中国东北部最南端高纬度永久冻土区的全新世沼泽碳埋藏过程及其影响因素

《CATENA》：Holocene marsh carbon burial in the southernmost high-latitudinal permafrost region in Northeast China: Processes and influencing factors

湿地碳埋藏速率及其驱动机制研究——以中国东北高纬度永久冻土区为例，通过三个剖面（HEIHE、HUMA、TAHE）分析发现碳积累速率差异显著（1.14-7.80 g C m?2 yr?1），气候和植被是主要驱动因素，地形和人类活动亦起重要作用，揭示冻土区湿地碳动态异质性及评估挑战。

　　在当前全球气候变暖的背景下，碳达峰和碳中和已成为全球关注的重要议题。明确碳储量并探索碳循环机制是掌握碳动态变化、实现可持续发展的关键基础。湿地作为生态系统的重要组成部分，通过水文过程和沉积作用将部分有机碳埋藏于沉积物中，成为一种重要且相对稳定的碳库。研究表明，湿地土壤表层一米的有机碳储量占全球同深度土壤有机碳储量的约12%。而在寒温带和亚寒带地区，富含碳的湿地能够储存约455皮克摩尔碳（Pg C），自冰期后沉积速率平均为0.096 Pg C每年，这使得这些区域成为陆地碳库中效率最高的之一，原因在于其被水淹没的缺氧环境显著降低了有机物的分解速率。

东北中国北部的冻土区是高纬度冻土带最南端的一部分，其湿地分布广泛，是重要的内陆碳库。该区域的湿地系统主要由沼泽构成，这些沼泽能够将大量有机碳埋藏于沉积物中，对区域碳循环具有重要影响。该地区的地形较为平缓，广泛分布的冻土以及寒冷湿润的气候条件有助于水体的滞留和植被残体的分解抑制，从而促进有机碳的埋藏和形成泥炭（gyttja）。此前的研究估计，东北地区湿地的有机碳储量约为4.34吉吨（Gt），这凸显了该区域在全球碳循环中的重要性。

然而，随着当代全球变暖的加剧，该地区的湿地退化和冻土融化现象日益显著，这可能对区域碳循环平衡产生严重威胁。冻土融化不仅会释放出大量甲烷和二氧化碳，还可能改变湿地的碳储存能力，使其成为气候风险下的重要潜在碳源。因此，对东北地区冻土区湿地碳埋藏机制的研究显得尤为迫切和关键。

碳积累速率（Carbon Accumulation Rate, CAR）是衡量湿地生态系统碳储存能力的重要指标，被广泛应用于碳储量研究中。CAR反映了有机质输入、沉积和分解之间的净平衡，其变化受到多种因素的影响，包括气候、植被、地形和人类活动等。其中，温度被认为是影响碳埋藏过程的关键因素，一些研究表明，温度可能是碳积累速率变化的主要驱动因素。温度不仅调控区域生产力，还影响沉积物中有机质的矿化分解速率。此外，植被的多样性及其覆盖度也对碳埋藏产生复杂的影响。不同植被类型的生产力存在差异，从而影响其对碳埋藏的贡献。高生产力的植被可以提供更多有机质资源用于沉积物中的碳埋藏，而更高的植被覆盖度则可能减少沉积物中碎屑物质的输入，因此其多方面的影响需要综合考虑。

除了区域性的因素，局部环境条件同样对碳埋藏过程产生重要影响。例如，湿地系统的发育程度、土壤性质以及水文条件等，都会在一定程度上调控碳的埋藏效率。同时，随着人类活动的加剧，人为因素对内陆碳循环的影响也不容忽视。例如，土地利用变化、农业活动以及基础设施建设等，都可能改变湿地的碳储存能力。因此，对湿地碳埋藏机制的研究需要综合考虑自然和人为因素的影响，以实现对碳循环过程的全面理解。

东北地区的湿地系统因其独特的地理位置和气候条件，成为研究碳埋藏机制的重要区域。作为重要的生态屏障和气候响应敏感区，东北地区的湿地研究近年来不断增加。以往的研究主要集中在季节性冻土区的碳富集泥炭地，例如三江平原的湿地，以及一些特定的地点，如哈尼、紫变、红土和金涛泥炭地。这些研究揭示了区域尺度上的碳积累模式，认为太阳辐射和季风强度等大尺度控制因素在碳积累过程中起到主导作用。然而，尽管已有大量研究，当前对冻土区湿地碳埋藏机制的理解仍然有限。

特别是，营养贫乏的沼泽作为高纬度冻土区的重要组成部分，尚未得到充分研究。这种研究的不足可能导致对区域碳储量和碳通量的误估。此外，由于冻土分布、植被带和地形等因素的差异，湿地类型在空间上的异质性显著，这表明碳埋藏机制可能在不同地区表现出较大的差异。目前大多数研究集中在单一地点，难以全面反映这种复杂性。因此，有必要进一步开展长期定量研究，特别是对冻土区湿地碳储存机制的深入分析，以实现对这一敏感区域碳循环的更准确和全面的理解。

本研究选取了东北中国最南端的高纬度冻土区内的三个沼泽沉积剖面，进行了采样和分析，从而为湿地碳储存对环境变化的多样化响应提供了新的视角。研究基于精确的年代深度模型，利用总有机碳含量（TOC）、沉积速率（SAR）和干密度（DBD）等指标，结合经验公式，评估了这些沼泽自全新世以来的碳积累速率变化。通过分析潜在影响因素，如环境背景和人类活动，研究揭示了不同沼泽剖面碳积累速率的变化特征及其驱动机制。

研究结果表明，三个沼泽剖面的碳积累速率分别为1.68克碳每平方米每年（HEIHE剖面）、1.14克碳每平方米每年（HUMA剖面）和7.80克碳每平方米每年（TAHE剖面），平均值为3.54克碳每平方米每年。这些数值表明，该区域的碳埋藏速率相对较低。在东北地区，这些沼泽的碳积累速率显著低于三江平原南部的碳富集泥炭地。这一差异可能与不同湿地类型的生态特征和环境条件有关。例如，HEIHE和HUMA剖面的碳积累速率在全新世早期和晚期较高，而TAHE剖面则在中全新世到晚全新世期间表现出较高的碳积累速率。

进一步分析发现，HEIHE和HUMA剖面的碳积累速率主要受沉积速率的影响，而局部因素则在其中起到了显著作用。相比之下，TAHE剖面的碳积累速率则主要由有机碳含量控制，并且与区域内的阶段性优越水热条件和旺盛的植被活动高度一致。这表明，在不同湿地系统中，碳埋藏机制可能受到不同的主导因素影响。温度和植被可能是影响冻土区湿地碳埋藏机制的主要驱动因素，但局部环境和人类活动的影响同样不可忽视。

本研究的发现对于理解湿地碳循环机制、评估碳储量以及预测未来碳动态变化具有重要意义。通过分析不同沼泽剖面的碳积累速率及其变化趋势，研究揭示了环境变化对碳埋藏过程的多样化影响。同时，研究也强调了在估算内陆碳储量和预测未来碳动态时，应充分考虑湿地类型的多样性及其环境条件的异质性。只有这样，才能更准确地评估碳循环过程，为全球气候变化背景下的碳管理提供科学依据。

在研究方法上，本研究通过连续采样，获取了三个沼泽剖面的沉积物样本，每个剖面的采样深度相似，分别为84厘米（HEIHE）、84厘米（HUMA）和81厘米（TAHE）。样本被封装在独立编号的密封袋中，以确保其完整性。新鲜的样本被切割、包装并用铝盒进行标记，随后在恒温烘箱中于40摄氏度下干燥，直至重量稳定。这一过程确保了样本的高质量和可重复性，为后续的碳含量测定和沉积速率计算提供了可靠的基础。

基于年代深度模型，研究发现这三个沼泽剖面的底部年龄和沉积速率存在显著差异。例如，HEIHE剖面的年代跨度为412至10,617年之前（cal. yr BP），其平均沉积速率为0.84×10?2厘米每年。该剖面的碳积累速率在全新世早期和晚期较高，而在中全新世时期则相对较低。HUMA剖面的年代跨度为394至9,248年之前，其沉积速率和碳积累速率的变化趋势与HEIHE剖面相似，但时间范围略短。相比之下，TAHE剖面的碳积累速率在中全新世到晚全新世期间表现出较高的值，这可能与其优越的水热条件和旺盛的植被活动有关。

研究还探讨了不同影响因素对碳积累速率的作用。例如，环境背景和人类活动可能在不同时间段对碳积累速率产生不同的影响。在全新世早期，由于气候条件的相对稳定，沉积速率和有机碳含量可能共同决定了碳积累速率的变化。而在全新世晚期，随着气候的进一步变化，局部因素和人类活动的影响可能更加显著。因此，研究强调了在分析碳埋藏机制时，应综合考虑多种因素的作用，包括气候、植被、地形和人类活动等。

此外，研究还指出，尽管温度和植被是碳埋藏的主要驱动因素，但局部环境和人类活动的影响同样不可忽视。例如，地形的起伏可能影响水文条件，从而调控沉积物的输入和输出。而人类活动，如农业扩张和土地利用变化，可能改变湿地的生态结构，进而影响碳埋藏的效率。因此，在进行碳储量估算和未来碳动态预测时，必须充分考虑这些因素的综合影响。

研究的结论表明，东北中国北部冻土区的沼泽在碳埋藏过程中表现出不同的响应特征。HEIHE和HUMA剖面的碳积累速率主要受到沉积速率的影响，而局部因素在其中起到了重要作用。相比之下，TAHE剖面的碳积累速率则主要由有机碳含量决定，并且与区域内的水热条件和植被活动高度相关。这一发现表明，不同湿地系统的碳埋藏机制可能受到不同的主导因素影响，从而导致碳积累速率的差异。

总体而言，本研究为理解冻土区湿地碳埋藏机制提供了新的视角。通过分析不同沼泽剖面的碳积累速率及其变化趋势，研究揭示了环境变化对碳埋藏过程的多样化影响。同时，研究也强调了在估算内陆碳储量和预测未来碳动态时，应充分考虑湿地类型的多样性及其环境条件的异质性。只有这样，才能更准确地评估碳循环过程，为全球气候变化背景下的碳管理提供科学依据。