泽为研究地点,根据泥炭基底年代探究中全新世以来白江河泥炭沼泽的发育和扩展过程,在精准的年代学框架下计算3个剖面的碳累积速率并探讨其与气候、地形、水文和植物组成之间的关系.本研究的目标有:(1)明确白江河泥炭沼泽形成过程,包括何时、如何开始发育以及怎样进行横向扩展;(2)估算白江河泥炭沼泽长期碳累积速率;(3)深入探究气候和局地条件对泥炭沼泽发育和碳累积的影响.2研究地点白江河泥炭沼泽(420959N,1264410E,778ma.s.l.)位于吉林省长白山区(图1a、1b),属温带大陆性季风湿润气候(Wang和LinHo,2002;Stebich等,2015).年平均气温3.3,7月平均气温20.8,1月平均气温17.8.年平均降水量773mm,受东亚夏季风(EastAsian Summer Monsoon,EASM)影响显著,雨季从59月,约占全年降雨总量的80%(图1c).植被类型以温带针阔混交林为主(Stebich等,2015).白江河泥炭沼泽周围为长白落叶松(Larix olgensis)林所环绕,伴生树种有白桦(Betula platyphylla)、蒙古栎(Quercus mongoli-ca)、糠椴(Tilia mandshurica)、臭冷杉(Abies nephrole-pis)、鱼鳞云杉(Picea jezoensis)、核桃楸(Juglansmandshurica)和色木槭(Acer mono)等.白江河泥炭沼泽总面积约1.89km2,白江河上源河段自西向东流过,将其分为南北两部分(图1d).水源补给主要来自大气降水和周围山地的径流输入.泥炭沼泽地表植被分布的空间异质性强:东北部以草本植物中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期573为主,如苔草(Carex spp.)、三叶睡菜(Menyanthes trifo-liata)、鸢尾(Iris setosa)和木贼(Equisetum hyemale)等,灌木的覆盖率小于20%,泥炭藓(Sphagnum spp.)广泛分布(网络版附图S1a,http:/).西北部,灌木覆盖率高达90%以上,金露梅(Potentilla fru-ticosa)占绝对优势,伴生少量油桦(Betula ovalifolia)和狭叶杜香(Ledum palustre)(附图S1b).南部则以长白落叶松-油桦-苔草-泥炭藓群系为主(附图S1c).3材料和方法3.1泥炭样品采集2019年78月使用泥炭钻在白江河泥炭沼泽详细勘测了93个点的泥炭厚度(图2a),其中3个点采集了完整泥炭样芯(BJH3、BJH4和BJH26,图1d中的红色点)用以剖面年代测定、植物大化石分析和碳累积速率计算(附图S2).在20个点采集了剖面底部样品(图1d中黑色和棕色点)用于基底年代测定,基于上述23个基底年代探究泥炭沼泽的初始发育和横向扩展过程.20个基底样品和3个完整剖面在野外描述沉积特征并拍照后(附图S2S3),以1cm间隔现场分样,所有样品做好标记后带回实验室冷冻保存.3.2AMS14C测年和年代-深度模型本研究所有测年样品采用加速器质谱14C测年法(AMS14C).3个完整泥炭剖面的测年层位根据剖面颜色、植物组成和分解程度变化确定(表1).对于泥炭剖面的基底年代测定,由于大多数情况下底部是由矿质土壤逐渐过渡到泥炭(附图S3),因此,测年层位根据实验室内有机碳含量测定来确定.每个剖面中有机碳含图 1白江河泥炭沼泽位置(a)、白江河泥炭沼泽和附近的古气候记录(b)、白江河泥炭沼泽的温度和降水模式(c)以及本研究在白江河泥炭沼泽的取样点(d)(b)包括金川泥炭沼泽(Zhang等,2019a)、哈泥泥炭沼泽(Hong等,2005)、四海龙湾玛珥湖(Stebich等,2015)和小龙湾玛珥湖(Chu等,2014).(c)数值为靖宇气象站19952015年间月平均气温和降水董彦民等:中全新世以来白江河泥炭沼泽的发育过程及其控制因素574量超过15%的最底部深度作为测年层位(柴岫,1990).对于所有待测年样品,首先在显微镜下挑选泥炭藓、种子、苔草的地上部分做测年材料.部分样品由于分解程度高,无法挑选上述测年材料,使用泥炭全样进行测年.所有挑选的测年材料经由酸-碱-酸处理后(Olsson,1986),在东北师范大学真空合成系统上进行石墨靶制备,制好的石墨靶送往台湾大学AMS14C测年实验室进行年代测定.3个泥炭剖面的年代-深度模型使用R语言(Bl