过去一千年间，中国东北长白山区高山苔原生态系统的变迁

《CATENA》：Transformations of alpine tundra ecosystems over the last millennium in the Changbai Mountains of Northeast China

长白山北坡高海拔苔藓泥炭地研究显示，近千年气候波动通过影响泥炭分解与积累驱动生态系统响应。14C定年揭示泥炭堆积始于1430年 Little Ice Age 期间，1950年后因变暖加速积累。δ13C和δ18O同位素分析表明2000年后干旱化与冻土融化并存，优势苔藓种从湿生Sphagnum palustre转向旱生Sphagnum teres。花粉记录证实林线（Betula ermanii）自1702年火山后持续 upslope 迁移，2010年代增速显著。研究揭示了高寒湿地-林缘系统对气候-水文联动的敏感性机制。

　　

张帅|傅宇文|于志成

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

摘要

高山冻原和树线植被对气候变化非常敏感，古记录对于记录和理解过去的生态响应至关重要。在这里，我们使用了来自泥炭土芯的多种代用指标——包括AMS¹⁴C测年、植物大化石、花粉以及Sphagnum纤维素的δ¹³C和δ¹⁸O——来研究位于长白山北坡火山口仅2.6公里处的一个地点，在过去一千年中，海拔2090米处的小面积泥炭积累区和树线植被是如何响应气候变化的。最初含有丰富根系的泥炭被测定为约1430年，即小冰期（LIA；1400–1950年）开始的时候，这比千年火山喷发晚约400年，表明在寒冷条件下草本植物根系的分解减少促进了泥炭的积累。在最初的几厘米泥炭积累量极低的阶段之后，从1950年开始碳积累速率显著加快，从约1克碳每平方米每年增加到超过100克碳每平方米每年，这反映了气候变暖导致的植被生产力增强。Sphagnum在整个泥炭层中占主导地位，但不同物种的丰度会随着水分条件的变化而变化。自2000年以来，δ¹³C从?21‰下降到?24‰，表明出现了干燥趋势，而δ¹⁸O从13.8‰上升到15.7‰，反映了永久冻土的融化和融雪水供应的减少，导致耐旱物种Sphagnum teres在养分贫瘠的泥炭区域占主导地位。来自这个树线位置的花粉记录敏感地反映了海拔植被的动态变化，特别是树线的向上迁移以及苔原区Rhododendron灌木的减少。自2000年以来加速的变暖和永久冻土融化促使树线物种（Betula ermanii）迅速向上迁移。这些高山湿地和森林-苔原生态系统的转变突显了它们对气候变化的敏感性，并强调了理解气候-水文-植被-碳循环反馈的重要性。

引言

高纬度和高海拔生态系统对气候变化非常敏感。在高纬度永久冻土地区，温度上升会加深活动层并融化永久冻土泥炭地，可能增加CO₂和CH₄向大气的释放（Dorrepaal等人，2009年；Schuur等人，2015年；Turetsky等人，2020年）。温度变化也改变了植被组成和生产力，导致了诸如灌木扩张（Myers-Smith等人，2020年）和北极绿化（Tape等人，2006年）等现象。全球范围内，由于温度升高，高山生态系统也经历了树线的向上移动（Beckage等人，2008年；Kammer等人，2009年；Kelly和Goulden，2008年；Lenoir等人，2008年）。气候变化使一些地区的植物水源从融雪转变为降雨（Berghuijs等人，2014年），并且春季融雪时间提前（IPCC，2007年；Woo等人，2008年）。这种水资源的变化也促进了灌木在泥炭地的入侵，它们竞争超过了Sphagnum和草本植物（Bragazza等人，2013年；Malhotra等人，2020年；Wang等人，2021年）。

泥炭地是重要的陆地碳汇和环境变化的可靠记录者，使它们成为气候和生态研究中的高度敏感指标（Charman等人，2013年；Yu，2012年；Yu等人，2010年）。在北极苔原的研究中，发现有机物质表层厚度从5到20厘米不等，其有机质含量超过30%（> 15%的有机碳；Cleary等人，2024年；Stansfield等人，2025年）。这一层符合泥炭的定义标准，但由于其分布零散和深度较浅（<30厘米），通常被排除在泥炭地分类之外。然而，联合国环境规划署（UNEP）的全球泥炭地评估建议将定义泥炭地的最低深度定为10厘米，这突显了浅层泥炭的重要性，并扩大了全球泥炭地的认可范围（UNEP，2022年）。

苔原泥炭斑块在功能上类似于广阔的泥炭地，都具有生产超过分解的基本机制，通常以Sphagnum等形成泥炭的植物为特征。在苔原生态系统中，泥炭斑块是泥炭缓慢积累的小区域，通常以分散的形式出现。与广阔连续的北方泥炭地不同，这些泥炭斑块由于寒冷的气候和永久冻土而保持湿润，并且分布更广泛，不受特定地形的限制。苔原泥炭斑块的分布范围和分布使它们成为生态上敏感的指标，为高纬度和高海拔地区的环境变化提供了宝贵的见解。尽管它们很重要，但在研究中却大多被忽视。最近的研究越来越多地强调了它们在碳循环和气候敏感性中的作用，特别是在极地地区（Cleary等人，2024年；Juselius等人，2022年；Yu等人，2016年；Stansfield等人，2025年）。鉴于它们的生态重要性，未来的高海拔和极地研究应更加关注泥炭斑块。

长白山的高山苔原是中国著名的苔原景观，是全球气候变化的敏感生态系统（Zhou等人，2016年）。历史上，火山活动严重扰乱了高山苔原和更广泛的区域生态系统，其中946年的千年火山喷发最为显著（Yun等人，2023年）。面对全球变暖，观察到了两个显著趋势：树线的向上迁移和草本物种的入侵（Shi和Li，2000年；Zong等人，2014年）。许多研究利用样地调查和遥感图像来监测这些变化（Du等人，2021年；Tan等人，2019年）。树木年轮分析表明，近年来Betula ermanii在树线附近出现了向上迁移的现象，这是对温度升高的响应。从树木年轮数据得出的年龄估计显示，年轻的树群已经在以前没有树木的高山苔原上建立起来，清楚地证明了温度驱动的树线前进（Du等人，2018年）。此外，使用LANDIS PRO模型重建了1702年火山事件后树木种群的演变（Wu等人，2020年）。然而，来自苔原的全面古生态和古环境记录仍然缺乏。最近在长白山苔原景观中发现的小面积泥炭斑块为苔原变化提供了近期的记录机会。泥炭记录可以揭示苔原泥炭的发展和当地植被的历史，并提供关于区域植被、气候和碳积累历史的见解。这些信息有助于更全面地理解气候变化背景下的长白山高山苔原，并在理解强烈火山干扰和气候驱动的高山生态系统变化方面具有重要的价值。

气候变化正在重塑全球降雪模式，尤其是在依赖季节性融雪的地区。长白山漫长的冬季以大量降雪为特征，使得融雪水成为该地区的重要水源（Feng等人，2022年）。在过去50年里，苔原地区的积雪面积显著减少（Zong等人，2022年）。雪对于维持地球的水循环和表面能量平衡至关重要（Beria等人，2018年；Frei等人，2012年）。温度升高减少了冬季积雪覆盖，并导致春季融雪提前（Yi等人，2015年）。融雪影响养分和溶解有机物的输出（Sebestyen等人，2008年），以及土壤湿度和地下水位。关键的是，它影响了植物生长季节的水分可用性（Jones等人，2023年）。融雪期的缩短可能会改变地下水补给的时间和程度，对以雪为主的地区的水文系统产生重大影响。温暖的春季可能导致水分赤字增加，严重影响晚季植物的生产力（Aerts等人，2006年）。积雪变化影响了许多生态过程，如植物出现的时机（Rixen等人，2008年）、生长季节植物群落的结构和生理功能（Henry等人，2018年；Liu等人，2018年；Stover和Henry，2019年）、生长季节的长度以及冻融循环的频率（Brown和DeGaetano，2011年；Jonas等人，2008年）。这些动态变化影响了高山生态系统中的土壤碳过程（Deng等人，2023年；Leroy等人，2017年）。

积雪覆盖对高山泥炭地的水文有关键控制作用；然而，在变暖情景下其作用尚未得到充分关注。阐明这一联系至关重要，因为受雪调节的水文制度从根本上控制着植被模式和碳动态（Laine等人，2019年；Maanavilja等人，2011年；Waddington和Roulet，2000年）。我们在这项研究中的目标是：（1）记录火山基底上高山泥炭斑块的喷发后形成和动态；（2）阐明气候变化下高山苔原中融雪水与降雨作为植物水源的水文变化；（3）理解长白山树线植被对气候变化的响应。

研究区域和地点

我们的研究集中在中国吉林省长白山国家自然保护区北坡的高山苔原区域的泥炭斑块上（图1a）。长白山位于东亚季风区内，海拔范围从713米到2691米，属于温带大陆性气候。年平均温度随海拔升高而降低，从4.9°C降至?7.3°C，年平均降水量从800毫米变化到1800毫米，其中60–70%的降水量发生在

放射性碳测年和年代学

AMS ¹⁴C测年结果显示，海拔约2090米处的泥炭斑块大约在1430年形成（表1），这从最深泥炭层的年龄可以看出。其他取芯地点的泥炭形成发生在过去几十年内，基底年龄分别为1955年、1987年和2013年（表1）。最长的泥炭芯PPA2的年龄-深度模型显示两个部分的积累速率差异很大（图3）。较低的部分（1430–1950年），受到两个

千年火山喷发后高山苔原气候下火山地形上泥炭形成的控制因素

长白山的苔原泥炭斑块下方覆盖着火山碎屑，从底部向上完全由泥炭组成。泥炭地的形成可以通过陆地化、沼泽化或初级泥炭形成来实现（Rydin等人，2013年）。陆地化是指水体被沉积物和泥炭填充的过程，而沼泽化描述了在持续湿润条件下干燥高地转变为泥炭地的过程。初级泥炭形成是指直接

总结与结论

我们从长白山高山苔原泥炭斑块生成的多重代用指标数据中得出以下结论：

(1)

泥炭斑块的形成和发展与气候和生态因素密切相关。长白山的环境条件使得苔原泥炭斑块可以直接在火山碎屑上形成，其初始积累受到当地植被和水文稳定性的影响。

CRediT作者贡献声明

张帅：撰写——原始草稿、可视化、软件使用、调查、正式分析、数据管理。傅宇文：撰写——审稿与编辑、调查。于志成：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、方法论、资金争取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢长白山保护与发展管理委员会对我们野外工作的许可和支持。我们还要感谢叶峰、孙静静、杨婷婉、夏英凡、严秋蕾和江月燕在野外工作中的协助；张少青在同位素分析中的实验室帮助；John Southon在AMS ¹⁴C测年分析中的帮助；以及夏正宇、孙家宏、杨桥等人的讨论和评论。这项工作得到了国家自然科学基金