自末次冰期以来,气候变化对兴安-贝加尔永久冻土区南部边界植被动态的影响

《Quaternary Science Reviews》:Shifting climate controls on vegetation dynamics at the southern boundary of the Xing'an-Baikal permafrost region since the Last Deglaciation

【字体: 时间:2026年07月19日 来源:Quaternary Science Reviews 3.3

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  •研究了南部分冻土区受气候影响的植被动态变化。•通过brGDGTs和花粉数据重建了过去15千年间的夏季气温与植被状况。•运用深度学习技术对brGDGTs数据进行校准,以量化植被与气温之间的关联。•植被与气候的相互作用:从以气温为主导,到受湿度影响,再到两者共同作用。引言自上次冰期

  
  • 研究了南部分冻土区受气候影响的植被动态变化。
  • 通过brGDGTs和花粉数据重建了过去15千年间的夏季气温与植被状况。
  • 运用深度学习技术对brGDGTs数据进行校准,以量化植被与气温之间的关联。
  • 植被与气候的相互作用:从以气温为主导,到受湿度影响,再到两者共同作用。

引言

自上次冰期消退以来,北半球的气温发生了显著变化(Liu et al., 2025; Tierney et al., 2020),尤其是在分布着大面积永冻土的中高纬度地区(Huang et al., 2025; Zheng et al., 2017, 2025)。植被既可作为大气与地面之间的隔热层,又能阻挡降雪,因此在永冻土的形成、维持和退化过程中起着至关重要的作用(Schuur et al., 2015)。在阿拉斯加北部和加拿大的观测研究表明,活动层厚度与地上生物量及叶面积指数呈负相关关系(Fisher et al., 2016; Walker, 2007)。然而,其他地区的研究却发现植被可能对永冻土产生负面影响,较高的植被覆盖度可能会加速永冻土的退化(Jorgenson et al., 2013)。Herzschuh及其同事的研究表明,西伯利亚的落叶松林通过植被介导的环境调节与湖泊及永冻土的动态紧密相连,这体现了植被、永冻土和湖泊系统之间更为复杂的相互作用(Herzschuh et al., 2013)。
到了20世纪末,兴安-贝加尔永冻土区的永冻土状况出现了明显变化,尤其是中国东北部地区(Peng et al., 2022),该区域是欧亚大陆永冻土的南界。在此地区,永冻土的活动层深度波动极大,而年平均气温已接近融化的临界值。对中国东北部永冻土区的大量研究表明,气候、永冻土和植被构成了一个复杂的耦合系统,其中植被分布不仅受气候影响,还与活动层深度有关(Liu et al., 2025)。例如,Zhu及其同事利用花粉数据重建了中国东北部汉马自然保护区过去1000年的植被动态变化,从而间接反映了活动层的厚度(Zhu et al., 2021)。为了更全面地了解植被如何响应气候和永冻土的变化,有必要考虑长期的演化过程。自上次冰期消退以来,该地区的气温和湿度都经历了巨大波动(Jiang et al., 2024; Sun et al., 2023)。研究植被是如何适应这些变化的,对于揭示永冻土生态系统的长期动态具有重要意义。
花粉和支链甘油二烷基甘油四醚(brGDGTs)是研究陆地古环境与古气候的可靠指标,因为它们具有明确的特性,其高维数据中包含大量信息。花粉具有物种特异性且数量丰富,能够记录过去的植被组成及区域变化情况(Faegri and Iversen, 1989)。而brGDGTs的甲基化和环化程度则分别主要受温度和土壤pH值的影响(Weijers et al., 2007)。近年来,深度学习技术与brGDGTs方法的结合使得人们能够定量重建夏季气温(Zheng et al., 2022, 2024)。在本研究中,我们旨在阐明自上次冰期消退以来,永冻土边缘最南部地区的植被覆盖度与气候因素之间的长期关系。我们分别利用brGDGTs和花粉数据,重建了距今15千年以来的夏季气温(即6月、7月和8月的平均气温)、pH值以及植被覆盖度。此外,我们还纳入了该地区的其他气候和环境因素,包括二氧化碳浓度、降水量、年平均气温以及冬季气温(即12月、1月和2月的平均气温)。

章节要点

研究区域

我们分析了来自一根长4米的沉积物岩芯(努根湖,NGH,见图1A和B)中的沼泽沉积物样本,以及其集水区的土壤样本(见图1A和B)。努根湖位于中国东北内蒙古自治区新巴尔虎左旗境内(东经119°34′,北纬47°55′,海拔848米,见图1A和B)。该地区属于凉性大陆性气候,季风影响明显:年平均气温为0℃,年均降水量为

距今15千年以来努根湖的夏季气温与土壤pH值变化

我们主要分析了努根湖表层沉积物中的brGDGTs含量(n=5)与集水区样本中的brGDGTs含量(n=10)之间的关联。研究结果表明,除了IIc’型和IIIc’型之外,其他类型的brGDGTs含量并无显著差异(见图3A)。此外,我们还计算了努根湖表层沉积物(n=5)和集水区样本(n=10)中的CBT’指数。如图3B所示,基于brGDGTs计算的pH值之间也不存在显著差异

讨论

在大约125厘米深度处,沉积速率的突然变化可能反映出自上次冰期消退以来该盆地的环境发生了快速调整。在这一深度,沉积速率显著上升,这与图2中所显示的岩性变化相吻合。这种变化可能意味着沉积条件的改变,可能与水深、沉积物供应量或湿地发育状况的变化有关。气温上升很可能加剧了永冻土的融化,进而促进了土壤侵蚀

结论

本研究通过分析兴安-贝加尔永冻土带南缘的沼泽沉积物剖面,重建了自上次冰期消退以来的夏季气温、土壤pH值以及区域植被动态变化情况。通过结合基于brGDGTs的古温度测定方法、土壤地球化学替代指标以及利用现代机器学习技术进行的基于花粉的植被重建,我们发现了植被对气候敏感性呈现出的明显三阶段特征:在上次冰期消退期间以气温为主导

开放研究

本文所依据的数据可见于Chen et al. [2015](公海地区的降水量重建)、Zhu et al. [2023]、Leng et al. [2024]以及Zhan et al. [2026](阿尔罕湖的生长温度研究)、Sun et al. [2023](TFL湖通过Paq参数推断的湖面水位研究)。本研究中使用的TraCE21模拟输出数据可在NCAR的地球系统网格网站上获取(www.earthsystemgrid.org/project/trace.html)。本研究的原始数据集包含在本文及其补充材料中

利益冲突声明

作者声明,他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金(项目编号:42230503)以及中国教育部基础学科拔尖计划(项目编号:JYB2025XDXM911)的支持。
郑玉坤|孙思涵|刘红艳|朱晨毅|李一音
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