长白山泥炭地中非自生源碳积累过程及其对晚全新世气候变化的响应

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：The non-autogenic carbon accumulation process in a peatland of the Changbai Mountains and its response to climate changes during the Late Holocene

泥炭地碳积累与气候驱动因素研究，以长白山Zhibian泥炭地为对象，重建了千年和数十年尺度非自生成碳积累率（NCAR），揭示了太阳辐射、温度及降水对NCAR的协同作用，长期变化由三因素共同驱动，短期水条件敏感性显著，持续变暖与干旱可能逆转泥炭地碳汇功能。

　　

刘文凯|张明明|弗兰克·M·钱伯斯|高玉珠

中国长春市东北师范大学地理科学学院，教育部长白山地理过程与生态安全重点实验室，邮编130024

摘要

泥炭地碳积累是全球碳循环中的一个重要过程，然而诸如长期分解和生态系统演替等自发生过程常常掩盖了气候的影响。为了更有效地分离气候因素，我们研究了位于长白山南部边缘的志边泥炭地，该地区受到东亚季风（EASM）的强烈影响。这种对气候敏感的环境为我们提供了研究非自发生因素对泥炭碳动态影响的机会。在本研究中，我们使用概念模型重建了千年和十年时间尺度上的非自发生碳积累率（NCAR）。基于这些结果，通过分析植物化石和基本的物理化学指标来确定泥炭碳积累阶段的特征。随后，我们分析了不同时间尺度上泥炭地碳积累对温度和水文气候变化的敏感性。研究结果表明，千年时间尺度上的泥炭地碳积累受太阳辐射、温度和水文气候的共同影响。太阳辐射、温度和降水的变化会改变初级生产力和分解过程，从而影响志边泥炭地的NCAR。在过去的几十年里，水分条件似乎是影响NCAR的关键因素。持续的变暖和水分减少可能导致泥炭分解加剧，进而降低NCAR，并使泥炭地从碳汇转变为碳源。

引言

泥炭地含有全球陆地土壤碳库的大约三分之一（Yu等人，2010年）。在过去的一千年里，气候变化影响了泥炭地中的植被初级生产和分解过程，从而控制了泥炭地的碳动态（Charman等人，2013年）。然而，泥炭地中复杂的生态系统过程可能会掩盖气候变化对泥炭地发育的影响，导致泥炭地碳动态受到泥炭地自发生过程信号的影响（Morris等人，2015年）。例如，北部泥炭地的自发生水文反馈可以调节其对不同降水和温度变化的响应（Waddington等人，2015年）。这可能导致重建的泥炭碳积累在特定时期与实际碳平衡有所偏差（Liu等人，2024年），研究人员往往对此问题关注不足。因此，在研究泥炭地的碳动态时，有必要区分泥炭记录中的气候特征和内部自发生过程。

温度和降水是控制泥炭地碳封存的重要因素。大量研究表明，在生长季节，泥炭地中的植被生产力超过了有机物的分解速率，从而促进了碳封存（Yu等人，2009年；Charman等人，2013年，2015年；Wang等人，2014年；Zhao等人，2014年）。然而，也有研究表明高温可能会加速泥炭地的水分蒸发和蒸腾作用，进一步影响微生物活动，从而加剧泥炭地的碳损失（Dorrepaal等人，2009年；Hodgkins等人，2014年）。此外，一些研究揭示了泥炭碳动态与水文条件之间的关系，例如全新世期间泥炭碳积累率的高值与增强的东亚夏季季风（EASM）相对应（Wang等人，2014年；Zhao等人，2014年），而芬兰南部的一项研究发现干旱条件加剧了泥炭地的碳损失（Zhang等人，2020b）。在极端气候事件加剧的背景下，气候对泥炭地碳动态影响的复杂性增加了，温度和降水对泥炭地NCAR的协同效应需要进一步研究。

东北亚的泥炭地位于北部泥炭地的南部边缘，受东亚季风（EASM）的控制，这有利于研究气候因素对北部泥炭地非自发生碳积累的影响（Zhang等人，2023年；Zhang等人，2020a，2020b）。从气候强迫因素的角度来看，EASM的强烈和弱波动以及太阳辐射直接调节了区域降水和温度变化，而水热条件是泥炭地碳输入和输出平衡的核心驱动因素。这种明确的气候-碳过程相关性为分析NCAR对气候信号的响应机制提供了清晰的线索（Xia等人，2024年；Xing等人，2015年；Zhang等人，2021年）。基于长白山西部的志边泥炭地，本研究重建了泥炭地非自发生碳积累率（NCAR）的动态，并创新性地探讨了长白山泥炭地对长期和短期气候变化的响应，这将加深对气候变化下碳积累动态的理解。

研究地点

志边泥炭地（北纬42° 23′ 02.83″，东经126° 54′ 46.76″，海拔579.84米；图1a）位于中国东北部长白山的西部山麓，南北方向长约500米，东西方向长约800米，总面积约为40公顷。该地区的现代气候特征为温带湿润大陆性季风气候，受到东亚季风的显著影响

采样

使用俄罗斯型泥炭钻（直径5厘米，长度50厘米）在泥炭地中心区域采集了一个深度为250厘米的泥炭芯（标记为ZB-7）。该泥炭芯包含0至227厘米的泥炭层和228至250厘米的湖泊沉积层，本研究仅分析了泥炭层。该泥炭芯在现场以1厘米的间隔被切割后运送到东北师范大学地理科学学院进行后续分析

植被群落重建

根据植物大化石分析的结果，主要植被为草本植物，其次是木本植物和苔藓（图2）。根据上述阶段编号，第1阶段时木本植物比例较高，随后逐渐减少。草本植物主要由Carex属植物组成，其比例先增加后减少，在约2800校正年（cal. yr BP）时达到最低。第2阶段：木本植物缓慢减少，草本植物增加并占据主导地位。

长期碳动态对气候驱动因素的响应

在过去4450年中，NCAR表现出明显的千年尺度波动，同时伴随着区域温度和水文气候指标的变化（图4a）。在4450–2800校正年期间，NCAR从高值下降（图4a），温度、降水量和δ¹⁸O值也相应地发生了快速上升（图4b、c、g）。总太阳辐照度（ΔTSI）值也从初始的高值逐渐下降（图4d），ENSO方差值也逐渐减小

结论

在这项研究中，我们记录了过去4400年间志边泥炭地的非自发生碳积累情况及其对气候和环境变化的响应。研究结果表明，在千年时间尺度上，泥炭地的非自发生过程受到温度和水分条件的共同影响。在区域太阳辐射和东亚夏季季风的驱动下，持续下降的温度和降水量导致初级生产力下降

作者贡献声明

刘文凯：撰写初稿、进行正式分析、数据管理、概念构思。张明明：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金争取、进行正式分析、数据管理、概念构思。弗兰克·M·钱伯斯：撰写、审稿与编辑。高玉珠：撰写、审稿与编辑、进行正式分析。

未引用参考文献

Gorham, 1991

Zhang and Wang, 2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42371099）和“吉林省科学技术发展计划项目”（项目编号：20240602016RC）的资助。我们感谢两位审稿人的建设性评论和深思熟虑的意见，这些评论显著提高了手稿的质量。