自中全新世以来，区域气候和当地水文条件对中国东北锦川泥炭地碳积累过程的影响

《Quaternary Science Reviews》：Influence of regional climate and local hydrological conditions on carbon accumulation process within the Jinchuan peatland (Northeast China) since the middle Holocene

泥炭地碳积累速率时空异质性及其驱动机制研究，通过分析长白山金川泥炭地四个 cores 的碳储量、δ13C 同位素及年龄深度模型，揭示区域降水减少背景下，6.5-1.5 kyr BP 局部水文主导 CAR 空间差异，末次冰期后区域气候主导，证实水文条件是空间异质性关键因子，为碳汇预测提供新视角。

　　本研究探讨了气候因素和局部条件如何影响吉林省长白山脉地区金川（JC）沼泽地碳积累速率（CAR）的空间异质性和一致性。通过对四个来自该沼泽地的泥炭柱进行分析，研究人员能够深入了解自全新世中期以来的碳积累过程及其驱动机制。研究发现，这四个泥炭柱的CAR值分别为62.9、53.4、44.2和47.7克碳每平方米每年，表明该地区碳积累存在显著的空间差异。这种差异主要归因于局部的地形和水分条件，而非区域性的气候因素。然而，在过去1.5千年中，JC沼泽地的CAR值趋于一致，说明区域气候开始成为主导因素。研究还指出，水分条件的变化是驱动CAR空间异质性的关键因素，而主导CAR的因素可能随时间而变化。

### 沼泽地的碳储存作用

沼泽地是陆地碳库的重要组成部分，因其高效的碳封存能力而受到广泛关注。这些生态系统能够长期储存大量的有机碳，对全球碳循环和减缓气候变化具有重要意义。沼泽地的碳积累过程受到多种因素的影响，包括气候条件、水分状况、植物组成以及局部的自然演替等。不同地区和不同时间段的碳积累速率可能因这些因素的综合作用而发生变化，从而导致碳储存能力的空间异质性。

### 研究背景与意义

研究者们发现，沼泽地的形成和发展与夏季太阳辐射、夏季与冬季的气候季节性以及区域降水和温度密切相关。这些因素通过改变植物生产力与微生物分解之间的平衡，进而影响碳积累速率。例如，在阿拉斯加的沼泽地，早期全新世期间较高的夏季温度和显著的气候季节性促进了更高的碳积累速率。类似的模式也出现在西伯利亚、芬兰、中欧、北美以及中国的多个地区。在某些情况下，局部植被和自调节机制对碳积累的影响超过了气候因素，而在其他地区，如长白山脉的劳里克沼泽地，较高的碳积累速率则与更湿润的表面条件相关。

### 水分条件与碳积累的关系

水分条件是影响沼泽地碳积累的重要环境因素。然而，水分在决定碳积累速率中的作用仍存在争议。一些研究表明，湿润的条件有助于提高碳积累速率，而另一些研究则指出水分与碳积累之间的关系并非始终是正向的。例如，在北美东北部的三个沼泽地中，仅有一个表现出水位深度与碳积累速率之间的显著正相关。此外，近期对位于中国东部中部的大小湖沼泽地和东北部的东芳红沼泽地的研究表明，碳积累速率可能对水分条件表现出阈值响应。这些不同的研究结果凸显了水分参数与碳积累之间复杂、潜在非线性的关系，因此需要进一步深入研究以更好地理解这一关系。

### 研究方法与数据来源

为了评估沼泽地的长期碳积累过程，研究人员通过多种技术提取了泥炭柱，并对其中的沉积物特征进行了分析。通常，从沼泽地沉积中心或具有最长时间记录的地点提取的泥炭柱被用于重建碳积累速率并探讨相关的影响因素。例如，Primeau和Garneau（2021）、Perrier等人（2022）以及Dong等人（2024）都利用了这种方法。此前的研究已经表明，沼泽地内部的水分条件和植物组成可能存在空间异质性。例如，在魁北克中部的Misask和Cheinu沼泽地中，同一时期不同地点的水位深度表现出不同的变化模式。在芬兰南部的Siikaneva沼泽地，两个相距约1.5公里的泥炭柱之间也观察到了植物组成的变化。这些空间异质性可能导致同一沼泽地内不同地点的碳积累模式发生变化。

### 研究区域与现场调查

本研究选取的金川沼泽地位于长白山脉西部山脚的龙岗山脉范围内，地理坐标为42°20′48″N，126°21′48″E，海拔约为618米。该地区具有典型的温带季风气候，年平均气温为3.3°C，年降水量超过700毫米，降水主要集中在夏季。为了获取该沼泽地的空中影像和地表高程数据，研究人员使用了配备激光雷达的DJI Mavic 2 Pro无人机。在95个采样点，手动俄罗斯式泥炭钻被用于确定泥炭厚度。研究团队沿着东北至西南的横断面提取了四根连续的泥炭柱，并分别命名为JCPC-1至JCPC-4。在采集样品后，研究人员记录了沉积物特征并拍摄了泥炭柱的照片，随后在现场对泥炭柱进行了切割和处理。

### 年代-深度模型与碳积累速率

通过建立年代-深度模型，研究人员确定了四个泥炭柱的基底年代分别为3.6、5.7、6.5和6.1千年之前。这些模型提供了时间分辨率分别为9.4、11.6、10.6和10.4年的数据（图2）。在JC沼泽地，平均沉积速率（SR）表现出有限的波动，通常在0.1厘米/年左右变化。其中，JCPC-1的平均沉积速率最高，达到0.12厘米/年，范围在0.06至0.33厘米/年之间，而JCPC-3和JCPC-4的沉积速率范围分别为0.05至0.25厘米/年和0.06至0.23厘米/年。这些数据表明，尽管沉积速率存在一定的空间差异，但整体变化幅度不大。

### 水分条件演变与δ13C分析

研究人员利用沼泽地沉积物中残留的维管植物的δ13C值作为重建地表水分条件的可靠指标。在湿润条件下，增加的气孔导度促进了更多的12C吸收，从而导致δ13C值降低。相反，在较干燥的环境中，减少的气孔开度降低了水分损失，增强了13C的富集，进而导致δ13C值升高。这一机制已被多项研究证实，例如Ménot和Burns（2001）以及Dong等人（2024）的研究。通过分析这四个泥炭柱的δ13C值，研究人员能够推断出该地区地表水分条件的变化趋势，并进一步探讨这些变化如何影响碳积累速率。

### 研究发现与结论

研究结果表明，JC沼泽地的地表水分条件在不同地点表现出一般性的千年尺度下降，这一趋势主要受到长白山脉区域降水的影响。在6至1.5千年之前，碳积累速率表现出空间异质性，局部的水分条件成为主导因素。然而，在过去1.5千年中，碳积累速率趋于一致，说明区域气候开始成为主要驱动因素。这一研究揭示了气候因素和局部条件如何共同影响沼泽地碳积累的空间异质性和一致性。研究还强调，水分条件的变化是驱动碳积累速率空间异质性的关键因素，而主导碳积累的因素可能随时间而变化。

### 研究意义与未来展望

本研究通过多泥炭柱分析的方法，不仅能够更准确地重建碳积累速率，还能区分气候因素和局部条件对碳积累的影响。这种方法有助于提高碳积累速率重建的精度，并增强对气候变化背景下沼泽地碳汇动态的预测能力。此外，研究结果对于理解气候驱动的碳积累过程具有重要意义，尤其是在整合局部环境影响方面。未来的研究可以进一步探讨不同气候和水分条件下的碳积累机制，以及这些机制如何影响全球碳循环和气候变化应对策略。

### 研究团队与贡献

本研究由多位研究人员共同完成，他们分别在概念化、项目管理、实地调查、数据分析、撰写、资金获取等方面做出了贡献。Yanmin Dong负责研究的整体设计、项目管理、实地调查、数据分析、撰写初稿和资金获取；Jing Li和Sizhu Li参与了数据分析和实地调查；Lu Yu也参与了数据分析和实地调查；Zhiwei Xu负责验证和编辑工作；Shengzhong Wang则负责监督、项目管理、方法设计和资金获取。研究团队的协作确保了研究的全面性和科学性。

### 研究支持与致谢

本研究得到了多项基金的支持，包括中国国家重大研发计划（2023YFF0806900）、中央高校基本科研基金（2412023QD024）以及中国国家自然科学基金（32241033, 42494822, U23A2003）。研究团队感谢东北师范大学的工程师刘山山和刘子平在实验室工作中的帮助。同时，研究团队也感谢编辑和匿名评审专家对论文提出的宝贵意见，这些意见有助于提高论文的质量和科学价值。

### 研究的局限性与建议

尽管本研究通过多泥炭柱分析方法提供了较为全面的数据，但仍存在一定的局限性。例如，泥炭柱的采集和处理过程中可能受到人为因素的影响，导致部分数据的偏差。此外，水分条件的重建主要依赖于δ13C值的分析，这一方法可能受到其他环境因素的干扰。因此，未来的研究可以结合更多的环境指标，如水化学成分、土壤微生物群落等，以更全面地理解碳积累的驱动机制。同时，增加采样点的数量和分布范围，有助于进一步揭示碳积累的空间异质性及其背后的生态过程。

### 研究的科学价值与应用前景

本研究不仅为理解气候驱动的碳积累过程提供了新的视角，还为评估沼泽地碳汇功能提供了重要的科学依据。通过分析JC沼泽地的碳积累速率和水分条件，研究人员能够更准确地预测该地区在不同气候条件下的碳储存能力。这些预测结果对于制定有效的碳减排和气候适应策略具有重要意义。此外，本研究的方法论也为其他地区的沼泽地研究提供了参考，有助于推动全球范围内对碳循环和气候变化的深入理解。

### 研究的现实意义与环境影响

在全球气候变化的背景下，沼泽地作为重要的碳汇，其碳积累能力的变化对全球碳循环和气候调节具有重要影响。本研究通过分析JC沼泽地的碳积累过程，揭示了水分条件和区域气候如何共同作用于碳积累。这些发现不仅有助于提高对沼泽地碳汇功能的认识，还为评估气候变化对生态系统的影响提供了科学支持。此外，研究结果对于制定基于生态系统的碳管理策略具有重要意义，尤其是在考虑局部环境条件和气候因素的综合影响方面。

### 研究的未来方向与建议

未来的研究可以进一步探讨不同气候和水分条件下的碳积累机制，以及这些机制如何影响全球碳循环和气候变化应对策略。此外，可以结合更多的环境指标，如水化学成分、土壤微生物群落等，以更全面地理解碳积累的驱动因素。同时，增加采样点的数量和分布范围，有助于进一步揭示碳积累的空间异质性及其背后的生态过程。这些研究方向不仅能够提高碳积累速率重建的精度，还能增强对气候变化背景下沼泽地碳汇动态的预测能力。

### 研究的科学贡献与影响

本研究通过多泥炭柱分析的方法，揭示了气候因素和局部条件如何共同影响沼泽地碳积累的空间异质性和一致性。这些发现为理解气候驱动的碳积累过程提供了新的视角，并为评估沼泽地碳汇功能提供了重要的科学依据。此外，研究结果对于制定有效的碳减排和气候适应策略具有重要意义，尤其是在考虑局部环境条件和气候因素的综合影响方面。本研究的科学贡献不仅在于揭示了碳积累的驱动机制，还在于提供了新的方法论，为未来的沼泽地研究奠定了基础。