树轮同位素与卫星植被记录揭示黄石高原火山场从冷逸散向热逸散的转变

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Tree-ring isotope and satellite records of vegetation changes reveal transition from cold to hot degassing in the Yellowstone Plateau volcanic field

　　

岩浆逸散通常为岩浆系统的变化提供最早的线索，然而探测和表征逃逸气体具有挑战性。近期研究表明，基于卫星的归一化植被指数（NDVI）计算可能为探测逸散变化提供一种间接方法。本研究利用树轮δ¹³C、δ¹⁸O和放射性碳（¹⁴C）数据评估NDVI作为扩散岩浆逸散代用指标的有效性，并深入认识美国黄石高原火山场Tern Lake热区（TLTA）的发育过程。研究人员测定了TLTA四棵树木和两棵对照树木木材中的δ¹³C、δ¹⁸O和¹⁴C。¹⁴C数据表明TLTA树木在1990年代暴露于显著的岩浆CO₂逸散，证实了当时在无其他逸散指示条件下观测到的卫星NDVI变化。岩浆逸散还增加了距逸散中心最近树木的水分可利用性，表现为1980年代至1990年代δ¹³C和δ¹⁸O值相对于背景持续降低。2000年代初H₂S逸散增强损害了气孔功能，导致δ¹³C和δ¹⁸O值升高。这些同位素值与NDVI呈强相关，表明地面与卫星方法得出相似结论。综合卫星与同位素数据集表明，TLTA逸散在2000年代初之前以低温CO₂排放为主、H₂S极少，之后转变为具有显著CO₂和H₂S排放的高温系统。这些结果为越来越多的证据增添了新内容，表明植被响应可以成为岩浆逸散的有效代用指标。

研究背景方面，卫星观测已成为火山监测的有力工具，具有全球覆盖和频繁重访的优势，可监测热异常、形变和SO₂排放等。然而火山CO₂排放的卫星探测受限于大气CO₂背景浓度高，地基测量又 labor-intensive 且覆盖范围有限。CO₂是除水外最丰富的岩浆气体，对理解岩浆系统变化至关重要。近期研究提出植物对升高CO₂浓度的响应（即CO₂施肥效应，CO₂ fertilization）可能作为卫星探测火山CO₂排放的可行代用指标，通过NDVI进行观测。树轮¹⁴C可记录岩浆CO₂暴露历史，稳定碳氧同位素则可反映气孔导度（stomatal conductance）和净光合作用（net photosynthesis）的变化。黄石高原火山场（YPVF）年CO₂排放量估计为10–60 kt d^?1。TLTA是2010年代通过Landsat 8夜间热红外影像发现的新增热异常区，此前为健康的扭叶松（lodgepole pine）林。此前研究利用NDVI发现TLTA在树木死亡前存在植被健康持续增加的現象，推测由CO₂施肥效应引起，但缺乏直接逸散测量加以证实。本研究旨在利用树轮同位素数据验证NDVI作为岩浆逸散代用指标的可靠性，并揭示TLTA过去四十年的逸散变化历史。

研究方法方面，研究人员采集了TLTA内四棵树木（T3、T4位于活跃热区，T8、T9位于树杀区北缘）和两棵对照树木（T14、T15，距热区约150 m）的树芯样本，分析时段为1985–2022年。关键技术方法包括：（1）树轮宽度测量与交叉定年；（2）α-纤维素提取后，利用同位素比值质谱仪（IRMS）测定δ¹³C和δ¹⁸O值；（3）利用加速器质谱仪（AMS）测定¹⁴C浓度，并通过质量平衡方程计算年均可燃碳暴露量（C_mag）；（4）重新分析Bogue et al.（2023）的Landsat 5/8/9 NDVI影像数据（空间分辨率30 m）。样品队列来源为美国黄石国家公园Tern Lake热区，采样时间为2022年9月。

研究结果方面，（1）放射性碳：TLTA两棵树木（T3和T4）在1990年代显示显著且高度变化的C_mag值，T4最高达38.4 ppm（1995年），T3最高达11.4 ppm（1996年），表明1990年代存在显著岩浆CO₂逸散；对照树T14未记录到岩浆碳摄入。（2）稳定碳同位素：扣除背景信号后，T3和T4在1985–2000年间δ¹³C_diff普遍低于背景值，表明气孔导度增加；2000年代初期δ¹³C_diff开始上升，T3和T4在2001–2011年间升高约3‰。（3）氧同位素：T3和T4在1985–2000年间δ¹⁸O_diff持续低于背景约2‰，2000年后升高并维持较高值至2022年。（4）树轮宽度：T3和T4在2000年开始持续下降，2005年后加剧。（5）NDVI：TLTA树木NDVI在1985年至2001/2002年间相对背景逐渐升高，之后下降，2006年后加速下降，2016年后趋于稳定。NDVI与T3和T4的δ¹³C和δ¹⁸O均呈显著负相关（T3：r = ?0.83和?0.48；T4：r = ?0.77和?0.57，p < .05）。

讨论部分，研究人员基于双同位素模型（dual isotope model）解释了岩浆逸散对植物的多种影响途径。2000年以前，TLTA以低温CO₂逸散为主，岩浆水蒸气凝结增加了土壤水分和空气湿度，提高了气孔导度，促进了植物生长，表现为δ¹³C和δ¹⁸O降低及NDVI升高。1990年前后北部边缘出现局部H₂S胁迫信号（T8和T9的NDVI下降、δ¹³C升高）。2000年代初H₂S排放增强导致气孔导度降低，δ¹³C和δ¹⁸O升高，树轮宽度下降。2004年首次卫星探测到热异常，2007年确认，此后土壤加热超过根系崩溃的临界温度阈值（约+4 °C），导致大规模树木死亡。研究还发现2000年后C_mag值 paradoxically 降低，归因于H₂S对下部枝叶的损害和冠层稀疏化加速了CO₂扩散。NDVI与同位素数据的强相关性证实了NDVI作为岩浆逸散代用指标的有效性，但NDVI与C_mag之间缺乏年度相关性，可能受Landsat像元内空间异质性、CO₂排放的高时空变异性及气体行为变化等因素影响。综合同位素与卫星数据，研究人员提出TLTA逸散经历了从冷CO₂逸散（硫被地下水系统完全洗涤）到热逸散（热流体输入超过地下水系统吸收能力）的转变，这一转变在约十年内完成。

结论部分翻译：研究人员测定了YPVF内一个快速演化且活跃逸散的热区中活树和死树近四十年记录的碳氧同位素。通过将该记录与推断植被健康的卫星NDVI计算值进行比较，研究人员能够追踪岩浆逸散变化如何影响该区域树木以及这些变化如何反映在卫星影像记录中。在1980年代和1990年代，未来TLTA树杀区内的树木暴露于岩浆逸散，相对于未受逸散影响的附近树木具有大幅δ¹⁸O和δ¹³C亏损。这些亏损提供了强有力证据表明逸散在2000年之前增加了TLTA的水分可利用性。水分可利用性的增加提高了气孔导度并促进了植物健康，使NDVI相对于背景区域逐渐升高。¹⁴C数据证实了TLTA中心两棵树木的岩浆CO₂摄入，但随着2000年代初中期逸散增强，岩浆CO₂摄入显著下降。研究人员将这一看似矛盾的发现归因于硫对树木下部枝条的损害减少了树木对岩浆CO₂排放的暴露，以及冠层稀疏化使CO₂排放更快扩散。高岩浆CO₂暴露确实与1995–1997年热区NDVI增加期大致吻合，但稳定碳氧同位素记录表明这更可能由岩浆H₂O可利用性增加而非直接岩浆CO₂施肥效应引起。岩浆CO₂和H₂O密不可分，因此NDVI仍可作为岩浆CO₂通量的有效代用指标。如果岩浆水是火山逸散环境中对植物有益的主要因素，那么使用更直接评估水分可利用性的测量（如蒸散量）可能是从太空测量扩散火山逸散更有效的方法。本研究为越来越多的证据增添了内容，表明卫星观测植物对岩浆逸散的响应可用于理解火山系统的复杂变化。