《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：The carbon dynamic and driving mechanisms of peatland in the Changbaishan volcanic field of China
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泥炭地碳动态受气候与火山活动共同驱动，以长白山东方向红泥炭地为例，研究显示4344-1000 cal. yr BP温度和降水主导碳积累，速率达21.88 g C m?2 yr?1；1000 cal. yr BP后火山灰沉积（PAR 0.071 g P m?2 yr?1）提升碳封存效率至24.90 g C m?2 yr?1。两种高效模式分别为气候-营养型和火山灰肥化型。
张明明|刘文凯|王莉|弗兰克·M·钱伯斯
中国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，长春130024
摘要
长白山火山场是中国最大的活跃火山场之一。该地区发育了大量的泥炭地，成为国家重要的碳汇。在这一著名的火山场中，气候变化和火山喷发可能对泥炭地的碳积累过程产生了显著影响。然而，这些泥炭地的具体碳动态及其可能的驱动机制仍不为人所充分了解。为了解决这些未解决的问题，本研究选择了东方红南泥炭地作为研究对象。调查结果表明，该泥炭地从全新世晚期开始储存碳。在4344至1000年前，温度和降水是调节东方红南泥炭地碳动态的主要因素。然而，自1000年前至今，火山灰沉积成为影响泥炭地碳动态的主要因素。此外，在东方红南泥炭地中可以区分出两种高效碳封存模式。第一种模式被称为“气候-养分型”：在降雨量增加和太阳辐射强烈的环境中，较高的温度可能提高莎草属植物的生产力；同时，湿润的条件有利于泥炭的保存，从而有助于碳的捕获。此外，养分磷以每年每平方米0.058克的速率被输送到泥炭地中，提高了生长在其中的植物的净初级生产力。这些综合效应导致了高达每年每平方米21.88克的碳积累率。第二种模式被称为“火山灰肥力型”：火山灰释放了大量的磷（每年每平方米0.071克），丰富的磷供应促进了莎草属植物和苔藓的净初级生产力，最终使得碳积累率达到每年每平方米24.90克。这些发现加深了人们对气候变化、火山活动与泥炭地碳封存之间关系的理解，也为预测东北亚地区未来泥炭地的碳动态提供了重要依据。
引言
泥炭地是地球上最大的陆地碳库之一（Yu等人，2010年），储存了全球大约三分之一的土壤碳储量（Gorham，1991年）。因此，这一重要的生态系统在调节全球碳循环和气候变化方面发挥着关键作用（Joosten等人，2016年）。遗憾的是，目前尚不清楚泥炭地的碳封存对气候变化和养分输入等潜在驱动因素的敏感性。具体而言，泥炭层的特征是有机物分解速率降低和分解周期延长（Clymo，1984年）。泥炭地的碳封存对于理解全球碳平衡具有重要意义（Young等人，2021年）。值得注意的是，泥炭地的碳封存能力取决于植物碳吸收与微生物呼吸之间的微妙平衡（Loisel等人，2021年）。驱动因素能够影响这些过程，进而影响泥炭地的碳动态。
通常情况下，植被的生长受温度波动的影响。在植被生长期间，较高的温度更倾向于提高植物生物量的产生率，而不是加速有机物的分解（Friedlingstein等人，2006年）。然而，某些研究表明，温度上升可能导致泥炭地的碳封存效率下降。这是因为高温加速了微生物的代谢活动，从而增强了有机物的分解（Dorrepaal等人，2009年；Chaudhary等人，2020年）。除了温度外，降水也对调节泥炭地的碳积累过程起着关键作用。它通过改变植被群落的发展顺序、影响植被的整体生产力以及在有氧或厌氧条件下的有机物分解来发挥作用（Loisel和Garneau，2010年）。例如，降水增加通常会导致泥炭地水位上升，有助于减少有机物的损失（Yu等人，2009年）。相反，降水减少通常会导致泥炭地水位下降，从而实现高效的碳储存（Piilo等人，2020年）。迫切需要研究温度和降水对泥炭地碳积累过程的影响。总之，温度和降水对泥炭地碳封存的具体影响仍不清楚（Morris等人，2018年）。
当前的观测数据显示，火山喷发，特别是火山灰的沉积，会对泥炭地的两个方面产生显著影响（Gunnarsson等人，2015年）。一些研究表明，火山可能是邻近活跃火山中心的泥炭地的主要养分来源（Payne和Blackford，2005年；Ratcliffe等人，2020年）。此外，火山灰沉积可以改变泥炭地内的植被演替过程，这种效应主要由火山灰释放的养分驱动（Stewart等人，2020年）。鉴于这些动态，泥炭地的碳封存过程在很大程度上受到火山灰沉积的影响（Hughes等人，2013年）。然而，针对远离火山中心的地区火山活动影响的现代研究得出了不同的结果（Hotes等人，2004年）。尽管如此，不同火山灰层释放养分的速率可能存在差异，这些差异可能导致泥炭地碳循环对火山灰沉积的反应不同（Hotes等人，2006年）。尽管有这些见解，但火山来源养分在塑造泥炭地碳封存能力方面的具体作用却很少受到研究关注。
关于位于北方和亚北极地区的泥炭地碳积累过程的研究引起了广泛关注（Vitt等人，2000年）。另一项研究也在东北亚进行，该地区是全球主要的泥炭地分布区之一。该地区受到东亚夏季季风（EASM）和周期性火山活动两个重要环境因素的影响（Zhang等人，2023年）。长白山火山场是中国最大的活跃火山场之一，这里发育了许多泥炭地。然而，目前尚无研究探讨气候变化和火山活动的综合效应如何影响该火山场泥炭地的碳封存能力。这些未解决的研究空白影响了对温带泥炭地未来碳循环预测的准确性。了解使泥炭地实现高效碳封存的因素，对于预测不同潜在环境情景下泥炭地碳储存的变化具有宝贵意义。因此，为了确定东北亚泥炭地碳动态的驱动因素，重建这些泥炭地的历史碳封存变化至关重要。
在本研究中，我们利用两个精确测年的高分辨率数据集，记录了长白山火山场中部一个天然泥炭地的碳封存情况。东方红南泥炭地的泥炭积累历史长达4000多年。该泥炭层的记录详细展示了气候变化与泥炭地碳封存过程之间的相互关系。此外，该泥炭地位于长白山天池火山的影响范围内，其泥炭沉积物中也包含了火山活动如何影响泥炭地碳封存的证据。我们的研究目标有两个：首先，揭示长白山火山场泥炭地的历史碳封存模式；其次，探讨气候变化、火山活动与该地区泥炭地碳封存能力之间的联系。通过这些研究工作，我们旨在提高科学界对火山场泥炭地碳积累动态如何响应周围环境变化的理解。
东方红南泥炭地背景
东方红南泥炭地（北纬42°10′35.25″，东经128°18′30.92″，海拔1168.9米）位于东亚夏季季风的北部边缘，使其成为本研究的理想地点（图1a）。从地理上看，该泥炭地位于长白山天池火山的东北方向（图1b）。其总面积约为16公顷，南北方向延伸约320米，东西方向延伸约400米（图1c）。现场调查的结果显示...
样品采集和预处理程序
2021年，使用俄罗斯式泥炭取芯器从东方红南泥炭地获取了两个泥炭芯。两个芯的底部都延伸到了下层的粘土沉积物。由于来自不同泥炭积累区的泥炭芯能更好地代表该泥炭地的碳封存状况，因此从泥炭地中部采集了DFHN1芯（含有137厘米的泥炭沉积物），而DFHN2芯（含有111厘米的泥炭沉积物）则来自...
泥炭物理性质特征
DFHN1和DFHN2芯的基底泥炭年龄分别约为4344年前（深度137厘米处）和5313年前（深度111厘米处）。两个芯都含有两层不同的火山灰，其中一层灰色火山灰覆盖在黄色火山灰之上。这些特征与长白山天池火山的火山灰相符（Pan等人，2016年）。在DFHN1芯中，火山灰层下的泥炭年代约为1077年前；在DFHN2芯中，这一年代约为1102年前...养分输入对泥炭地碳动态的影响
养分输入被认为是影响泥炭地碳动态的重要因素（Bragazza等人，2012年）。养分供应可以影响生产力和微生物活动，从而在泥炭地的P:N:C比和碳循环之间建立内在联系（Malmer，1988年；Hessen等人，2004年）。一般来说，养分输入可以通过多种途径影响泥炭地的碳封存（Beer和Blodau，2007年）。例如，它们可以调节形成泥炭的植物的初级生产力...结论
在本研究中，我们记录了位于长白山火山场中部的东方红南泥炭地的碳动态历史，以阐明此类泥炭地碳动态的驱动机制。对两个芯的多参数分析显示，在千年火山喷发前后，泥炭层的物理和化学性质存在显著差异。
CRediT作者贡献声明
张明明：撰写初稿、项目管理、数据分析、概念构建。刘文凯：方法论研究。王莉：实地调查。弗兰克·M·钱伯斯：撰写、审稿和编辑。
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的研究结果。
致谢
本研究的资金支持来自国家自然科学基金（项目编号：42371099）和“吉林省科学技术发展计划项目”（项目编号：20240602016RC）。我们感谢两位匿名审稿人的建设性意见。
