末次冰盛期以来通过沼泽化作用形成的全球泥炭地更有利于吸收二氧化碳

《Global and Planetary Change》：Global peatlands formed via paludification since the Last Glacial Maximum are more conducive to absorbing CO 2

　　

摘要

泥炭地是重要的长期陆地碳汇，自末次冰盛期（LGM）以来，其形成过程对大气中CH₄和CO₂浓度产生了深远影响。尽管泥炭化和陆地化对全球碳循环历史的影响显著不同，但数据有限阻碍了对这些效应的清晰理解。为弥补这一空白，我们从汇集的4253条底泥年龄记录数据集中去除重复记录后，使用了611条具有明确路径信息的记录和912条无此信息的记录。基于随机森林（RF）模型和七个环境因子，我们预测了全球泥炭地的形成路径，发现较高的温度和降水量以及较低的海拔更有利于陆地化。泥炭化地点主要分布在中高纬度的大陆内部，而陆地化地点在季风区域或受暖流影响的中高纬度地区更为常见。此外，局部尺度的环境因子可能会改变同一泥炭地形成路径在不同区域的发育轨迹，并推动区域内部泥炭地形成路径与关键环境因子之间的关系偏离全球尺度上的模式。自末次冰盛期以来，泥炭化和陆地化的起始频率均有所增加。在年轻干冷期（YD）之后，泥炭化在11.0 ka B.P.达到6.8%的频率峰值，而陆地化直到9.0 ka B.P.才达到5.6%的峰值，此后陆地化开始下降，而泥炭化在6.5 ka B.P.之后迅速减少。有趣的是，通过陆地化形成的泥炭地有利于增加CH₄排放，而通过泥炭化形成的泥炭地则更容易吸收CO₂。

引言

泥炭地是重要的陆地碳库，仅占全球陆地面积的3%，却储存了约30%的全球土壤碳（Gorham, 1991）。作为全球碳循环的关键组成部分，泥炭地自末次冰盛期以来一直起着净碳汇的作用（Temmink et al., 2022; Yu et al., 2010）。泥炭地的起始标志着生态系统结构和碳封存功能的早期建立，为泥炭的持续积累创造了有利条件（Joosten and Clarke, 2002）。泥炭地形成有两条主要路径——陆地化和泥炭化——每种路径都伴随着不同的植被演替和水位波动，进而导致两条路径在CO₂封存和CH₄排放方面存在差异（Chai, 1990; Yu et al., 2013）。

陆地化是指开放水体逐渐被有机质填充，随后泥炭积累并最终形成泥炭地的过程，该过程可能遵循浅湖—非泥炭沼泽—泥炭地的演化序列（Yu et al., 2013）。相比之下，泥炭化是指地下水位上升导致土壤积水和通气减少，随后在相对干燥的矿物土壤上直接积累泥炭的过程，该路径不经过非泥炭沼泽的过渡阶段（Anderson et al., 2003）。尽管这两种形成路径都代表着向碳封存效率更高的生态系统转变，但水文条件和基质可用性的差异导致CH₄通量存在显著差异（Cui et al., 2024; Gao et al., 2025）。在陆地化过程中，浅湖阶段由于基质供应不足，CH₄通量相对较低；而泥炭地阶段由于泥炭形成植被（如泥炭藓）产生的酸性物质抑制了产甲烷活性，CH₄通量也较低（Estop-Aragones et al., 2016; Moore and Roulet, 1993）。相比之下，非泥炭沼泽阶段既有充足的基质又没有酸性条件的限制，因此是整个陆地化过程中CH₄通量最高的阶段（Yu et al., 2010）。

由于缺乏具有明确形成路径信息的泥炭地数据，大多数现有研究将泥炭地起始视为一个统一的过程，未考虑泥炭地形成路径对碳循环影响的异质性（Morris et al., 2018; Zhao et al., 2014）。这可能导致对泥炭地在碳循环中功能的不完整评估，并妨碍对其影响大气CH₄和CO₂浓度变化的精细评价。此外，泥炭地形成路径受到多种因素复杂相互作用的控制，其中外部驱动力——尤其是气候和地形——往往预设了初始景观，决定了泥炭积累是在填充的开放水面上还是在先前通气的矿物基质上开始的（Morris et al., 2018; Rydin, 2006）。温度、降水等气候因子调节有机质的生产和分解，从而决定泥炭是否能够积累，同时它们还改变供水和蒸发，最终调节水分可用性。地形通过海拔相关的气候梯度、坡度控制的地表径流和滞留时间，以及坡向相关的能量平衡和蒸散发差异来调节水文连通性（Chen et al., 2024; Loisel et al., 2017）。这些因素共同调节泥炭地形成过程中的景观演化和水位波动，构成了陆地化与泥炭化之间的关键区别（Chai, 1990）。然而，由于具有明确识别路径的观测记录有限且空间分布不均匀，在全球尺度上厘清气候、地形及其相互作用在塑造形成路径方面的相对作用仍然具有挑战性，而量化由此产生的路径镶嵌格局如何影响了自末次冰盛期以来大气CO₂和CH₄的动态变化同样困难。

本研究从已发表文献中汇集了4253条全球泥炭底泥年龄记录。在去除重复记录及空间相邻记录后，我们整合古气候同化产品与全球数字高程模型（DEM）数据，建立了包含1523条记录的数据集。我们基于611条具有明确路径信息的记录开发了RF模型，考虑了地形、气候及气候变化的影响。该模型纳入了七个关键因子：年平均气温（MAT）、年平均降水量（MAP）、年平均气温变幅（MATV）、年平均降水量变幅（MAPV）、海拔、坡度和坡向，以预测全球泥炭地形成路径并评估各因子的相对重要性。本研究的目的是：1）揭示影响泥炭地形成路径的环境因子及其相对重要性；2）在全球尺度上系统比较陆地化和泥炭化在分布和驱动因子方面的空间异质性；3）阐明自21 ka B.P.以来这些过程的历史动态及其对全球碳循环的影响。

章节摘要

构建数据集

我们从已发表文献中汇集了4253条全球泥炭底泥¹⁴C年龄记录（Chen et al., 2024; Liu et al., 2020; Morris et al., 2018; Ruppel et al., 2013; Zhao et al., 2014），并直接采用了原始研究中报告的校准年龄。为避免重复计算，我们去除了重复记录，并将距离过近的点位（距离<1′）视为一个点，保留具有最古老校准年龄的点来代表相应的泥炭斑块（

模型输出与环境因子差异

经过网格搜索优化后，RF模型的预测准确率为0.81，Cohen's kappa系数为0.52，表明预测的形成路径与观测结果之间至少有中等的一致性。最佳超参数组合确定为：n_estimators = 100，max_depth = 15，min_samples_split = 5，min_samples_leaf = 2，以及max_features = 'sqrt'。RF模型的预测结果表明，在B数据集的912条记录中，有553条被

驱动泥炭地形成路径的环境因子

陆地化与泥炭化之间的一个关键区别在于它们形成过程中水位波动的不同模式（Yu et al., 2013）。因此，影响水分供应、保持和损失的环境因子在一定程度上决定了泥炭地的形成路径（Loisel et al., 2017）。在本研究中，MAP、海拔和MAT的相对重要性明显高于其他四个因子。这一模式表明，这三个因子捕捉了

结论

本研究增强了我们对影响全球泥炭地形成路径的因子及其自末次冰盛期以来在碳循环中不同角色的理解。利用全球泥炭底泥年龄数据集和RF模型，我们预测了全球泥炭地的形成路径，并量化了控制这些路径的七个潜在环境因子的相对重要性。我们发现，降水量、海拔和温度是塑造泥炭地形成路径的三个最具影响力的环境因子

CRediT作者贡献声明

高云龙： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，方法学，调查，概念构思。高江涛： 撰写——审阅与编辑，可视化，方法学，调查。丛金鑫： 撰写——审阅与编辑，方法学，调查。韩冬学： 撰写——审阅与编辑，调查，资金获取。李广信： 撰写——审阅与编辑，方法学，调查。王国庆： 撰写——审阅与编辑，资金获取。李贝：

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益和个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助号：42494822、42301120、42330509）、国家重点研发计划（2023YFF0807201）和吉林省科学技术厅（20250101022JJ）的资助。

高云龙|高江涛|丛金鑫|韩冬学|李广信|王国庆|李贝|高传宇

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保持与利用国家重点实验室，中国长春 130102